Yapay sulak alanlarda arıtma sistemleri ve maliyet analizi
Wastewater treatment in constructed wetlands and  their cost analysis
Yazar: ERDOĞAN YALAZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ NECATİ ERDEM ÜNAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Arıtma maliyeti = Treatment cost ; Doğal arıtma sistemleri = Natural treatment systems ; Su arıtma = Water treatment ; İnşaat maliyetleri = Construction costs ; İşletme maliyeti = Operation cost

Özet:
Çağımızda artan insan nüfusu ile birlikte su ihtiyacı giderek artmakta ve bunun neticesinde doğal su kaynakları giderek azalmaktadır. İçmesuyu ve kullanma suyuna ulaşmak giderek güçleşmektedir. Ayrıca evsel nitelikli atıksuların istenen düzeyde arıtılmadan alıcı ortama verilmesi, zararlı ve kirletici etkileri giderilmeden ya da en aza indirgenmeden alıcı ortama aktarılması çevre kirliliğine neden olup, canlı hayatını etkilemektedir. Bu tez kapsamında, kullanımdan geçen atıksuyun büyük kısmının insan kullanımına geri dönüşümü hedef alınmaktadır ve kırsal alanlarda klasik ve paket arıtma tesisleri yerine yapay sulak alanlar inşa edilerek doğal arıtma yöntemleri ile atıksu arıtımı hedef alınmaktadır. Yapay sulak alanların inşa ve işletme aşamalarında, klasik ve paket arıtma tesislerine göre daha avantajlı ve ekonomik olduğu anlatılmaktadır.

Giriş bölümünde atıksu arıtımının canlı hayatı için önemi anlatılmış, Dünya'da ve Türkiye'de uygulanan atıksu örnekleri incelenmiş, bunların avantajlarından ve dezavantajlarından bahsedilmiştir. Bu bölümde yapay sulak alanların tarihçesinden bahsedilip atıksu arıtma metotlarının karşılaştırıldığı geniş bir literatür çalışması yapılmıştır. Türkiye'de yapay sulak alanların bazı uygulamaları konu alınmıştır.

İkinci bölümde atıksu arıtma tesislerinin çevresel, sosyal-ekonomik ve halk sağlığı üzerindeki etkileri anlatılmıştır. Atıksu arıtma tesislerinin inşa edilmeden önce yaşanacak problemlerin tespit edilip buna uygun atıksu arıtma tesis tipinin seçimi ve inşa edildikten sonra işletme aşamasında çıkabilecek sorunların çözümü için kullanılan Çevre Etki Değerlendirmesi (ÇED)  ve Sosyal Etki Değerlendirmesi (SED) raporları hakkında değerlendirme yapılmıştır.

Üçüncü bölümde atıksu arıtma metotları anlatılmış ve işletme ve ekonomik anlamda kıyaslamalar yapılmıştır. Özellikle şehirlerde uygulanan klasik arıtmalar, paket arıtma sistemleri, kırsal alanlarda uygulama alanları olan doğal arıtma yöntemlerinden  (atıksuyu yer altına sızdırma havuzları, atıksuyu doğrudan eğimli araziye bırakma, atıksuyu buharlaştırma havuzları, stabilizasyon havuzları ve yapay sulak alanlarda arıtma) bahsedilmiş olup, bir bölgeye yapılacak arıtma seçiminde dikkat edilecek hususlara değinilmiştir. Bu arıtma modellerinin teknik özellikleri anlatılmış ve uygulama safhalarında her birinin özellikleri anlatılmıştır. 

Dördüncü bölümde tezin ana konusu olan yapay sulak alanlardan bahsedilmiş ve yapay sulak alanlar; yüzeyaltı akışlı ve serbest yüzey akışlı olmak üzere iki kategoride açıklanmıştır. Yapay sulak alanların inşasında karşılaşılabilecek bazı sorunlar; filtre(dolgu) malzemesi tıkanıklığı, yeraltına sızma, hatalı bitkilendirme, düzgün işletememe, bakım eksiklikleri ele alınmış ve bunlara çözüm önerileri getirilmiştir. Yapay sulak alanlardan görsel kesitler sunulmuştur. Yapay sulak alanlarda kullanılabilecek bitki türlerinin özellikleri anlatılmıştır. Yapay sulak alan tasarımı için; yer seçimi, topoğrafya, zemin, arazi kullanımı, beslenme ve pompa ihtiyacı, zemin tabanı izolasyonu, iklim, taşkın kontrolü, yapay sulak alan yüzey alanı hesabı, derinlik, dolgu malzemesi içeriği ve seçimi, yapay sulak alan giriş ve çıkış yapıları üzerinde durulmuştur. Yapay sulak alanda fiziksel arıtmanın nasıl yapıldığı ve bu arıtım için hangi yapıların mevcut olması gerektiği ifade edilmiştir. Yapay sulak alanlarda kirletici giderim mekanizmaları olan; Askıda Katı madde (AKM), Biyokimyasal Oksijen İhtiyacı (BOİ5), Organik madde giderimi, Azot, Fosfor, Patojen, Toksin, Ağır metal giderimlerinin ne olduğu ve bu giderimlerin hangi düzeylerde olması gerektiği anlatılmıştır. Yapay sulak alanlar için bir takım maliyet analizleri yapılmıştır.

Beşinci bölümde tezin uygulama alanı olan Alpullu (KIRKLARELİ) beldesi tanıtılmış, beldenin yerleşimi, tarihçesi, sosyal ve ekonomik özellikleri, beldenin coğrafyası, kültür ve turizmi, yörenin genel iklim özellikleri, jeolojik yapısı, topogrofik yapısı, deperm etkilerine maruz kalma durumu, harita ve imar planı durumu, içmesuyu ve kanalizasyon şebeke durumundan bahsedilmiştir. İller Bankası'nın bu belde için hazırlamış olduğu klasik atıksu arıtma tesisi 'ne (500m3/gün) ait teknik bilgiler verilmiştir. Projeye göre kirletici giderimlerinin (BOİ5, AKM,  Azot, Fosfor) arıtım sonucu hedeflenen değerleri verilmiştir. Alpullu beldesinin birkaç hesaplama yöntemi ile (İller Bankası, Aritmetik Artış Yöntemi, Eksponansiyel Artış yöntemi) 2051 yılında olabilecek nüfusu hesaplanmış olup, Türkiye'de kabul gören İller Bankası yöntemi tercih edilmiştir. İller Bankası şartnamesine göre arıtmaya girecek debi ve kirlilik yükleri hesaplanmış, atıksu arıtma tesisi tasarım parametreleri belirlenmiştir. Arıtma tesisi için yapılacak birimler baz alınarak Alpullu için klasik arıtmanın keşif ve metrajları çıkartılmıştır. Alpullu'ya paket arıtma sistemleri yapılacağı zaman öngörülen 4 tane 200 m3/gün'lük paket arıtmanın yaklaşık maliyetleri hesaplanmıştır. Ayrıca, bu beldeye doğal arıtma tesisi türü olan yapay sulak alanlar ile arıtma tercih edilirse gerekli keşif ve metrajlar çıkartılmış, 3 farklı arıtma yöntem ile elde sonuçlar karşılaştırılmış, yapay sulak alan yönteminin diğer yöntemlere göre ekonomik, işletmesinin kolay ve verimin yüksek olduğu savunulmuştur.

Çalışmanın son bölümünde hem yapım aşamasında hem de işletme aşamalarında ekonomik yöntem olan yapay sulak alanlar ile doğal arıtım, nüfusu az olan kırsal alanlarda yaygınlaşması gerektiği savunulmuştur.

Abstract:
In our day and age  the rise in numbers of our population is concurrently rising with the amout of water we need and thus our natural water sources are on the decrease. It gets harder and harder to obtain drinking and domestic water. Additionally, releasing domestic wastewater into the enviorment without fully puryfing it or at least partitially cleansing it, so that the harmful pollutants are kept to a minimum is adding to the enviornmental pollution and at the same time it is affecting the wildlife. The aim of this thesis is to recycle most of the used domestic water in order for it to be used again by the population and to construct constructed wetland areas,  instead of using portable treatment plants, in rural areas in order to purify  the wastewater with natural methods. It is said that constructed wetland areas are financially more advantageous and economic in the construction and operation compared to portable treatment plants.

The importance of the wastewater treament  for the wildlife is mentioned in the introduction. Waste water samples from all over the world and in Turkey have been examined and the advantages and disadvantages of the said samples  have been mentioned. This section deals with the history of constructed wetland areas. Additionally a wide-range of  literature research about the comparision of different methods of  wastewater treatment has been conducted.  Some of the applications of constructed wetland areas in Turkey have been adressed.

In the second section the effects of water treatment plants on the environment, social-economic structures and the health of the population have been explained. The Environment Influence Assesment (ÇED) and the Social Influence Assement (SED) reports, that are used to help to determine the type of wastewater treament plant to be constructed through establishing possible issues in the construction and the operation beforehand, are evaluated.


The third section deals with the different methods of wastewater treament and compares their operational and econmic factors. This section mentions the conventional wastewater treatment in cities, portable treatment systems, natural wastewater treament methods that are used in rural areas (underground wastewater drainage ponds, spilling the wastewater on sloping areas, wastewater distillation ponds, stabilization ponds and wastewater treatment through the use of constructed wetlands)  and touches on the criteria  that are needed in the choice of a wastewater treatment method. The technical specifications and the characteristics in the application phases of  the wastewater treatment methods  have been explained.

The fourth section deals with the main topic of this thesis, the constructed wetland areas, that consist of two different categories: Sub-surface flow and Free surface flow. Some of the issues that can be encountered during the construction of the constructed wetlands like the  clogging of the filtering (filling) material, underground leakage, faulty vegetation planting, faulty operation/management, inadequate maintenance have been mentioned and possible solutions have been proposed. Imagery of the constructed wastelands have been presented. The properties of plant species that can be used in constructed wetlands have been listed. The factors for the design of the constructed wetlands have been elaborated on. (site selection, topography, ground, use of the terrain, the nutrition and the need for a  pumping mehchanism, ground isolation, climate, overflow control, calculation of the constructed wasteland's surface areas, depth, the choice and composition of the filling material, the entrance and exit constructions of the constructed wetlands) The  method of how to physically filter and which constructions are needed to do so, in a constructed wetland, have been stated. The  elements that serve as waste disposal mechanisms in the constructed wetlands and the needed ratio of their occurence  have all been elaborated on. The needed elements are as follow: suspended solid(AKM), biochemical oxygen demand (BOİ5), organic material removal, nitrogen, phosphor, pathogen, toxin, heavy metal removal. A cost analysis for the constructed wetlands has been conducted.

In the fifth part  the town of Alpullu (KIRKLARELİ) (the application area of the thesis) has been introduced. The settlement, history, social and economic factors, the town's geography, the culture and tourism, the general climate properties of the region, the geological structure, the topographic structure, probable effects of  seismic activity, the map and town planning and  drinking water and the sewer system network have been mentioned. Technical Information about the conventional wastewater treatment plant (500m3/a day) constructed by the İller bank for this town has been given. The target values, within the parameters of this project, for the purification with the waste disposal mechanisms (BOİ5, AKM,  nitrogen, phosphor) have been stated. The estimated population of Alpullu town in 2051 has been calculated with various calculation methods (İller bank, arithmetical increase method, exponential increase method) and the Iller bank method that is accepted throughout Turkey has been chosen. The flow rate and the waste loads that go into the wastewater treament have been calculated with reffering to the Iller bank specifications and the wastewater treatment design parameters have been determined. The bill of quantities has been calculated for a conventional wastewater treatment in Alpullu, basing it on the  the units that will be built for the wastewater treament plant. While building  the portable water treatment plants for Alpullu it was projected that 4 times 200m3/a day packages of purification would be  needed and the costs for these have been calculated.  Additionally, if a natural wasterwater treatment (a constructed wetland) would be chosen, the bill of quantities would already have been calculated. The comparison of the results of  the 3 different  wastewater treament methods show that the constructed wetland method  is cost efficient, the operation is easier and the  yield is higher

Finally in the last part of the study it has been stated that  the constructed wetlands, that are not only more economical in the construction and the operation, need to spread in rural, less populated areas.