Gri suların serbest yüzey akışlı yapay sulak alan sistemlerinde arıtım performansının değerlendirilmesi
Evaluation of treatment performance of gray water in free surface flow constructed wetlands
Yazar: ALİ TAMER ÇETİNKAYA
Danışman: DOÇ. DR. MAHMUT EKREM KARPUZCU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Döngüsel ekonomi = Circular economy ; Evsel atık su = Domestic sewage ; Serbest yüzey = Free surface ; Sürdürülebilir çevre = Sustainable environment

Özet:
Doğal kaynaklar sınırlı olmakla birlikte su, canlıların yaşamsal faaliyetlerini sürdürebilmeleri adına vazgeçilmez bir kaynaktır. Hızlı nüfus artışı ve sanayileşmenin yükselişiyle birlikte su kullanımının yoğunlaşması, küresel su kıtlığı kavramının başlıca sebebi olarak öne çıkmaktadır. Su kullanımının yoğunlaşması suya olan talebin ve su kaynakları üzerindeki baskının artmasına sebep olurken, mevcut su kıtlığının gelecek yıllarda "su krizine" dönüşmesine de sebebiyet verecektir. Dünyanın azımsanmayacak bir bölümünün şu an bile temiz içme suyuna erişimi olmadığı bilinmektedir. Bir önlem alınmadığı takdirde, zaman geçtikçe bu sorunun daha da kritik bir seviyeye ulaşması kaçınılmazdır. Bu sorunun önüne geçebilmek için sürdürülebilirlik ve döngüsel ekonomi kavramlarının su kaynakları yönetimine entegre edilmesi gerekmektedir. Atık suların yeniden kullanımı bu entegrasyonun önemli bir adımıdır. Atık suların yeniden kullanımı kapsamında da öncelikle, evsel nitelikli atık suların büyük bir bölümünü oluşturan ve az kirlilik yüküne sahip gri suların yeniden kullanımı üzerinde çalışmak makul bir çözüm önerisi olmaktadır. Bu bağlamda, gri suyun yeniden kullanımı, atık suyun önemli bir bölümünü değerli bir su kaynağına dönüştürerek, sürdürülebilirlik çerçevesinde önemli bir rol oynayacaktır. Bu bağlamda, yüksek arıtma performansı gerektirmeyen ve değeri bilinmeyen gri su, tez çalışması kapsamında irdelenmiştir.
Gri su, kirlilik oranı zayıf bir atıksu olsa dahi yeniden kullanımı için ülkemizdeki mevzuatlar çerçevesinde arıtılması, içeriğinde bulunan patojenler ve hastalık yapabilecek diğer kirleticilerin giderilmesi gerekmektedir. Bu arıtmadan sonra gri su yeniden kullanım açısından yüksek bir potansiyele sahiptir. Gri suyun yeniden kullanımı, su kaynaklarının korunmasının yanında atıksu arıtma tesisine gelen hidrolik yükün azaltılması, su temini ve atıksu arıtma kaynaklı ekonomik külfetin azaltılması gibi faydalara da sahiptir.
Yapılan tez çalışması ile yeniden kullanımı ihmal edilen kaynak olarak öne çıkan gri suyun doğal arıtma sistemlerinde arıtımı sağlanarak kritik bir sorun haline gelecek olan su kıtlığına bir çözüm önerisi getirilmek istenmiş ve Türkiye için gri su yönetimi ile ilgili doğal arıtım metodolojisi oluşturarak, bu anlamdaki boşluğu doldurmak amaçlanmıştır. Türkiye çevre politikalarına katkı sağlama amacı ile de çalışmaya özgün bir değer katmak hedeflenmiştir. Bu amaç doğrultusunda; gri suların laboratuvar çalışmaları ile karakterizasyonunun belirlenmesinin ardından, gri su ile beslenen laboratuvar ölçekli serbest yüzey akışlı yapay sulak alan reaktörünün arıtma performansı değerlendirilmiştir. 2015 yılında TÜBİTAK tarafından yayınlanan fizibilite raporuna dayanak olan Taksim'de yer alan büyük ölçekli bir otelden gri su numuneleri alınmıştır. Tez çalışmaları kapsamında elde edilen karakterizasyon sonuçları rapor değerleri ile karşılaştırılmış olup, büyük bir farklılık görülmemiştir. Pandemi koşulları nedeniyle otelin tam kapasite ile çalışmaması sonucu azot ve fosfor
xviii
gibi besin maddelerinin konsantrasyonları raporda yer alan değerlerden düşük çıkmıştır. Buna karşın daha az su tüketimi neticesinde KOİ gibi değerler için ortalamadan yüksek değerler elde edilmiştir. Çalışmalar neticesinde, organik maddelerin giderimi konusunda tatminkâr sonuçlar elde edilmiş, ancak azot giderimi konusunda istenilen arıtım performansı sağlanamamıştır. Serbest yüzey akışlı sulak alan sistemleri için en önemli giderim mekanizmaları adsorpsiyon, sorpsiyon ve filtrasyondur. Bunlara ek olarak, hasat zamanına dikkat edildiği takdirde, besin maddelerinin bitki bünyesine alımı da giderim mekanizması olarak ortaya çıkabilmektedir. Hasat zamanı gelen bitkinin sistemde tutulması ise bünyesindeki besin maddelerinin sisteme geri salınmasına neden olacağından bu durumun giderim olarak sayılamayacağı düşüncesi de çalışmalarda belirtilmiştir. Çalışmada kullanılan sistem özelinde bakıldığında, 30 günlük işletme sonunda KOİ ve TOK parametreleri için yaklaşık %90 oranında, toplam fosfor için yaklaşık %85 oranında, organik azot için yaklaşık %65 oranında, toplam azot için de %10 oranında bir giderim gözlemlenmiştir. Toplam fosfor giderimine bakıldığında, literatürdeki çalışmalara oranla yüksek bir giderim verimi elde edilmiş olsa da, sistemin işletme süresinin arttırılmasıyla bu oranın düşmesi beklenmektedir. Serbest yüzey akışlı sulak alan sistemlerinde biyolojik fosfor giderimi olmadığı için fosfor, sediment üzerinde adsorpsiyon ve bitki bünyesine alım ile giderilmektedir. Sistem başlangıcında adsorpsiyon ve bitki bünyesine alımın çok olması beklenirken, zaman içerisinde sisteme geri salınımın meydana gelmesi kaçınılmazdır. 30 günlük işletme boyunca kullanılan bitkinin hasat zamanı gelmediği ve sedimentin adsorplama kapasitesi tamamlanmadığı için giderim veriminde düşüş gözlemlenmemiştir. Giriş atık suyundaki düşük fosfor konsantrasyonu da bu durumun başka bir sebebidir. Toplam azot giderimine bakıldığında ise, literatürdeki çalışmalara oranla düşük bir giderim verimi elde edildiği söylenebilir. Azot gideriminin sağlanabilmesi için nitrifikasyon ve denitrifikasyon proseslerinin gerçekleşmesi gerekmektedir. Amonyak azotu giderimine bakılarak nitrifikasyon adımının gerçekleştiği, toplam azot giderimine bakılarak da denitrifikasyon adımının gerçekleşmediği yorumunu yapmak mümkündür. Sistemin sürekli olarak beslenmesi, açık bir sistem olması ve giriş gri suyunun zayıf karakterli olması sistem içerisindeki oksijenin tamamen tüketilmemesine ve bunun sonucunda denitrifikasyon için gerekli olan anoksik/anaerobik koşulların meydana gelmemesine neden olmaktadır.
Azot ve fosfor gibi besin maddelerinin giderimi konusunda serbest yüzey akışlı sulak alanlar etkin olmasa da yüzeyaltı akışlı sulak alanlar ile hibrit işletilmesinin sonuçları literatürden araştırılmış ve gelecek çalışmalarda bu konunun üzerinde durulması ile su sorununa daha da uygun bir çözüm bulunacağı kanısına varılmıştır. Genel olarak, çalışmada kullanılan gri suyun azot ve fosfor değerleri düşük olduğu için yetersiz görülen arıtım performansı da atık suların yeniden kullanım standartlarının içerisinde kalmasına yetmiştir. Dünya genelinde atık suyun ve özellikle gri suyun yeniden kullanım standartları incelenerek, çıkış suyunun uygunluğu araştırılmıştır. Tez kapsamında deneyleri gerçekleştirilen parametreler için standartlara uygunluk gösterilmiş olup, mikrobiyolojik indikatörler konusunda belirsizlik mevcuttur. Mikrobiyoljik indikatörler için yapay sulak alan sistemlerinin çok etkili olmadığı bilindiği için, çıkış suyunun dezenfeksiyon prosesine tabi tutulması ile bu sorunun da çözüleceği düşünülmektedir. Literatürde de bu konuyla ilgili etkinliği kanıtlanan örnek çalışmalar bulunmaktadır.
Bununla birlikte, dolgu malzemesi olarak sediment yerine içme suyu arıtma çamuru kullanımı fosfor giderimi konusunda etkin bir yöntem olarak literatürde yer alsa da, bu
xix
konuyla ilgili ülkemizde pek çalışma bulunmamaktadır. Bu konunun irdelenmesi de hem döngüsel ekonomi hem de gri su arıtımı konusunda ülkemizde doğal arıtım metodolojisi oluşturulması açısından önemli bir husus olarak ön plana çıkmakta olup bu hususta çalışmalar yapılması gerekmektedir.
Ayrıca, tez çalışmasında bu sistemin uygulanabilirliği açısından önerilerde bulunulmuştur. Buna göre sulak alan sistemleri, yüksek alan gereksinimleri nedeniyle yer kısıtı olan yerlerde çok tercih edilmemektedir.Buna karşılık özellikle villa tipi sitelerin oluşturduğu alanlarda rekreasyonel amaçlı süs havuzlarının yerini sulak alan sistemlerinin alması ile rezervuar amaçlı kullanım ve peyzaj sulama olarak gri suyun yeniden kullanımı önerilmektedir. Bununla birlikte şebeke suyu kullanımı azaltılıp, hem çevresel hem ekonomik anlamda fayda sağlanacaktır.
Su sorunu, büyük ölçekli bir su krizine dönüşmeden önlem alınması ve çözüm önerileri getirilmesi gereken ivedi bir husustur. Doğal arıtma sistemleri ise sürdürülebilirlik kapsamında kendine yetebilen sistemler olarak öne çıkmaktadır. Tez çalışması ile doğal arıtma sistemleri kullanılarak atık suyun arıtılarak yeniden kullanımı ve bu sistemlerin kullanımının yaygınlaştırılması vurgulanmıştır. Doğal arıtma sistemleri döngüsel ekonomi kapsamında değerlendirilerek, başka proseslerden çıkan atıkların giderim amacıyla kullanım çalışmalarının arttırılması gerekliliği önerilip, doğal kaynakların korunması amaçlanmıştır.

Abstract:
Water, which is a limited natural resource, is indispensable for living things to continue their vital activities. With the rapid population growth and the rise of industrialization, the intensification of water use stands out as the main reason for the concept of global water scarcity. The intensification of water use causes the demand for water and the pressure on water resources to increase. This situation will cause the current water scarcity to turn into a "water crisis" in the coming years. It is known that a substantial part of the world does not have access to clean drinking water even now. Unless a precaution is taken, it is inevitable that this problem will reach an even more critical level as time goes on. In order to prevent this problem, the concepts of sustainability and circular economy should be integrated into water resources management. Wastewater reuse is an important step in this integration. Within the scope of the reuse of waste water, it is a reasonable solution to work on the reuse of gray water, which constitutes a large part of domestic waste water and has a low pollution load. The reuse of gray water will play an important role in the framework of sustainability by transforming a significant portion of wastewater into a valuable water resource. In this context, gray water, which does not require high treatment performance and whose value is unknown, has been examined within the scope of the thesis.
Although gray water is a wastewater with a low pollution load, it must be treated within the framework of the legislation in our country for reuse. Pathogens and other contaminants that can cause disease must be removed. After this treatment, gray water has a high potential for reuse. The reuse of gray water has benefits such as both the protection of water resources and the reduction of hydraulic load to the wastewater treatment plant, reducing the economic burden of water supply and wastewater treatment.
With the thesis study, gray water, which stands out as a resource whose reuse is neglected, has been treated in natural treatment systems and it has been desired to propose a solution to water scarcity, which will become a critical problem. In addition, it is aimed to fill the gap in this sense by creating a natural treatment methodology for gray water management for Turkey. It is aimed to add a unique value to the study with the aim of contributing to the environmental policies of Turkey. Within the scope of the thesis, after determining the characterization of gray water by laboratory studies, the treatment performance of a laboratory scale free surface flow constructed wetland reactor fed with gray water was evaluated. Gray water samples were taken from a large-scale hotel in Taksim, which was the basis for the feasibility report published by TUBITAK in 2015. The characterization results obtained by these studies were compared with the reported values and no major differences were observed. As a result of the hotel not working at full capacity due to pandemic conditions, the concentrations
xxii
of nutrients such as nitrogen and phosphorus were lower than the values in the report. On the other hand, as a result of less water consumption, higher values were obtained for the COD parameter than the average. With these studies, satisfactory results were obtained in the removal of organic substances, but the desired treatment performance in nitrogen removal could not be achieved. The most important removal mechanisms for free surface flow wetland systems are adsorption, sorption and filtration. In addition to these, if attention is paid to the harvest time, the uptake of nutrients into the plant is seen as a removal mechanism. However, studies have also stated that this situation cannot be counted as a removal, as the plant will be kept in the system at harvest time and the nutrients in its body will be released back to the system. Considering the system used in the study, a removal of approximately 90% for COD and TOC parameters, approximately 85% for total phosphorus, approximately 65% for organic nitrogen, and 10% for total nitrogen was observed at the end of 30 days of operation. Considering the total phosphorus removal, although a higher removal efficiency was obtained compared to the studies in the literature, this rate is expected to decrease with increasing the operating time of the system. Since there is no biological phosphorus removal in free surface flow wetland systems, phosphorus is removed by adsorption on the sediment and uptake into the plant body. While adsorption and uptake are expected to be high at the beginning of the system, it is inevitable that nutrients are released back into the system over time. Since the harvest time of the plant used during the 30-day operation did not come and the adsorptive capacity of the sediment was not completed, no decrease in the removal efficiency was observed. The low phosphorus concentration in the inlet wastewater is another reason for this situation. Considering the total nitrogen removal, it can be said that a lower removal efficiency was obtained compared to the studies in the literature. In order to achieve nitrogen removal, nitrification and denitrification processes must take place. It is possible to interpret that the nitrification step is realized by looking at the ammonia nitrogen removal, and the denitrification step is not realized by looking at the total nitrogen removal. The continuous feeding of the system, the fact that it is an open system and the weak characterization of the inlet gray water have caused the oxygen in the system not to be completely consumed. As a result, it can be said that the anoxic/anaerobic conditions required for denitrication do not occur.
Although free surface flow wetlands are not effective in removing nutrients such as nitrogen and phosphorus, the results of hybrid operation with subsurface flow wetlands have been investigated in the literature. It has been concluded that a more suitable solution to the water problem will be found by focusing on this issue in future studies. In general, since the nitrogen and phosphorus values of the gray water used in the study were low, the inadequate treatment performance was sufficient to keep the wastewater within the reuse standards. The suitability of the effluent was investigated by examining the reuse standards of wastewater and especially gray water around the world. Compliance with the standards has been demonstrated for the parameters tested within the scope of the thesis, and there is uncertainty about microbiological indicators. Since it is known that constructed wetland systems for microbiological indicators are not very effective, it is thought that this problem will be solved by subjecting the effluent to the disinfection process. In the literature, there are sample studies that have proven their effectiveness on this subject.
In addition, the use of drinking water treatment sludge instead of sediment as a filling material is included in the literature as an effective method for phosphorus removal.
xxiii
However, there are not many studies on this subject in our country. Examining this issue is an important issue in terms of establishing a natural treatment methodology in our country within the scope of both circular economy and gray water treatment. It is recommended to carry out studies on this issue.
In the thesis study, suggestions were made in terms of the applicability of this system. Accordingly, wetland systems are not very preferred in places with space constraints due to high space requirements. On the other hand, it is recommended that wetland systems replace recreational ornamental pools, especially in areas formed by villa-type sites. In this way, it will be possible to reuse gray water as reservoir use and landscape irrigation. In addition, the load of local water transmission will be reduced, and both environmental and economic benefits will be provided.
Before the water problem turns into a large-scale water crisis, it is an urgent matter that needs to be taken and solutions offered. Natural treatment systems, on the other hand, stand out as self-sufficient systems within the scope of sustainability. In the thesis study, it was emphasized that the reuse of wastewater by using natural treatment systems and the dissemination of the use of these systems. By evaluating natural treatment systems within the scope of circular economy, it was suggested to increase of researches related to the use of wastes from other processes for the purpose of pollution removal, and it was aimed to protect natural resources.