30 Ağustos 2012 | TEKNİK MAKALE 49. Sayı (Ağustos 2102)

Albert Levi, Günay Kocasoy(*) (*)Katı Atık Kirlenmesi Araştırma ve Denetimi Türk Milli Komitesi - Başkan Boğaziçi Üniversitesi, Çevre Bilimleri Enstitüsü
Özet
Günümüzde halen çevresel bir problem olarak karşımıza çıkan arıtma çamurları, ülkemizde     farklı   alanlarda kullanılmakta veya bertaraf edilmektedir. Arıtma çamurlarının en yaygın bertaraf yöntemleri/kullanım alanları yakma, düzenli depolama, kurutma ve tarım arazilerinde kullanımdır. Uygulanan bir diğer yöntem ise arıtma çamurlarının çimento ile karıştırılarak solidifikasyonudur. Genel  olarak bu yöntem endüstriyel atıksulardan kaynaklanan inorganik arıtma çamurlarına uygulanmaktadır. Evsel atıksulardan elde edilen yüksek organik içerikli  arıtma çamurlarıyla yapılan solidifikasyon çalışmaları çok sınırlıdır.

Bu çalışmada, evsel atıksuların arıtma çamurunun farklı uçucu kül, zeolit ve kireç kullanılarak stabilizasyon/solidifikasyon işlemi ile katılaştırılması sonucu elde edilen ürünlerin serbest basınç mukavemeti ve sızdırma testlerine tabi tutularak değişik alanlarda kullanım olasılıkları incelenmiştir. Çalışmanın sonuçlarından elde edilen yüksek mukavemet değerleri, daha önce yaygın olarak çalışılmayan evsel atıksuların arıtımından elde edilen arıtma çamurlarının solidifikasyonlarının mümkün olduğunu göstermektedir. Bu yöntem ile çevresel bir sorun olan uçucu küller ve yüksek organik içerikli arıtma çamurları, çevreye zarar vermeyecek bir hale getirilerek faydalı ürünlere dönüştürülebilecektir. Solidifikasyon sonucu 10000 kPa’ın üzerinde serbest basınç  mukavemet değerlerinin elde  edilmiş olması, sızıntı testlerinin sonuçlarının katılaştırılmış örneklerin tehlikesiz atık kategorisinde olduğunu göstermesi ve kullanılan malzemelerin düşük maliyeti bu yöntemin inşaat sektöründe kullanımına olanak sağlamaktadır.

Giriş
Arıtma çamurlarının yönetimi ve bertarafı günümüzde halen önemli bir problem olarak karşımıza çıkmaktadır. Çamur yönetiminde en yaygın metotlar susuzlaştırma, yakma, düzenli depolama ve tarım alanlarında kullanma olarak sıralanabilir. Ancak, bu yöntemler ya pahalı ya da çamurda bulunan ağır metaller ve patojenlerden dolayı halk sağlığı açısından riskler içermektedir.

Türkiye’de günde yaklaşık 1800 ton arıtma çamuru üretilmekte ve bu çamur geleneksel yöntemlerle bertaraf edilmekte veya tekrar kullanılmaktadır (Filibeli ve Ayol, 2008). Türkiye gibi ekonomik olarak gelişmekte olan ülkelerde, arıtma çamurlarının tarımda kullanımı sağlık çekinceleri  gözönünde bulundurulduğundan yaygın değildir. Bu durum, arıtma tesisi   çamurları için alternatif geri kazanım yönlentemlerinin incelenmesinin önemini ortaya koymaktadır (Topaç vd., 2008). Stabilizasyon/solidifikasyon (S/S), atıkların katılaştırılarak içinde bulunan kirleticilerin sızmasının önlenerek tehlikeli atıkların zararsız hale getirilmesi için kullanılan bir yöntemdir. S/S yöntemi özellikle endüstriyel atıksuların arıtımından elde edilen inorganik arıtma çamurlarının solidifikasyonu için kullanılmaktadır. Bu işlemde kullanılan başlıca katkı maddeleri çimento, Portland çimentosu, asfalt gibi maliyetli ürünlerdir (Parsa vd,  1996; Malviya ve  Chaudhary, 2006; PCA, 2008). Endüstriyel atıksulardan elde edilen  arıtma  çamurlarının  solidifikasyonu/stabilizasyonu yaygın şekilde incelenmiş olmasına  karşın, evsel atıksulardan elde edilen yüksek içeriğe sahip arıtma çamurları ile yapılmış benzer çalışmalar oldukça sınırlıdır.

 Kömür yakma işleminin yan ürünlerinden olan uçucu kül, başta inşaat sektörü olmak üzere madencilik ve tarım gibi birçok alanda kullanılmaktadır. Uçucu kül, kimyasal kompozisyonuna göre C veya F tipi olarak adlandırılmaktadır. F tipi uçucu kül, antrasit ve bitümlü kömürün yakılması ile elde edilirken, subbitümlü kömür veya linyit kömürü yakıldığında C tipi uçucu kül elde etmektedir. Pozzolanik özelliğe sahip olan F tipi uçucu külde SiO2, Al2O3 ve Fe2O3’in toplam konsantrasyonları %70’e kadar çıkmaktadır. Öte yandan C tipi uçucu küllerde ise CaO, MgO and SO3 daha yüksek konsantrasyonlara sahiptir. Bu kompozisyon C tipi uçucu küllere pozzolanik özelliğin yanı sıra çimentolaşabilme özelliği kazandırmaktadır (Manz, 1999). Uçucu külün parçacık boyutu ise külün su tutma kapasitesini etkilemektedir. Yapılan bir çalışamaya göre, parçacık boyutu büyüdükçe uçucu külün su tutma kapasitesi azalmaktadır (Sarkar ve Rano, 2007). 2007 yılında ABD’de 71 milyon tonun üzerinde uçucu kül üretilmiş ve bunun 31 milyondan fazlası farklı alanlarda kullanılmıştır (ACAA, 2008). Türkiye’de ise termoelektrik santralle de her  yıl  yaklaşık 15 milyon  ton  uçucu  kül üretilmektedir. Ülkemizdeki yetersiz ve uygunsuz depolama koşullarından dolayı, uçucu külün büyük bir bölümü düzenli depolama alanlarına gönderilmektedir (Döven, 1998). Bu yüzden, uçucu külün S/S prosesinde katkı maddesi olarak kullanılarak inşaat malzemesi üretme çalışmaları alternatif bir yeniden kullanım yöntemidir/alanıdır.
Doğal bir malzeme oran zeolit, mikrogözenekli yapısı sayesinde çok iyi bir iyon değiştiricidir. Bunun yanı sıra, ağır metallerin uzaklaştırılması için kullanılan ucuz bir adsorbandır ve arıtma çamurlarından ağır metal arıtımında yaygın olarak kullanılmaktadır (Cui vd, 2006; Sprynskyy vd, 2007). Bu çalışmada kullanılan klinoptilolit, Türkiye’de yüksek miktarlarda bulunan bir zeolit çeşididir.

Bu çalışmada, yüksek miktarda organik içeriğe sahip evsel arıtma çamurları, zeolit, kireç ve farklı kimyasal özelliklere sahip uçucu küller ile değişik oranlarda karıştırılarak farklı ortamlarda, değişik sürelerde bekletilerek solidifikasyonları sağlanmıştır. Farklı ortamların ve bekleme sürelerinin etkisini belirlemek amacı ile elde edilen katılaştırılmış karışımlar serbest basınç mukavemeti (UCS) testine tabii tutulmuştur. Aynı zamanda, farklı özelliklerdeki uçucu küllerin de serbest basınç mukavemetine etkisi incelenmiştir. Katılaştırılmış örneklerin ağır metal sızdırma potansiyelleri, sızdırma testi (Toxicity Characteristic Leaching Procedure (TCLP)) testi ile ölçülmüş (US EPA, 1989; US EPA, 1996) ve sonuçlar Tehlikeli Atıkların Kontrolü Yönetmeliği ile karşılaştırılmıştır (ÇOB, 2005).

Materyal ve Metot Kullanılan Malzemeler
Çalışmada kullanılan arıtma çamuru Paşaköy Atıksu Arıtma Tesisi’nden elde edilmiş olup, özellikleri Tablo 1’de verilmiştir.

Farklı kompozisyonlara sahip C tipi uçucu küller Kemerköy Termik Santrali’nden temin edilmiştir.  Çalışmada kullanılan dört farklı uçucu külün (FA1,  FA2,  FA3  ve  FA4) kimyasal kompozisyonları Tablo 2’de verilmiştir.
Çalışmada kullanılan klinoptilolit, İncal Mineral Gübre ve Yem Sanayii temin edilmiştir. Klinoptilolit’in kimyasal özellikleri Tablo 3’te verilmiştir.

 Sızdırmazlık testleri için sızıntının pH değerine göre iki farklı ekstraksiyon sıvısı kullanılmıştır. Ekstraksiyon sıvısı “I”, 64,3 mL 1.0 N  sodyum hidroksit ve  5,7 mL konsantre asetik asit karışımının saf su ile 1 litreye seyreltilmesi ile hazırlanmıştır. Ekstraksiyon sıvısı “II” ise 5,7 mL konsantre asetik asidin saf su ile 1 litreye seyreltilerek hazırlanmıştır.

Yöntem
Uçucu  kül,  klinoptilolit ve  kireç  homojen bir  şekilde  karıştırıldıktan sonra,  arıtma çamuru   karışıma   eklenir. Ön çalışmalarda, farklı oranlarda FA1 uçucu külü, klinoptilolit ve kireç %25 oranda arıtma çamuru ile karıştırılarak katılaştırılmış ve en iyi karışım elde edilen serbest basınç mukavemetlerine göre belirlenmiştir. Daha sonra, solidifikasyon işlemi en iyi sonuçların elde edildiği FA1 karşımı ile tekrarlanmıştır. Elde edilen sonuçlar, %17,5 oranında arıtma çamuru ile FA2, FA3 ve FA4 içeren, solidifikasyonları sağlanan karışımların serbest basınç mukavemetleri ile karşılaştırılmıştır. FA1 içeren karışımlarda %25’in üzerinde arıtma çamuru kullanılamamasının nedeni, karışımlara %25’ten daha fazla çamur eklendiğinde katılaştırılmak üzere kalıptan çıkan örneklerin dağılmasıdır. FA2, FA3 ve FA4 içeren karışımlarda ise %17,5’in üzerinde arıtma çamuru içeren numuneler dağıldığından, bu karışımlar %17,5 oranda arıtma çamuru ile hazırlanmıştır.

Hazırlanan karışımlar Harvard Miniature Compaction Apparatus silindirik kalıbında standart metota uygun şekilde sıkıştırılarak hazırlanmıştır (US EPA, 1989).

 Hazırlanan örnekler streç film ve alüminyum folyo ile sarılmış, 7, 14 ve 28 gün süreyle oda sıcaklığında bekletilmiştir.

Serbest basınç mukavemeti testleri ASTM D1633-84 standartlarına göre gerçekleştirilmiştir. UCS testleri ELE International Digital Tritest 50 ekipmanı ile yapılmış olup birim deformasyon oranı 0,5 mm/dakika, yükleme halkası sabiti 0,0254 kN/div olarak belirlenmiştir.

Sızıntı testi TCLP, 14 günlük örneklerde 10 MPa düzeyinde serbest basınç mukavemeti değerleri verdiğinden, 28 gün bekletilerek katılaştırılan örneklere uygulanmamış, sadece 7 ve 14 gün bekletilerek katılaştırılan örneklere uygulanmıştır. Katılaştırılan örnekler kırılarak öğütülmüş ve 9,5 mm’lik elekten geçirilmiştir. 5 gr örnek 96,5 mL saf su  ile  5  dakika  karıştırılmıştır. Karışımın pH’ının  5’ten  düşük  olduğu  durumlarda ekstraksiyon sıvısı “I” kullanılmıştır. Karışımın pH’ının 5’ten yüksek olduğu durumda ise karışıma 3,5 mL 1 N hidroklorik asit eklemiş ve 50°C’de 10 dakika ısıtılmış ve tekrar pH’ı  ölçülmüştür. Eğer  karışımın  pH’ı  5’ten  düşük  ise  ekstraksiyon sıvısı  “I”,  aksi durumda ekstraksiyon sıvısı “II” kullanılmıştır. Kullanılacak ekstraksiyon sıvısı belirlendikten sonra, 5 gr örnek ve 100 mL ekstraksiyon sıvısı cam şişede 18 saat süreyle karıştırılmış, karışım 0,7 µm’lik cam fiber filtreden geçirilmiştir (US EPA, 1989; US EPA, 1996). Cr, Cu, Fe, Mn, Ni ve Zn konsantrasyonları AAnalyst 300 Atomic Absorption Spectrophotometer ile APHA-AWWA-WPCF 3111B. metoduna göre ölçülmüştür (APHA, 2005).

Bulgular ve Değerlendirme
FA1 içeren karışımlarla yapılan ön çalışma değerlendirildiği zaman (Tablo 4), en yüksek UCS değeri olan 10819 kPa’ın 28 gün bekletilen 11,6 / 21,1 / 42,3 / 25 (kireç / klinoptilolit / uçucu kül / arıtma çamuru, %) karışımı ile elde edildiği gözlemlenmiştir. 7 ve 14 gün bekletilerek solidifikasyonu sağlanan karışımlar arasında sırayla en yüksek değerler olan 5283 ve 8356 kPa ise 10 / 20 / 45 / 25 karışımıyla elde edilmiştir. 10 / 20 / 45 / 25 karışımının 28 gün bekletilmesiyle elde edilen örneğin UCS değeri 9507 kPa’dır. Bu değerler göz önüne alındığında en iyi karışımın 10 / 20 / 45 / 25 olduğu belirlenmiş ve çalışmanın devamında bu karışım tekrar hazırlanmıştır.

% 25 arıtma çamuru içeren FA1 karışımı ile %17,5 arıtma çamuru içeren FA2, FA3 ve FA4 karışımlarının solidifikasyonu sonucu elde edilen örneklerin UCS değerleri Tablo 5’te verilmiştir.

Tablo 5 incelendiğinde, 7, 14 ve 28 gün bekletilen numunelerin hepsinde en yüksek UCS değerlerinin FA1 içeren 10 / 20 / 45 / 25 oranındaki karışım ile elde edildiği gözlenmiştir.

7 gün bekletilen örneğin 6262 kPa, 14 gün bekletilen örneğin 10975 kPa ve 28 gün bekletilen örneğin 13380 kPa serbest basınç değeri olduğu tespit edilmiştir.

10 / 20 / 52,5 / 17,5 oranında üç farklı uçucu kül (FA2, FA3 ve FA4) ile hazırlanan örnekler incelendiği zaman, elde edilen değerlerin hepsinin 5000 kpa’ın üzerinde olduğu gözlenmiştir. 11571 kPa olan en  yüksek UCS değeri 28 gün bekletilen ve  FA3 ile hazırlanan karışım ile elde edilmiştir. 7 gün bekletilen örnekler karşılaştırıldığında ise FA3 ile hazırlanan karışımın 6204 kPa, FA4 ile hazırlanan karışımın ise 6102 kPa değerlerinde mukavemete sahip oldukları görülmüştür. 14 gün bekletilen örnekler arasında en yüksek mukavemet değeri (10037 kPa) FA4 karışımı ile elde edilmiştir. Tablo 5’te sunulan dört karışımın mukavemet deney sonuçları incelendiği zaman elde edilen UCS değerleri şu şekilde sıralanabilir: FA1 > FA3 > FA4 > FA2.
 Sızdırma testi TCLP 7 ve 14 gün bekletilerek solidifikasyonu sağlanan örneklere uygulanmış, sızıntı suyunda bulunan Cr, Cu, Fe, Mn, Ni ve Zn metallerinin konsantrasyonları ölçülmüştür  (Tablo  6). Belirtilen  metallerden Cr, Cu, Ni ve Zn, Tehlikeli Atıkların Kontrolü Yönetmeliği’nde konsantrasyonlarına sınırlama getirilen metallerdir. Yönetmelik, bu metallerin konsantrasyonlarına göre, atığı inert, tehlikesiz veya tehlikeli atık olarak nitelendirmektedir. Bu sınıflandırmaya ait değer aralıkları da Tablo 6’da verilmiştir.

Tablo 6 incelendiği zaman en yüksek sızıntı konsantrasyonuna sahip olan metallerin sırayla Zn, Fe ve Cr olduğu görülmüştür. Sızan metallerin konsantrasyonları Tehlikeli Atıkların Kontrolü Yönetmeliği’ndeki değer aralıkları ile karşılaştırıldığında, Cu, Ni ve Zn inert atık kategorisine girmekte, ancak Cr konsantrasyonu 0,050 mg/L’nin üzerinde olduğundan dolayı tehlikesiz atık kategorisinde yer almaktadır. Bu durum, solidifikasyon sonucu elde edilen örneklerin tehlikesiz atık olarak sınıflandırılmasına neden olmaktadır.

Sonuçlar
Evsel atıksuların arıtılması sonucu oluşan arıtma çamurlarının, alternatif bertaraf ve kullanım olanakları  olmasına  karşın,  günümüzde  halen  önemli  bir  çevre  sorunu oluşturmaktadır. Bu amaçla, evsel atıksulardan elde edilen yüksek organik içerikli arıtma çamuru, uçucu kül, klinoptilolit ve kireç ile karıştırılarak solidifikasyon/stabilizasyon işlemine tabi tutulmuş ve yüksek serbest basınç mukavemeti ile düşük metal sızıntısına sahip ürünler elde edilmiştir.

Uçucu külün fiziksel ve kimyasal yapısındaki değişikliklerin, külün su tutma kapasitesini etkilediği  gözlenmiştir.  Bu durum, çalışmada  hazırlanan  karışımlarda farklı oranlarda arıtma çamuru kullanılmasına neden olmuştur.

Elde edilen yüksek mukavemet değerleri, daha önce yaygın olarak çalışılmayan evsel atıksuların arıtımından elde edilen yüksek organik içerikli arıtma çamurlarının solidifikasyonlarının mümkün olduğunu göstermektedir. Bu  yöntem ile  çevresel bir sorun olan yüksek organik içerikli arıtma çamurları ve uçucu küller, çevreye zarar vermeyecek bir hale getirilerek faydalı ürünlere dönüştürülebilecektir.

Sistemin başka bir avantajı ise, kullanılan malzemelerin ucuz veya düşük maaliyetli oluşudur. Arıtma çamuru atıksu arıtımının, uçucu kül ise termik santrallerin bir yan ürünü olduğundan herhangi bir maliyet yaratmamaktadır. Klinoptilolit ise Türkiye’de yüksek miktarda rezervleri bulunan bir madde olup, ucuz bir üründür.

Solidifikasyon sonucu 10000 kPa’ın üzerinde serbest basınç mukavemeti değerlerinin elde edilmiş olması, sızıntı testlerinin sonuçlarının katılaştırılmış örneklerin tehlikesiz atık kategorisinde olduğunu göstermesi ve düşük maliyeti bu yöntemin inşaat sektöründe kullanımına olanak sağlamaktadır.
 
Kaynaklar
Filibeli, A., Ayol, A. (2008). Türkiye’de Arıtma Çamuru Potansiyeli: Yasal Mevzuat, Arıtma Çamurlarının Özellikleri ve Yararlı Kullanım Alternatiflerinin Değerlendirilmesi. TAKAG ’2008, Türk-Alman Katı Atık Günleri Geleceği Olan Katı Atık Yönetimi ve Katı Atık Tekniği, 27-29 Kasım 2008, İzmir, 133-146.
Topaç, F.O., Başkaya, H.S. and Alkan, U. (2008). The Effects of Fly Ash Incorporation on Some Available Nutrient Contents of Wastewater Sludges. Bioresource Technology, 99, 1057-1065.
Parsa, J., Munson-McGee, S.H. and Steiner, R. (1996). Stabilization/Solidification of Hazardous Waste Using Fly Ash. Journal of Environmental Engineering, 122, 935-940.
Malviya, R. and Chaudhary, R. (2006). Evaluation of Leaching Characteristics and Environmental Compatibility of Solidified/Stabilized Industrial Waste.  Journal of Material Cycles Waste Management, 8, 78-87.
PCA (2008). Portland Cement Accociation, http://www.cement.org/waste/wt_ss.asp Manz, O.E. (1999). Coal fly ash: a etrospective and future look, Fuel, 78, 133-136. Sarkar, A. and Rano, R. (2007). Water holding capacities of fly ashes: effect of size fractionation., Energy Sources Part A – Recovery Utilization and Environmental Effects, 29, 471-482.
ACAA  (2008).  2007  Coal  Combustion Product (CCP)  Production &  Use  Survey Results (Revised). American Coal Ash Association, Colorado.
Döven, A.G. (1998). Lightweight Fly Ash Aggregate Production Using Cold Bonding Agglomeration Process. Doktora Tezi, Boğaziçi Üniversitesi, İstanbul.
Cui, H., Li, L.Y. and Grace, J.R. (2006). Exploration of Remediation of Acid Rock Drainage with Clinoptilolite as Sorbent in a Slurry Bubble Column for both Heavy Metal Capture and Regeneration. Water Research, 40, 3359-3366.
Sprynskyy, M., Kosobucki, P., Kowalkowski, T. and Buszewski, B. (2007). Influence of Clinoptilolite Rock on Chemical Speciation of Selected Heavy Metals in Sewage Sludge. Journal of Hazardous Materials, 149, 310-316.
US EPA (1989). Stabilization/Solidification of CERCLA and RCRA Wastes, EPA/625/6-89/022, Washington DC.
US EPA (1996). Test Methods for Evaluating Solid Waste, SW-846, 3rd ed.; Office of Solid Waste, Washington, DC.
ÇOB (2005). Tehlikeli Atıkların Kontrolü Yönetmeliği. Çevre ve Orman Bakanlığı, Ankara.
KTS (2003). Kemerköy Termik Santrali Raporu: Uçucu Kül Kimyasal Analizi. Kemerköy Termik Santrali, Muğla.
Akçansa (2008). Kimyasal Analiz Raporu, Akçansa Çimento San. Tic. A.Ş., İstanbul. İncal (2008). Safety Data Sheet. İncal Mineral Mining and Trading Company, İzmir. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (1995). 21st ed., APHA-AWWA-WEF, A. D. Eaton, L. S. Clesceri, and A. E. Greenberg, eds.