Atık Su

Atık su, evsel, ticari, endüstriyel ve tarımsal kaynaklardan gelen insan faaliyetleri sonucu kirlenmiş; askıda katı maddeler, organik maddeler, azot ve fosfor gibi besinler, ağır metaller ve sentetik kimyasalların varlığı nedeniyle arıtılmadan hemen yeniden kullanıma veya deşarja uygun olmayan sudur.^[1][2] Temel olarak, hanelerden gelen insan atıklarını ve gri suyu taşıyan kanalizasyon sistemlerinden, kentsel kirleticileri taşıyan yağmur suyu akışından ve yerel ekonomik faaliyetlere dayalı olarak çeşitli kirleticiler içeren üretim süreçlerinden veya tarımsal işletmelerden kaynaklanan atık sulardan oluşur.^[3] Küresel ölçekte, arıtılmamış veya yetersiz arıtılmış atık su, besin kirliliğine, ötrofikasyona ve su kaynaklı hastalıkların yayılmasına katkıda bulunur; bu risklerin fiziksel, biyolojik ve kimyasal süreçler aracılığıyla azaltılması için mühendislik sistemlerinin gerekliliğini vurgular.^[2]

Etkili atık su arıtımı tipik olarak, çökeltme ve havalandırma yoluyla askıda katı maddelerin yaklaşık %60’ını gideren birincil aşamalarla başlar; bunu organik maddeyi parçalamak için mikroorganizmaların kullanıldığı ikincil biyolojik süreçler ve artık besinleri ve patojenleri hedefleyen filtrasyon veya dezenfeksiyon gibi isteğe bağlı üçüncül ileri yöntemler izler.^[1] Bu sistemler, fekal koliformların ve diğer biyolojik tehlikelerin su yollarına salınmasını önleyerek kentsel alanlarda kolera ve tifo gibi hastalıkların görülme sıklığını kanıtlanabilir şekilde azaltırken, aynı zamanda alıcı sularda alg patlamalarını ve oksijen tükenmesini besleyen aşırı besinlerden kaynaklanan çevresel bozulmayı da engellemiştir.^[2] Arıtılmış atık suyun sulama veya endüstriyel amaçlar için yeniden kullanımı, artan nüfus baskıları arasında tatlı su kaynaklarını koruyan önemli bir verimliliği temsil eder, ancak uygulama altyapısal ve düzenleyici farklılıklar nedeniyle bölgeye göre büyük farklılıklar gösterir.^[4]

Atık su yönetimindeki kalıcı zorluklar arasında, geleneksel arıtmalardan kaçan ve ekosistemlerde birikerek biyobirikim yoluyla sucul yaşam ve insan sağlığına uzun vadeli toksikolojik riskler oluşturan farmasötikler, kişisel bakım ürünleri ve per- ve polifloroalkil maddeler (PFAS) gibi yeni ortaya çıkan kirleticilerin tam olarak giderilememesi yer almaktadır.^[5] Hakemli analizler, genellikle mikrogram/litre konsantrasyonlarında bulunan bu iz organiklerin etkili bir şekilde azaltılması için ileri oksidasyon veya membran biyoreaktörleri gibi yenilikçi teknolojiler gerektirdiğini vurgulamaktadır; ancak ölçeklenebilirlik ve maliyet engelleri, özellikle temel sanitasyon kapsamının eksik olduğu gelişmekte olan bağlamlarda benimsenmeyi sınırlamaktadır.^[6] Bu sorunları yönlendiren nedensel faktörler, kaynak kontrolüne ve tesislerin atık su kalitesi için ampirik standartlarla uyumlu hale getirilmesi gerekliliğine işaret eden yukarı havza kirlilik kaynaklarından ve arıtma verimsizliklerinden kaynaklanmaktadır.^[7]

Kaynaklar ve Türler

Evsel Atık Su

Evsel atık su, tuvaletler, lavabolar, duşlar, banyolar ve çamaşır makineleri gibi sıhhi tesisat armatürlerinden kaynaklanan ve hane halkı faaliyetlerinden üretilen sıvı atıkları ifade eder. Tipik olarak insan dışkısı, idrar, sabun ve deterjan içeren banyo ve çamaşırdan gelen gri su ile gıda artıkları ve yağlar içeren mutfak atıklarını içerir. Kentsel ortamlarda, evsel kaynaklar belediye atık su girişlerinin baskın bölümünü oluşturur ve tutarlı günlük üretim nedeniyle yerleşim ağırlıklı bölgelerde genellikle toplam hacmin %70-80’ini oluşturur.

Kişi başı üretim oranları bölgeye ve yaşam tarzına göre değişir, ancak sifonlu tuvaletlerin ve hijyen ile cihazlar için yüksek su kullanımının olduğu gelişmiş ülkelerde günde kişi başına ortalama 150-300 litredir. Örneğin, Amerika Birleşik Devletleri’nde ortalama günlük kişi başı yaklaşık 380 litredir ve hane büyüklüğü ile su tasarruflu armatürler gibi faktörlerden etkilenir. Buna karşılık, gelişmekte olan bölgelerde oranlar, azalan kişi başı su tüketimi nedeniyle 50-100 litre civarında daha düşük olabilir. Bu hacimler sadece doğrudan kullanımı değil, aynı zamanda birleşik kanalizasyon sistemlerinde yeraltı suyu veya yağmur suyundan sızmayı da yansıtır, ancak evsel akışlar temel sabit katkı maddesi olmaya devam eder.

Evsel atık su, dışkı ve idrardan gelen patojenler ve organik maddece zengin tuvalet atıklarını kapsayan siyah su ve el yıkama ile bulaşık durulama gibi tuvalet dışı kaynaklardan gelen daha az kirli akışları içeren gri su olarak kategorize edilir. Siyah su, genellikle 100 ml’de 10⁷ koloni oluşturan birimi aşan yüksek fekal koliform seviyeleri nedeniyle sıkı işlem gerektirir ve arıtılmadığında önemli sağlık riskleri oluşturur. Gri su, bazı bağlamlarda minimum arıtma ile yeniden kullanılabilir olsa da, yine de genel kirletici yüklerine katkıda bulunan yüzey aktif maddeler ve besinler taşır. Bu ayrım, merkezi olmayan arıtma stratejilerini bilgilendirir, ancak merkezi sistemlerde bunlar tipik olarak kanalizasyon olarak birleştirilir.

Endüstriyel Atık Su

Endüstriyel atık su, üretim, işleme, çıkarma ve diğer ticari operasyonlar sırasında üretilen ve arıtılmadığında sucul ekosistemler için risk oluşturan yüksek seviyelerde kirleticiler içeren sıvı atıklardan oluşur.^[8] Başlıca kaynaklar arasında çözücülerin ve asitlerin baskın olduğu kimyasal üretim; nişasta, protein ve yağlardan kaynaklanan yüksek organik yüklere sahip yiyecek ve içecek işleme; boyalar, deterjanlar ve tuzlar deşarj eden tekstil; antibiyotikler ve hormonlar içeren ilaç endüstrisi; kurşun, cıva, kadmiyum ve krom gibi ağır metaller salan madencilik ve metal kaplama; ve hidrokarbonlar ile fenoller sağlayan petrol rafinerisi yer alır.^[9][10] Bu atık sular sıklıkla çözünmüş katılar, doğal olarak oluşan radyonüklidler ve endüstriyel kullanım için tasarlanmış sentetik kirleticiler açısından yüksek konsantrasyonlar sergiler.^[8]

İnsan faaliyetlerinden kaynaklanan ve 200-400 mg/L civarında nispeten tek biçimli biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOİ) seviyelerine sahip biyolojik olarak parçalanabilir organikleri taşıyan evsel atık suyun aksine, endüstriyel atık su hacim, pH, sıcaklık ve kirletici profillerinde aşırı değişkenlik gösterir ve genellikle standart biyolojik arıtma için toksik veya engelleyici hale gelir.^[11] Örneğin, madencilik atık suları 100 mg/L’yi aşan metal konsantrasyonlarına sahip asidik drenaj içerebilirken, farmasötik akımlar mikrobiyal bozunmaya dirençli inatçı organikler içerebilir ve belediye deşarjından önce kimyasal çökeltme veya ileri oksidasyon gibi özel ön arıtma gerektirebilir.^[12] Bu heterojenlik, soğutma suları, yıkama suları ve reaksiyon yan ürünleri gibi sürece özgü girdilerden kaynaklanır ve kağıt hamuru ve kağıt gibi sektörler için BOİ veya toplam askıda katı maddelerde evsel akışları 10-50 kat aşabilen giriş güçlerine yol açar.^[13]

Amerika Birleşik Devletleri’nde Çevre Koruma Ajansı (EPA), Ulusal Kirletici Deşarj Eliminasyon Sistemi (NPDES) aracılığıyla endüstriyel deşarjları düzenler ve yaklaşık 11.000 izinli tesisin etkilerini azaltmak için 40’tan fazla endüstriyel kategoriye özel atık su limitleri uygular.^[8] Küresel olarak, endüstriyel sektörler toplam atık su hacimlerinin değişken ancak önemli bir kısmına katkıda bulunur; tahminler, tekstil gibi su yoğun endüstrilerde sadece imalatın %20’ye kadarını oluşturduğunu göstermektedir, ancak gelişmekte olan bölgelerdeki eksik raporlama nedeniyle kesin toplamların belirlenmesi zordur.^[14] Bu atık sulardaki kalıcı organikler ve inorganikler dahil olmak üzere yüksek kirletici yükleri, arıtılmamış salınımların gıda zincirlerinde ağır metal biyobirikimi gibi yerel kirlenme olaylarına tarihsel olarak neden olması sebebiyle sektöre özgü izleme ihtiyacını vurgulamaktadır.^[12]

Tarımsal ve Yağmur Suyu Akışı

Tarımsal akış, tarım arazilerine uygulanan fazla gübrelerin, hayvan gübresinin ve pestisitlerin yağış, kar erimesi veya toprak sızma kapasitesini aşan sulama suyu ile taşındığı tarımsal faaliyetlerden kaynaklanan önemli bir yayılı (noktasal olmayan) atık su kirliliği kaynağıdır.^[15][16] Bu girdiler, ötrofikasyonu ve alg patlamalarını teşvik eden yüksek azot ve fosfor konsantrasyonları yoluyla alıcı sularda besin aşırı yüklenmesine yol açar.^[17] Amerika Birleşik Devletleri’nde, yoğunlaştırılmış operasyonlardan kaynaklanan hayvan gübresi bu yüklemeye önemli ölçüde katkıda bulunur; tahminler, meralardan ve tarlalardan yüzey akışı yoluyla yüzey ve yeraltı sularına azot ve fosfor taşınması için birincil bir vektör olduğunu göstermektedir.^[18]

Pestisitler ve toprak erozyonu, tarımsal akışın etkisini daha da şiddetlendirir; toprak işleme uygulamaları ve kimyasal uygulamalar, tortuya bağlı kirleticilerin geniş araziler boyunca yayılı bir şekilde akarsulara ve nehirlere girmesine neden olur.^[19] Ülke çapında, bu tür akışlar, 2020’lerin başındaki değerlendirmelere göre ABD nehir ve akarsularının yaklaşık %46’sının fazla besin sergilemesiyle, bozulmuş su kalitesinin önde gelen nedenlerini oluşturmaktadır.^[20] Ortabatı’da, tarımsal kaynaklar tek başına Meksika Körfezi’ne akan yıllık yaklaşık 1,2 milyar pound fazla besin üretmektedir ve bu da tarım arazilerinden gelen yayılı yüklemenin ölçeğini vurgulamaktadır.^[21]

Kentsel ve gelişmiş alanlardan gelen yağmur suyu akışı, yollar, otoparklar ve çatılar gibi doğal sızmayı önleyen ve drenaj sistemlerine kirletici taşınımını hızlandıran geçirimsiz yüzeylerdeki yağışların tetiklediği bir başka yayılı atık su yolunu temsil eder.^[22] Bu akış, araçlardan gelen yağ ve gres, askıda tortular, ağır metaller ve toksik kimyasallar dahil olmak üzere kentsel kirleticileri sürükler; tortu hacimce en yaygın kirletici olarak tanımlanır.^[23][24] Ek olarak, çimlerden gelen bakteriler, pestisitler ve artık gübreler de taşınarak fırtına olayları sırasında aşağı havza su kalitesinin bozulmasına katkıda bulunur.^[25]

Endüstriyel veya evsel atık su arıtma tesislerinden gelenler gibi ayrık borulardan veya deşarj noktalarından kaynaklanan noktasal kaynaklı deşarjların aksine, tarımsal ve yağmur suyu akışı, yoğunlaştırılmış taşıma olmaksızın geniş, tanımlanmamış alanlardan kaynaklanması nedeniyle noktasal olmayan kirliliği örnekler.^[26][27] Sürekli akış yerine yağış modellerine bağlı mevsimsellikle birleşen bu dağınıklık, kirleticilerin boru ucu kontrollerine uygun olmaması ve hava yoğunluğuyla değişmesi nedeniyle (örneğin, aşırı yağmurlar tarlalardan besin ve tortu ihracatını artırır) nicelleştirme ve azaltmayı zorlaştırır.^[28][29]

Bileşim ve Özellikler

Fiziksel Özellikler

Atık suyun fiziksel özellikleri, akış dinamiklerini, çökelebilirliği ve ilk arıtma gereksinimlerini değerlendirmek için gerekli verileri sağlayan sıcaklık, bulanıklık, renk, koku ve katı madde içeriği gibi gözlemlenebilir ve ölçülebilir nitelikleri kapsar. Bu özellikler kaynağa göre değişir ve evsel atık su bir temel oluşturur; örneğin, belediye giriş suyu, hane halkı faaliyetlerinden kaynaklanan partikül maddeyi yansıtan tipik olarak 100-500 mg/L toplam askıda katı madde (TSS) konsantrasyonlarına sahiptir.^[30] Bu tür atık sulardaki toplam çözünmüş katılar (TDS), filtrasyondan sonra çözeltide kalan mineraller ve tuzlardan oluşarak genellikle 300-600 mg/L arasında değişir.^[31] Imhoff konisi ile bir saatte çöken hacim olarak ölçülen çökelebilir katılar, arıtılmamış evsel akışlarda genellikle 5-25 mL/L arasındadır ve yerçekimi ile ayırmaya uygun fraksiyonu gösterir.^[32]

Ilıman iklimlerde belediye atık su girişindeki sıcaklık ortalama 15-25°C’dir, ancak endüstriyel girdiler bunu 30°C veya daha yükseğe çıkararak viskoziteyi ve dolayısıyla arıtma ünitelerindeki hidrolik bekletme sürelerini etkileyebilir.^[33] Askıda partiküller için bir vekil olan bulanıklık, ham kanalizasyonda tipik olarak 100-400 nefelometrik bulanıklık birimi (NTU) ölçülür, TSS seviyeleri ile güçlü bir şekilde ilişkilidir ve taşıma sistemlerinde potansiyel tıkanma risklerini işaret eder.^[34] Renk, taze evsel atık suda dağılmış organikler nedeniyle grimsi görünürken, septik koşullarda anaerobik bozunma ürünlerinden dolayı daha koyu kahverengi veya siyaha döner.^[35] Koku, taze akışlarda hafif küflü veya sabunludur, ancak durgunluk üzerine mikrobiyal sülfat indirgemesiyle (“çürük yumurta”) keskin hidrojen sülfür notaları geliştirir.^[36]

Bu özellikler arıtma tasarımına ampirik olarak rehberlik eder; yüksek TSS ve çökelebilir katılar, günlük tank hacminin m³’ü başına 0,5-1,0 kg TSS olarak hesaplanan katı madde yükleme oranlarını işlemek için büyük boyutlu birincil durultucuları gerektirirken, yüksek bulanıklık, yumaklaşmayı artırmak için pıhtılaşma ihtiyaçlarını bildirir.^[37] Sıcaklık değişimleri pompalama verimliliğini ve çökeltme hızlarını etkiler; pilot çalışmalardan elde edilen ampirik modellere göre her 1°C’lik artış çökelmeyi yaklaşık %2-3 hızlandırır.^[38] Endüstriyel atık suda, gıda işlemeden kaynaklanan yüksek sıcaklıklı atık sular (40°C’ye kadar) veya bulanık madencilik bulamaçları (>1000 NTU) gibi aşırılıklar, taşmaları veya eksik ayırmayı önlemek için özelleştirilmiş hidrolik tasarımlar talep eder.^[39]

Kimyasal Bileşenler

Atık su, evsel, endüstriyel ve tarımsal kaynaklardan türetilen azot ve fosfor gibi besinler, tuzlar, ağır metaller ve yeni ortaya çıkan kirleticiler dahil olmak üzere çeşitli inorganik ve organik kimyasallar içerir. Azot, öncelikle amonyak (NH₃-N), nitrat (NO₃-N), nitrit (NO₂-N) ve organik formlar olarak görünür; arıtılmamış belediye atık suyundaki toplam azot konsantrasyonları tipik olarak 20 ila 85 mg/L arasında değişir ve nüfus yoğunluğu ile sızma oranlarına göre farklılık gösterir. Fosfor, esas olarak ortofosfatlar ve polifosfatlar olarak bulunur; evsel atık sudaki toplam fosfor seviyeleri ortalama 4 ila 15 mg/L olup, deterjan kullanımı veya gıda işleme girdileri olan bölgelerde genellikle daha yüksektir. Bu besinler, evsel akışlarda insan dışkısı, ev temizleyicileri ve gıda artıklarından kaynaklanırken, tarımsal akış, gübre süzülmesi nedeniyle bazen 50 mg/L’yi aşan daha yüksek nitrat seviyeleri getirir.^[40][41]

Klorürler, sülfatlar ve bikarbonatlar dahil olmak üzere tuzlar, atık sudaki toplam çözünmüş katılara (TDS) katkıda bulunur; belediye atık sularındaki klorür konsantrasyonları, su yumuşatma ve kanalizasyondan kaynaklanan 100-250 mg/L’ye sıklıkla ulaşır. Endüstriyel atık su, kadmiyum (Cd), krom (Cr), kurşun (Pb) ve çinko (Zn) gibi ağır metalleri tanıtır; metal işleme sahalarından alınan atık su örneklerinde Cd seviyeleri 8 ila 38 μg/L arasında rapor edilirken, tabaklama veya elektrokaplama deşarjlarında Cr birkaç mg/L’ye kadar çıkabilir. Bu metaller, düşük çözünürlük ve biyobirikim potansiyeli nedeniyle kalıcıdır ve endüstriye göre büyük ölçüde değişen konsantrasyonlar (örneğin, madencilik atık suları Zn için 1 mg/L’yi aşabilir) nedeniyle arıtma zorlukları oluşturarak giderim için hedeflenen çökeltme veya adsorpsiyonu gerektirir.^[42][43]

Farmasötikler (örn. antibiyotikler, analjezikler) ve per- ve polifloroalkil maddeler (PFAS) dahil olmak üzere yeni ortaya çıkan kirleticiler, atık suda genellikle ng/L ila μg/L aralığında iz seviyelerde bulunur. İbuprofen veya karbamazepin gibi evsel kaynaklı farmasötikler, eksik metabolizma ve atılım yoluyla varlığını sürdürür ve giriş konsantrasyonları tipik olarak 10-1000 ng/L iken, tüketici ürünlerinden ve yangın söndürme köpüklerinden gelen PFAS, belediye girişlerinde 10-100 ng/L’ye ulaşarak geleneksel arıtmaya direnç gösterir ve atık sularda yoğunlaşır. Bu bileşikler, PFAS seviyelerinin arıtma sonrasında yüksek kalarak akış aşağısındaki çevresel kalıcılığa katkıda bulunmasıyla standart süreçlerdeki boşlukları vurgular.^[44][45]

Besin açısından zengin atık suyun arıtılmadan deşarj edilmesi, aşırı azot ve fosfor yoluyla alg patlamalarını besleyerek ötrofikasyona neden olur; bu durum oksijen tükenmesine ve ekosistem bozulmasına yol açar; bu, büyük girdilerin kalıcı anoksi ve biyolojik çeşitlilik kaybıyla sonuçlandığı kıyı lagünlerindeki ampirik gözlemlerle kanıtlanmıştır. Çalışmalar, kanalizasyondan kaynaklanan noktasal kaynaklı besin yüklemesinin, etkilenen su kütlelerindeki fosforun %50’sine kadarını oluşturduğunu ve artan N/P oranlarını hipoksi olaylarına bağlayan nedensel zincirleri doğrulamaktadır; örneğin, alg çoğalması çözünmüş oksijeni 2 mg/L’nin altına düşürerek balıkları öldürür ve besin ağlarını değiştirir. Bu etkiler, alıcı sulardaki riskleri azaltmak için biyolojik ve kimyasal süreçlerin toplam N’yi 10 mg/L’nin ve P’yi 1 mg/L’nin altına düşürmesi gerektiğinden, besin giderim hedeflerinin gerekliliğini vurgulamaktadır.^[46][47][48]

Biyolojik Bileşenler

Atık su, öncelikle insan dışkısı, idrar ve ilgili organik döküntülerden türetilen bakteriler, virüsler, protozoa ve helmintlerin hakim olduğu karmaşık bir mikrobiyal ekosistemi barındırır.^[49] Bu biyolojik ajanlar, hem doğal ayrışma süreçlerine hem de halk sağlığı tehditlerine katkıda bulunur; organik substratlar, biyokimyasal oksijen ihtiyacını (BOİ) ortaya çıkaran mikrobiyal çoğalmayı besler.^[50] BOİ, standart 5 günlük bir inkübasyon süresi (BOİ₅) boyunca biyolojik olarak parçalanabilen organik maddenin oksidasyonu sırasında aerobik bakteriler tarafından tüketilen çözünmüş oksijeni ölçer ve tipik olarak arıtılmamış evsel atık suda 100-400 mg/L arasında değişerek mikrobiyal metabolik aktivitenin boyutunu gösterir.^{[50] [51]}

Bakteriler, karmaşık organikleri enzimatik hidroliz ve solunum yoluyla daha basit bileşiklere ayıran saprofitik türlerin yanı sıra bağırsak yollarından kaynaklanan Escherichia coli, Salmonella spp. ve Shigella spp. gibi patojenleri de kapsayan baskın mikrobiyal grubu oluşturur.^[52] Fakültatif anaeroblar ve aeroblar hakimdir ve BOİ’nin temelini oluşturan fermantasyon ve aerobik solunumu sağlar, ancak enteropatojenik E. coli gibi patojenik suşlar arıtılmamış akışlarda kalıcı olabilir; besin sınırlaması ve predasyon nedeniyle ölüm hızlanmadan önce seyreltik koşullarda 20-30°C’de 20-30 gün hayatta kalma süreleri vardır.^[53] Enterovirüsler ve norovirüsler dahil olmak üzere virüsler, ham kanalizasyonda litre başına 10³ ila 10⁷ partikül konsantrasyonlarında bulunur ve çevresel stresörlerden kaçmak ve canlılığı uzatmak için sıklıkla partikül madde ile ilişkilidir.^[49] Protozoa (örneğin, Giardia lamblia, Cryptosporidium parvum) ve helmintler (örneğin, Ascaris lumbricoides yumurtaları) daha az boldur ancak dayanıklıdır; helmint yumurtaları koruyucu kistleri nedeniyle anaerobik tortularda uzun süreli hayatta kalma sergiler.^{[54] [53]}

Yararlı mikroplar, bakterilerle beslenen protozoaları içeren rekabetçi dışlama ve predasyon hiyerarşileri yoluyla BOİ’yi azaltarak organik parçalanmayı kolaylaştırırken, patojenik bileşenler arıtılmadan deşarj edilirse fekal-oral bulaşma yoluyla enfeksiyon riskleri getirir.^[55] Çalışmalar, arıtılmamış atık sudaki patojen araştırmalarının %68,8’inde virüsleri, ardından bakterileri (%26,4) ve protozoaları (%4,6) tespit etmekte, sıcaklık, pH ve organik yükten etkilenen değişken hayatta kalma süreleri arasında yaygınlıklarının altını çizmektedir.^[54] Zarflı virüsler, ozmotik şok nedeniyle ham akışlarda daha hızlı bozulabilir, ancak partiküle bağlı formlar kalıcılığı artırır; bu durum, vekil olarak kullanılan zarfsız bakteriyofajlarla zıttır.^[56] Bu ikilik—ayrıştırıcılar ve tehlikeler—atık suyun biyolojik profilini vurgular; burada arıtılmamış atıklardaki kontrolsüz patojen yükleri (örneğin, 10⁶-10⁸ E. coli CFU/100 mL), akış aşağı kirlenme potansiyelini artırır.^[49]

Arıtma Süreçleri

Birincil Arıtma

Birincil arıtma, atık su işlemenin ilk aşamasını oluşturur ve giderilebilir katıları giriş akımından ayırmak için mekanik ve fiziksel yöntemler kullanarak sonraki biyolojik arıtmalara binen yükü azaltır. Bu aşama, kimyasal katkı maddelerine veya mikrobiyal aktiviteye dayanmadan, yerçekimi temelli ayırma yoluyla çökelebilir ve yüzebilir malzemeleri hedefler ve partikül çökme hızlarının ve hidrolik bekletme sürelerinin doğal fiziği ile sınırlı ampirik verimliliklere ulaşır.^[57]

Süreç, çubuk eleklerin veya mekanik olarak çalıştırılan cihazların 6-25 mm’yi aşan paçavra, plastik ve odunsu malzemeler gibi büyük döküntüleri tuttuğu, akış aşağısındaki ekipman hasarını önlediği ve çökelebilir fraksiyonlar için %90-95’e varan ilk katı yakalama oranlarını kolaylaştırdığı eleme ile başlar.^[58][59] Elemenin ardından, suya kıyasla 2,65’i aşan özgül ağırlık farkları nedeniyle hızla çöken kum, çakıl ve yumurta kabukları (0,1-0,6 mm çapında) gibi yoğun inorganik partikülleri hedefleyen havalandırmalı veya girdap tipi odalarda kum tutucu işlemi gerçekleşir; bu adım tipik olarak kumun %70-95’ini gidererek pompa ve borulardaki aşınmayı azaltırken daha sonraki bozunma için organik içeriği korur.^[58][60]

Birincil arıtmanın çekirdeği, dikdörtgen veya dairesel durultucularda çökeltmedir; burada giriş suyu 2-2,5 saat boyunca durgun koşullarda bekletilir ve 0,1-1 mm/sn üzerindeki çökme hızlarına sahip partiküllerin Stokes yasası dinamikleri (hız partikül yoğunluğu ve boyutunun karesiyle orantılı, sıvı viskozitesiyle ters orantılıdır) aracılığıyla dipte çamur olarak birikmesine izin verilir. İyi tasarlanmış sistemler, toplam askıda katı maddelerin (TSS) %50-70’ini ve biyokimyasal oksijen ihtiyacının (BOİ) %25-40’ını giderir, ancak verimlilikler yüksek akışlarda veya düşük sıcaklıklarda azalan çökme nedeniyle düşer; yüzebilir yağlar ve gresler yüzeyden sıyrılır.^[61]

Tarihsel olarak, birincil çökeltme, 1900’lerden önce atık su yönetiminin temelini oluşturmuştur; Londra’nın 1865 tarihli yerçekimi çökeltme havuzları gibi erken uygulamalar, kentsel kolera salgınları arasında katı ayrımı için yalnızca bekletmeye dayanmış, aktif çamur inovasyonlarından önce arıtılmamış atık sular ile hastalık bulaşması arasındaki nedensel bağlantıların altını çizmiştir.^[62] Çıktılar arasında, ikincil arıtmaya ilerletilen durultulmuş sıvı olan birincil atık su ve anaerobik kokuşmayı önlemek için susuzlaştırma ve stabilizasyon gerektiren organikler ve inorganiklerin yarı katı bir karışımı (ağırlıkça %2-6 katı) olan birincil çamur yer alır.^[57][63]

İkincil Arıtma

İkincil arıtma, birincil durultmadan sonra kalan çözünmüş ve askıda organik maddeyi parçalamak için biyolojik süreçleri kullanır; bu, öncelikle organikleri karbondioksit, su ve biyokütleye dönüştüren mikroorganizmaların eylemi yoluyla gerçekleşir. Bu yöntemler, biyokimyasal oksijen ihtiyacında (BOİ) %85-95’lik bir azalma hedefleyerek, sadece birincil arıtmaya kıyasla atık su kirlilik seviyelerini önemli ölçüde düşürür. Belediye uygulamalarında, organikleri asimile eden heterotrofik bakterileri desteklemek için oksijene dayanan aerobik süreçler baskındır, ancak oksijen difüzyon sınırlarının geçerli olduğu belirli yüksek güçlü atıklar için anaerobik varyantlar mevcuttur.^[64][65]

Askıda büyüyen bir sistem olan aktif çamur süreci, atık suyu 2.000-5.000 mg/L konsantrasyonlarında karışık sıvı askıda katı maddeler (MLSS) içeren havalandırmalı tanklara vererek organikleri adsorbe eden ve metabolize eden mikrobiyal yumakları (floklar) teşvik eder. Havalandırma, aerobik solunum için gerekli olan çözünmüş oksijeni (tipik olarak 1-4 mg/L’de tutulur) sağlar; oksijen alım oranları (OUR) mikrobiyal aktiviteyi yansıtır ve kinetikler substrat afinitesi ve bozunma oranlarını içeren Monod büyüme modelleri tarafından yönetilir. Havalandırmayı takiben (4-8 saatlik hidrolik bekletme süreleri), karışım biyokütleyi geri dönüşüm için ayırmak üzere ikincil durultucularda çökelir ve optimal koşullar altında %85-95 BOİ giderimi sağlar. Enerji talepleri önemlidir; havalandırma, giderilen kg BOİ başına yaklaşık 1,5 kg O₂’lik stokiyometrik oksijen ihtiyaçlarını karşılamak için üfleyiciler ve difüzörler tarafından yönlendirilerek toplam tüketimin %50-60’ını oluşturur ve Avrupa tesislerinde ortalama 0,15-0,7 kWh/m³’tür.^[66][67][68]

Yapışık büyüyen bir aerobik alternatif olan damlatmalı filtreler, atık suyu, sıvı aşağı doğru süzülürken organikleri oksitleyen bakteri, protozoa ve mantar biyofilmleri tarafından kolonize edilen medya yataklarına (kaya veya plastik) dağıtır ve hava sirkülasyonu oksijen sağlar. Arıtma verimliliği medya derinliği ve hidrolik yükleme ile değişir, tek aşamalı ünitelerde %60-90 BOİ giderimi sağlar, girişi seyreltmek ve nitrifikasyon katmanlarını teşvik etmek için devridaim ile artırılır. Askıda sistemlerin aksine, damlatmalı filtreler daha az enerji gerektirir (minimum mekanik havalandırma) ancak dökülen biyokütle yoluyla daha fazla çamur üretir ve periyodik alt drenaj temizliği gerektirir.^[69][70]

Yukarı akışlı anaerobik çamur yatağı (UASB) reaktörleri gibi anaerobik süreçler, harici oksijen olmadan organikleri hidrolize etmek ve asitleştirmek için metanojenik arkeleri kullanır, uygun endüstriyel atık sularda %70-90 BOİ azaltırken biyogaz (%60-70 metan) üretir. Bu sistemler daha düşük çamur verimi ve enerji girdisi (kojenerasyon yoluyla net üreticiler olabilirler) sergiler ancak daha yavaş kinetikler, sıcaklığa duyarlılık (optimal >20°C) ve eksik patojen giderimi nedeniyle ikincil belediye arıtmasında daha az yaygındır.^[71][72]

Sınırlamalar arasında, reaksiyon hızlarının her 10°C düşüşte yarıya indiği soğuk iklimlerde (10°C’nin altında) azalan mikrobiyal aktivite yer alır; bu durum BOİ giderimini tehlikeye atar ve aktif çamurda ipliksi şişme riski oluşturur. Yağmur suyu dalgalanmalarından kaynaklanan aşırı yükleme, ıslak havalarda birleşik kanalizasyon sistemlerinde görüldüğü gibi mikrobiyal kapasiteyi aşarak atık su BOİ ve askıda katı madde seviyelerini yükseltebilir.^[73][74]

Üçüncül ve İleri Arıtma

Üçüncül arıtma, katı deşarj veya yeniden kullanım standartlarını karşılamak için artık askıda katı maddeleri, besinleri, çözünmüş organikleri ve patojenleri hedefleyerek ikincil atık suyu rafine eder. Süreçler tipik olarak fiziksel, kimyasal ve biyolojik parlatma adımları yoluyla 5 mg/L’nin altında atık su toplam askıda katı madde (TSS) ve 5 mg/L’nin altında biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOİ) sağlar.^[75] Genellikle hızlı kum veya çok ortamlı filtreler kullanan filtrasyon, ikincil durultma sonrası kalan partiküllerin %80-95’ini giderir.^[76]

Üçüncül aşamalarda besin giderimi, şap veya ferrik klorür gibi pıhtılaştırıcılarla kimyasal çökeltme yoluyla fosfora odaklanır ve 0,1 mg/L toplam fosforun altındaki konsantrasyonlara ulaşır.^[77] Azot parlatma, geliştirilmiş sistemlerde toplam azotu 3-5 mg/L’ye düşüren post-anoksik denitrifikasyon filtreleri veya ayrı reaktörler kullanır.^[78] Bu yöntemler, verimlilikleri giriş yüklerine ve redoks koşullarına bağlı olarak ikincil nitrifikasyonu tamamlar.^[79]

Dezenfeksiyon, patojenleri güvenli deşarjı veya içme suyu olmayan yeniden kullanımı destekleyen seviyelere indirir, tipik olarak bakteriler ve virüsler için 4-6 log azalma (%99,99-99,9999 inaktivasyon) sağlar. 20-40 mJ/cm² dozlarında ultraviyole (UV) ışınlama, kimyasal kalıntı bırakmadan koliformları ve enterik virüsleri inaktive ederken, klorlama (1-5 mg/L serbest klor teması) kalıcı dezenfeksiyon sağlar ancak dezenfeksiyon yan ürünleri riski taşır.^[80] 5-10 mg/L’de ozonlama, iz organiklerin oksidasyonu ile birlikte geniş spektrumlu inaktivasyon sunar.^[81]

İleri arıtma, membran filtrasyonu, adsorpsiyon ve oksidasyon kullanarak içilebilir yeniden kullanım veya mikrokirletici kontrolü için yetenekleri genişletir. Ters osmoz (RO) membranları, çözünmüş tuzların, organiklerin ve farmasötiklerin %95-99’unu reddederek dolaylı akifer beslemesi için yüksek saflıkta atık su üretir.^[82] Granüler aktif karbon (GAC) adsorpsiyonu, yüzey etkileşimleri yoluyla pestisitler ve endokrin bozucular gibi hidrofobik mikrokirleticilerin %70-90’ını yakalar.^[83] UV-hidrojen peroksit veya ozon-peroksit gibi ileri oksidasyon süreçleri (AOP’ler), inatçı bileşikleri mineralize ederek birçok iz organik maddenin %80’den fazlasını giderir, ancak kirlenme ve enerji talepleri ölçeklenebilirliği sınırlar.^[84]

Bu teknolojiler, enerji (örneğin, RO için 0,5-1,5 kWh/m³) ve medya değişimi nedeniyle sadece ikincil arıtmaya kıyasla %20-50 daha yüksek sermaye ve işletme maliyetlerine neden olur, ancak kurak bölgelerde tatlı su çekimini %50’ye kadar dengeleyen su geri dönüşümünü mümkün kılar.^[85] Tam ölçekli tesislerden elde edilen ampirik veriler, çok bariyerli gelişmiş sistemlerde %99’un üzerinde genel patojen giderimini doğrulayarak yeniden kullanım uygulamaları için sağlık risklerini en aza indirir.^[86] Değiş tokuşlar, membranlardan kaynaklanan salamura bertarafını ve hibrit konfigürasyonlar olmadan eksik mikrokirletici azaltımını içerir.^[87]

Bertaraf, Yeniden Kullanım ve Çamur Yönetimi

Çevresel Deşarj

Arıtılmış atık su, alıcı su kütlelerini koruyacak seviyelerde arıtıldıktan sonra nehirlere, göllere ve okyanuslara deşarj edilir; standartlar çevrenin asimilasyon kapasitesine göre ayarlanır. Amerika Birleşik Devletleri’nde, Çevre Koruma Ajansı’nın Temiz Su Yasası kapsamındaki ikincil arıtma düzenlemeleri, belediye atık suyundaki biyokimyasal oksijen ihtiyacının (BOİ5) 30 günlük ortalamada 30 mg/L’yi veya 7 günlük ortalamada 45 mg/L’yi aşmamasını ve BOİ5 ile toplam askıda katı maddelerin (TSS) %85 oranında giderilmesini zorunlu kılar.^[88] Bu sınırlar, akış aşağı sulardaki oksijen tükenmesinin sucul yaşam için zararlı eşiklerin altında kalmasını sağlar ve tipik olarak nehirlerde 5 mg/L’nin üzerinde çözünmüş oksijen seviyelerini hedefler. Endüstriyel kaynaklar için atık su kılavuzları, besin deşarjlarının daha fazla kısıtlandığı et işleme gibi sektöre göre değişen, mevcut en iyi teknolojiler yoluyla BOİ azaltımları gibi teknolojiye dayalı sınırlar uygular.^{[89] [90]}

Ulusal Kirletici Deşarj Eliminasyon Sistemi (NPDES) kapsamındakiler gibi deşarj izinleri, yerel etkileri önlemek için akış hızları ve seyreltme oranları dahil olmak üzere sahaya özgü faktörleri içerir. Nehir deşarjları için, minimum akış debileri (örneğin, 7Q10 düşük akış koşulları) izin verilen yükleri belirler ve atık suyun belirlenen karışım bölgelerinin ötesinde su kalitesi kriterlerini ihlal etmeden karışmasını sağlar. Okyanus deşarjları, 100:1 veya daha büyük başlangıç seyreltmeleri elde etmek için genellikle çok portlu difüzörler kullanır; federal kriterler akut toksisite bölgelerini borunun yakınındaki küçük alanlarla sınırlar; örneğin, ortam standartları uygulanmadan önce bazı değerlendirmelerde maksimum 10:1 seyreltme kredisi geçerli olabilir.^[91] pH, sıcaklık ve patojenler gibi parametrelerin sürekli izlenmesi uyumluluğu doğrular, uzaktan algılama ve biyolojik göstergeler ise akış aşağısındaki bentik topluluk sağlığı gibi daha geniş ekolojik entegrasyonu değerlendirir.^[91]

1972 Temiz Su Yasası’ndan bu yana, düzenlenmiş deşarjlar, kirletici konsantrasyonlarında önemli düşüşler ve 2001 yılına kadar balık tutulabilir standartları karşılayan izlenen suların payında 12 yüzde puanlık bir artış dahil olmak üzere ölçülebilir su kalitesi kazanımları sağlamıştır. Nehir pH seviyeleri yükselmiş ve birçok bozulmuş sistemde çözünmüş oksijen iyileşmiştir; bu durum, noktasal kaynaklardan gelen BOİ ve besin yüklerini azaltan 1 trilyon doların üzerindeki azaltım yatırımlarıyla ilişkilidir. Bu ilerlemelere rağmen, 2022 itibariyle değerlendirilen ABD nehir ve akarsu millerinin yaklaşık %50’si kirli kalmaya devam etmektedir, bu da devam eden zorluklarda noktasal olmayan kaynakların ve eski etkilerin rolünün altını çizmektedir.^{[92] [93] [94]}

Su Yeniden Kullanım Uygulamaları

Su yeniden kullanım uygulamaları, tatlı su kıtlığını hafifletmek için öncelikle içme suyu olmayan ve içme suyu olan son kullanımları içerir; içme suyu olmayan kategoriler, daha düşük arıtma talepleri nedeniyle küresel uygulamada baskındır. İçme suyu olmayan yeniden kullanım, ekinler ve peyzajlar için tarımsal sulamayı içerir; burada dezenfeksiyonlu ikincil arıtılmış atık su, parklar, golf sahaları ve gıda dışı ekinler için uygulamalarda görüldüğü gibi tuzluluk ve patojen risklerini en aza indirmek için yeterlidir.^[95] Endüstriyel kullanımlar, soğutma kuleleri, üretim süreçleri ve veri merkezi operasyonlarını kapsar ve bazı tesislerde tatlı su yerine geri kazanılmış su kullanarak çekim hacimlerini %50’ye kadar azaltır.^[96] Tuvalet sifonu, yangın koruma ve sokak temizliği gibi kentsel içme suyu olmayan uygulamalar, su stresi yaşayan belediyelerde bu faydaları daha da genişletir.^[97]

İçilebilir yeniden kullanım, içme standartlarını karşılayan veya aşan su üretmek için mikrofiltrasyon, ters osmoz ve ultraviyole dezenfeksiyon dahil olmak üzere gelişmiş çok bariyerli arıtmalar kullanarak içilebilir olmayanların ötesine geçer. İçilebilir olmayan yeniden kullanım, son kullanım maruziyet risklerine göre uyarlanmış klorlama veya benzeri yoluyla yalnızca temel patojen inaktivasyonu gerektirirken, içilebilir olan, virüsler, bakteriler ve protozoalar için enterik virüslerde 12 log’u aşan log azalmalarının doğrulanmasını talep eder.^[98] Singapur’un 2003’ten beri faaliyette olan NEWater girişimi, dolaylı içilebilir yeniden kullanımı örneklemekte, belediye atık suyunu Dünya Sağlık Örgütü kılavuzlarına uygunluğunu doğrulayan titiz testlerden sonra rezervuarlara karıştırarak ulusal talebin %40’ını sağlamak üzere arıtmaktadır.^[99][100] Arıtılmış atık suyun arıtma sonrası doğrudan dağıtım sistemlerine enjekte edildiği doğrudan içilebilir yeniden kullanım daha nadirdir ancak San Diego gibi seçili ABD bölgelerinde kirletici bariyerlerini sağlayan gerçek zamanlı izleme ile faaliyettedir.^[101]

Arıtılmış geri dönüştürülmüş suyun güvenlik değerlendirmeleri, gelişmiş süreçlerin virüs ve bakterilerin neredeyse tam inaktivasyonunu sağlamasıyla, genellikle arıtılmamış nehir veya göllerden daha düşük patojen seviyeleri gösterir ve yüzey kaynaklarındaki doğal seyreltme etkilerini aşar.^[102] İçilebilir yeniden kullanım topluluklarındaki boylamsal epidemiyolojik çalışmalar, referans patojenlere karşı çok bariyerli etkinliği doğrulayarak, geri kazanılmış suya atfedilebilecek bulaşıcı hastalıklar, kanser veya ölüm oranlarında artış olmadığını bildirmektedir.^[103] Ancak halk direnci, ampirik güvenlik doğrulamalarına rağmen California gibi bölgelerde projeleri rayından çıkaran “tuvaletten musluğa” gibi ifadelerde özetlenen psikolojik tiksintiyi sıklıkla öne çıkarmaktadır; bu da algıları verilerle uyumlu hale getirmek için şeffaf izleme ve eğitimin gerekliliğini vurgulamaktadır.^[104][105] Singapur’da, içilebilirliği doğrulayan 150.000’den fazla analizi vurgulayan sürekli kampanyalar, ilk muhalefeti hafifleterek geniş çaplı benimsemeyi sağlamıştır.^[106]

Biyokatı ve Çamur Yönetimi

Biyokatılar, faydalı yeniden kullanım veya bertaraf için düzenleyici kriterleri karşılamak üzere stabilizasyon ve patojen azaltımından sonra atık su arıtma süreçlerinden üretilen katı, yarı katı veya sıvı kalıntılardan oluşur.^[107] Amerika Birleşik Devletleri’nde Çevre Koruma Ajansı (EPA), 40 CFR Bölüm 503 uyarınca biyokatıları patojen ve vektör çekimi azaltma seviyelerine göre A Sınıfı ve B Sınıfı olarak sınıflandırır.^[108] A Sınıfı biyokatılar, tespit edilebilir patojen olmamasını sağlayan işlemlerden geçerek kısıtlamasız arazi uygulamasına, satışa veya dağıtıma izin verirken, B Sınıfı biyokatılar en az %99 patojen azaltımı sağlar ancak tampon bölgeler ve gıda ürünleri veya çim yasağı gibi saha kısıtlamaları getirir.^[109][110]

Biyokatı üretiminin öncüsü olan kanalizasyon çamurunun stabilizasyonu, uçucu katıları, kokuları ve patojen canlılığını azaltmak için öncelikle anaerobik çürütme veya kompostlama yoluyla gerçekleşir. Anaerobik çürütme, mikroorganizmaların oksijensiz ortamlarda organik maddeyi mezofilik (yaklaşık 35–37°C) veya termofilik (50–55°C) sıcaklıklarda 15–60 gün boyunca parçalayarak stabilize edilmiş çürütücü ve %60–70 metan içeren biyogaz üretmesini içerir.^[111] Ampirik çalışmalar, atık su çamurundan eklenen kg uçucu katı (VS) başına 0,34 ila 0,46 Nm³ CH₄ metan verimi bildirerek, yükseltilmiş biyometan uygulamalarında kg VS başına 6–7 kWh’ye eşdeğer enerji geri kazanımı sağlar.^[112] Bir aerobik süreç olan kompostlama, çamuru kontrollü havalandırma altında odun yongaları gibi hacim artırıcı maddelerle karıştırarak, patojen ölümü için 55°C’yi aşan sıcaklıklarla A Sınıfı standartlarına ulaşır ve toprak iyileştirme için uygun humus benzeri bir ürün üretir.^[113]

Stabilizasyondan önce, çamur işleme, katı içeriğini %1-2’den %20-30 veya daha fazlasına çıkarmak, hacmi azaltmak ve bant presleri veya santrifüjler gibi yöntemlerle işlemek için yoğunlaştırma ve susuzlaştırmayı içerir.^[114] Susuzlaştırılmış çamur daha sonra stabilize edilir; anaerobik çürütme tesisleri, optimize edilmiş sistemlerde arıtma tesisi enerji ihtiyaçlarının %30-50’sini dengeleyerek yerinde elektrik veya ısı için biyogazı geri kazanır.^[115]

Arazi uygulaması, toprak verimliliğini artırmak ve sentetik gübre talebini azaltmak için azot, fosfor ve organik madde sağlayarak biyokatıları bir besin kaynağı olarak geri dönüştürür; ABD uygulamaları düzenli depolama alanından tasarruf sağlar ve önlenen bertaraf maliyetleri yoluyla ekonomik faydalar sağlar.^[116] Ancak, kalıcı kirleticilerden kaynaklanan riskler devam etmektedir: ağır metaller tekrarlanan uygulamalarla topraklarda birikerek bazı durumlarda EPA sınırlarını aşar, B Sınıfı biyokatılardaki patojenler uygulayıcılar için soluma veya dermal maruziyet tehlikeleri oluşturur ve per- ve polifloroalkil maddeler (PFAS) gibi yeni ortaya çıkan kirleticiler ekinlerde ve yeraltı sularında biyobirikim yapar.^[117][118] Alternatif bertaraf, hacim azaltma (%90’a kadar) ve kül depolama için yakmayı veya stabilize edilmemiş çamurun doğrudan düzenli depolanmasını içerir, ancak bunlar yeniden kullanıma kıyasla daha yüksek enerji ve emisyon maliyetlerine neden olur.^[107] ABD’de, yönetilen biyokatıların yaklaşık %50’si araziye uygulanarak, kirlenme izleme gereksinimlerine karşı besin geri kazanımını dengeler.^[107]

Sağlık ve Çevresel Etkiler

Arıtılmamış veya Yetersiz Arıtılmış Atık Sudan Kaynaklanan Riskler

Arıtılmamış veya yetersiz arıtılmış atık su, Vibrio cholerae, Escherichia coli ve Salmonella türleri gibi bakteriler, norovirüs gibi virüsler ve Giardia gibi parazitler dahil olmak üzere patojenlerin bulaşması yoluyla önemli sağlık riskleri oluşturur. Bu kirleticiler, doğrudan deşarj veya taşma yoluyla su kütlelerine girerek içme, eğlence ve sulama kaynaklarını kirletir ve şiddetli ishal, kolera, dizanteri, tifo ve hepatit A gibi akut hastalıklara yol açar. Küresel olarak, mikrobiyolojik olarak kirlenmiş içme suyu—genellikle arıtılmamış atık sudaki dışkı maddesinden kaynaklanır—yılda tahmini 1,8 milyon ishal kaynaklı ölüme neden olan hastalıkları bulaştırır; bunların %90’ı beş yaş altı çocuklarda, ağırlıklı olarak yetersiz sanitasyona sahip düşük gelirli bölgelerde meydana gelir.^[119][120] Yalnızca kolera, her yıl 1,3 ila 4 milyon vakaya ve 143.000’e varan ölüme neden olur; salgınlar, salgın araştırmalarındaki risk faktörü analizlerinde kanıtlandığı üzere, kanalizasyon taşmaları veya yetersiz arıtma ile kirlenmiş suyun tüketimine nedensel olarak bağlıdır.^{[121][122][123]}

2022’de en az 1,7 milyar insan dışkı ile kirlenmiş içme suyu kaynaklarını kullanmıştır; bu, yönetilmeyen atık suyun patojen maruziyetini şiddetlendirmesinin doğrudan bir sonucudur, zayıf sanitasyon ise ilgili su kaynaklı hastalıklardan yılda 1,4 milyona kadar önlenebilir ölüme katkıda bulunur.^[119][124] Atık su deşarj hacimleri ile hastalık insidansı arasındaki ampirik korelasyonlar, seyreltilmiş sistemlerde bile güçlü kalmaktadır, çünkü patojenler uygun koşullar altında hayatta kalabilir ve çoğalabilir; salgın verileri, arıtma arızalarını veya açık dışkılamanın veya sızdıran kanalizasyonların olduğu bölgelerdeki kolera artışları gibi altyapıyı bunaltan şiddetli yağmurları takiben ani artışlar göstermektedir. Büyük su kütlelerindeki seyreltme ani konsantrasyonları azaltabilse de, filtrasyon çalışmalarından ve tarihsel salgınlardan elde edilen nedensel kanıtlar, arıtılmamış girdilerin canlı mikrop rezervuarlarını sürdürdüğünü ve riskleri ihmal edilebilir kılmak yerine tekrarlayan enfeksiyonları tetiklediğini göstermektedir.^[125] Son eğilimler, kolera vakalarının son iki yılda iki kattan fazla artarak 1,1 milyardan fazla insanı risk altına soktuğunu ve optimal olmayan arıtma yapılan bölgelerdeki kalıcı tehdidin altını çizdiğini göstermektedir.^[126]

Çevresel olarak, arıtılmamış atık su, azot ve fosfor gibi fazla besinleri sisteme sokarak alıcı sularda ötrofikasyonu tetikler; bu durum zararlı alg patlamalarını (HAB’ler) ve ardından hipoksik “ölü bölgeleri” teşvik eder. Genellikle toksin üreten siyanobakterilerin hakim olduğu bu patlamalar çözünmüş oksijeni tüketerek balıkları öldürür ve sucul ekosistemleri bozar; bu durum, atık suyun yüksek fosfor seviyelerine katkıda bulunduğu besin açısından zenginleşmiş iç sularda görülür. Örneğin, Latin Amerika, Asya ve Afrika’nın gelişmekte olan bölgelerinde, arıtılmamış kanalizasyon deşarjları, biyolojik çeşitlilik kaybına ve balıkçılığın çökmesine yol açan ötrofikasyonun birincil itici güçleri olmuştur.^[127][128] Nedensel bağlantılar deşarj olayı çalışmalarından açıktır: kanalizasyondan gelen yüksek besin yükleri hızlı alg çoğalmasını teşvik eder, bunu oksijen tüketen ve kabuklu deniz hayvanlarında biyobirikim yoluyla yaban hayatı ve insanlar için zararlı toksinler salan çürüme izler.^[46] Geniş sistemlerde doğal seyreltme meydana gelse de, ampirik izleme kalıcı ötrofik etkileri göstermektedir; atık su, Long Island Sound gibi alanlarda azotun %67’si gibi önemli besin girdilerini oluşturarak, ani taşmaların ötesinde uzun vadeli ekolojik bozulmayı artırır.^[129]

Arıtmanın Faydaları ve Sınırlamaları

Atık su arıtımı, arıtılmış atık sulara veya iyileştirilmiş yüzey sularına bağımlı popülasyonlarda su kaynaklı hastalıkların görülme sıklığını önemli ölçüde azaltır. Amerika Birleşik Devletleri’nde, 1972 Temiz Su Yasası’nı takiben dezenfeksiyon ve arıtma süreçlerindeki gelişmeler, tifo ve kolera gibi hastalık salgınlarında belirgin bir düşüşe katkıda bulunmuş, nüfus artışına rağmen son yıllarda genel su kaynaklı hastalık salgınları azalmıştır.^[130][131] Ampirik veriler, arıtılmış atık su deşarjının alıcı sulardaki patojen yüklerini düşürdüğünü, böylece içme kaynaklarının ve eğlence alanlarının kirlenmesini önleyerek halk sağlığını koruduğunu göstermektedir.^[132]

Arıtma ayrıca sucul ekosistemlerdeki kirliliği azaltarak çevresel faydalar sağlar. Birincil ve ikincil süreçler yoluyla askıda katı maddeleri, organik maddeleri ve besinleri gidererek, atık su tesisleri nehirlerde ve göllerde ötrofikasyonu ve hipoksiyi önler, biyolojik çeşitliliği korur ve balık popülasyonlarını destekler. Örneğin, ikincil arıtma, biyokimyasal oksijen ihtiyacının (BOİ) %85-95’ini gidererek aerobik organizmalar için gerekli olan çözünmüş oksijen seviyelerini geri kazandırır.^[133] Bu sonuçlar, yasal düzenlemelerin 1970’ler sonrasında su kalitesi endekslerinde ölçülebilir iyileşmelere yol açtığı gelişmiş ülkelerde belirgindir.^[130]

Bu kazanımlara rağmen, arıtma sistemleri, özellikle enerji talepleri ve kirletici giderme etkinliği konusunda sınırlamalar sergiler. Atık su arıtımı, Amerika Birleşik Devletleri’ndeki ulusal elektrik tüketiminin %3-4’ünü oluşturur; bu, öncelikle tesis enerji kullanımının %40-75’ini oluşturabilen ikincil süreçlerdeki havalandırma tarafından yönlendirilir.^[134][135] Avrupa Birliği’nde bu rakam %1 civarındadır, altyapı verimliliğindeki farklılıkları yansıtır ancak enerji yoğun biyolojik arıtmalardaki evrensel bir verimsizliği vurgular.^[136]

Geleneksel arıtma, farmasötikler, kişisel bakım ürünleri ve endokrin bozucular gibi mikrokirleticileri yetersiz bir şekilde ele alır; düşük biyolojik parçalanabilirlikleri ve sorpsiyon sınırlamaları nedeniyle kalıcı bileşikler için giderme verimlilikleri genellikle %50’nin altındadır.^[82][137] Üçüncül parlatmadan sonra bile düşük seviyeli patojen canlılığı ve ekosistemlerde biyobirikim yapabilen kimyasal deşarjlar dahil olmak üzere artık riskler devam etmektedir.^[138] İleri aşamalarda aşırı arıtma, standart aktif çamur sistemlerinde eksik azaltımla kanıtlandığı üzere, yeni ortaya çıkan kirleticileri tamamen ortadan kaldırmadan yüksek işletme maliyetlerine neden olarak azalan getiriler sağlayabilir.^[139]

Gelişmiş bölgelerde arıtma, arıtılmamış senaryolarda görülen salgınları ve habitat bozulmasını önleyerek önemli halk sağlığı ve ekolojik güvenceler sağlamıştır. Ancak, küresel olarak boşluklar kalmakta olup, eksik mikrokirletici kontrolü çevresel kalıcılığa ve potansiyel uzun vadeli biyobirikime izin vermekte, evrensel yoğunlaştırma yerine hedeflenen inovasyonların gerekliliğini vurgulamaktadır.^[140][141]

Uzun Vadeli Ekolojik Etkiler

Atık su akışlarındaki kalıcı organik kirleticiler ve ağır metaller, sucul tortularda ve organizmalarda biyobirikim yaparak, besin zincirlerinde büyür ve yırtıcı balıklar ve kuşlar gibi daha yüksek trofik seviyelerde kronik toksisiteye neden olur.^{[142] [143]} Bu süreç, üreme ve büyüme dahil olmak üzere fizyolojik işlevleri bozar ve kalıntılar ilk deşarj olaylarının ötesinde yıllarca ekosistemlerde kalır.^[144]

Farmasötikler ve kişisel bakım ürünleri dahil olmak üzere endokrin bozucu bileşikler (EDC’ler), geleneksel atık su arıtımından tamamen kaçamaz, bu da balıklarda ve amfibilerde cinsiyet oranlarında, gonadal gelişimde ve üreme başarısında sürekli değişikliklere yol açar.^{[145] [146]} Uzun süreli maruziyet, etkilenen türlerde interseks durumları ve popülasyon düşüşleri ile ilişkilendirilmiş, nehirlerde ve haliçlerde topluluk yapısı üzerinde aşağı havza etkileri yaratmıştır.^[147]

Atık su arıtma tesisleri, antibiyotik direnç genlerinin (ARG’ler) çoğalması ve yayılması için sıcak noktalar olarak hizmet eder; bunlar alıcı sulara girer ve çevresel mikrobiyomlarda varlığını sürdürerek zamanla ekosistem dinamiklerini değiştiren dirençli bakteri popülasyonlarını teşvik eder.^{[148] [149]} Atık sular yoluyla bu yayılma, besin döngüsü gibi doğal mikrobiyal süreçlerin etkinliğinin azalmasına katkıda bulunur ve hassas türler üzerindeki seçici baskı yoluyla sucul biyolojik çeşitlilik için devam eden riskler oluşturur.^[150]

Buna karşılık, geliştirilmiş atık su arıtımı, kirli sistemlerde ekolojik iyileşmeyi sağlamıştır; 1957’de ham kanalizasyon nedeniyle biyolojik olarak ölü ilan edilen Thames Nehri, 1960’lardan bu yana ikincil ve üçüncül arıtmadaki iyileştirmelerin ardından artık 125’ten fazla balık türünü ve artan omurgasız çeşitliliğini desteklemektedir.^{[151] [152]} Birleşik Krallık nehirlerindeki benzer iyileşmeler, azaltılmış organik yükleme ve besin deşarjlarına atfedilen makroomurgasız zenginliğindeki 30 yıllık artışlarla ilişkilidir.^{[153] [154]}

Bununla birlikte, bu iyileşmeler yavaş ilerlemekte—genellikle on yıllara yayılmakta—ve devam eden yayılı baskılar arasında Avrupa tatlı su biyolojik çeşitliliğindeki duraklayan ilerlemeyle kanıtlandığı üzere, artık kirleticilere veya yenilenen girdilere karşı savunmasız kalmaktadır.^{[155] [156]} Doğal değişkenlik temel koşulları etkilerken, antropojenik atık su katkıları bozulma sürelerini uzatarak tam trofik restorasyon elde etmek için kalıcı azaltım ihtiyacını vurgulamaktadır.^[157]

Düzenlemeler, Ekonomi ve Yönetim

Küresel ve Ulusal Standartlar

Dünya Sağlık Örgütü (WHO), kuralcı atık su limitleri yerine sağlık temelli, risk yönetimi yaklaşımını vurgulayarak atık suyun güvenli kullanımı için kılavuzlar sağlar. 2006 tarihli Atık Su, Dışkı ve Gri Suyun Güvenli Kullanımı İçin Kılavuzlar, tarımsal ve su ürünleri uygulamalarında patojenlerden ve kimyasallardan kaynaklanan sağlık risklerini azaltmak için çoklu bariyer stratejilerini ana hatlarıyla belirtir ve kişi başına yılda 10^-6 engelliliğe ayarlanmış yaşam yılı (DALY) tolere edilebilir ek hastalık yükünü hedefler.^[158] Bu kılavuzlar, virüslerde ve helmintlerde en az 1-log azalma sağlayan arıtma seviyelerini, ürün kısıtlaması ve hijyen uygulamalarıyla birlikte teşvik eder, ancak yerel bağlamlara uyarlamaya izin vererek belirli teknolojileri zorunlu kılmaz.^[159]

Amerika Birleşik Devletleri’nde, 1972 tarihli Temiz Su Yasası (CWA), Çevre Koruma Ajansı (EPA) tarafından yönetilen noktasal kaynak deşarjları için teknolojiye dayalı atık su sınırlamaları belirler. Bunlar, 1977’ye kadar en iyi tesislerin ortalama performansını yansıtan mevcut kaynaklar için en iyi uygulanabilir kontrol teknolojisini (BPT) ve 1984’e kadar toksikler için ekonomik olarak ulaşılabilir en iyi mevcut teknolojiyi (BAT) içerir; organik kimyasallar gibi endüstriler için devam eden güncellemelerle birlikte.^[160][161] Ulusal Kirletici Deşarj Eliminasyon Sistemi (NPDES) izinleri, belediye ikincil arıtması için 30 mg/L’nin altında biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOİ) ve 30 mg/L’nin altında toplam askıda katı maddeler (TSS) gibi limitleri uygular.^[162]

Avrupa Birliği’nin 1991’de kabul edilen Kentsel Atık Su Arıtma Direktifi (91/271/EEC), 2.000 nüfus eşdeğerini (p.e.) aşan kentsel yığılmalar için toplama ve arıtmayı zorunlu kılar; hassas bölgelerde besinler için üçüncül arıtma ile birlikte, 2005’e kadar aşamalı olarak belirlenen son tarihlerle ikincil arıtma (ortalama 25 mg/L BOİ ve 35 mg/L TSS elde edilmesi) gerektirir.^[163] Uygulama, izleme ve para cezalarıyla desteklenen, 2021 itibariyle ikincil arıtma ile uyumluluğun AB’de %90’ı aştığı OECD ülkelerinde daha sıkıdır.^[164] Buna karşılık, gelişmekte olan bölgeler altyapı açıkları nedeniyle gevşek uygulama gösterir; 2024’te küresel güvenli bir şekilde arıtılmış evsel atık su oranı %56’dır ve düşük gelirli ülkelerde %80’den fazlası arıtılmamıştır, bu da daha yüksek ham kanalizasyon deşarjına yol açar.^[165][166]

Ekonomik Maliyetler ve Maliyet-Fayda Analizleri

Amerika Birleşik Devletleri, 1972’de Temiz Su Yasası’nın yürürlüğe girmesinden bu yana atık su altyapısına büyük yatırımlar yapmıştır; son tahminlere göre inşaat ve iyileştirmeler için eyaletlere ve belediyelere yapılan federal hibeler tek başına 150 milyar doları aşmış, kümülatif harcamaları yüz milyarlarca dolara iten önemli eyalet, yerel ve abone katkılarıyla desteklenmiştir.^[167] Bu maliyetler, ortalama %81 kapasiteyle çalışan 16.000’den fazla arıtma tesisini finanse ederek öncelikle vergi mükelleflerine ve kamu hizmeti abonelerine yüklenmektedir, ancak yaşlanan altyapı, 2016 anketleri itibariyle ulusal olarak 271 milyar dolar olduğu tahmin edilen devam eden yenilemeleri talep etmeye devam etmektedir.^[168][169] Küresel olarak, atık su arıtma pazarı, hem gelişmiş hem de gelişmekte olan ekonomilerdeki ekipman, hizmetler ve operasyonel taleplerle 2025’te yaklaşık 370 milyar dolar değerinde benzer bir mali ölçeği yansıtmaktadır.^[170]

Atık su arıtımının maliyet-fayda analizleri, önlenen tıbbi maliyetler ve üretkenlik kayıpları gibi azalan su kaynaklı hastalıklardan elde edilen sağlık tasarruflarını sıklıkla vurgular; bazı projeye özgü değerlendirmeler 2:1’i aşan fayda-maliyet oranları ve %16 civarında ekonomik iç getiri oranları verir.^[171] Ancak eleştirmenler, giderek daha katı hale gelen düzenlemelerin azalan marjinal getiri sağladığını savunmaktadır; 1972 sonrası ilk büyük ölçekli yatırımlar temel su kalitesini önemli ölçüde iyileştirmiştir, ancak orantılı risk azaltımı olmadan zorunlu kılınan daha fazla uyum, kamu hizmetleri ve tüketiciler üzerinde artan maliyetler yüklerken, katı izin ve gözetim yoluyla teknolojik inovasyonu bastırmaktadır.^[93] Atık su sistemleri de dahil olmak üzere çevre teknolojileri üzerine yapılan ampirik çalışmalar, marjinal emisyon azaltımlarının doğal teknik sınırlar nedeniyle giderek daha maliyetli hale geldiğini ve toplumsal faydaların mali yükü tam olarak dengelemeyebileceği düzenleyici verimlilik hakkında sorular ortaya çıkardığını göstermektedir.^[172]

Özelleştirme gibi piyasa odaklı yaklaşımlar, kamu tekellerine alternatifler sunar; Senegal’den elde edilen kanıtlar, arıtma merkezi özelleştirmesini takiben kanalizasyon taşıma firmalarında %74’lük bir üretkenlik artışı olduğunu ve bunun teşvik edilen verimliliğe ve azaltılmış bürokratik atalete atfedildiğini göstermektedir.^[173] Buna karşılık, kamu sistemleri yetersiz yatırım ve operasyonel başarısızlıklar nedeniyle eleştirilmiştir; bu durum, taşmalara yol açan ertelenmiş bakımın ABD örnekleriyle örneklendirilmiştir, ancak özel operasyonlar bazen bazı anketlerde kamu eşdeğerlerinin %63 üzerine çıkan daha yüksek kullanıcı ücretleriyle sonuçlanarak, kısa vadeli maliyet artışları ile potansiyel uzun vadeli güvenilirlik kazanımları arasındaki değiş tokuşları vurgulamaktadır.^[174] Bu dinamikler, merkezi olmayan, rekabetçi modellerin, özellikle mali kısıtlamalar ve inovasyon engelleri bağlamında, merkezi düzenlemelerden daha etkili bir şekilde vergi mükelleflerinin yüklerini hafifletip hafifletemeyeceği konusundaki tartışmaların altını çizmektedir.^[175]

Uygulamadaki Zorluklar

Etkili atık su arıtımının uygulanması, özellikle altyapı açıklarının kapasiteyi sınırladığı gelişmekte olan bölgelerde önemli engellerle karşılaşmaktadır. Küresel olarak, atık suyun tahmini %52’si arıtılmaktadır; yetersiz toplama ağları, arıtma tesisleri ve bakım sistemleri nedeniyle birçok düşük ve alt-orta gelirli ülkede bu oranlar %10-20’ye kadar düşmektedir.^[176] Bu boşluklar kronik yetersiz yatırımdan, gelişimi geride bırakan hızlı kentleşmeden ve yetersiz teknik uzmanlıktan kaynaklanmakta olup, nehirlere ve okyanuslara yaygın arıtılmamış deşarjla sonuçlanmaktadır.^[177] Örneğin Sahra Altı Afrika’da, zayıf politika çerçeveleri ve kurumsal zayıflıklar sorunu şiddetlendirerek, mevcut uluslararası fona rağmen sürdürülebilir yönetime doğru ilerlemeyi engellemektedir.^[178]

Bürokratik ve düzenleyici engeller, katı standartların kaynak kısıtlı ortamlarda orantılı faydalar sağlamadan maliyetleri artırması nedeniyle yükseltmeleri daha da karmaşık hale getirir. İleri arıtma gereksinimlerine uyum, milyarlarca sermaye harcaması talep edebilir; sadece Amerika Birleşik Devletleri’nde, atık su altyapısı için Temiz Su Yasası yükümlülüklerini yerine getirmenin önümüzdeki yirmi yılda 630 milyar doları aşacağı tahmin edilmektedir.^[179] Eleştirmenler, bu tür aşırı düzenlemelerin, özellikle uygulamanın tutarsız olduğu durumlarda, verimli inovasyon yerine gecikmeleri veya optimal olmayan geçici çözümleri teşvik ettiğini savunmaktadır.^[180]

Yardım tahsisindeki yolsuzluk bu zorlukları birleştirerek, atık su projeleri için amaçlanan fonları saptırmakta ve yatırımcı güvenini aşındırmaktadır. Her yıl, toplam harcamanın %10’una eşdeğer olan 75 milyar dolara kadar küresel su sektörü yatırımı, sözleşmeler için rüşvet ve sahte çevresel uyum dahil olmak üzere yolsuzluk nedeniyle kaybedilmektedir.^[181] Alıcı ülkelerde bu durum, hayalet projeler veya standart altı inşaat olarak kendini göstererek altyapı çürümesini sürdürmekte ve uzun vadeli sürdürülebilirliği baltalamaktadır.^[182]

Optimal stratejiler üzerindeki tartışmalar, yukarıdan aşağıya zorunluluklar ile piyasa odaklı yaklaşımlar arasındaki gerilimleri vurgulamaktadır. Mülkiyet ve Çevre Araştırma Merkezi’ndekiler gibi serbest piyasa çevreciliğinin savunucuları, zorlayıcı düzenlemeler yerine tanımlanmış mülkiyet haklarının ve gönüllü değişimlerin, atık su bağlamlarında kirlilik azaltma ve kaynak yönetimi için teşvikleri daha iyi hizaladığını iddia etmektedir.^[183] Tersine, hükümet müdahalesi savunucuları, akış aşağı kirlenme gibi dışsallıkları içselleştirmek için zorunlulukları vurgular, ancak gelişmekte olan bağlamlardan elde edilen ampirik kanıtlar genellikle yanlış tahsis edilen kamu fonlarından kaynaklanan verimsizlikleri ortaya çıkarmaktadır.^[184] Bu ikilik nedensel faktörlerin altını çizer: Zorunluluklar asgari standartları uygulayabilir ancak maliyet aşımları riski taşırken, piyasalar sağlam uygulama mekanizmaları olmadan uyarlanabilir çözümleri teşvik eder.^[185]

Tarihsel Gelişim

Modern Öncesi Uygulamalar

İndus Vadisi Uygarlığı’nda (yaklaşık MÖ 3300 ve 1300 yılları arasında gelişen), Mohenjo-daro ve Lothal gibi kent merkezleri, dönemine göre gelişmiş drenaj altyapısına sahipti; tuğla kaplı kanallar ve kapalı drenajlar, hane halkı atık suyunu özel banyolardan ve helalardan sokaklar boyunca uzanan daha büyük kamu kanalizasyonlarına yönlendiriyordu. Bu sistemler, katıların çöktüğü ve sıvıların toprağa süzüldüğü emme çukurları veya rögarlarda son buluyordu; bu, kimyasal veya biyolojik arıtma olmaksızın yerinde bertarafın erken bir biçimini temsil ediyordu. Bu tür yöntemler, atıkların yerçekimi akışıyla yaşam alanlarından ayrılmasını vurguladı ancak örtük olarak toprak emilimine ve minimum yeniden kullanıma dayandı, bu da nüfus artışı karşısında ölçeklenebilirliği sınırladı.^[186][187]

Antik Roma, MÖ 600 civarında Etrüsk etkisi altında Forum bataklıklarını kurutmak için başlatılan Cloaca Maxima ile merkezi taşımayı ilerletti ve insan geçişine yetecek kadar geniş ve yaklaşık 1,5 metre yüksekliğinde tonozlu bir kanalizasyona dönüştü. Bu taş kaplı tünel, kanalizasyonu, yağmur suyunu ve hatta infaz edilen cesetleri kamu helalarından ve hamamlarından toplayarak, arıtılmamış atık suyu yerçekimi yoluyla doğrudan Tiber Nehri’ne boşalttı; akış kurak dönemlerde su kemeri girişleriyle artırıldı. Sistemin dayanıklılığı—bazı bölümleri bugün hala çalışır durumdadır—sağlam duvarcılıktan kaynaklanıyordu, ancak arıtma sunmuyordu; ani kentsel kirlenmeyi azaltmak için nehrin seyreltilmesine ve gelgit yıkamasına bağlıydı.^{[188][189][190]}

Roma İmparatorluğu’nun çöküşünü takiben, 5. ila 15. yüzyıllar arasındaki Orta Çağ Avrupa şehirleri mühendislik kanalizasyonlarını büyük ölçüde terk etti, yerelleştirilmiş fosseptiklere—genellikle helaların altındaki astarsız veya tuğla halkalı çukurlar—ve insan ve hayvan atıklarını yakındaki derelere veya hendeklere yönlendiren açık sokak hendeklerine geri döndü. Leiden gibi kasabalarda, bu çukurlar mevsimsel olarak kovalı işçiler tarafından boşaltıldı, içerik gübre olarak tarlalara taşındı veya duvar dışına döküldü, ancak sık taşmalar ve sızıntılar yeraltı ve yüzey sularını kirletti. Hayvancılık gübresi ve endüstriyel atıklar yükü artırdığından, mikrobiyal nedensellik tanınmadan kronik miasmalara (kötü havalara) neden olarak kentsel yoğunluk sorunları büyüttü.^[191][192]

Modern öncesi yaklaşımlar, Mezopotamya deşarjlarından 18. yüzyıl Thames uygulamalarına kadar belirgin bir ilke olan doğal dağılımın tehlikeleri nötralize ettiği varsayımı altında ham kanalizasyonu nehirlere, denizlere veya kara çukurlarına boşaltarak evrensel olarak taşıma ve seyreltmeye öncelik verdi. Bu geçici (ad-hoc) güven, 19. yüzyıl kolera pandemileriyle kanıtlandığı üzere sınırlamaları ortaya çıkardı: Avrupa’daki 1831-1832 salgını sadece Londra’da 20.000’den fazla kişiyi öldürdü ve ampirik olarak içme kuyularına sızan kanalizasyonla bağlantılıydı; John Snow’un 1854 Broad Street analizi ise 616 ölümü Vibrio cholerae barındıran sızdıran bir fosseptikten beslenen tek bir kirli tulumbalı çeşmeye kadar izledi. Filtrasyon veya dezenfeksiyonun yokluğunda, bu tür korelasyonlar fekal-oral yollardan kaynaklanan nedensel zafiyetlerin altını çizdi ve 1850’lerden sonra bakteriyolojik içgörülerin sistematik reformları teşvik etmesine kadar devam etti.^{[193][194][195]}

20. Yüzyıl Gelişmeleri

Önemli bir biyolojik arıtma yöntemi olan aktif çamur süreci, 1914 yılında Edward Ardern ve William T. Lockett tarafından İngiltere’nin Manchester kentindeki Davyhulme Kanalizasyon İşleri’nde, kontrollü havalandırma altında kanalizasyon organiklerinin aerobik mikrobiyal bozunumunu gösteren deneyler yoluyla geliştirildi.^[196] Bu inovasyon, birincil olarak fiziksel çökelmeye ve pasif biyofilm etkisine dayanan ancak sınırlı organik giderimi sağlayan birincil çökeltme ve damlatmalı filtreler (19. yüzyılın sonlarında tanıtıldı ve 1900’lerin başında geliştirildi) gibi önceki yöntemlere göre bir mühendislik ilerlemesini temsil ediyordu.^[197] Süreç, biyokimyasal oksijen ihtiyacını (BOİ) aralıklı filtrasyon sistemlerinden daha güvenilir bir şekilde azaltabilen konsantre bir biyokütleyi (“aktif çamur”) koruyarak gelişmiş atık su kalitesine sahip daha kompakt tesislere olanak tanıdı.^[198] Amerika Birleşik Devletleri’ndeki ilk tam ölçekli uygulama 1917’de California’daki Folsom Eyalet Hapishanesi’nde gerçekleşti, ardından mühendislik tasarımları çoğaldıkça hızlı bir benimseme izledi.^[199]

20. yüzyılın başlarında, ABD nüfus artışı ve kanalizasyon sistemi genişlemesinin ilkel bertaraf uygulamalarını geride bıraktığı kentleşme, arıtma tesislerinin çoğalmasını sağladı. 1900’lerin başında, yaklaşık 60 kanalizasyon arıtma tesisi, çoğu katı madde giderimi için temel birincil arıtmaya sahip yaklaşık 1 milyon kişiye hizmet veriyordu. 20. yüzyılın ortalarına gelindiğinde, binlerce tesis inşa edilmiş, aktif çamur ve geliştirilmiş damlatmalı filtreler dahil edilmiş, bu da toplu olarak ikincil arıtma kapasitesini genişletmiş ve arıtılmamış deşarjlara kıyasla atık su askıda katı maddelerini ve organiklerini azaltmıştır.^[200] Bu gelişmeler, federal zorunluluklardan ziyade su yolu kirlenmesini ve tifo gibi hastalık salgınlarını ele almaya yönelik yerel mühendislik girişimlerinden kaynaklanmıştır.

1972 Temiz Su Yasası’ndan önce, ABD şehirlerindeki atık su yönetimi, artan kirlilik şikayetleri arasında arıtma altyapısı inşa etmek için belediye tahvilleri ve devlet destekli programlar dahil olmak üzere gönüllü çabalara dayanıyordu.^[201] Örneğin, 1950’lere gelindiğinde, birçok topluluk birincil tesisler kurmuş, aktif çamur gibi ikincil süreçler, yeni oluşan eyalet standartlarına uymak ve rahatsızlıkları azaltmak için kendi kendine başlatılan yükseltmeler yoluyla ilgi görmüş, ancak kapsam düzensiz ve uygulama gevşek kalmıştır. Bu tür düzenleme öncesi gelişmeler, ölçeklenebilir biyolojik arıtma için zemin hazırladı ancak tutarsız uygulama ve yetersiz besin giderim yetenekleri ile sınırlıydı.^[202]

1970’ler Sonrası Düzenleyici Dönem

1972 tarihli Temiz Su Yasası (CWA), ABD atık su düzenlemelerinde bir dönüm noktası oldu; atık su sınırlamaları, Ulusal Kirletici Deşarj Eliminasyon Sistemi kapsamında izinler ve 1983’e kadar balık tutulabilir ve yüzülebilir sular için hedefler belirledi.^[160] Uygulama, binlerce atık su arıtma tesisinin inşasına ve yükseltilmesine yol açarak biyokimyasal oksijen ihtiyacı ve besinler gibi kirleticilerin noktasal kaynak deşarjlarını azalttı.^[203] Kalite standartlarını karşılayan değerlendirilmiş ABD sularının sayısı, nüfus artışına rağmen 1972’den bu yana iki katına çıktı ve milyarlarca pound kirleticinin su yollarına girmesi önlendi.^[203][204] Ancak, değerlendirmeler suların sadece yarısını kapsamaktadır ve değerlendirilen nehir ve dere millerinin yaklaşık %50’si kirlilik nedeniyle bozulmuş durumdadır, bu da yasal hedeflere eksik ulaşıldığını göstermektedir.^[94][205]

Yüzey suyu kalitesi iyileştirmelerine yapılan kümülatif ABD yatırımları, büyük ölçüde CWA gereksinimleri tarafından yönlendirilerek 1960’tan bu yana 1,9 trilyon doları aşmış, yıllık kişi başı maliyetler son yıllarda 100 doları geçmiştir.^[206] Ekonomik analizler karışık getiriler ortaya koymaktadır: kirlilik azaltımları rekreasyonel ve sağlık yararlarını desteklerken, su kalitesi iyileştirmelerinden kaynaklanan mülk değerlerindeki ölçülen kazanımlar federal hibe harcamalarının yalnızca yaklaşık dörtte birine eşittir, bu da faydaların nicelleştirilebilir terimlerle maliyetlerin altında kaldığını göstermektedir.^[207][206] Bu harcamalar belediyelere ve endüstrilere yük bindirerek düzenleyici katılık konusundaki tartışmalara katkıda bulundu; hakemli çalışmalar, atık su da dahil olmak üzere çevre kurallarının, özellikle imalat ve altyapı sektörlerinde sermayeyi verimli yatırımlardan uzaklaştıran uyum maliyetlerini artırarak ekonomik büyümeyi kısıtlayabileceğini göstermektedir.^[208]

CWA modeli, 2030 yılına kadar arıtılmamış atık su oranlarını yarıya indirmeyi ve arıtmayı iyileştirmeyi amaçlayan Hedef 6.3 kapsamında benzer hedefleri benimseyen Birleşmiş Milletler Sürdürülebilir Kalkınma Amaçları (SDG’ler) gibi çerçevelerle küresel atık su standartlarını etkiledi.^[209][210] 2015 yılında kabul edilen bu hedefler, 190’dan fazla ülkede kirlilik azaltımını ve güvenli yeniden kullanımı vurgulayan düzenlemeleri teşvik etti, ancak ilerleme gecikmeli olup, birçok gelişmekte olan bölgede küresel atık su arıtma oranları %20’nin altındadır.^[211] Varlıklı ülkelerde, genellikle temel sağlık korumalarını aşan katı uyumluluk, su kalitesindeki marjinal kazanımların artan maliyetlere göre azalan ekolojik getiriler sağladığı aşırı düzenleme eleştirilerine yol açmış, potansiyel olarak daha geniş ekonomik kalkınma önceliklerini engellemiştir.^[212] Ampirik kanıtlar, bu tür düzenleyici yoğunluğu, firmaların üretkenlik artışı olmaksızın artan işletme giderleriyle karşı karşıya kaldığı yüksek uyumluluk alanlarındaki daha yavaş endüstriyel genişlemeyle ilişkilendirmektedir.^[208] Kirlilik düşüşlerine rağmen, bu dinamikler nedensel değiş tokuşların altını çizmektedir: düzenlemeler akut deşarjları engellerken, ekonomik sürüklenmeleri kaynak yanlış tahsisi yoluyla dolaylı olarak noktasal olmayan kaynak sorunlarını artırmış olabilir.^[206]

Teknolojik İnovasyonlar ve Son Gelişmeler

Gelişen Arıtma Teknolojileri

Çekme çözünenleri ile entegre edilen ileri osmoz membranları, atık suyun kaynak geri kazanımı için konsantre edilmesinde umut vaat etmiş, 2023’teki pilot ölçekli gösterimler tuzların ve organiklerin %90-95 reddini sağlarken enerji kullanımını ters osmoza kıyasla %50’ye kadar azaltmıştır.^[213] Bu inovasyonlar, zwitteriyonik kaplamalar gibi yüzey modifikasyonları yoluyla kirlenmeyi ele almaktadır, ancak tam ölçekli operasyonlarda uzun vadeli kararlılık 18 aylık denemelerin ötesinde kanıtlanmamıştır.^[214]

Per- ve polifloroalkil maddeler (PFAS) için elektrokimyasal oksidasyon ve plazma bazlı yöntemler gibi imha teknolojileri 2020 sonrasında ilerlemiş, 2024-2025 çalışmaları termal olmayan plazma arkları kullanan tezgah ölçekli testlerde %99’un üzerinde flor giderme bildirmiştir.^{[215] [216]} 2025 yılına kadar pilot seviyelere ölçeklenen süperkritik su oksidasyonu, PFAS’ı 400°C’nin üzerindeki sıcaklıklarda mineralize eder, ancak ampirik veriler yan ürün oluşumunun ve yüksek işletme maliyetlerinin yaygın benimsemeyi sınırladığını göstermektedir.^[217] Bu yöntemler, PFAS’ı yalnızca konsantre eden adsorpsiyondan daha iyi performans gösterir, ancak elektrot bozulması ve 10 kWh/m³’ü aşan enerji yoğunlukları nedeniyle laboratuvar etkinliğinin belediye ölçeklenebilirliğine dönüşmediği düzenleyici bağlamlarda abartı ile karşı karşıyadır.^[218]

Biyolojik iyileştirmeler, mikrokirletici parçalanması için mikrobiyal elektroliz hücrelerinden ve zenginleştirilmiş konsorsiyumlardan yararlanmakta olup, hibrit anaerobik-aerobik sistemlerdeki 2023-2025 gelişmeleri, elektroaktif bakteriler yoluyla azot giderimini %25-40 oranında iyileştirmektedir.^[219] Çamurdan kaynak geri kazanımı, termal hidroliz ön arıtımı yoluyla döngüsel ekonomi ilkeleriyle uyumludur; 2022’den beri faaliyette olan tesislerde anaerobik çürütmeden elde edilen biyogaz verimini %20-30 artırarak, yenilenebilir enerji olarak kg kuru çamur başına 1,5 kWh’ye kadar geri kazanım sağlamaktadır.^[220] Ancak, net pozitif enerji tesisleri iddiaları, günlük milyon galon kapasite başına 500.000 doları aşabilen ön altyapı maliyetlerini ve tutarsız çamur bileşimi gibi ölçeklenebilirlik engellerini genellikle göz ardı etmektedir.^{[221] [222]}

Eleştirmenler, bu teknolojilerin kontrollü ortamlarda üstün olmasına rağmen, 2020 sonrası gerçek dünya dağıtımının kalıcı sorunları ortaya çıkardığını belirtmektedir: membran kirlenmesi, sürekli kimyasal temizlik olmadan akıyı aylar içinde %30-50 azaltmaktadır ve PFAS imhasının sermaye giderleri—genellikle geleneksel aktif çamurdan 2-5 kat daha yüksek—gelişmekte olan bölgelerde benimsenmeyi engellemektedir.^[223] 2024 pilotlarından elde edilen ampirik değerlendirmeler, sübvansiyonlar olmadan ekonomik uygulanabilirliğin, geri kazanılan fosfordan elde edilen strüvit gübreleri gibi yüksek değerli yan ürün pazarlarına bağlı olduğunu, ancak pazar oynaklığının ve düzenleyici boşlukların daha geniş döngüsel geçişleri engellediğini vurgulamaktadır.^[224]

Dijital ve İzleme Gelişmeleri

Nesnelerin İnterneti (IoT) cihazlarının ve yapay zekanın (YZ) entegrasyonu, atık su arıtma süreçlerinde gerçek zamanlı izleme ve tahmine dayalı kontrol sağlamıştır. Arıtma tesislerine yerleştirilen IoT sensörleri, akış hızları, pH seviyeleri ve kirletici konsantrasyonları gibi parametreler hakkında veri toplayarak bilgileri anında analiz için kablosuz olarak iletir.^[225] Sinir ağları ve makine öğrenimi modellerini içeren YZ algoritmaları, giriş varyasyonlarını tahmin etmek ve havalandırma ve kimyasal dozajlama gibi operasyonları optimize etmek için bu verileri işleyerek besin giderim aşamalarında enerji tüketimini %15’e kadar azaltır.^[226] Pazar projeksiyonları, su arıtma sistemlerindeki IoT segmentinin 2025’te 2,6 milyar dolardan 2034’e kadar 7,1 milyar dolara genişleyeceğini ve YZ destekli tahmine dayalı bakım ve anormallik tespiti tarafından yönlendirilen benimsemeyi yansıttığını göstermektedir.^[227]

Atık su bazlı epidemiyoloji, kanalizasyondaki patojenleri ve biyobelirteçleri tespit etmek için moleküler tekniklerden yararlanan önemli bir sürveyans aracı olarak ortaya çıkmıştır. 2020’den 2023’e kadar süren COVID-19 pandemisi sırasında, atık su izleme, birden fazla ülkede topluluk ölçekli çalışmalarda gösterildiği gibi, genellikle klinik vaka artışlarından bir ila iki hafta önce viral RNA’yı tespit ederek SARS-CoV-2 salgınlarının erken uyarılarını sağladı.^{[228] [229]} Bu yaklaşım, enfeksiyon eğilimlerini test davranışlarından bağımsız olarak izlemede etkili oldu; ABD CDC’nin Ulusal Atık Su Sürveyans Sistemi, viral yükleri epidemiyolojik verilerle ilişkilendirmek için 1.000’den fazla bölgeden gelen örnekleri analiz etti.^[230]

Devam eden gelişmeler, sürveyansı COVID-19’un ötesinde diğer patojenlere ve maddelere genişletmektedir. Programlar artık varyant tanımlaması için kantitatif PCR ve genomik dizileme kullanarak grip, solunum sinsityal virüsü (RSV), antimikrobiyal dirençli bakteriler ve hatta kuş gribi H5N1’i hedeflemektedir.^{[231] [232]} Atık su analizi ayrıca, opioidler gibi ilaç kalıntılarını izlemek için uygulanmış ve bireysel tanımlama olmaksızın madde kullanım modelleri hakkında popülasyon düzeyinde içgörüler sunmuştur.^[231] Bu sistemler, proaktif müdahaleleri mümkün kılarak halk sağlığı müdahalesini geliştirir, ancak zorluklar veri standardizasyonu ve klinik sürveyans ile entegrasyonu içerir.^[233]

Bu teknolojilerden elde edilen veriye dayalı verimlilikler, destek vektör makineleri ve gradyan artırma gibi teknikler aracılığıyla atık su kalitesi tahminlerinde yüksek doğruluk elde eden YZ modelleri ile değişken yüklere karşı geliştirilmiş süreç dayanıklılığını içerir.^[234] Ancak uygulama gizlilik endişelerini artırır; toplu atık su verileri topluluk davranışlarını dolaylı olarak ortaya çıkarabilir ve IoT ağlarındaki siber güvenlik riskleri arasında sağlam anonimleştirme protokollerini gerektirir.^[235] Sensör dağıtımı ve YZ eğitimi için yüksek başlangıç maliyetleri dahil olmak üzere ekonomik engeller devam etmektedir, ancak azaltılmış operasyonel kesintilerden kaynaklanan uzun vadeli tasarruflar daha büyük tesisler için bunları dengelemektedir.^[236]

Halk Sağlığı Sürveyansındaki Uygulamalar

Atık su sürveyansı, hastalık yaygınlığı ve toplumsal eğilimler hakkında toplu, popülasyon düzeyinde içgörüler sağlamak için kanalizasyonun patojenler, biyobelirteçler ve kimyasal göstergeler açısından analiz edilmesini içerir ve klinik teşhislerin önünde bir erken uyarı sistemi olarak hizmet eder.^[233] Bu yaklaşım, tüm topluluklardan gelen sinyalleri toplayarak, bireysel test uyumuna dayanmadan salgınları maliyet etkin bir şekilde tespit eder.^[237] Örneğin, COVID-19 pandemisi sırasında, atık su izleme, hastane vaka artışlarından 7-14 gün öncesine kadar SARS-CoV-2 dolaşımını belirleyerek proaktif halk sağlığı yanıtlarını mümkün kılmıştır.^[238]

Uygulamalar arasında, atık su testlerinin 2022 gibi erken bir tarihte New York topluluklarında aşı kaynaklı suşları tespit ettiği ve düşük klinik raporlamaya rağmen hedeflenen aşılama kampanyalarını bilgilendirdiği çocuk felci virüsü dolaşımının takibi yer almaktadır.^[239] Benzer şekilde, seçili ABD ilçelerindeki opioid sürveyansı, toplum düzeyindeki fentanil ve metabolit konsantrasyonlarını nicelleştirerek aşırı doz eğilimleriyle ilişkilendirmiş ve zarar azaltma çabalarına rehberlik etmiştir.^[231] Bu yöntemler, atık suyun atılan göstergeleri temsil etmesinden yararlanarak, tek başına semptomatik raporlama ile yakalanmayan bulaşma dinamikleri hakkında tarafsız ampirik veriler sunar.^[240]

2023’ten 2025’e kadar genişlemeler, SARS-CoV-2 için varyant takibini ve antimikrobiyal direnç (AMR) genlerinin izlenmesini içermiş, çalışmalar atık suyun popülasyonlar genelinde yeni ortaya çıkan direnç profillerini tespit etmedeki faydasını göstermiştir.^{[241] [242]} AMR için, atık su bazlı epidemiyoloji, çevresel rezervuarları yakalayarak klinik sürveyansı tamamlayan antibiyotik direnci yayılımı hakkında gerçek zamanlı içgörüler sağlamıştır.^[243] Bu tür gelişmeler, küresel çocuk felci eradikasyon çabalarından standartlaştırılmış protokollere dayanarak grip, RSV ve hepatite kadar uzanmaktadır.^[231]

Maliyet etkinliği, bireysel teşhislere kıyasla numune başına düşük analiz giderlerinden (nüfusu temsil eden testler için yaklaşık 300 $) kaynaklanır ve 100 dolarlık yatırımın yanıtları 13 gün öne çektiği tifo kampanyalarındaki erken müdahaleler gibi net faydalar sağlar.^{[237] [244]} Ancak sınırlamalar devam etmektedir: sinyaller atık su akışı, nüfus yoğunluğu ve bozulma faktörleri için normalleştirme gerektirir, bu da kesin yaygınlık tahminlerini karmaşıklaştırır.^[245] Bireyleri tam olarak belirleyemez veya doğrulayıcı klinik testlerin yerini alamaz ve insan dışı kaynaklardan veya laboratuvar kirleticilerinden gelen yanlış pozitifler doğrulama gerektirir.^{[246] [247]} Bu nedenle, atık su sürveyansı, bağımsız bir araç olarak değil, geleneksel epidemiyolojinin nöbetçi bir tamamlayıcısı olarak en iyi işlevi görür.^[233]