FBE- Çevre Bilimleri Mühendisliği ve Yönetimi- Yüksek Lisans
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Son Başvurular
1 - 5 / 7
-
ÖgeSpatial distribution of health risks associated with PM2.5 in turkey and iran using satellite and ground observations(Institute of Science and Technology, 2018-06-07)Industrialization, has been increasing air pollution. In recent decades, the most industrialized and populated cities began to investigate this issue and estimating the cost of health effects for the governments. These researches reasoned the goverments to make new legislation and standards which eventually reduced the air pollution and health effects of it afterward. New York, Paris, London, Seoul and Istanbul are successful examples of these practices. Iran and Turkey, have almost the same population of 80 million individuals. Such large populations make a high demand in energy production, as some days in winter of 2017, Iran natural gas consumption reached the EU consumption. On the other hand, gasoline consumption in Iran is around 100 ML/d and in Turkey is 68ML/d. Meanwhile, climate change is a serious concern in both countries, which is one of the reasons for dust events in the region. Ambient PM is the sixth Global Burdon of Disease risk factor responsible for premature death of 4.1M individuals in 2016. Studies on PM health effects, playing the key role in policymaking. To observe and analyze the air pollution trend, ground measurement data is needed. This study, used the very recently published Iran nationwide ground measurements from the years 2015 to 2017. Since the population in both countries are high and spatially distributed, the number of ground measurement stations are not enough. Thus, spatially more complete remote sensing data was also used in this study. Although PM remote sensing, is still under developments since the instruments only measure AOD and not PM directly. To convert AOD to PM, researchers mostly use GEOS (Goddard Earth Observing System) chemical transport model which first used in 2011 by. For satellite retrievals, dataset V4.GL.02 is chosen in this thesis. This product obtained from three different instruments and with Geos-Chem transport model converted to PM2.5. The product has dust and sea-salt removed version which implied to have a better compare with ground measurements, as there are a lot of sand events happening in the region especially in Iran which might mask the anthropogenic sources of PM2.5. In addition, dust and sea-salt included version was also used to compare total PM2.5 concentrations in both countries. Initial ground data analysis of Turkey showed that out of 42 available PM2.5 stations, 41 stations have reported concentrations above WHO guideline and 45% of stations stand out of European Environment Agency's standard. Edirne Kesan, Sakarya Hendek and Erzurum Tashan are the PM2.5 stations with annual averages more than 50 mg/m3 all the time, which is 5 times higher than WHO guidelines. It was observed that populated cities in both countries such as Ankara, Istanbul, Tehran, Isfahan, Mashhad are experiencing high concentrations due to traffic and domestic energy consumption. Although in cities like Igdir in northeast Turkey, Zabol in southeast Iran or Khuzestan province which are having high concentrations without being populated. The reason for a high PM2.5 profile in Khuzestan province is dust events, as well as in Zabol. Also in southwest Iran is the oil refineries zone of the country, which is responsible for anthropogenic PM2.5 emissions mostly. To calculate the exposure and health effects of PM2.5 and PM10, three methodologies exist. The first methodology uses systematic review and meta-analysis oriented exposure-response function, which is based on hundreds of global researches and oriented by meta-analysis. In the second method, AirQ+, a software from WHO can be used to estimate the short-term and long-term adverse health effects of ambient PM. AirQ+ uses life-tables technique and stand on risk estimates oriented from cohort studies. Third method which is mainly used in this thesis is using concentration-response functions from a study in the US and exposure-dose functions to calculate mortality associated with PM2.5. The correlation between PM2.5 ground measurements and satellite retrievals was investigated. In general, the correlation was low due to the version of the satellite used for this study which is dust and sea-salt removed, and also the fact that ground stations measure one point and that value is considered as the region/province's average concentration. Therefore when all compositions PM2.5 satellite product used, only for this purpose, the correlations improved. In this study, a high resolution population dataset from European Commission has been used. In order to input this dataset in the function, the resolution reduced to 1000m×1000m to match the PM2.5 satellite product resolution. To estimate the mortality attributable with PM2.5, three different causes has been calculated by implying the cause-specific mortality rates for Iran and Turkey from WHO. Firstly, baseline mortality rate for three different causes as: all causes, ischemic heart disease, and lung cancer for Turkey and Iran in 2016 has been calculated. The concentration-response factor for each mortality cause and its upper and lower boundaries, separately obtained from one of the most cited studies in United States. All the datasets such as satellite derived and ground based observations, population, concentration-response factor and baseline mortality rate has been used as inputs for the function which is most commonly used in dose-response and concentration-response estimations. The calculations were performed with ArcGIS spatial analyst tools beside Excel and Google Earth Pro. The mortality attributable with PM2.5, has been calculated based on both ground observations and satellite-derived separately, on district and province level for both countries. In result of satellite-derived based calculations, Istanbul with 6297 deaths, Ankara with 3636 deaths, Izmir with 2254 deaths, Bursa with 1930 deaths, Mersin with 1131 deaths, and Konya with 1116 deaths caused by all causes and attributed to PM2.5 in the year 2016. These provinces had the highest mortalities in Turkey. In Iran, Tehran with 6724 deaths, East Azerbaijan with 2587 deaths, Alborz with 2456 deaths, Khuzestan with 2325 deaths, Mazandaran with 2322 deaths and Gilan with 2250 deaths caused by all causes and attributed to PM2.5 in the year 2016. These provinces were under the most in Iran. To sum up, 36967 deaths attributable with anthropogenic PM2.5 was estimated for Turkey, and 34491 deaths attributable with anthropogenic PM2.5 was estimated for Iran in 2016. However, these numbers increase significantly by implying the ground observation PM2.5 concentrations. In Turkey, the results based on ground observations were as 10529 deaths in Istanbul, 4094 deaths in Ankara, 2570 deaths in Bursa and 1233 deaths in Erzurum by all causes attributable with PM2.5. In Iran though, Tehran with 12383 deaths, Razavi Khorasan with 5376, Khuzestan with 4990 deaths, and Isfahan with 4 601 deaths are the most at risk provinces of Iran. The other studied mortality cause in this thesis, was ischemic heart diseases. By using the specific concentration-response factors used for ischemic heart disease, and its upper and lower boundaries, mortalities estimated separately based on satellite derived PM2.5 and ground observations. By using satellite derived PM2.5 in Turkey, Istanbul with 5200 deaths, Ankara with 2893, Izmir with 2893 deaths caused by ischemic heart diseases attributable with PM2.5 are the most at risk provinces. In Iran, 5541 deaths, East Azerbaijan 2056 deaths, and in Alborz 2003 deaths have been estimated caused by ischemic heart diseases. As in ground measured PM2.5, dust and sea-salt is included, concentrations are higher and thus, estimated mortalities increased. In Turkey, Istanbul with 14165 deaths, Ankara with 5416 deaths, Bursa with 3433 deaths, and Erzurum with 1257 deaths having the most mortalities estimated. In Iran, Tehran with 12383 deaths, Razavi Khorasan with 5376 deaths, and Khuzestan with 1483 deaths estimated as the most at risk provinces. In total, 2817 deaths in Iran estimated with satellite-derived PM2.5, caused by ischemic heart diseases attributable with PM2.5. In Turkey, 30240 deaths in total have estimated caused by ischemic heart disease attributable with PM2.5. By using ground observations, 25525 deaths estimated in Turkey and 3866 deaths in Iran. The ground observation based calculation only contributes to the provinces which PM2.5 had been measured in the year 2016. The third investigated cause, was lung cancer. The reported mortalities by WHO showing higher deaths in Turkey than Iran. Therefore, it affected the baseline mortality rate and estimation's difference of two countries. In Turkey, 5591 deaths in total and 669 deaths in Iran estimated by using satellite-derived PM2.5, caused by lung cancer and attributed to PM2.5. Although, by using ground measurements total mortality in Turkey changes to 5883 deaths and 776 deaths in Iran. The calculated results, were relevant to what was reported by State of Global Air. However, results in comparison with the report, results are higher than global reports for Turkey. Eventually, the risk distribution maps for both countries were produced. Maps were showing central Turkey (Aksaray, Ankara, Konya, Kirsehir) are at high risk, as well as Izmir, Igdir, Mardin, Batman, and Bursa. In Iran, from West Azerbaijan in the northwest, to Tehran in north-center of the country, very high-risk estimations were observed. In south Iran, Khuzestan province observed with high-risk estimations.
-
ÖgeDetermination of river pollution sources using source apportionment method: Ergene river(Institute of Science and Technology, 2018-06-08)Ergene Watershed in Thrace Region has been in the news about the river pollution problems. The provinces within the watershed, especially Tekirdağ, have intense industrial activity due to the geographical location. Uncontrolled industrialization and unplanned urbanization have increased rapidly since 1990s in the region, and caused numerous environmental problems. Ergene River and its tributaries supply water to the watershed. A significant part of the industrial facilities is concentrated in the Çorlu-Çerkezköy region close to Çorlu Stream in Tekirdağ Province, and the pollution in the river starts in this region, which is at the beginning of Ergene River. The population has been also increasing by the influence of the organized industrial districts and industrial activities. There are approximately 1 768 000 people living and 2 000 industries in the region. Additionally, agricultural activities are carried out intensively in the watershed as well as the industrial activities. Water quality is analyzed to estimate pollution level and determine the potential uses of the water source. Sampling and measurements are the important steps in watershed management along with the inventory of pollution sources to identify the problem. Environmental Quality Standards (EQSs) for specific and priority pollutants recently included in "Surface Water Quality Regulation". Measurements of these pollutants give more information than the routine monitoring for conventional pollutants to distinguish different pollution sources. Firstly, Ergene Watershed, boundaries of watersheds, and river were determined using ArcGIS software using a current high-resolution Digital Elevation Model (DEM) dataset. The current river was investigated using Google Earth to take into account the human interferences such as changes in riverbed and water irrigation channels. A total of 75 sampling locations were determined according to the number and spatial distribution of discharge points in the watershed. Measurements were evaluated and statistical analyses were performed to understand the characteristics of Ergene River pollution and contributing sources. In this study, three season (summer, fall, and winter) measurements of several micropollutants in addition to conventional pollutants and metals were used from 75 sampling locations in Ergene River. Pollution sources and contributions need to be identified to understand the state of the pollution and control pollution sources. Thus, source identification and apportionment using multivariate statistical analysis techniques namingly Cluster Analysis (CA), Principal Component Analysis (PCA), and Positive Matrix Factorization (PMF) were performed for this study. Out of 223 micropollutants, total of 132 in summer, 136 in fall, and 97 in winter were detected at least one sampling location. The multivariate statistical analyses were performed for the whole river, main river, and Çorlu Stream only. CA using Ward linkage method was performed with measured pollutants and sampling locations for three seasons with normalized concentration values. CA for sampling locations indicated two main clusters; first one with relatively clean locations and another one with polluted locations for all seasons. In addition, heatmaps were created. PCA was performed to the three seasons with pollutants with at least one measurement above Limit of Detection (LOD). The first 5-6 principal components usually explain more variation and 50% of the total variance was explained with the first seven components. PCA was also performed only with pollutants with more than 12.5% and 25% detection efficiency. For these cases, and main river, Çorlu Stream results, explained total variances were increased for all seasons. Çorlu Stream for three seasons with >25% detection of pollutants was identified approximately 100% with ten components. Fifty percent of the total variance was explained with the first three components Çorlu Stream with all measurements as well. PMF runs were performed for three to seven factors for three seasons (summer, fall, winter) and three cases (whole river, main river, and Çorlu Stream). Optimum number of factors were found as six factors for Ergene River, six factors for main river, and five factors for Çorlu Stream in summer; five factors for Ergene River, six factors for main river, and five factors for Çorlu Stream in fall; five factors for Ergene River, five factors for main river, and four factors for Çorlu Stream in winter. These findings were also consistent with the PCA results in which the same factors explained approximately 50%, 70%, and 70% of the variability in the dataset for Ergene River, main river, and Çorlu Stream, respectively. PMF runs were performed for three to seven factors for three seasons and three cases with pollutants greater than 25% detection frequency, and almost all of these pollutants were categorized as "Strong" according to their S/N ratio. According to the quality of fit parameter (Qtrue/Qexpected), optimum numbers of factors were determined as six factors for Ergene River, five factors for main river, and six factors for Çorlu Stream in summer; six factors for Ergene River, five factors for main river, and six factors for Çorlu Stream in fall; five factors for Ergene River, six factors for main river, and six factors for Çorlu Stream in winter. PMF results for the main river and Çorlu Stream with pollutants greater than 25% detection frequency were found to give the most stable solutions and used for identification of the sources. After determination the number of factors, uncertainty runs using Bootstrap (BS) and Displacement (DISP) methods were performed to understand the contributions of pollutants to source profiles. Factor fingerprints, factor contributions, and uncertainty methods error estimations of factor contributions for main river in three seasons were obtained. Major contributed pollutants for the factors and their contribution (%) in main river were combined, and contributions were indicated the important pollutants in each factor. According to pollutants with high factor profile percentages and low uncertainty, ranking was made. To understand the location of pollution sources, the factor contributions to the sampling locations of PMF were plotted against the distance from the beginning of the river (km) and the direction of flow. According to PMF results, Factor 1 was characterized by industrial pollutants, Factor 2 was by industrial, domestic, and agricultural pollutants, Factor 3 by industrial pollutants used in corrosion inhibitor, automotive and metal production, Factor 4 by pesticides, and Factor 5 strongly by metal pollutants in summer. In fall, Factor 1 was characterized by mixed industrial and domestic pollutants, Factor 2 by pesticides, insecticides, and herbicides, Factor 3 by industrial, domestic, and agricultural pollutants, Factor 4 mostly by domestic pollutants and Factor 5 by NO3 and pesticides. In winter, Factor 1 was characterized by specific industrial pollutants which can be identified as solvent and paint industry, Factor 2 by metal pollutants, Factor 3 by conventional pollutants and corrosion inhibitors, drug precursors, Factor by industrial pollutants and Factor 5 by metal pollutants, Factor 6 was strongly influenced by conventional and domestic pollutants in winter. According to PMF factor contributions for sampling locations, Factor 1 in summer, Factor 1 in fall, and Factors 1 and 4 in winter; Factor 2 in summer, Factor 3 in fall, and Factor 3 in winter; Factor 3 in summer, Factor 3 in fall, and Factor 4 in winter; Factor 4 in summer, Factor 5 in fall, and Factor 3 in winter; and Factor 5 in summer, Factor 4 in fall, and Factor 5 in winter were found similar contributed in main river. Factor 2 in winter was not related other factors in other seasons. According to PMF factor contributions for pollutants in main river, Factors 1 in summer, 1 in fall, and 4 in winter, Factors 2 in summer, and 3 fall, Factors 4 in summer, 5 in fall, and 4 in winter, Factors 5 in fall, 5 in winter were found similar.
-
Ögeİç ortam havasında bulunan uçucu organik bileşiklerin (UOB) farklı nanomalzeme katkılı polimerik nanolif filtreler ile giderilmesi(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2020-07-22)Şehirlerde yaşayan insanların çoğu zamanlarının yaklaşık olarak %80-90'ını evler, işyerleri, alışveriş merkezleri, ulaşım araçları (tren, otobüs, uçak, gemi vb.) gibi kapalı mekânlarda geçirmektedir. Bu durum zamanlarının çoğunu bu gibi kapalı ortamlarda geçiren insanların sağlıklarını, çalışma verimliliklerini etkilediği için son yıllarda yapılan çalışmalar da iç ortam hava kalitesine yoğunlaşmaktadır. Yapılan bu araştırmalar, iç ortam havasının havalandırma sistemindeki zayıflıklar nedeniyle dış ortamdaki seviyelerden daha yüksek kirletici madde bulundurabileceğini göstermektedir. Bu kirleticilerden uçucu organik bileşikler (UOB) miktarsal olarak büyük paya sahiptir ve özellikle "Hasta Bina Sendromu (HBS) " olarak isimlendirilen rahatsızlığın en temel nedenlerinden birisidir. UOB'lerin gideriminde farklı teknolojiler kullanılabilmektedir. Literatürdeki çalışmalara bakıldığında en ideal teknolojinin fotokatalitik oksidasyon olduğu fakat adsorpsiyonunda yardımcı mekanizma olarak kullanılması gerektiği sonucuna varılmaktadır. Bu iki mekanizmanın farklı malzemelerin kullanımıyla filtre malzemesinde gerçekleştirilmesi bu tezin ana fikridir. Heterojen fotokatalizörlerin havadaki organik kirleticilerin gideriminde verimli, ekonomik ve çevre dostu malzemeler olduğu literatürde belirtilmiştir. Özellikle titanyum dioksit (TiO2) ve çinko oksit (ZnO) katalizörleri sahip oldukları yüksek fotokatalitik aktivite, kimyasal ve biyolojik olarak parçalanamıyor olmaları ve yüksek fotokimyasal stabiliteleri nedeniyle organik maddelerin parçalanmasında kullanılan en verimli ve özellikleri en iyi bilinen fotokatalizörlerdir. Tezde önerilen temel mekanizma, bir nanolif ağ yapısı içerisine adsorpsiyonu arttırıcı nanokil ve fotokatalitik oksidasyon sağlayıcı TiO2 ve ZnO malzemelerin entengre edilmesi ve uzun süreli ortam havasından UOB'nin giderilmesidir. Bu mekanizmanın verimini etkileyen iki önemli faktör bulunmaktadır. Bu faktörler iç ortam havasında düşük konsantrasyonlarda bulunan UOB'lerin fotokatalizör ile temasının sağlanması için adsorpsiyonu arttıracak yüzey alanı ihtiyacı ve zamanla kirlenmeden dolayı verimi düşecek olan fotokatalizörlerin sürdürülebilir bir şekilde tekrar kullanılabilirliğinin sağlanmasıdır. Bu sebeple temel reaksiyonu sağlayacak fotokatalizörlerin bu iki faktör göz önünde bulundurularak uygun bir nanolif yapısı içerisinde kullanılması gerekmektedir. Bu yapıların oluşturulması için son yıllarda birçok alanda kullanılan yüksek yüzey alanı ve düşük filtrasyon dirençlerine sahip olan polimerik nanolif filtreler incelenmiştir. Nanolif filtre üretiminde poliamit-6 (PA6) polimeri ve bu polimer ile nanoadsorbent olarak halloysit nanotüp-HNT ve nanokil-NK, katalizör olarak ise TiO2 ve ZnO yapıların kompozit olarak hazırlanması, karakterizasyon ve performans çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Polimer ile elektroeğirme yönteminin optimizasyonu sonrası HNT ve NK adsorbentleri ve nanofotokatalizörler için (i) agloremasyon olmayacak şekilde konsantrasyon belirlenmesi (ii) uygun disperse etme koşullarının belirlenmesi (iii) elektroeğirme şartlarının belirlenmesi aşamaları uygulanmıştır. Üretim ardından nanoliflerin yapısal karakterizasyonu için fiber çapı (SEM ile), organik bağlar (FTIR ile), kristal yapısı (XRD ve SEM-EDS ile) ve akma/çekme dayanımı değerleri ile mekanik dayanım özelliği (DMA ile), performans değerlendirmesi için standart yöntemler ile hava geçirgenliği ve su buharı geçişi, model UOB olarak toluen adsorpsiyon ve oksidasyon döngülerinde giderim verimleri belirlenmiştir. Bu tezdeki özgün değer; iç ortam havasından UOB giderimi için hızlı kütle transferi sağlayacak, yüksek oksidasyon verimine ve kendi kendini temizleme özelliğine sahip ve yüksek mekanik dayanımı olan, eşzamanlı giderim mekanizmalarının (adsorpsiyon+oksidasyon) gerçekleşeceği verimli ve modüler filtre sistemlerine yerleştirilebilecek filtre malzemelerinin literatürden farklı yaklaşımlar ile gerçekleştirilmesidir. Güçlendirilmiş/fotokatalizör katkılı polimerik nanolif filtre malzemelerinin mühendislik yaklaşımıyla üretilmesi, karakterizasyonu, laboratuvar ölçekte denenmesi izlenen temel yöntemlerdir.
-
ÖgeSuya duyarlı kent uygulamaları: İstanbul Ataköy atıksu toplama havzası örneği(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2020)Su, korunarak gelecek nesillere aktarılması gereken ancak her geçen gün tüketim miktarı artan en önemli doğal kaynağımızdır. Özellikle kentlerde hızla artan nüfus ve iklim değişikliğinin etkileri, su kaynakları üzerindeki baskıyı artırmakta ve sürdürülebilirliğin önündeki en büyük risk olarak karşımıza çıkmaktadır. Ayrıca yoğun kentleşmenin beraberinde getirdiği geçirimsiz yüzeyler, yağmursularının yeraltına sızamadan yüzeysel akışa geçmesine, dolayısıyla taşkın hadiselerinin yaşanmasına sebep olmaktadır. Bu sebeplerle günümüz koşullarında mevcut kaynakların etkin kullanımıyla güvenli su temininin sağlandığı, atıksuların çevreye ve halk sağlığına zarar vermeden uzaklaştırıldığı, konvansiyonel yağmursuyu sistemlerinin uygulandığı kentsel su yönetim anlayışı yetersiz kalmaya başlamıştır. İklim değişikliğinin olası risklerine karşı kentsel altyapı direncinin artırıldığı, doğaya uyum sağlayan yöntemler ile su döngüsünün sürekliliğinin sağlandığı, daha yeşil ve daha yaşanabilir bir kentsel su yönetimi yaklaşımı arayışı neticesinde Avustralya kent yetkilileri tarafından "Suya Duyarlı Kent" kavramı geliştirilmiştir. Bu tez kapsamında Suya Duyarlı Kent çerçevesinde ulaşılmak istenen hedeflerden, ulusal ve uluslararası uygulamalardan bahsedilmiştir. Sürdürülebilir yağmursuyu yönetim sistemlerinin (yeşil çatılar, yağmur bahçeleri, yağmursuyu hendekleri, ekolojik dere koridorları, geçirimli yüzeyler) özellikle iklim değişikliği etkilerine direnç noktasında kentler için sağladığı faydalar üzerinde durulmuştur. Arıtılmış atıksuların yeniden kullanım kriterleri ve kullanım amacına yönelik uygulanacak arıtma teknolojilerinin seçimi konularında ulusal ve uluslararası mevzuat değerlendirilmiştir. Ülkemizde arıtılmış atıksuların yeniden kullanımını düzenleyecek yasal mevzuatın hazırlanıp yürürlüğe konulması gerektiği vurgulanmıştır. Türkiye'de sulamada yeniden kullanılacak arıtılmış atıksularda aranan özelliklerin Dünya Sağlık Örgütü Standartları ile uyumlu olarak "Atıksu Arıtma Tesisleri Teknik Usuller Tebliği"nde yer aldığı ancak diğer kullanımlar için ulusal herhangi bir standart bulunmadığı belirtilmiştir. Amerika ve gelişmiş Avrupa ülkelerinde olduğu gibi ülkemizde de arıtılmış suyun ne amaçla kullanılacağı hususunun belirlenmesinin bir an önce yapılması gerektiği vurgulanmıştır. Dünya genelinde kullanılan suyun %18'inin sanayide tüketildiği göz önünde bulundurulduğunda arıtılmış atıksuların farklı proseslerde soğutma suyu olarak kullanılabilirliğinin önemi anlaşılmaktadır. Bu sebeple geri kazanılmış suların özellikle endüstrilerde soğutma suyu olarak kullanımında, elverişli su kalitesinin hangi arıtma sistemleri ile elde edileceği araştırılmış olup ikincil arıtma ile filtrasyon ve dezenfeksiyon proseslerinin yeterli olduğu sonucuna varılmıştır. Ancak potansiyel insan teması göz önünde bulundurulduğunda nanofiltrasyon, ters osmoz, iyon değiştirici ve karbon adsorbsiyonu gibi ileri artım teknolojilerinin uygulanmasının gerekebileceği unutmamalıdır. Ayrıca toprağın arıtma özelliğinden faydalanıldığı, kentsel alanlarda büyük hacimli su depolama kapasitesi sağlanarak suya duyarlı kentsel tasarım, entegre kaynak yönetimi, sürdürülebilir drenaj sistemleri ve yeşil altyapı hedeflerine ulaşılmasında önemli bir yere sahip olan akifer besleme yöntemleri üzerinde durulmuştur. Sürdürülebilir yağmursuyu yöntemleri, arıtılmış atıksuların yeniden kullanımı ve akifer depolama sistemlerinin uluslararası ölçekteki en iyi uygulamaları incelenmiştir. Ayrıca ulusal düzeyde yapılan çalışmalardan örnekler verilmiştir. Suya Duyarlı kent olma yolunda atılabilecek adımlardan biri olan, yağmursuyu, gri su ve arıtılmış atıksu kullanımı ile doğal kaynakların korunarak sürdürülebilirliğin sağlanmasını esas alan, su döngüsü uygulamaları "İstanbul Ataköy Atıksu Toplama Havzası" üzerinden örneklendirilmiştir. Arıtılmış atıksuların endüstrilerde kullanılabilme olanağı iki seçenek üzerinden değerlendirmiştir. İlk seçenekte mevcut Ataköy İleri Biyolojik Atıksu Arıtma Tesisi geri kazanım ünitesinden çıkan arıtılmış atıksuların, aynı havza içerisinde muhtelif konumlarda faaliyet gösteren endüstrilere proses ve/veya soğutma suyu olarak kullanılmak üzere basınçlı hatlarla iletilmesinin fayda maliyet analizi yapılmıştır. Arıtılmış atıksuların bu çalışmaya konu olan 13 adet endüstriyel tesiste soğutma suyu/kazan suyu olarak kullanılması halinde elde edilebilecek tasarruf miktarının sistemin yatırım maliyetini 5 yılda geri ödeyebileceği sonucuna varılmıştır. İkinci seçenekte ise havza içerisinde bir ileri atıksu arıtma tesisi planlanması halinde tesis çıkış sularının; metal kaplama, tekstil, plastik vb. sanayi kolları başta olmak üzere 37 kooperatiften 35'inin aktif olarak faaliyet gösterdiği İkitelli Organize Sanayi Bölgesi'ne basınçlı hatlar vasıtasıyla iletilerek proses ve/veya soğutma suyu olarak endüstrilerde yeniden kullanılabilirliği değerlendirilmiştir. Öncelikle bölgede İSKİ tarafından yeni bir arıtma tesisi planlanmasının sebebi; bölgedeki dere ana toplayıcı hatları kapasitesinin artan nüfus karşısında yetersiz kalması ve atıksuların bir kısmının atıksu tüneli vasıtasıyla söz konusu arıtma tesisine yönlendirilmek istenmesidir. Ayrıca, Kanalistanbul projesinin uygulamaya geçirilmesi halinde iptal edilecek olan Küçükçekmece Ön Arıtma Tesisi Havzası atıksularının bir kısmı Ataköy İleri Biyolojik Atıksu Arıtma Tesisi'ne iletilmek zorunda kalacak, bu durum da mevcut arıtma tesisinin kapasitesini zorlayacaktır. Bu durumda yine Başakşehir bölgesinin atıksularının toplanarak atıksu tüneli ile Esenler Askeri Bölgesi'nde planlanacak olan atıksu arıtma tesisine mansaplanması ve Ataköy İBAAT'ın yükünün azaltılması hedeflenmektedir. Bu çalışma ile hem Ataköy İleri Biyolojik Atıksu Arıtma Tesisi'ne iletilen debi ve yükün azaltılması hem de arıtılmış atıksuların yeniden kullanılmasıyla sürdürülebilirliğe katkı sağlanması amaçlanmıştır. Aynı zamanda Ataköy İBAAT geri kazanım ünitesinden çıkan arıtılmış atıksuyun, ilave ters osmoz işlemine tabi tutulduktan sonra bölgedeki yeraltı suyunun beslenmesi amacıyla kullanılabilirliği üzerinde durulmuş ancak sistemin yüksek işletme maliyetlerini de beraberinde getirdiği görülmüştür. Başakşehir ve Bakırköy ilçelerinde örnek alınan iki site ile Bağcılar ilçesindeki bir ticaret merkezinin (İSTOÇ) çatı sularının toplanarak yeniden kullanımı yoluyla elde edilebilecek ekonomik/çevresel tasarrufların tespitleri ve kıyaslamaları yapılmıştır. Yağmursuyu ve gri su uygulamaları ile ilgili bu çalışmaya konu olan üç örnek bölgeden bir yılda toplanabilecek yağmursuyu ile ortalama günlük 835.916 kişinin kullanma suyu ihtiyacının karşılanabileceği görülmüştür. Söz konusu uygulamalar ile su tasarrufundan elde edilecek kazanç ile sistemin kurulabilmesi için gereken yatırım maliyeti kıyaslandığında kısa vadede ekonomik ve sürdürülebilir faydalar sağladığı sonucuna varılmıştır. Ayrıca, "Suya Duyarlı Kent" yönetiminin nihai hedefi olan nesiller arası eşitlik ve iklim değişikliğine karşı dayanıklılığın tesis edilmesinde; entegre havza yönetimi anlayışının, mevcut su dağıtım tesislerinin akılı şebekelerle yönetilmesinin, kayıp ve kaçakların azaltılarak su kaynaklarının verimli kullanımının, kontrolsüz yeraltı suyu çekilmesinin önlenmesinin, geçirimli yüzeylerin artırılarak sel ve su baskınlarının önüne geçilmesinin, yağmursuyu hasadı, gri su, mor şebeke uygulamaları ile suyun tekrar tekrar kullanımının sağlanmasının önemi vurgulanmıştır. Netice itibariyle, tek elden su döngüsünü yöneterek mavi ile yeşilin bütünleştiği, insanların beton kanallarla sudan uzak tutulduğu değil de suyla temas ettiği, yağmursuyu depoları ve gri su kullanımı ile sudan tasarruf edilirken peyzaj özelliğinden, estetik değerinden faydalanıldığı "Suya Duyarlı" bir yönetim stratejisine geçilmesi gün geçtikçe daha da önem kazanmaktadır. Suya duyarlı şehirler günümüzde henüz mevcut olmamakla birlikte dünyanın birçok ülkesinde stratejik amaç olarak su yönetim sürecine dahil edilmektedir. Örneğin Singapur'da suya duyarlılığı arttırmak için NEWater, Singapur ABC gibi birtakım programlar geliştirilmekte olup ülkemizde de özellikle İstanbul gibi büyük kentlerimizde Suya duyalı kent olma yolunda adımların atılmasının gerekliliği vurgulanmıştır.
-
ÖgeBioethanol production from lignocellulosic biomass(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2020)Günümüzde, küresel ısınma, iklim değişikliği, petrol rezervlerinin tükenmesi, artan petrol fiyatları ve fosil yakıtların neden olduğu sera gazı emisyonları nedeniyle yenilenebilir yakıtların üretimi ve kullanımı üzerine araştırmalar yoğunlaşmıştır. Nüfusun katlanarak artmaya devam etmesiyle, dünyadaki sadece yiyecek değil, sınırlı kaynakların da bastırılacağı tahmin edilmektedir. Özellikle enerji ihtiyacının karşılanmasında kullanılan fosil yakıt, petrol ve doğal gaz rezervleri yüksek bir hızla tükenmeye devam etmektedir. Yapılan araştırmalara göre, petrol ve doğal gazın yaklaşık 50 yıllık bir ömre sahip olduğu belirtilmektedir. Dünyanın toplam petrol rezervi yaklaşık 51 yıllık tüketime karşılık gelen yaklaşık 1.5 trilyon varildir. Dünya doğalgaz rezervi 2015 yılı sonunda 177 trilyon m3 olarak belirlenmiştir. Bu değer yalnızca 51 yıllık bir süre boyunca küresel üretimi kapsaması için yeterlidir. Tüm bu sorunlar bizi yeni alternatif ve sürdürülebilir enerji kaynakları bulmaya itiyor. Bu bağlamda, sürdürülebilir bir enerji kaynağı olarak ilk akla gelen kaynak biyokütle enerjisidir. En önemli alternatif enerji kaynakları biyokütle enerjisi, etanol, bütanol, metanol, hidrojen, çeşitli bitkilerden üretilen biyodizel ve organik atıklar gibi sıvı, katı veya gaz halindeki formlardır. Birinci nesil biyoyakıtlar temel olarak gıda ve yağ bitkilerinden elde edilir, ancak besin zinciri ile rekabet etmek ve tarımsal arazi kullanmak nedeniyle tercih edilmez. Bu nedenle, gıda dışı biyokütle üretiminden kaynaklanan biyoyakıt gelişimine olan ilgi artmıştır. İkinci nesil biyoyakıtlar, lignoselülozik biyokütle de dahil olmak üzere gıda dışı hammaddelerden türetilir ve biyokütle işlenerek üretilir. Alglerden elde edilen üçüncü nesil biyoyakıtlar. Ek olarak, biyoyakıt üretiminde yeni trend, fotobiyolojik güneş yakıtları ve elektroyakıtlar kullanılarak dördüncü nesil biyoyakıttır. Biyoetanol yakıtlar için katkı maddesi olarak kullanılabilir ve lignoselülozik atıklardan üretilmiş olan biyoetanolün kullanımı CO2 emisyonlarını ciddi oranda azaltır. CO2, güneş enerjisi kullanılarak organik kütleye (biyokütle) dönüştürülür ve bu organik biyokütleden biyoyakıt elde edilir. Böylece, ulaşımda ikinci nesil biyoyakıtlar kullanıldığında, atmosfere salınan net CO2 emisyonları azalır. Etanol, mayaların fermantasyonu ile oluşur. Mayalar, basit şekerleri doğrudan etanole fermente edebilirken, daha kompleks yapıdaki şekerlerin etanole fermente olabilmeleri için fermente edilebilir şekerlere dönüştürülmesi gerekir. Ön muamele, hidroliz ve fermantasyon, lignoselülozik biyokütleden etanol üretiminde kullanılan genel işlemlerdir. Tarımsal faaliyetler sırasında, ana mahsullerin hasat edilmesinden sonra koçan, kabuk, yaprak, sap, saman vb. gibi yüksek miktarda tarımsal atık üretilir. Çiftçiler kendileri için ciddi bir sorun yaratan bu atıkları yönetmek için büyük çaba sarf etmektedirler. Bu atıkları enerjiye dönüştürmek mümkün olmasına rağmen, arazi sahipleri yeni hasat döneminde tarlayı atıklardan temizlemek için yakmaktadırlar. Bu yakma işlemi sonucunda arazi ciddi bir şekilde zarar görmektedir. Bu nedenle, tarımsal atık hem atık yönetimi hem de bu potansiyelin enerjiye dönüştürülmesi için tüm dünyada yenilenebilir enerjinin ana odak alanlarından biri haline gelmiştir. Atık lignoselülozik biyokütle çoğunlukla tarımsal atıklar, ormancılık atıkları ve selülozik endüstriyel atıklardan oluşmaktadır. Bu atıklardan enerji üretimi ekonomik, sosyal ve çevresel olmak üzere her açıdan önemlidir. Ayrıca, sürdürülebilir enerji üretimi kapsamında değerlendirilmektedir. Sanayi hizmetlerin sürekli artmasına rağmen tarım, Türk halkının çoğunluğunun istihdamıdır. Tarım arazileri açısından, Türkiye aynı zamanda dünyanın en büyük ülkelerinden biridir. Türkiye'nin tarımsal atıklardan enerji üretim potansiyeli dikkate alındığında; bu potansiyelin ekonomik, sosyal ve çevresel açıdan tarımın sürdürülebilirliğinde vazgeçilmez bir rol oynayacağı açıktır. Dahası, Türkiye, bu potansiyel enerjinin kendileri için özellikle önemli olduğu tarımla uğraşan kırsal nüfusun önemli bir kısmına sahiptir. Fakat, ülkemizde, tarımsal atıkların yüksek miktarda enerji içermesine rağmen, ticari olarak tarımsal atıklarla çalışan sınırlı sayıda tesis bulunmaktadır. Bu nedenle, termal ve biyolojik olarak yenilenebilir enerji kaynağı olarak metan, hidrojen, ısı, biyoetanol ve biyobutanol gibi ürünlere dönüştürülürler. Ancak, ön arıtma bu atığın biyodönüşümü sırasında hızı sınırlayan bir adımdır. Lignoselülozik biyokütleyi fermente edilebilir şekere dönüştürmek için özel ön işlem prosesleri gereklidir. Ön işlemin amacı, lignoselülozun karmaşık yapısını kırmak ve biyoyakıt üretiminde mikroorganizmaların kullanılabilir şekere erişimi için basit bir yapı elde etmektir. Ön arıtma yöntemleri mekanik, kimyasal, fiziko-kimyasal ve biyolojik olarak ikiye ayrılır. Mekanik ön işlem, öğütme, parçalama gibi boyut küçültme işlemlerini içerir. Kimyasal işlem, konsantre veya seyreltik asit veya baz kullanımı, ıslak oksidasyon, ozonlama gibi yöntemlerle yapılabilir. Fiziko-kimyasal yöntemlerde sıcak su uygulaması, buhar püskürtme ve ozonlama uygulaması yapılır. Biyolojik arıtımda çürükçül mantar çeşitleri veya bazı özel mikroorganizmalar kullanılabilir. Lignoselülozik atıklardan biyolojik yollar ile etanol üretimi esnasında hız kısıtlayıcı olan ve en fazla maliyet gerektiren aşama ön arıtma aşamasıdır. Ön arıtma aşamasında oldukça fazla miktarda enerji,su ve kimyasal kullanılabilmektedir. Ayrıca, her atık için en uygun yöntem de farklılaşabilmektedir. Tüm maddeler nedeniyle yapılacak olan çalışmalarda öncelikle atık için en uygun ön arıtma türüne karar verebilmek amacıyla bazı optimizasyon çalışmalarının yapılması faydalı olmaktadır. Optimizasyon çalışması esnasında üretilmek istenen son ürüne ait verim hesabının yanı sıra, işlem esnasında kullanılan kimyasal,su ve enerji miktarları da göz önünde bulundurularak değerlendirilme yapılmalıdır. Böyleleikle her açıdan daha sürdürülenilir enerji üretimi gerçekleştirilmiş olacaktır. Bu çalışmada amaç, Yanıt Yüzey Metodolojisi ile ön işlem koşullarının optimizasyonundan sonra Saccharomyces cerevisiae (genellikle ekmek mayası olarak bilinir) ile pamuk sapı ve ayçiçeği sapından etanol üretim potansiyelini belirlemektir. İlk olarak, seçilen atıkların karakterizasyon çalışmaları yapılmış ve biyoyakıt üretimine uygun içeriğe sahip olup olmadıklarına karar verilmiştir. Daha sonra, atıklardan indirgen şeker geri kazanımını artırmak için en uygun koşullar Yanıt Yüzey Metodolojisi ile bulunmuştur. En uygun koşullar bulunduktan sonra fermantasyon deneylerinde ön işlemden oluşan hidrolizat (sıvı kısım) kullanıldı. Ön hazırlık koşulları tüm biyokütle türleri için çok önemlidir ve mayalanabilir şeker içeriğini arttırmak için bir anahtar işlevi görmektedir. Ön arıtma koşullarının seçilen lignoselülozik atıklardan maksimum şeker verimi üzerindeki etkisini optimize etmek için Merkezi Kompozit Tasarım kullanılmıştır. Bu amaçla Minitab 16 istatistik yazılımı ile toplam 20 deney planlandı; burada hem pamuk samanı hem de ayçiçeği samanı için asit konsantrasyonu, ön işlem sıcaklığı ve bekletmee süresi olarak üç bağımsız değişken seçildi. Yanıt değişkeni ise toplam şekerdi. İndirgen şeker geri kazanımı için elde edilen optimum koşullar pamuk samanı için; sıcaklık: 140 oC, asit konsantrasyonu: %1.88 (h / h) ve süre: 37 dakika, ayçiçeği samanı için; sıcaklık: 100 oC, asit konsantrasyonu: %3 (h / h) ve süre: 35 dakika olarak bulundu. Ayçiçeği samanı ve pamuk samanı için bu optimum ön işlem koşullarında sırasıyla maksimum 20 g/L ve 17.5 g/L şeker konsantrasyonu elde edilmiştir. En uygun koşullar bulunduktan sonra fermantasyon deneylerinde ön işlemden oluşan hidrolizat kullanıldı. Maksimum fermantasyon etkinliği için gereken pH ve sıcaklık değerleri, sentetik ortam kullanılarak yapılan deneyler sonucunda kararlaştırılmış ve bu koşullarda hidrolizatlar kullanılarak yapılan fermantasyon çalışmaları tamamlanmıştır. Fermantasyon, 4 L fermantör içinde 3.5 L'lik bir çalışma hacminde gerçekleştirildi. PH ve sıcaklık, sırasıyla 4.5 ± 0.5 ve 35 oC'de tüm fermantasyon süresince sabit tutuldu. Belirli zaman aralıklarında örnekler alınarak etanol içerikleri ölçülmüştür. Biyoetanol üretimi ve şeker tüketim oranları belirlenmiştir. Çalışmanın sonunda, pamuk sapı ve ayçiçeği sapı için bulunan maksimum etanol konsantrasyonu, etanol verimi ve etanol üretim oranı değerleri sırasıyla 18.94 g/L, 0.48 g/g, 0.12 g/L/s ve 16.68 g/L, 0.48 g/g, 0.11 g/L/s olmuştur. Çalışmanın sonuçları sürdürülebilir enerji ve çevre kapsamında tarım zengini olan ülkemizin enerji konusundaki dışa bağımlılığını çözmek açısından geleceğe ışık tutar niteliktedir.