Askıda Katı Maddeler
Su kalitesi değerlendirmelerinde toplam askıda katı madde (AKM) olarak da bilinen askıda katı maddeler (AKM), suda veya diğer sıvılarda çözünmeyen ve hızla çökelmek yerine askıda kalan ince parçacıklı materyallerdir.[1] Bu parçacıklar arasında kil ve silt gibi inorganik tortuların yanı sıra algler, bakteriler ve döküntüler (detritus) gibi organik maddeler de bulunur ve bunlar sucul ortamlardaki tortu yükü ve kirliliğin temel bir göstergesidir.[2]
Askıda katı maddelerin ölçümü, iyi karıştırılmış bilinen hacimdeki bir su numunesinin, nominal gözenek boyutu 1,5–2,0 mikrometre olan standart bir cam elyaf filtreden geçirilmesini, ardından tutulan kalıntının sabit ağırlığa gelene kadar 103–105 °C’de kurutulmasını ve konsantrasyonun litre başına miligram (mg/L) olarak hesaplanmasını içerir.[3] EPA Yöntemi 160.2 ve Standart Yöntemler 2540 D’de belirtilen bu prosedür, yalnızca çözünmeyen fraksiyonu yakalayarak askıda katı maddeleri çözünmüş katılardan ayırır.[4] Filtre gözenek boyutu veya kurutma sıcaklığındaki değişiklikler sonuçları etkileyebilir, ancak bu yöntemler izleme programları arasında karşılaştırılabilirlik sağlar.[5]
Askıda katı maddeler su kalitesinde kritik bir rol oynar; yüksek konsantrasyonlar bulanıklığa katkıda bulunarak fotosentez için ışık mevcudiyetini azaltır ve sucul bitki büyümesini bozar.[6] Bu parçacıklar, ağır metaller, fosfor ve patojenler gibi kirleticileri adsorbe ederek bunların taşınmasını ve biyoyararlanımını kolaylaştırır; bu durum ötrofikasyona, balıklar için toksisiteye ve habitat bozulmasına yol açabilir.[7] Yüksek AKM seviyeleri ayrıca güneş ışığını emerek yüzey sularını ısıtır, çözünmüş oksijen kapasitesini düşürür ve su arıtma ile balıkçılık yönetimi maliyetlerini artırır; bu da onları Temiz Su Yasası gibi düzenleyici çerçeveler kapsamında su kütlelerinin bozulmasının yaygın bir nedeni haline getirir.[8][9]
Tanım ve Temel İlkeler
Tanım
Askıda katı maddeler (AKM), birçok düzenleyici ve izleme bağlamında toplam askıda katı madde (TSS) olarak da adlandırılır ve sıvı bir ortamda (öncelikle su) dağılmış, hızla çökmek yerine süspansiyon halinde kalan küçük katı parçacıklardır. Bu parçacıklar, çok ince parçacıklar için Brown hareketi, akan sudaki türbülans veya hızlı yerçekimsel çökelmeyi önleyen doğaları gereği küçük boyutları gibi mekanizmalar sayesinde yüzeyde kalırlar.[10][11] Bu dağılım, onları kolayca çökelen daha büyük tortulardan ve sıvıya moleküler olarak entegre olan çözünmüş maddelerden ayırır.
AKM, nehirler ve göller gibi doğal suların yanı sıra atık su ve endüstriyel atıklarda yaygın olarak bulunur ve burada su kalitesi ile kirlilik seviyelerini değerlendirmek için kritik bir parametre görevi görür.[12][13] Bu bağlamlarda, yüksek AKM konsantrasyonları erozyon, organik çürüme veya insan faaliyeti etkilerini göstererek berraklığı, oksijen seviyelerini ve ekosistem sağlığını etkileyebilir.
Askıda katı maddelerin nicelleştirilmesi, 20. yüzyılın başlarında su arıtma çalışmalarında ortaya çıkmış, arıtma süreçlerine ve yasal uyumluluğa rehberlik etmek üzere Su ve Atık Suyun İncelenmesi İçin Standart Yöntemler (Standard Methods) baskıları aracılığıyla standartlaştırılmış yöntemler geliştirilmiştir.[14][15]
Moleküler düzeyde homojen bir çözelti oluşturan ve basit filtrasyonla giderilemeyen çözünmüş katıların aksine, askıda katı maddeler ışığı saçan ve fiziksel olarak ayrılabilen ayrık parçacıklar olarak bulunur. Kavramsal olarak bu durum, hiçbir parçacığın seçilemediği berrak bir çözeltinin aksine, rastgele dağılmış ve hareketle itilen görünür parçacıkların bulunduğu bir su sütunu diyagramında gösterilebilir.[16]
İlgili Katılardan Ayrım
Sudaki askıda katı maddeler, çökelebilir katılardan öncelikle çökelme davranışları ve parçacık boyutları ile ayrılır. Çökelebilir katılar, İmhoff konisi testi gibi yöntemlerle ölçüldüğü üzere, örneğin bir saat gibi belirli bir süre içinde yerçekimi etkisi altında çökelen, tipik olarak 0,1 mm’den büyük daha iri parçacıklardan oluşur.[17] Buna karşılık, askıda katı maddeler, kolayca çökmeyen ve su sütununda dağınık kalanlar da dahil olmak üzere daha geniş bir parçacık yelpazesini kapsar.
Standart filtrasyon ortamından geçen moleküler veya iyonik çözünenler olan çözünmüş katıların aksine, askıda katı maddeler, Standart Yöntemler 2540 D’nin yaygın uygulamalarına göre nominal gözenek boyutu 1,5 µm veya daha küçük olan standart cam elyaf filtrelerde tutulan parçacıklı maddedir. Genellikle toplam çözünmüş katılar (TDS) olarak nicelendirilen çözünmüş katılar, bulanıklığa veya çökelmeye katkıda bulunmayan tuzlar ve mineraller gibi maddeleri içerir ve filtrasyondan sonra süzüntünün buharlaştırılmasıyla ölçülür.[17][18][19] Filtrasyon tabanlı bu ayrım, operasyonel farkı vurgular: askıda katılar süreç sırasında yakalanan kısımdır, çözünmüş katılar ise geçer.
Askıda katı maddeler kolloidal katılarla da örtüşür ancak boyut aralığı ve stabilite açısından farklılık gösterir. Kolloidal katılar, genellikle 1 nm ila 1 µm çapında, elektrostatik itme ve Brown hareketi nedeniyle askıda kalan ve pıhtılaşma olmadan çökelmeye direnen ince parçacıklardır.[20][21] Bununla birlikte, askıda katı maddeler hem çökelebilir fraksiyonları hem de çökelemeyen kolloidal fraksiyonları içerir ve daha büyük boyutlara kadar parçacıkları yakalayan daha kapsayıcı bir kategorizasyona izin verir.[17][12]
Bu kategorileri bölmek için temel bir metrik, toplam katılar (TS), askıda katılar (AKM veya SS) ve çözünmüş katılar (TDS veya DS) arasındaki ilişkidir:
$$TS = SS + DS$$
Bu denklem, çökelebilir katıların ayrı bir toplamsal terimden ziyade AKM’nin bir alt kümesini oluşturduğu, filtrasyon ve kurutma sonrası temel ayrımı yansıtır.[17][22]
Karakteristikler ve Özellikler
Parçacık Boyutu ve Türleri
Askıda katı maddeler, sucul ortamlardaki davranışlarını belirleyen parçacık boyutuna göre çökelemeyen ve çökelebilir fraksiyonlar olarak sınıflandırılır. Tipik olarak 0,1 mm’den küçük (genellikle 1-100 µm aralığında) olan çökelemeyen katılar, küçük boyutları ve düşük çökme hızları nedeniyle askıda kalan killer, siltler ve organik maddeler gibi ince parçacıkları içerir.[12][10] Buna karşılık, çökelebilir katılar 0,1 mm ila 1 mm arasında değişir ve kaba tortular veya agregalar gibi durgun koşullar altında dibe çökebilen daha büyük parçacıklardan oluşur. Bu boyut tabanlı ayrım, süspansiyon dinamiklerini anlamak için çok önemlidir; çünkü daha küçük parçacıklar uzun vadeli bulanıklığa katkıda bulunurken, daha büyük olanlar kısa vadeli sedimantasyonu etkiler.[12]
Askıda katı maddelerin bileşimi, onları inorganik, organik ve antropojenik türler olarak, her biri farklı kökenlere ve süspansiyon özelliklerine sahip olacak şekilde kategorize eder. Silt, kum ve metal oksitler gibi inorganik askıda katılar, jeolojik erozyon ve endüstriyel süreçlerden kaynaklanır ve genellikle nihai çökelmeyi destekleyen daha yüksek yoğunluklar sergiler.[12][10] Organik türler, daha düşük yoğunlukları ve flokülasyon potansiyelleri nedeniyle uzun süreli süspansiyona daha yatkın olan, çürüyen bitki ve hayvan maddelerinden gelen algler, bakteriler ve döküntüler (detritus) gibi biyolojik materyalleri içerir.[12] Antropojenik askıda katı maddeler, plastikler ve endüstriyel kalıntılar dahil olmak üzere insan kaynaklı kirleticileri kapsar; 2010’lardan beri önemli bir çevresel endişe olarak kabul edilen mikroplastikler, mühendislik ürünü yüzdürme özellikleri ve bozulmaya karşı dirençleri nedeniyle askıda kalmaya devam eden bu parçacıklara örnektir.[10][12]
Bu parçacıkların süspansiyon ve çökelme davranışı, temel olarak, viskoz bir akışkanda laminer akış koşulları altında küresel parçacıkların terminal çökme hızını tanımlayan Stokes Yasası tarafından yönetilir. Formül şu şekildedir:
$$v = \frac{2}{9} \frac{(\rho_p – \rho_f) g r^2}{\mu}$$
Burada v çökme hızı, ρp parçacık yoğunluğu, ρf akışkan yoğunluğu, g yerçekimi ivmesi, r parçacık yarıçapı ve μ akışkanın dinamik viskozitesidir.[23] Bu denklem, çökme hızının parçacık yarıçapının karesiyle arttığını ve parçacık ile akışkan arasındaki yoğunluk farkına bağlı olduğunu, viskozite ile ters orantılı olduğunu vurgular; varsayımlar arasında düşük Reynolds sayıları (laminar akış, tipik olarak Re < 1), etkileşimsiz küresel parçacıklar ve ihmal edilebilir atalet veya türbülans yer alır.[24] Daha küçük parçacıklar (örneğin, 1-100 µm çökelemeyen katılar) suda sıfıra yakın hız sergileyerek uzun süre askıda kalırken, daha büyük çökelebilir fraksiyonlar (0,1-1 mm) daha hızlı çökerek su kütlelerindeki dağılımlarını etkiler.[23]
Son yıllarda, nanoplastikler (1 µm’den küçük parçacıklar) gibi yeni ortaya çıkan antropojenik türler, kirli sularda tanımlanmış olup geleneksel sınıflandırmaları ve süspansiyon modellerini karmaşıklaştırmaktadır. 2020 sonrası çevresel çalışmalar, sucul sistemlerdeki askıda katılarda nanoplastikleri belgelemekte, genellikle daha büyük mikroplastiklerin parçalanmasından türetilen ve tipik filtrasyon eşiklerinin altındaki boyutları nedeniyle yüksek hareketlilik ve kalıcılıklarına dikkat çekmektedir.[25] Kirlenmiş yüzey sularında litre başına binlerce parçacığa varan konsantrasyonlarda tespit edilen bu nanoplastikler, insan faaliyetlerinin askıda katı madde dinamikleri üzerindeki gelişen etkisinin altını çizmektedir.[26]
Fiziksel ve Kimyasal Özellikler
Askıda katı maddeler, sucul ortamlardaki davranışlarını etkileyen bir dizi fiziksel özellik sergiler. Bu parçacıkların yoğunluğu tipik olarak 1,1 ila 2,6 g/cm³ arasında değişir; organik madde için daha düşük değerler (yaklaşık 1,27 g/cm³) ve silisli killer gibi mineral bileşenler için daha yüksek yoğunluklar (2,65 g/cm³’e kadar) görülür.[27] Parçacık şekli küreselden düzensize veya lifli formlara kadar değişir; örneğin kavisli krizotil lifleri veya düz amfibol yapıları hidrodinamik direnci ve çökme dinamiklerini etkiler.[28] İnce askıda katı maddeler, özellikle kolloidler ve killer, 100 m²/g’a kadar ulaşabilen yüksek özgül yüzey alanlarına sahiptir ve bu da çevreleyen su ve çözünenlerle kapsamlı etkileşimlere olanak tanır.[29]
Kimyasal olarak, askıda katı maddeler genellikle zeta potansiyelleri tarafından belirlenen bir yüzey yükü taşır; bu yük, kil parçacıkları için mineral bileşimleri nedeniyle sıklıkla negatiftir, bu da elektrostatik itmeye ve süspansiyonda artan stabiliteye yol açar.[28] Bu yüzey yükü, fraksiyonel yüzey kapsamının (θ) aşağıdaki gibi verildiği Langmuir izoterm modelini izleyerek, ağır metaller ve organik bileşikler dahil olmak üzere kirleticilerin adsorpsiyonunu kolaylaştırır:
$$\theta = \frac{K C}{1 + K C}$$
Burada K adsorpsiyon denge sabiti ve C adsorbatın denge konsantrasyonudur; bu tek katmanlı adsorpsiyon, hümik asit kaplı katılar gibi yüksek yüzey alanlı parçacıklarda özellikle belirgindir.[28]
Askıda katı maddelerin toplanma eğilimleri, elektriksel çift tabakanın sıkıştırılması yoluyla parçacık stabilitesini modüle eden pH ve iyonik güç gibi çevresel faktörler tarafından yönetilir.[30] Daha yüksek iyonik güçlerde itme azalır, bu da van der Waals çekimlerini ve ilk toplanmayı teşvik ederken, Al³⁺ gibi üç değerlikli iyonlar yükleri nötralize ederek ve hidroksit köprüleri oluşturarak flokülasyonu (yumaklaşmayı) indükler; bu özellikle Al çözünürlüğünün en aza indirildiği 6,4–7,5 civarındaki pH değerlerinde su arıtımında etkilidir.[31] Daha düşük pH, polimer iyonlaşmasını azaltarak katyonik flokülant performansını artırabilir ve yumak oluşumuna daha fazla yardımcı olabilir.[30]
Son çalışmalar, biyofilmlerin mikrobiyal tutunmayı artırmadaki rolünü vurgulamaktadır; planktonik hücrelerin parçacık yüzeylerine ilk geri dönüşümlü yapışması, hücre dışı polimerik maddeler yoluyla geri dönüşümsüz bağlanmaya ilerler ve günler içinde hücre yoğunluklarını yaklaşık 10⁵ hücre/mm²’ye çıkarır.[32] Parçacıkların yüzey pürüzlülüğü ve hidrofobikliği bu biyofilm olgunlaşmasını teşvik ederek parçacık özelliklerini değiştirir ve sucul sistemlerde besin ve kirletici taşınmasını kolaylaştırır.[32]
Ölçüm ve Analiz
Standart Ölçüm Yöntemleri
Askıda katı maddelerin standart ölçümü, bir su numunesinin işlenmesinden sonra bir filtrede tutulan parçacıklı maddenin kütlesini niceleyen gravimetrik yöntemlere dayanır. Bu protokoller, toplam askıda katı madde (AKM) konsantrasyonunun doğrudan bir ölçümünü sağlayarak çevresel izleme, atık su arıtımı ve yasal uyumlulukta tutarlılık sağlar.[19]
Birincil gravimetrik prosedür, gözenek boyutundan büyük parçacıkları yakalamak için iyi karıştırılmış bir numunenin, Whatman Grade 934-AH gibi 1,0 ila 2,0 µm nominal gözenek boyutuna sahip, önceden tartılmış bir cam elyaf filtre diskinden süzülmesini içerir. Filtre ve tutulan kalıntı daha sonra, ardışık iki tartım arasındaki farkın 0,5 mg’dan veya net ağırlığın %4’ünden (hangisi küçükse) az olduğu sabit ağırlığa kadar 103–105°C’de kurutulur. AKM konsantrasyonu şu formül kullanılarak hesaplanır:
$$ \text{AKM (mg/L)} = \frac{(A – B) \times 1000}{V} $$
Burada A kurutulmuş filtre artı kalıntının ağırlığı (mg), B sadece kurutulmuş filtrenin ağırlığı (mg) ve V filtrelenen numune hacmidir (mL). Numune hacimleri, doğruluk için 2,5 ila 200 mg kalıntı elde edecek şekilde tipik olarak 100 ila 1000 mL arasında ayarlanır. EPA Yöntemi 160.2 ve APHA Standart Yöntem 2540 D’de özetlenen bu yöntem, 20.000 mg/L’ye kadar AKM konsantrasyonlarına sahip içme suyu, yüzey suyu, tuzlu su ve atık su numuneleri için geçerlidir.[3][17]
Toplam askıda katı maddeleri organik fraksiyondan ayırmak için, uçucu askıda katı maddeler (UAKM), kurutulmuş AKM kalıntısının bir kül fırınında 15-20 dakika boyunca 550°C’de yakılması, ardından soğutulması ve yeniden tartılmasıyla belirlenir. Kaybedilen kütle uçucu (öncelikle organik) kısmı temsil ederken, inorganik kısım sabit askıda katı maddeler (SAKM) olarak kalır. UAKM/AKM oranı, arıtma süreçlerinde organik içeriğin ve potansiyel biyolojik bozunabilirliğin bir göstergesi olarak hizmet eder; daha yüksek oranlar daha büyük biyolojik arıtılabilirlik olduğunu gösterir. Bu genişletme APHA Standart Yöntem 2540 E’de detaylandırılmıştır.[17][33]
EPA Yöntemi 160.2 ve APHA 2540 D gibi laboratuvar standartları, toplamadan sonraki 7 gün içinde (ideal olarak 24 saat) analiz ve 4°C’ye soğutarak koruma dahil olmak üzere kontrollü koşulları vurgular. Saha örneklemesi, çökelmiş parçacıkları yeniden askıya alabilecek veya uçucuları çözebilecek türbülans yaratmadan orta derinlikten toplama gibi temsiliyeti koruyan dikkatli teknikler gerektirir. Bu protokoller, 20. yüzyılın ortalarında ortaya çıkmış, gravimetrik AKM yöntemi ilk olarak 1946’da Amerikan Halk Sağlığı Birliği (APHA) tarafından atık su analizi için resmileştirilmiş, daha önceki hacimsel ve buharlaştırmalı yaklaşımlardan evrilmiştir. Standardizasyon, su kalitesini korumak için atık deşarjları için AKM eşikleri belirleyen 1972 Temiz Su Yasası’nın ardından 1970’lerde yoğunlaşmıştır.[3][17][34][35]
Enstrümantasyon ve Teknikler
Optik yöntemler, özellikle türbidimetre (bulanıklık ölçümü), ışık saçılımı yoluyla su berraklığının değerlendirilmesiyle askıda katı maddelerin dolaylı ölçümü için yaygın olarak kullanılmaktadır. Nefelometrik türbidimetride, numuneden bir ışık demeti geçirilir ve nefelometrik bulanıklık birimleri (NTU) cinsinden bulanıklığı ölçmek için 90 derecelik bir açıyla saçılan ışığın yoğunluğu ölçülür.[36] Bu teknik, sucul ortamlarda gerçek zamanlı izleme için uygun, hızlı ve tahribatsız bir analiz sağlar.[37]
NTU cinsinden bulanıklık değerleri, $SS = a \times NTU + b$ formundaki ampirik kalibrasyon eğrileri kullanılarak AKM konsantrasyonlarıyla ilişkilendirilebilir; burada a ve b laboratuvar veya saha verilerinden türetilen sahaya özgü sabitlerdir. Bu tür korelasyonlar, bulanıklık sensörlerinin AKM için bir vekil olarak hizmet etmesini sağlar, ancak ilişki parçacık bileşimi, boyutu ve çevresel koşullarla değişir ve iyi karakterize edilmiş sistemlerde genellikle 0,9’un üzerinde R² değerleri verir.[38][39][40]
Lazer kırınımı teknikleri, süspansiyondaki parçacıklardan saçılan ışığın açısal dağılımını ölçmek için bir lazer ışını kullanarak askıda katı maddeler için ayrıntılı parçacık boyutu dağılım analizi sunar. Malvern Mastersizer serisi gibi cihazlar, kırınım desenlerini analiz ederek yerinde boyutlandırmayı kolaylaştırır ve geniş bir aralıkta (0,01–3500 µm) yüksek çözünürlükle hacim tabanlı dağılımlar sağlar.[41] Bu sistemler, su arıtma ve çevre çalışmalarındaki heterojen süspansiyonları karakterize etmek için özellikle değerlidir.[42]
Optik boyutlandırmayı tamamlayan akustik Doppler yöntemleri, hız profillemesinin yanı sıra askıda katı madde konsantrasyonlarını tahmin etmek için akustik darbelerden gelen geri saçılım yoğunluğunu kullanır. Akustik Doppler akım profilcileri (ADCP’ler), ses dalgaları yayar ve nehirlerde ve haliçlerde AKM profillerini türetmek için Doppler kaymasını ve yankı genliğini yorumlar; gravimetrik numunelerle kalibrasyondan sonra %10-20 içinde doğruluk sağlar.[43] Bu yaklaşım, optik yöntemlerin başarısız olabileceği bulanık, yüksek akışlı koşullarda etkilidir.[44]
Gelişen teknolojiler, askıda katı maddeleri diğer su bileşenlerinden ayırt etmek için birden fazla dalga boyunda yansımayı yakalayan multispectral sensörler de dahil olmak üzere izleme yeteneklerini genişletmektedir. Landsat-8 ve Sentinel-2 görüntüleri gibi 2010 sonrası uydu uzaktan algılama gelişmeleri, banda özgü yansımaları yarı ampirik modeller aracılığıyla konsantrasyonlarla ilişkilendirerek nehir AKM yüklerinin büyük ölçekli haritalanmasını sağlamakta, kıyı ve iç sularda geri alım doğrulukları genellikle %80’i aşmaktadır.[45][46] Organik askıda katı maddeler için, enzimler veya antikorlar gibi biyolojik tanıma elementlerini içeren biyosensörler, elektrokimyasal veya optik sinyaller yoluyla biyolojik olarak parçalanabilir partikülleri tespit ederek atık sudaki organik fraksiyonlar için özgüllük sunar.[47]
Bu ilerlemelere rağmen, optik ve akustik yöntemler, saçılma sinyallerini %25’e kadar şişirebilen ve ön işlem veya düzeltme gerektiren renkli çözünmüş organik madde veya hava kabarcıklarından kaynaklanan parazit gibi sınırlamalarla karşı karşıyadır. Parçacık değişkenliği ve çevresel faktörler korelasyonları zamanla bozabileceğinden, doğru ölçümler (>%95 güvenilirlik) referans standartlara karşı düzenli kalibrasyon gerektirir.[48][49][50]
Önem ve Etkiler
Su Kalitesi ve Çevresel Etki
Askıda katı maddeler (AKM) kritik bir su kalitesi parametresi olarak hizmet eder; 30 mg/L’yi aşan konsantrasyonlar genellikle yüzey sularında kirliliği gösterir, çünkü bu eşik genellikle ABD Ulusal Kirletici Deşarj Eliminasyon Sistemi (NPDES) gibi programlar kapsamındaki atık su deşarjları için yasal sınırları aşmaktadır.[51] İçme suyu için Dünya Sağlık Örgütü (WHO), bulanıklığın büyük ölçüde AKM tarafından yönlendirildiği ve düşük AKM konsantrasyonlarına eşdeğer olduğu 1 NTU’nun altında bulanıklık seviyeleri (maksimum 5 NTU) önermektedir; daha yüksek seviyeler arıtma etkinliğini ve estetik kaliteyi bozar.[52] Yüksek AKM, ışığı saçan ve su kütlelerinde penetrasyon derinliğini azaltan bulanıklığı artırır, sucul bitkilerde ve alglerde fotosentezi sınırlar ve böylece ekosistemlerdeki birincil üretimi bozar.[6]
Çevresel süreçlerde AKM, nehirlerdeki tortu taşınımında kilit bir rol oynar; burada daha yüksek akışlar parçacıkları harekete geçirir, yüzeyleri aşındırarak ve akış aşağı birikimini artırarak kıyı ve yatak erozyonunu potansiyel olarak hızlandırır. Bu parçacıklar ayrıca fosfor gibi besin maddelerini yüzeylerine adsorpsiyon yoluyla bağlar, bunların taşınmasını ve birikim bölgelerinde salınmasını kolaylaştırır, bu da besin serbest kaldığında alg patlamalarını teşvik ederek ötrofikasyona katkıda bulunur.[6] Örneğin, tarımsal akıştan gelen AKM’ye bağlı partikül fosfor, alıcı sularda besin yükünü şiddetlendirerek oksijen tükenmesini ve su kalitesi bozulmasını yoğunlaştırır.[53]
Küresel ölçekte, nehirsel AKM bağlı besin maddelerini kıyı okyanuslarına taşıyarak, besin kaynaklı alg çürümesinin oksijeni tükettiği ve her yıl milyonlarca kilometrekarelik alanda deniz yaşamını etkilediği Meksika Körfezi ölü bölgesi gibi hipoksik ölü bölgelerin oluşumuna ve genişlemesine katkıda bulunur.[54] İklim değişikliği, daha sık görülen aşırı olaylar nedeniyle kentsel ve tarımsal havzalarda yüksek AKM yüklerini gösteren 2000’ler sonrası modelleme çalışmalarının kanıtladığı gibi, yoğunlaşan yağışlardan kaynaklanan artan akış yoluyla bu etkileri güçlendirmektedir.[55] 2020’lerdeki son Birleşmiş Milletler Çevre Programı (UNEP) değerlendirmeleri, AKM’nin bir alt kümesi olan mikroplastiklerin toksinler için vektörler olduğunu, sucul ortamlarda kalıcı organik kirleticileri ve ağır metalleri adsorbe ederek taşıma ve birikim sırasında kimyasal riskleri büyüttüğünü vurgulamaktadır.[56]
Sağlık ve Ekolojik Sonuçlar
Sudaki askıda katı maddeler, Escherichia coli ve Vibrio cholerae gibi patojenlerin tutunmasını ve taşınmasını kolaylaştırarak, içme veya rekreasyonel maruziyet yoluyla hastalık bulaşma riskini artırabilir.[57][58] Patojenler bu parçacıklara yapışır, bu da onları dezenfeksiyon süreçlerinden korur ve sucul ortamlarda hayatta kalmalarını sağlayarak mide-bağırsak hastalıkları salgınlarına yol açar.[59] Ek olarak, 0,010 mg/L’yi (2024 itibarıyla EPA eylem seviyesi) aşan konsantrasyonlardaki kurşun gibi askıda katı maddelere bağlı ağır metallere kronik maruziyet, nörolojik hasar ve gelişimsel bozukluklar dahil olmak üzere önemli sağlık riskleri oluşturur.[60][61]
Ekolojik olarak, yüksek askıda katı madde seviyeleri su kütlelerinde ışık penetrasyonunu azaltır, 40 mg/L civarındaki konsantrasyonlarda sucul bitkilerdeki fotosentezi %13–50 oranında düşürerek birincil üretimi ve alg topluluklarını bozar.[62] Bu ışık azalması, sedimantasyonla birleştiğinde, omurgasızlar ve balık yumurtaları gibi bentik organizmaları boğar, habitat mevcudiyetini azaltarak ve topluluk yapılarını daha toleranslı türlere kaydırarak besin ağlarını değiştirir.[12][63] Bulanık nehirlerde, kalıcı yüksek askıda katı maddeler, kirliliğe toleranslı taksonları destekleyerek ve genel tür zenginliğini azaltarak biyolojik çeşitlilik kaybına katkıda bulunur.[64]
Bu sağlık etkilerini gösteren dikkate değer bir vaka, askıda katı maddelerden kaynaklanan yüksek bulanıklığın su arıtma filtrasyonunu alt ettiği, öncelikle şebekedeki parçacıklara bağlı Cryptosporidium patojeninden kaynaklanan 400.000’den fazla enfeksiyona ve 69 ölüme yol açan 1993 Milwaukee kriptosporidiyoz salgınıdır.[65][66] Gelişmekte olan veya zayıflamış bağışıklık sistemleri patojen kaynaklı hastalıklara duyarlılığı artırdığından, çocuklar ve bağışıklığı baskılanmış bireyler, askıda katı madde ile ilişkili bu tür risklere karşı özellikle savunmasızdır.[67] Azaltma çabaları, atık sularda toplam askıda katı maddeler için EPA’nın 30 mg/L’lik ikincil arıtma sınırına uyulmasını içerir ve bu da akış aşağı sağlık ve ekolojik tehditlerin azaltılmasına yardımcı olur.[68]
Giderim ve Arıtma
Çökeltme Süreçleri
Çökeltme süreçleri, askıda katı maddeleri sudan uzaklaştırmak için yerçekimine dayanır ve parçacıkların zamanla çökmesine izin verir. Göller ve nehirler gibi doğal ortamlarda bu, küresel bir parçacığın terminal hızını (v) tanımlayan Stokes yasası tarafından yönetilen ayrık parçacık çökmesi yoluyla gerçekleşir. Daha büyük veya daha yoğun parçacıklar daha hızlı çökerken, daha ince olanlar daha uzun süre askıda kalır.[24] Ancak nehirlerdeki akış hızı genellikle çökme hızlarını aşar ve türbülans yoluyla parçacıkları yeniden askıya alarak verimliliği düşürür.[69]
Mühendislik sistemlerinde çökeltme, atık su arıtma tesislerindeki birincil durultucular gibi yapılarda optimize edilir; burada atık su, çökelmeyi teşvik etmek için 2-4 saatlik bir bekletme süresi boyunca durgun tutulur.[70] Bu durultucular tipik olarak, daha ağır parçacıkların altta çamur olarak birikmesine izin vererek giren askıda katıların %50-70’ini giderir.[71] Çökme hızlarını artırmak için, lamella çöktürücüler, etkili çökme mesafesini kısaltan ve parçacık yakalama için yüzey alanını artıran eğimli plakalar içerir ve geleneksel tanklara kıyasla kompakt bir ayak izinde daha yüksek giderim sağlar.[72]
Flokülasyonu teşvik ederek ince askıda katıların sedimantasyonunu iyileştirmek için genellikle pıhtılaşma yardımcıları kullanılır. Parçacık yüklerini nötralize etmek için alüminyum sülfat (şap, Al₂(SO₄)₃) eklenir, Stokes denklemindeki etkili yarıçapı r artıran ve böylece çökme hızını yükselten daha büyük yumaklar oluşturur.[73] Bu süreç, kendi başlarına çok yavaş çöken parçacıklar için esastır.
Bu gelişmelere rağmen, sedimantasyonun sınırlamaları vardır; özellikle çok düşük çökme hızları sergileyen ve etkili giderim için genellikle ek arıtma gerektiren 10 µm’den küçük ince parçacıklar için.[74] Ayrıca, çökelmeden kaynaklanan birikmiş çamur, yeniden süspansiyonu önlemek ve süreç verimliliğini korumak için düzenli olarak toplanmalı ve yönetilmelidir.[75] Stokes yasasına göre çökelmeyi etkileyen boyut ve yoğunluk gibi parçacık özellikleri kilit bir rol oynar.[24]
Filtrasyon Yöntemleri
Geleneksel filtrasyon, özellikle hızlı kum filtreleri, pıhtılaşmayı takiben askıda katı maddeleri gidermek için su arıtımında bir köşe taşı görevi görür. Bu filtreler tipik olarak, fiziksel süzme ve adsorpsiyon yoluyla parçacıkları yakalamak için 5-15 m/s filtrasyon hızlarında çalışan, 0,45-0,55 mm efektif boyuta ve 0,6-0,76 m derinliğe sahip bir kum yatağından oluşur.[76] Daha büyük yumaklar oluşturmak için pıhtılaşma ile öncelendiğinde, hızlı kum filtreleri askıda katıların %80-95’ini giderir ve iyi işletilen sistemlerde bulanıklığı 0,1 NTU’nun altına önemli ölçüde düşürür.[77] Bu yöntem, suyun ortam boyunca aşağı doğru süzüldüğü ve geri yıkama gerekene kadar biriken katıları hapsettiği yerçekimi güdümlü akışa dayanır.
Membran filtrasyonu, gözenek boyutuna dayalı olarak askıda katıların hassas bir şekilde ayrılmasını sağlar; mikrofiltrasyon (MF) ve ultrafiltrasyon (UF) özellikle ince parçacıklar için etkilidir. MF membranları, bakteri ve kolloidler gibi daha büyük askıda katıları tutmak için uygun 0,1 ila 10 µm arasında değişen gözenek boyutlarına sahipken, 0,01-0,1 µm gözenekli UF membranları virüsler ve makromoleküller gibi daha küçük inceleri hedefler.[78] Her iki süreç de basınçla çalışır, enerji kullanımını ve kirlenmeyi en aza indirmek için tipik olarak 0,1-1 bar gibi düşük transmembran basınçlarında çalışır ve bu da onları su arıtma tesislerinde üçüncül arıtma için ideal hale getirir.[79]
Alternatif filtrasyon yöntemleri, özellikle kaynak kısıtlı ortamlarda askıda katı madde giderimi için erişilebilir seçenekler sunar. Pamuktan yapılmış katlanmış sari kumaşı gibi bez filtreler, Bangladeş köylerindeki bir saha çalışmasında %99’un üzerinde azalma sağlayarak, askıda organik madde ile ilişkili Vibrio cholerae bakterilerini tutmada yüksek etkinlik göstermiştir.[80] Bu basit teknik, filtrelenmemiş su kaynaklarına kıyasla kolera insidansını yaklaşık %48 oranında azaltmış ve hane halkı düzeyindeki arıtmadaki rolünü vurgulamıştır.[81] Organik askıda katı maddeler için aktif karbon filtrasyonu, doğal organik madde gibi kirleticileri adsorbe ederek, kimyasal katkı maddelerine güvenmeden arıtılmış suda berraklığı ve tadı artırır.[82]
Filtrasyondaki modern gelişmeler dayanıklılık ve sürdürülebilirliği vurgulamaktadır; seramik membranlar, sert kimyasallara ve yüksek sıcaklıklara karşı dirençleri nedeniyle 2015 civarından bu yana endüstriyel olarak benimsenmektedir. Genellikle alümina veya zirkonya gibi malzemelerden oluşan bu inorganik membranlar, yapısal bütünlüğü uzun süre koruyarak, aşındırıcı askıda katı maddeler içeren atık su uygulamalarında polimerik alternatiflerden daha iyi performans gösterir. Eylül 2025 itibarıyla Avrupa Birliği, per- ve polifloroalkil maddeler (PFAS) riskleri nedeniyle poliviniliden florür (PVDF) membranlarını yasaklayan mevzuata doğru ilerlemiş, bu da bölgede seramik membran benimsenmesini hızlandırmıştır.[83][84] Birikmiş katılardan kaynaklanan tıkanmayı önlemek için, ortam yatağını genişletmek ve sıkışmış parçacıkları yerinden çıkarmak için akışı tersine çeviren geri yıkama döngüleri rutin olarak kullanılır, böylece geçirgenlik geri kazandırılır ve operasyonel ömür uzatılır.[85] Pıhtılaşma ön arıtımı, katıları daha kolay yakalama için toplayarak bu yöntemleri geliştirebilir.[86]
Etkinlik ve Uygulamalar
Giderim Verimliliğinin Değerlendirilmesi
Su arıtımında askıda katı maddelerin (AKM) giderim verimliliği tipik olarak şu formül kullanılarak hesaplanır:
$$ \text{Giderim Verimliliği (\%)} = \frac{\text{AKM}_{\text{giriş}} – \text{AKM}_{\text{çıkış}}}{\text{AKM}_{\text{giriş}}} \times 100 $$
Burada $\text{AKM}_{\text{giriş}}$, giriş AKM konsantrasyonu ve $\text{AKM}_{\text{çıkış}}$, standart gravimetrik yöntemlere göre mg/L cinsinden ölçülen çıkış AKM konsantrasyonudur.[87] Bu metrik, bir arıtma işlemiyle elde edilen yüzde azalmayı nicelendirerek sistemler arasında doğrudan karşılaştırma yapılmasını sağlar.[87]
Yavaş kum filtrasyonu veya gelişmiş membran süreçleri gibi üçüncül arıtma aşamalarında, giderim verimlilikleri genellikle %90’ı aşar ve atık su AKM’sini tipik ikincil seviyeler olan 20-30 mg/L’den 5 mg/L’nin altına düşürür.[88] Örneğin, yavaş kum filtreleri, belediye atık suyunu simüle eden kontrollü laboratuvar koşullarında sürekli olarak en az %90 AKM giderimi sağlar.[88] Bu ölçütler, gerçek performans sahaya özgü koşullara göre değişse de, katı deşarj standartlarını karşılamak için atık suyun parlatılmasında üçüncül süreçlerin rolünü vurgulamaktadır.[88]
AKM giderim verimliliğini etkileyen birkaç temel faktör vardır. Daha yüksek giriş AKM yükleri, akış aşağı ünitelerin aşırı yüklenmesini önlemek için genellikle daha sağlam bir ön arıtma gerektirir, aksi takdirde yönetilmezse genel verimliliği düşürebilir.[89] 20-50 mg/L şap gibi optimal pıhtılaştırıcı dozajı, flokülasyonu ve çökelmeyi artırarak pıhtılaşma-flokülasyon adımları sırasında AKM yakalamayı en üst düzeye çıkarır.[90] Hidrolik yükleme oranları da kritik bir rol oynar; yüksek oranlar (örneğin filtrelerde 5-10 m/s üzerinde), yüksek hızlı filtrasyon çalışmalarında gözlemlendiği gibi, parçacıklar ve ortam arasındaki temas süresinin azalması nedeniyle giderimi %10-20 oranında azaltabilir.[91]
Test protokolleri, AKM giderimini optimize etmek ve doğrulamak için gereklidir. Kavanoz testleri (Jar tests), pıhtılaşma-flokülasyon-çökeltme işlemlerini tezgah ölçeğinde simüle ederek, genellikle deneme başına 30-60 dakika içinde en yüksek yumak oluşumunu ve AKM azalmasını elde etmek için pıhtılaştırıcı dozlarının ve pH ayarlamalarının hızlı bir şekilde değerlendirilmesine olanak tanır.[92] Pilot ölçekli denemeler bunu gerçek dünya akışlarına (örneğin 1-10 m³/s) genişleterek, sistem performansını operasyonel yükler altında değerlendirir ve kanalizasyon taşma arıtımında %80-95 AKM giderimini doğrulamak gibi tam ölçekli tasarım için veri sağlar.[93] Eşleştirilmiş t-testleri de dahil olmak üzere istatistiksel analiz, azalmaların önemini değerlendirir (örneğin, arıtma öncesi ve sonrası AKM seviyeleri için p < 0,05), gözlemlenen verimliliklerin sıralı reaktör çalışmalarında rastgele varyasyondan kaynaklanmadığını garanti eder.[94]
Son sürdürülebilirlik çalışmaları, AKM giderim süreçlerindeki enerji kullanımının yaşam döngüsü değerlendirmelerini (LCA) dahil ederek geleneksel verimlilik metriklerindeki boşlukları ele almaktadır. Filtrasyon tabanlı sistemler için enerji tüketimi, pompalama, geri yıkama ve havalandırmayı kapsayacak şekilde 0,5-2 kWh/m³ arasında değişmektedir; ultrafiltrasyon gibi membran varyantları alt uçta (0,17 kWh/m³) ve entegre ters osmoz üst uçta (1,5 kWh/m³’e kadar) yer almaktadır.[95] Bu 2020’li yılların analizleri, yüksek verimli filtrasyonun çevresel AKM deşarjını en aza indirirken operasyonel enerji taleplerini artırdığını ve giderimi karbon ayak izleriyle dengelemek için düşük enerjili ortam tasarımları gibi optimizasyonları teşvik ettiğini vurgulamaktadır.[95]
Pratik Uygulamalar
Atık su arıtımında, aktif çamur süreçleri, büyük ABD şehirlerindeki gibi bir milyondan fazla nüfusa hizmet veren sistemlerde tipik olarak %85-95 giderim verimliliği sağlayarak askıda katı maddeleri (AKM) azaltmak için belediye tesislerinde yaygın olarak kullanılmaktadır.[96][97] Bu tesisler, katılarla yüklü biyokütleyi çökeltmek için havalandırma tanklarını ve ikincil durultucuları entegre ederek, ABD Çevre Koruma Ajansı tarafından belirlenenler gibi düzenleyici standartlara uygun atık su deşarjını mümkün kılar.
İçme suyu üretimi için, pıhtılaşma, çökeltme ve filtrasyonu içeren geleneksel arıtma dizileri AKM’yi etkili bir şekilde yönetir ve arıtma sonrası sistemlerde rutin olarak 1 mg/L’nin altında çıkış konsantrasyonları elde eder.[51] Şap gibi pıhtılaştırıcılar parçacık toplanmasını teşvik ederek, filtrasyonun suyu içilebilir tedarik için Dünya Sağlık Örgütü standartlarını karşılayacak şekilde parlatmasından önce çökeltmenin AKM’nin büyük kısmını gidermesine izin verir.
Endüstriyel uygulamalarda, Temiz Su Yasası kapsamındaki madencilik atık su kontrolü, akış aşağı sedimantasyonu önlemek için tipik olarak 30-50 mg/L arasında değişen AKM sınırlarına sahip sahaya özgü NPDES izinlerini içerir. Çevresel restorasyon için, ABD Jeolojik Araştırmalar Kurumu tarafından yapılan uzun vadeli izleme, nehir mühendisliği ve diğer faktörlerin etkisiyle 1992-2021 yılları arasında Aşağı Mississippi Nehri’nde %25-52 oranında genel askıda tortu azalması olduğunu belgelemiştir.[98]
Topluluk düzeyinde, 2000’li yıllarda Bangladeş’te uygulananlar gibi gelişmekte olan bölgelerdeki düşük maliyetli filtrasyon programları, yüzey suyu kaynaklarından AKM’yi gidermek için ev tipi kum ve seramik filtreler kullanmış ve kırsal nüfuslar için bulanıklığa bağlı katı maddelerde %90’a varan azalma sağlamıştır.[99] Biyo-hendekler (bioswales) dahil olmak üzere gelişmekte olan yağmur suyu yönetim stratejileri, akıştan katıları yakalayan ve çökelten bitkili kanallar aracılığıyla kentsel ortamlarda pratik AKM kontrolünü daha da göstermekte olup saha çalışmalarında %65-90 oranında giderim verimliliği rapor edilmiştir.[100][101]