Investigation of grey water treatment performance in a vertical subsurface flow constructed wetland
Dikey akışlı bir yapay sulak alanda gri su arıtma performansının değerlendirilmesi
Yazar: ÖMER FURKAN KILIÇ
Danışman: DOÇ. DR. MAHMUT EKREM KARPUZCU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Biyoteknolojisi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Aerobik arıtma = Aerobic treatment ; Anaerobik arıtma = Anaerobic treatment ; Atık su arıtma = Waste water treatment ; Atık su arıtma sistemleri = Waste water treatment systems ; Biyolojik arıtma = Biological treatment ; Doğal arıtma sistemleri = Natural treatment systems ; Evsel atık su = Domestic sewage ; Fiziksel arıtma = Physical treatment ; Su arıtma = Water treatment ; Su arıtma sistemleri = Water treatment systems

Özet:
Yaşamsal faaliyetler için vazgeçilmez bir unsur olan suyun kaynaklarının tükenmesi ve bilinçsizce tüketilmesi, artan dünya nüfusu ve sanayileşmeden dolayı küresel bir sorun haline gelmiştir. İklim değişikliği neticesinde yağışların azalması da bu sorunu daha da zorlayıcı hale getirmiştir. Dünya nüfusunun ciddi bir kısmı şu an için içilebilir temiz su kaynaklarına ulaşmakta zorlanmaktadır. Dahası, gelecek yıllarda bu sudan mahrum olan bu insan popülasyonunda daha da artışın olacağı bildirilmektedir. Bu sorunun ciddi bir krize dönüşmemesi için ülkeler, ulusal ve uluslararası çapta stratejik planlar ortaya koysa da daha fazla önlem alınmadığı takdirde bu krizle karşı karşıya kalacaktır. Birleşmiş Milletler'in sürdürülebilirlik hedefleri ise bu soruna karşı ortaya konulmuş çözüm önerilerinin bir parçasıdır. Kaynakların doğru ve verimli kullanılması gerektiği gibi, bu kaynakların yeniden kullanılabilir hale dönüştürülmesi en önemli çözümlerden bir tanesidir. Arıtılmış atıksuların yeniden kullanılabilir hale gelmesi, su krizine giden süreçteki olumsuzluk risklerini azaltmaya yardımcı olacaktır. 
Evsel atıksuların büyük bir bölümünü oluşturan ve kirlilik yükü az olan gri suların yeniden kullanılmak üzere arıtılması mevcut tesislerdeki yükü azaltacak ve sürdürülebilir atıksu yönetimine katkıda bulunacaktır. Böylece, su kütlelerine deşarj edilen ve belli bir oranda yine çevresel kirlilik oluşturma ihtimali olan arıtılmış atıksular, değerli bir girdiye dönüşecektir. İleri derecelerde arıtma gerektirmeyen bu gri suların doğal arıtma teknolojileri kullanılarak arıtılması, bu olumlu katkıyı daha da artıracaktır. Çünkü doğal arıtma teknolojileri; enerji, betonarme yapı ve mekanik ekipman gerektirmeden doğal süreçleri taklit eder ve etkili bir arıtma performansı sunabilirler. Tüm bu nedenlerden dolayı bu tez çalışmasında gri suların bir doğal arıtma teknolojisi kullanılarak yeniden kullanılabilir suya dönüşmesi irdelenmiştir.
Çeşidine göre zayıf veya güçlü olarak nitelendirilen gri sular, yeniden kullanım için büyük bir potansiyele sahiptir. Gri sular, içeriğindeki hastalık yapıcı kirletici ve patojenlerin giderilmesiyle doğrudan veya dolaylı olarak kullanılabilir bir su haline gelebilirler. Böylece su kaynaklarına olan baskı bir miktar azalma gösterebilir. Dahası, atıksu arıtma tesislerine gelen yük azalacağından ciddi bir ekonomik kayıp önlenecektir. 
Bu çalışmayla, değerli bir kaynak olan gri suların ayrık sistemlerle toplanarak doğal arıtma sistemlerinden birisi olan yapay sulak alanlarda yeniden kullanılmak üzere arıtılması araştırılmıştır. Böylece, su stresi altında olan Türkiye için de sürdürülebilir ve çevre dostu bir arıtma yöntemi sunularak bu boşluğun doldurulması amaçlanmıştır. Müsilaj gibi çevresel felaketlerin önlenebilmesi için gerçekçi çözüm olarak sunulması Türkiye'nin çevresel politikaları açısından da belirleyici olacaktır. Etkili arıtma verimlerinin elde edilmesiyle, özellikle kentleşmenin az olduğu bölgelerde bu teknolojilerin kullanılması için bir teşvik oluşturulması sağlanacaktır. Bu doğrultuda, İstanbul Taksim'deki büyük bir otelin gri suları toplandıktan sonra karakterizasyonu yapılmış ve bu gri sular laboratuvarda kurulan dikey yüzey altı akışlı yapay sulak alan (DYSA) reaktöründe arıtılmıştır. Reaktörde arıtılmış gri suyun kalitesi belirlenmiş ve böylece sulak alanın gri su arıtma performansları incelenmiştir. TÜBİTAK'ın daha önceden yapılmış bir çalışmasıyla karakterizasyon sonuçları karşılaştırılmış ve büyük bir farklılık görülmemiştir. Bununla birlikte, pandemiden kaynaklı misafir sayısındaki azalış, azot ve fosfor değerlerinde azalmaya sebep olmuştur. Buna karşın, daha az su tüketimleri nedeniyle bazı KOİ ölçümlerinde ortalamalanın üzerinde değerler elde edilmiştir.
Filtrasyon ve adsorpsiyonun gerçekleşeceği sulak alan yatağı literatürdeki tasarım konseptleri göz önünde bulundurularak oluşturulmuştur. Cyperus alternifolius bitkisinin dikildiği reaktör ana deney planı gerçekleştirilmeden önce sistem 2 hafta gri su ile beslenmiştir. Böylece mikroorganizmaların aktivitesi için biyofilm büyümesi sağlanmıştır.  Reaktör, işletme boyunca, doyuncaya kadar 4 saat gri su ile beslenmiştir.  Besleme modu, HLR 204 mm/d, SPV 102 L/m2 ve SHLR 0,45 L/m·dk olarak çalıştırıldı. Besleme modunun ardından reaktör yavaşça boşaltıldı ve ikinci döngü için dinlendirilmiştir. İkinci döngünün ardından sistem 8 saat dinlenme moduna alınmıştır.
Sulak alan reaktöründeki arıtım neticesinde, organik maddelerin giderimi konsunda tatminkar sonuçlar elde edilmiştir. Özellikle azot gideriminde diğer çalışmalara nazaran olumsuz bir sonuç elde edilmemiştir. DYSA sistemleri için en önemli giderim mekanizmaları, adsorpsiyon, sorpsiyon, filtrsayondur. Atıksudaki nütrientlerin bitkiler tarafından besin maddesi olarak kullanılmasıyla fitoremediasyon süreci gerçekleşebilir. Bununla beraber, hasat zamanında bitkilerin hasat edilmemesi, bitki bünyesine alınan nütrietlerin geri salınımına neden olacağından, bu durumun giderim prosesi olarak sayılamayacağı düşüncesi de bazı çalışmalarda belirtilmiştir. Öte yandan, DYSA sisteminin yatay yüzey altı akışlı yapay sulak alan (YYSA) sistemlerine göre avantajı ise besleme moduna göre sistemde aerobik koşulların oluşturulmasıyla nitrifikasyona olanak sağlanmıştır. DYSA reaktörünün ortalama giderim performanslarına gelince, KOİ için %85, TN için %45, TP için %81, NH4-N için %93 gibi tatmin edici giderim verimleri elde edilmiştir. Yük giderme verimlilikleri ise, KOİ için 15,6 g/m2·d, TN için 1.1 g/m2·d, TP için 0.4 g/m2·d idi. TP konsantrasyonları çoğunlukla filtre ortamına adsorbe olması nedeniyle hızla düşmüştür. Azot giderim kinetikleri incelendiğinde ise, başlangıçta NO3-N konsantrasyonlarındaki bir artışla birlikte NH4-N konsantrasyonlarında azalma gözlemlenmiştir. Çıkış numunelerinin alınmaya başladıktan 1 saat sonra NO3-N konsantrasyonları azalmış ve TN giderimi gözlenmiştir. Bu sonuçlar, sistemde eş zamanlı nitrifikasyon ve denitrifikasyonun meydana geldiğini göstermiştir. Bu durumun iki olası açıklaması olabilir. Birincisi, besleme modunun DYSA reaktörüne oksijen transferinde büyük bir etkiye sahip olması ve reaktörün filtre ortamının kısmen veya tamamen doymuş olarak çalıştırılmasının oksijensiz bölgelerin gelişmesine neden olmasıdır. Bu nedenle, sistemin tam doygun besleme modu ve ardından dinlenme periyodu ile çalıştırılmasının, eş zamanlı nitrifikasyon ve denitrifikasyona olanak sağlayan aerobik ve anoksik bölgelerin geliştiği hibrit bir sistem etkisi yarattığı söylenebilir. İkincisi ise aerobik denitrifikasyondur. Aerobik denitrifikasyon, elektron alıcıları olarak hem oksijeni hem de nitratı aynı anda kullanabilen ve bu nedenle oksijen varlığında nitratk indirgeyebilen bir işlemdir. Bu süreç, oksijen konsantrasyonlarındaki dalgalanmaların ve karbonun kaynağındaki yetersizlik durumunun mevcut olduğu ortamlarda gerçekleşebilir. Sistemin besleme modu ve sistemde kullanılan ham gri suyun zayıf nitelikli olması, yani karbon kaynağının çok fazla olmaması düşünüldüğünde, sistemin aerobik denitrifikasyon sürecini gerçekleştirdiği söylenebilir.
Tüm bu hususlar göz önünde bulundurularak, tasarıma bağlı olarak işletme modunun da bu sistemlerde son derece belirleyici bir rolü olduğu söylenebilir. Besleme modundaki optimizasyonlarla arıtma verimliliklerinin yükseltilebileceği ve hibrit sisteme ihtiyaç duyulmadan tek bir sistemde gri suların arıtılmasının mümkün olabileceği belirlenmiştir.
Bu sonuçlar neticesinde, "Sürdürülebilir Kalkınma" ve "Yeşil Dönüşüm" hedefleri olan Türkiye'nin, bilhassa kırsal bölgelerinde bu tür arıtma sistemlerini yaygınlaştırması sayesinde atıksuyun neden olduğu çevresel felaketlerin önüne geçmesi mümkündür. Diğer YSA sistemlerine göre sinek ve koku gibi avantajlarının da bulunması ve daha güvenilir olması nedeniyle bu sistemlerin yaygınlaştırılması önerilmektedir.

Abstract:
The depletion and unconscious consumption of water, which is an indispensable element for vital activities, has become a global problem due to the increasing world population and industrialization. The decrease in precipitation as a result of climate change has made this problem even more challenging. A significant portion of the world's population currently has difficulty in accessing potable clean water resources. Moreover, it is reported that there will be a further increase in this human population deprived of this water in the coming years. Although countries put forward strategic plans on a national and international scale so that this problem does not turn into a serious crisis, they will face this crisis unless more measures are taken. The sustainability goals of the United Nations are a part of the solution proposals put forward against this problem. As resources should be used correctly and efficiently, making these resources reusable is one of the most important solutions. The reuse help reduces the risks of negativity in the process leading to the water crisis.
Treatment of GW, which constitutes a large part of domestic WW and has a low pollution load, for reuse will reduce the burden on existing facilities and contribute to sustainable wastewater management. Thus, treated WW, which is discharged into water bodies and has the potential to cause environmental pollution to a certain extent, will turn into a valuable input. The treatment of these GWs, which do not require advanced treatment, using natural treatment technologies will further increase this positive contribution. Because natural purification technologies; They can imitate natural processes and offer an effective treatment performance without requiring energy, reinforced concrete structure and mechanical equipment. For all these reasons, in this thesis, the conversion of gray water into reusable water using a natural treatment technology has been examined.
GWs, which are characterized as weak or strong according to their type, have a great potential for reuse. GWs can become usable water directly or indirectly by removing the disease-causing pollutants and pathogens in its content. Thus, the pressure on water resources may decrease somewhat. Moreover, since the load on WW treatment plants will decrease, a serious economic loss will be prevented.
In this study, the treatment of GW, which is a valuable resource, by collecting it with discrete systems for reuse in CWs, which is one of the natural treatment systems, was investigated. Thus, it is aimed to fill this gap by offering a sustainable and environmentally friendly treatment method for Türkiye, which is also under water stress. Presenting it as a realistic solution to prevent environmental disasters such as mucilage will also be decisive in terms of Türkiye's environmental policies. By obtaining effective treatment efficiencies, an incentive will be created for the use of these technologies, especially in areas with low urbanization. In this direction, the GW of a large hotel in Taksim, Istanbul, was collected and then characterized, and these GWs were treated in the vertical subsurface flow constructed wetland (VFCW) installed in the laboratory. The quality of the treated GW in the reactor was determined and thus the GW treatment performances of the wetland were investigated. Characterization results were compared with a previous study by TÜBİTAK and no big difference was observed. However, the decrease in the number of guests due to the pandemic caused a decrease in N and P values. On the other hand, higher than average values were obtained in some COD measurements due to their lower water consumption.
The VFCW bed, where filtration and adsorption will take place, was created by considering the design concepts in the literature. The system was fed with gray water for 2 weeks before the main experiment plan was carried out. Thus, biofilm growth was provided for the activity of microorganisms. The reactor in which Cyperus alternifolius was planted was fed with GW for 4 hours until saturation throughout the operation. The feed mode was operated at HLR 204 mm d-1, SPV 102 L m-2 and SHLR 0.45 L m-1 min-1. After the feed mode, the reactor was slowly emptied and rested for the second cycle. After the second cycle, the system was put into rest mode for 8 hours.
As a result of the treatment in the VFCW, satisfactory results were obtained in the removal of organic matter. Especially in N removal, no negative results were obtained compared to other studies. The most important removal mechanisms for VFCW are adsorption, sorption, filtration and microbial activity. On the other hand, the VFCW system is inferior to horizontal subsurface flow constructed wetlands (HFCW). The most important removal mechanisms for VFCW systems are adsorption, sorption, filtration and microbiological activity. On the other hand, the advantage of the VFCW system over the horizontal subsurface flow artificial wetland (HFCW) systems is that nitrification is enabled by creating aerobic conditions in the system according to the feeding mode. As for the average removal performances of the VFCW reactor, satisfactory removal efficiencies such as 85% for COD, 45% for TN, 81% for TP and 93% for NH4-N were obtained. The load removal efficiencies were 15.6 g/m2·d for COD, 1.1 g/m2·d for TN and 0.4 g/m2·d for TP. TP concentrations decreased rapidly, mostly because it was adsorbed on the filter media. When nitrogen removal kinetics are examined, a decrease in NH4-N concentrations was observed with an increase in NO3-N concentrations at the beginning. 1 hour after the start of the starting samples, NO3-N concentrations decreased and TN removal was observed. These results showed that simultaneous nitrification and denitrification occurred in the system. There are two possible explanations for this situation. First, the feed mode has a major effect on oxygen transfer to the VFCW, and operating the reactor with the filter media partially or completely saturated causes the development of oxygen-free zones. Therefore, it can be said that operating the system with fully saturated feeding mode followed by a rest period creates a hybrid system effect in which aerobic and anoxic zones are developed that allow simultaneous nitrification and denitrification. The second is aerobic denitrification. Aerobic denitrification is a process that can simultaneously use both oxygen and nitrate as electron acceptors and therefore can reduce nitrate in the presence of oxygen. This process can occur in environments where there are fluctuations in oxygen concentrations and a shortage of carbon sources. Considering the feeding mode and the poor quality of the raw GW used, that is, the carbon source is not too much, it can be said that the system performs the aerobic denitrification process.