Şükrü Aslan*, Sayiter Yıldız, Merve İrgi, Tuğçe Şahin Department of Environmental Engineering, Sivas Cumhuriyet University, Turkey
* Sorumlu yazar, e-posta: saslan@cumhuriyet.edu.tr Özet
Yapay sulak alanların (YSA) klasik sistemlere göre avantajları nedeniyle küçük yerleşim birimlerinin (3000 kişi) evsel nitelikli atıksuların arıtımında yaygın olarak uygulanmaktadır. Bu çalışmada Sivas 4 Eylül baraj havzasında bulunan dört adet YSA çıkış sularının analiz sonuçları değerlendirilmiştir. Çalışmada su örnekleri kurak dönemde YSA’lardan alınarak, diğer bir sempozyumda sunulan yağışlı dönemde alınan örnekler ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca, YSA’ların genel durum ve işletim koşulları değerlendirilmiştir.
Hedeflenen kirletici giderimine ulaşmak için YSA’lar uygun koşullarda bulunmamaktadır. YSA başlangıcında bulunan ön arıtım üniteleri hayvan atıkları ile tıkandığından giriş suyu kalitesine göre daha yüksek kirletici içermektedir. Bazı YSA’ların giriş ve çıkış noktaları tam olarak işlevsel olmadığından su örnekleri alınamamıştır. Bazı YSA’lar, kurak dönemde yağışlı döneme göre daha yüksek KOI ve amonyum içermektedir. Yerleşim bölgesinde ikamet eden çoğu kişi kurak dönemde YSA’lardan kaynaklanan kötü kokudan şikâyet etmektedir.
Anahtar Kelimeler: Yapay Sulak Alan, Kırsal atıksu, Arıtma
APPLICATION OF CONSTRUCTED WETLANDS FOR DOMESTIC WASTEWATER TREATMENT OF RURAL AREAS IN SIVAS, TURKEY Abstract
Due to several advantages of the constructed wetlands (CWs) compared to the conventional systems, they are widely used for the treatment of municipal wastewater of small settlements (up to 3000 p.e.).
This paper presents the results of CWs effluents analysis in four rural areas located in the Sivas 4 Eylul Dam Basin. In this study, samples were collected in the dry season and values of the pollutants were compared with the results of rainy season presented in another symposium. Additionally, general physical situations and operational conditions of the CWs were evaluated. General situations of the CWs were not convenient in order to achieve target value of pollutants elimination. The pretreatment units were clogged with the cow manure wastes and effluents of the unit contained more pollutants than the influent. The influent and effluent of some CWs
were not fully functional and samples could not be taken. In the dry season, the effluent samples of some CWs contained higher concentrations of COD and ammonium than the rainy season. Most of the people in the villages have complained the bad odor from the CWs area in the summer season
Keywords: Constructed wetlands, rural wastewater, treatment 1. GİRİŞ
Sulak alanlar, güneş enerjisini kullanabilme ve kendi kendini yenileyebilmektedir. Ayrıca fotosentez gerçekleştirerek atmosferin doğal dengesini korumaktadır. Organik madde, askıda katı madde, nutrient, toksik madde, ağır metal ve biyolojik unsurları giderebilmesinden dolayı yüksek arıtım kapasitesine sahiptir (Duygulu, 2016).
Yapay sulak alanlar (YSA) doğal sulak alanlara benzer inşa edilerek atıksulardan kirleticileri gidermek için doğal alanlarda rastlanan bitki, toprak ve ilgili mikroorganizmaları içeren sistemlerdir (EPA, 1993). YSA’lar sızdırmazlık sağlamak amacıyla sıkıştırılmış olarak kil zemin üzerine kum, çakıl, kaya vb. geçirgen malzeme ile doldurularak inşa edilmektedir. Bölge iklim koşulları göz önünde bulundurularak YSA’larda yetiştirilen bitkiler ile belirli hidrolik alıkonma süresini sağlamak suretiyle biyolojik reaksiyonların gerçekleştirildiği, su akımını yönlendirmek ve su seviyesini düzenlemeye yönelik bir takım mühendislik unsurlarını içeren yapılardır.
YSA’lar, düşük maliyetli alternatif bir atıksu arıtma teknolojisi sunmaktadır. Günümüzde kırsal küçük yerleşim birimlerinin atıksularının arıtılmasında YSA kullanımı hızla yaygınlaşmaya başlamıştır. Klasik atıksu arıtım ile YSA uygulamalarının kirletici giderimi ve ekonomik açıdan karşılaştırılması Çizelge 1 ve 2’de sunulmuştur.
Doğal arıtma sistemlerinde organik karbon, heterotrofik bakteriler tarafından oksitlenmektedir. Ototrofik bakteriler, aerobik şartlarda atıksu içeriğindeki NH4’u, NO¯3 ve NO¯2’ye dönüştürmektedir.
Atıksu içeriğinde mevcut azot bileşikleri ve fosfor, arıtılmadan alıcı su ortamına verildiğinde, sucul canlıların olumsuz etkilenmesine neden olan çözünmüş oksijen tüketimine ve mikrobiyal yaşamı arttırması sonucu ötrofikasyona neden olduğu bilinmektedir (Aslan ve Sozudogru, 2017; FernándezNava, 2008).
Amonyum ve nitrat, makrofitler tarafından alınarak, inorganik azot, hücre ve aksamlarda organik yapı taşı bileşenlerine dönüştürülmektedir (Vymazal, 1995). Farklı bitki türleri, sulak alanda yararlanılabilir formlarına bağlı olarak azot formlarını absorbe etmektedir. NH4+, zengin ortamda, makrofitler tarafından tercih edilmekte ve nitrifikasyon sınırlı gerçekleşmektedir (Garnett ve diğ., 2001). Nutrientlerin bitki tarafından kullanımı ve depolanması, bitki aksamlarındaki nutrient derişimine bağlı olduğundan, nutrientin bitki tarafından alınması ve depolanması hızlı büyüme, bitki aksamı yüksek nutrient içeriği ve yüksek kalitede ürün elde edilmesi, bitkide istenilen özelliktir. Buna karşılık, sonbahar ve kış ayları süresince bitkinin büyük miktarda biyokütle biriktirmesi ile kış sezonunda biriktirilen azot, tekrar su ortamına salınabilir (Vymazal, 2007).
168 Çizelge 1. Atıksu Arıtımında Klasik Arıtma Sistemleri ile YSA’ların karşılaştırılması (Gikas ve Tsihrintzis, 2014).
Klasik Atıksu Arıtma Sistemleri YSA
İnşaat (beton, demir) ve işletimde (elektrik, kimyasal vd.) yenilenebilir olmayan enerji kaynakları kullanılmakta
Yenilenebilir enerji kullanılmakta (güneş enerjisi, rüzgâr vd.)
Yüksek miktarda, arıtım gerektiren ürün oluşturmakta (çamur)
Düşük miktarda, arıtım gerektirmeyen ürün oluşturmakta (hasat bitki atıkları) Çalışan kişi sayısının artışına ve yüksek bakım
giderlerine neden olan mekanik bölümler bulunmakta
Mekanik bölümler bulunmamakta veya oldukça kısıtlıdır, işletim ve bakım giderleri düşüktür
İşletim için teknik çalışanlar gerekmekte İşletim için teknik elemana gereksinim duyulmamakta
İşletim ve inşaat maliyeti yüksek İnşaat maliyeti karşılaştırılabilir veya daha düşük, en düşük işletim gideri
Düşük alan gereksinimi Göreceli olarak alan gereksinimi yüksek Çizelge 2. Atıksu Arıtımında Klasik Arıtma Sistemleri ve YSA’ların Ekonomik Karşılaştırılması (Lee ve diğ., 2009).
Maliyet Giderme Verimi (%)
Sistem Kapasite İnşaat ($) İşletim ($)/yıl Hacim, m3 BOI AK TN TP Yorum YSA Atıksu 100 m3/gün 220.000 300 800 8090 8090 4050 5060 Bazı ağır metaller ve E.coli giderilme kte Klasik Arıtma 300.000 2000 450 8099 7080 2030 20
Son yıllarda yatay yüzey altı akışlı ve düşey akışlı YSA serilerinin sıralı uygulandığı, birleşik (hibrid) sistemler dikkat çekmektedir. Tekil sistemlerin olumsuzluklarını azaltması ve bir sistemin diğerini tamamlaması, birleşik sistemin en olumlu tarafı olarak görülmektedir. Düşey akım yataklarının birleşik sistemin ilk aşaması olarak uygulanması, iyi bir tasarım sonucunda tüm sistemde yüksek verimlerde BOI, KOI ve bakteri giderimi sağladığı ve ayrıca amonyumun tam oksidasyonunun gerçekleştiği belirtilmektedir (Cooper, 1999).
Organik madde ve AKM giderimi için YSA’lar tasarlanmasına rağmen, yeraltısularında nitrat derişiminin azaltılması ve yüzey sularında ötrofikasyon kontrolu için fosfor azaltımında nutrient giderimi gerekmektedir (Kinsley ve diğ., 2014). Nutrient giderimi için yatay akımlıya eklenen reaktif P bariyeri takip eden düşey akımlı ile oluşan birleşik sistemler uygulanabilmektedir. Yatay akımlı sistem organik madde ve düşük tıkanma riski ile AKM gideriminde, dikey akımlı sistem ise amonyumun nitrata dönüşümünün gerçekleştiği
nitrifikasyon sürecinde verimlidir. Nitrifikasyon süreci çıkışı suyu, yatay akımlı sistemin girişine geri çevrilerek, anoksik ortam ve organik karbon gerektiren (giriş atıksuyundan) denitrifikasyon süreci ile nitrat N2 gazına dönüştürülmektedir. Nitrifikasyon çıkış suyunun yatay akımın girişine geri devredilmesi ile %70’e ulaşan toplam azot giderimine ulaşılabilmektedir (Tunçsiper, 2009).
Septik tank, yatay akımlı, P filtresi ve düşey akımlı YSA’ların birleşik uygulandığı sistem ile tüm mevsimlerde, 5,6 m3/gün hidrolik yükleme ve 2.3 gün yatay akımdaki hidrolik alıkonma süresinde, 10 mg/L cBOD5 ve 15 mg/L AKM’den daha düşük derişimlerde yüksek kaliteli çıkış suyuna ulaşılmıştır. %100 geri çevrim ile % 6575 toplam azot giderimi, yaz ve kış aylarında elde edilmiştir. Pfiltre uygulaması ile 18 ay süresince iyi bir işletim görülürken daha uzun işletimlerde çıkış suyu P derişiminin arttığı belirlenmiştir. Tüm sistem için E.coli giderme verimi etkin olarak görülmektedir (Kinsley ve diğ., 2014).
Özellikle küçük yerleşimlerde evsel nitelikli atıksuların arıtılması amacıyla kullanılan YSA’lar ülkemizde yaygındır. Çevre ve Şehircilik Bakanlığı verilerine göre ülkemizde 260 adet YSA bulunmaktadır. Ayrıca İçişleri Bakanlığı Mahalli İdareler Genel Müdürlüğünün yaptırmış olduğu 1464 adet YSA mevcuttur. Toplamda ülkemizde 1724 adet YSA bulunmaktadır. Bu YSA’ların hizmet ettiği nüfus ise 620.275 kişidir. Çevre ve Şehircilik Bakanlığı 2016 yılı verilerine göre ülkemizde atıksu arıtma tesisi ile sonlanan nüfus 65.025.536 kişidir. Bu nüfusun %0,95’nin atıksuları ise YSA ile sonlanmaktadır (Cop, 2017).
YSA’ların en olumlu tarafları askıda katı, organik madde ve nutrient gideriminde yüksek verim, sınırlı miktarda atık madde üretimi, kararlı işletim, düşük ilk yatırım, işletim ve bakım maliyeti olarak görülmektedir.
Bu çalışmada, Sivas 4 Eylül Baraj havzasında bulunan dört adet kırsal yerleşim biriminde mevcut, YSA giriş ve çıkış su kaliteleri değerlendirilmiştir. YSA su örneklerinde KOI, azot bileşikleri (NO2N, NO3N ve NH4N) ve askıda katı madde derişimlerinin belirlenmesi, YSA’ların işlevine uygun olarak arıtma kalitesi değerlendirilmiştir. Çalışma kapsamında, kurak dönemde alınan su örnekleri ile yağışlı dönem örnek kaliteleri ve işletme koşulları karşılaştırılmıştır.
2. MATERYAL VE METOT
Çalışmada değerlendirilen dört adet YSA, Sivas Kent içme suyunun temin edildiği 4 Eylül Baraj havzasında bulunmaktadır. Baraj havzası içerisinde bulunan küçük yerleşim birimleri çalışmada I, II, III ve IV olarak tanımlanmıştır (Şekil 1). Küçük yerleşim birimlerinin, kısıtlı tarım alanlarında hayvan yemi ihtiyacını karşılamak amacıyla sulu tarım (yonca) ve çoğunlukla tahıl üretimi yapılmaktadır (buğday, arpa, çavdar). Bölgede son yıllarda hayvan sayısında azalma görülse de nüfus, çoğunlukla büyükbaş hayvancılıkla geçimlerini temin etmektedir (Aslan ve diğ., 2018).
Kırsal yerleşim alanlarından kanalizasyon sistemi ile toplanan atıksular, foseptiklere alınmakta ve foseptik çıkış suları YSA’lara yüzey akışı ile girmektedir.
170 Çalışma kapsamında belirlenen YSA’lardan giriş ve çıkış suları anlık olarak 2018 Eylül ayında toplanmıştır. Yerleşim yerlerinin nüfusları, yaz aylarında tatil amaçlı şehirlerde yaşayanların köylerine gelmesi sonucu artmakta ve kış aylarına göre daha yüksek nüfus bulunmaktadır. Nüfus artışı YSA arıtımını etkilemektedir (Aslan ve diğ., 2018).
Şekil 1. 4 Eylül Baraj havzası içerisinde mevcut YSA Yerleşimleri (Aslan ve diğ., 2018) 2.1 Analitik Yöntem
Çalışma kapsamında pH analizleri Adwa marka cihazla gerçekleştirilmiştir. Renk (Color 436 m¯) ve bulanıklık ölçümü (FAU), NO2N (14776), NO3N (14773), NH4N (14752) derişimleri spektroquant kit (Merck) kullanılarak Pharo 100 spektrofotometre (Merck) ile AKM ve KOI analizleri standart metoda (APHA, 1998) göre belirlenmiştir.
Giriş ve çıkış suları anlık olarak 2018 Eylül ayında toplanarak, gün içerisinde laboratuvarda 0.45m selüloz asetat filtreden süzülerek analizler tamamlanmıştır.
3. DENEYSEL SONUÇLAR
Bu çalışmada Sivas içme suyu arıtma tesisi su kaynağı olan 4 Eylül barajı besleme havzasında bulunan dört küçük yerleşim biriminin atıksularının arıtımında yaklaşık olarak 10 yıldır işletilen YSA tesisleri incelenmiştir. Tesis inşaatlarının tamamlanması sonrası işletimi köy muhtarlıklarına bırakılmıştır. YSA’larda olması gereken bitkilerin tesislere ekim ve dikimleri yapılmamamıştır. Tesislerin inşa edilirken kullanılan topraktaki mevcut tohumların gelişmesi ile bölge şartlarında büyüyebilecek bitki türleri tesis yüzey alanlarını kaplamıştır. Bazı tesislerde zaman içerisinde ağaçlar gelişmiştir (Aslan ve diğ, 2018). Gelişen bitkilerin hasat edilmedikleri belirtilmektedir.
Baraj su kalitesini korumak amacıyla bölgede mevcut tüm yerleşim birimlerinin atıksuları YSA’lar ile arıtılmaktadır. Kanalizasyon sistemi ile köylerden toplanan atıksu, foseptiklere ve daha sonra YSA’lara alınmaktadır. Kanalizasyona evsel atıksu haricinde katı maddeler ve hayvan atıkları verildiğinden foseptiklerde katı birikimleri olmakta ve tıkanmalar meydana gelmektedir. Foseptikler sadece tıkanma olduğunda temizlendiğinden foseptiklerden kaçan katı maddeler YSA yapısında tıkanmalara neden olmaktadır. Tıkanma ile foseptik çıkış suları, YSA üst seviyesinden serbest yüzeyli olarak akış yapmaktadır ve bazı tesisler bataklık görünümündedir (Aslan ve diğ, 2018). Tıkanmalar nedeniyle YSA’lara girişten örnekler alınamamıştır. Fosseptiklerden YSA girişleri zemin üstü boru ile yapılmasına rağmen YSA tıkanmaları ile oluşan göllenme ve aşırı bitki büyümeleri su örnek alımlarına engel olmaktadır (Şekil 2).
Konumları nedeniyle atıksu akışı sağlanamayan YSA’lara su girişi olmamakta ve hat üzerinde tesis ile yerleşim birimi arasında atıksu taşmaları görülmektedir. Genel olarak tesislerin bazıları yerleşim birimine yakın konumları nedeniyle koku olmaktadır (Aslan ve diğ, 2018).
III numara olarak tanımlanan yerleşim biriminin yaklaşık olarak 3 km ilerisinde bulunan 12 hane için dahi ayrı YSA yapılmıştır. YSA’ların bazılarının giriş ve çıkış hatlarının tıkanması nedeniyle I numaralı giriş ve çıkış, II numaralı giriş ve III numaralı çıkış örnekleri alınamamıştır. Örnekler, anlık toplandığı için YSA’larda gerçekleşen biyolojik reaksiyonlar ile KOI giderim verimleri ve azot dönüşümleri açısından değerlendirilmemiştir. Belirlenen 4 adet YSA’dan alınan giriş ve çıkış suyu anlık örnek analiz sonuçları Çizelge 3’de sunulmuştur. Çizelge 3 incelendiğinde dört tesisten çıkış suyu numunesi alınabilen II ve IV numaralı YSA’larda KOI derişimi yüksektir. IV numaralı YSA giriş numunesi hariç diğer birimler için giriş ve çıkış suyu NH4N derişimleri oldukça düşük seviyelerde olduğu belirlenmiştir. I numaralı YSA, diğerlerine göre yerleşim birimine en yakın (yaklaşık 500 m) konuma inşa edilmiştir. III numaralı yerleşim birimi YSA’sı, çıkış hattında kısmi tıkanma sonucu numune alınamamış ve değerlendirilememiştir.
YSA giriş ve çıkış sularında NOxN (NO2N ve NO3N) formlarının bulunması kanalizasyon hattında, foseptik ve/veya YSA’da nitrifikasyon gerçekleştiğini göstermektedir. Çıkış suyunda NH4N formlarının bulunması, yetersiz nitrifikasyon sonucu ve/veya YSA’da mevcut bitki artıklarından kaynaklanabilir. Derişimlerin düşük olması ve anlık numune alınması, biyolojik süreçlerin kısıtlanması ve gerçekleşmesi konusunda kesin sonuçlara ulaşılmasını güçleştirmektedir.
YSA’lar işletimleri açısından değerlendirildiğinde, YSA’larda olması gereken iklim ve toprak özellikleri açısından bölgede hızla gelişebilecek ve su içeriğindeki organik madde ve nutrient bileşik dönüşüm veya biriktirme ile su arıtımı sağlanabilecek bitkilerin yetişmediği görülmektedir. Bitki ile atıksu arıtımı, YSA’larda gerçekleşmemekte ve YSA’lar bir filtre ortamı olarak işlev görmektedir. Filtre boşluklarında atıksu içeriğinde mevcut mikroorganizmalar tarafından organik madde oksidasyonu, aerobik ve/veya anaerobik koşullarda gerçekleşmekte ve mikroorganizmalar filtre ortamında büyümektedir. Aynı zamanda düzenli olarak temizlenmeyen foseptikten kaçan AKM ile filtre boşlukları dolmakta ve tıkanma sonucu su akışı engellenmektedir.