TOPRAK KİRLİLİĞİ VE KONTROLÜ Yrd. Doç. Dr. Serpil SAVCI Mustards (Hardal Gazı): 1 sülfür atomuna bağlanmış 2 kloro etil grubu içeren kimyasallardır. 2. Dünya Savaşı’nda kullanılan en öldürücü gazdı. İlk defa Almanlar kullandılar. Bunu Fransızlar izledi. Eylül 1917 ise buna İngilizler de katıldı. Daha sonra bu gazın kayda değer kullanımları 1925 yılında Fransızlar, Fars’a kaşı, 1935 yılında İtalyanlar Ethiopia’ya karşı, 1934-1944 yıllarında Japonlar tarafından Çin’e karşı, İran-Irak Savaşı sırasında ise her iki devlet tarafından birbirine karşı olmuştur. Soğuk savaş yıllarında Sovyetler Birliği ve ABD bu öldürücü gazdan büyük miktarda stok yapmışlardır. Buharı, kabarıklıklar ve yanma suretiyle deri ve akciğer dokularını etkiler. Ancak bir toprak kirleticisi olarak tehlikeli bir konumdadır. Çünkü kirlenmiş bir arazide suyla kaplanmış olsa bile onlarca yıl kalabilir. Lewisite: 1. Dünya Savaşı sonlarına doğru Amerika’da bir grup bilim adamı tarafından keşfedilmiş. Kuvvetli bir sardunya kokusuna sahiptir. Önemli bir toprak kirleticidir. Kirlenme Mekanizmaları ve Toprak Kirletici Etkileşimi Kirleticilerin hareket tarzları ve toprak ile karşılıklı olarak etkileşimleri toprak ortamının her üç fazında yer alan fiziksel, kimyasal ve biyolojik prosesleri içerir. Bunlar genellikle üç ana proses grubundan ibarettir: 1. Toprağın üzerinde veya içerisinde tutulma 2. İnfiltrasyon, yayılım ve toprak eriyikleri tutulma 3. Toprak içindeki kimyasal değişim ve değişikliklerin başlaması İlk iki grup esas olarak kirleticilerin toprak içinde taşınmaları ve dağılımları sonucu doğrudan fiziksel prosesleri içerirler. Üçüncü grup, kirleticilerin değişime uğramaları veya toprağın içerisinde artık materyal olarak depolanmalarına yol açan sadece kimyasal, biyolojik prosesleri içerir. Kirleticilerin yapıları ve toprak ile olan etkileşimleri toprak ortamının her üç fazında da meydana gelen fiziksel, kimyasal ve biyolojik işlemleri kapsar. Toprak/kirleticilerin etkileşimlerinin fiziksel işlemleri, taşınım ve tutulma işlemlerini kapsar. Bunlar genelde üç ana işlem grubunu içerir: 1. Toprağın üzerinde ve içerisinde tutulma 2. Toprak solüsyonları ile gerçekleşen infiltrasyon, difüzyon ve taşınım 3. Toprak içindeki kimyasal değişimlerin taşınımı Fiziksel İşlemler ve Kirlenmenin Mekanizması Toprak daneleriyle karşılaşan kirleticiler ya adsorpsiyon yoluyla ya da bu daneciklerin üzerinde tutulurlar ya da orijinal kimyasal kompozisyonlarını koruyarak boşlukların içerisinde birikimler veya çeşitli kimyasal reaksiyonlarla değişime uğramış olan maddeler oluşturabilirler. Toprağın yüzeyinde ya da içerisinde tutulan kirleticiler organik ve organik olmayan veya bu ikisinin bileşimi ya da karışımından ibaret olabilir. Bunlar toprağa eriyik, çözelti ya da asılı partiküller gibi çok değişik fiziksel durumlarda ulaşabilirler. Bunların toprakla karşılıklı olarak etkileşim mekanizmaları, kendilerin fiziksel ve kimyasal yapılarına bunun yanında da toprak ortamında baskın olan sıcaklık, nem, toprak suyunun tuzluluğu gibi fiziksel parametrelere dayanmaktadır. Adsorpsiyon ve buna bağlı olan doğal işlemler, toprak danecikleri üzerinde kirleticilerin tutulma olayının en önemli fiziko-kimyasal mekanizmaları olarak kabul edilir. Kirleticilerin molekülleri toprak daneleri üzerinde iki yolla tutulabilirler. Bunlardan birincisi olan fiziksel adsorpsiyonda kirletici molekülleri toprak daneciklerinin yüzeyinde Van Der Waals kuvveti ile tutunur. Bu, uzun süreli ama zayıf etkileşim anlamına gelmektedir. Bu tür tutunmalardaki enerji miktarı, normal olarak düşük düzeyde olmaktadır. Bu bakımdan toprak daneleri üzerine tutunan kirletici molekülleri yüzeye olan yakınlıkları bakımından her ne kadar yayılabilme eğiliminde olsalar da kendi orijinal özelliklerini koruyacaklardır. Kimyasal adsorpsiyonda ise kirletici molekülleri kendilerini toprak danelerinin yüzeylerine kimyasal bağlanma olayı ile bağlanmış olurlar. Bu durumda bağlantı enerjisi fiziksel adsorpsiyondakine kıyasla çok daha büyük olmaktadır. Her ne kadar fiziksel adsorpsiyon ile kimyasal adsorpsiyn arasındaki farkı belirlemek son derece zor ise de sıcaklık arttıkça fiziksel olarak adsorbe olan materyalin azaldığını söylemek genelde olasıdır. Kimyasal adsorpsiyonda ise durum tam tersidir. Adsorpsiyonu Etkileyen Faktörler 1. Toprağın minerolojik kompozisyonu 2. Topraktaki dane büyüklüğü dağılımı 3. Hümik maddeler ve bunların topraktaki içerikleri 4. Toprak eriyiğinin fiziksel ve kimyasal özellikleri 5. Organik ve mineral bileşenlerin katyon değişim kapasiteleri 6. Kirleticiler bunların doğası ve kimyasal yapıları Bu maddelere iklim koşulları ve tarımsal uygulamalar gibi dış etmenler de eklenebilir. Toprağın Minerolojik Kompozisyonu Toprak ortamında en önemli adsorbe ediciler, kil mineralleridir. Daha sonra silikatlar ve organik bileşikler gelir. Buna göre topraktaki adsorbe edici yoğunluğu daha çok toprağın kil içeriğine ve bunun yanında da diğer silikatların minerolojik kompozisyondaki payına bağlıdır. Killerin negatif çatıları esas olarak değişebilir katyonların katmanların arasında veya danelerin yüzeylerinin bitişiğinde yer aldıkları alüminyum silikat katman yapısından oluşur. Bireysel kil minerallerinin yapısal özellikleri seçicilik, yoğunluk ve bu maddelerin üzerinde adsopsiyon olma mekanizmasının belirlenmesinde normal olarak baş rolü oynar. Bu bakımdan kil mineralleri üzerinde aşağıdaki adsorpsiyon türleri belirlenmiştir. a) Kaolindeki gibi düzlemsel yüzeylerdeki adsorpsiyon: Burada sadece dış yüzeylerin iyon değişimi için kullanılabilir alanlar olarak bırakılarak tetrahedral katmanlar, hidrojen bağlantıları tarafından kuvvetli bir biçimde tutulurlar. b) İç Boşluklardaki Değişim: Burada katmanlarda katyon değişimi olarak kendini gösterir. Killerin katyon değişim kapasiteleri Al ve Fe hydroxide gibi mineral maddelerin varlığına bağlı olarak önemli ölçüde artabilmektedir. Toprak Matrixi (Dane Büyüklüğü Dağılımı) Daha ince sedimentlerde adsorpsiyon oranının, iri sedimentlere kıyasla daha yüksek olduğu genellikle gözlenmektedir. Dane büyüklüğü 0.12-0.20 mm arasında olan kumlu bir sedimentte toplam kalsiyum ve sodyum içeriğinin % 90 dolaylarında olmasına karşın, 0.2-0.5 mm gibi daha kaba olanlarda tüm içeriğin sadece % 10’u oluşturdu gözlenmiştir. Bu durum ince olanlara kıyasla kaba fraksiyonlardaki daha yavaş yayılma oranı ile açıklanmaktadır. Humik Maddeler ve Bunların Dağılımı Hümik maddeler, toprağın katyon değişim kapasitesini artırırlar. Genelde aktif fonksiyonel grupların varlığının toprağın katyon değişim kapasitesi üzerinde pozitif etkisinin olduğu düşünülür. Toprak Eriyiğinin Fiziksel ve Kimyasal Öğeleri Kirleticilerin büyük bir bölümü, eriyiklerle veya partiküller halinde hatta buradan yer altı sularına geçebilir. Kilin varlığı durumunda ise su molekülleri, bunların üzerine absorbe edilir. Bunlar ise kirletici molekülleri için adsorpsiyon ortamı sağlar. Kil molekülleri üzerinde absorbe olan ve yüzeylere asitsel karakter kazandıran su, genellikle toprağın değişim kapasitesini arttırabilecek derecede yüksek ayrıştırma özelliğine sahiptir. Toprak kirleticilerin daha derin bölgelere taşınım mekanizmaları infiltrasyon olarak adlandırılır. Kirleticilerin Doğası ve Kimyasal Bileşimi Kirleticilerin doğası ve kompozisyonu sadece difüzyon işleminde değil, toprak daneleri üzerindeki adsorpsiyonu da kontrol eder. Bu kontrol iyon değişimi gerçeği ile açıklanabilmekte ve hidroliz reaksiyonları, kirleticilerin direk olarak kendi etrafında yaratmış oldukları kimyasal ortam parametrelerine (pH) karşı özellikle duyarlı olmaktadır. Adsorpsiyon Olmadan Meydana Gelen Alıkonma 1. Trapping: Toprak partiküllerinin ve çözülmüş büyük moleküllerin toprağın gözenekli ortamında tutulmaları, kirleticilerin toprakta alıkonmalarına ilişkin mekanizmalardan birini oluşturur. Bu tür tutulma üç mekanizma ile birlikte olur: a) Kekleşme: Fiziksel olarak kirletici partiküllerinin toprak gözeneklerinden daha büyük olmaları durumunda oluşabilir. Bu durumda tutulan partiküller, gözenek büyüklüklerinin çok daha fazla küçüldüğü yüzey katmanı üzerinde bir tabaka (kek) meydana getirir. Kekleşme ayrıca, partiküllerin daha büyük gruplar oluşturmak üzere, birleşmeleri ile toprak gözeneklerini tıkadıkları biyolojik aktivitelerden de kaynaklanabilmektedir. b) Süzülme: Kirletici partiküllerin toprak gözenekleri ile yaklaşık aynı büyüklükte olmaları durumunda süzülme olayı gerçekleşir. Gözeneklerden geçen kirleticiler toprağın alt katmanlarına doğru, çok daha küçük ebatlı bir gözeneğin girişinde tutuluncaya kadar hareketlerini sürdürürler. c) Fiziksel-Kimyasal Tutulma: Tıkanmış boşluklar arasındaki akışın kısıtlanması, kimyasal reaksiyonlar nedeniyle toprak gözeneklerinin büyüklüğünü aşan yeni ürünlerin oluşumu gibi fiziksel veya kimyasal değişimlerden dolayı olabilir. Çökelme Kirleticilerin toprakta tutulmaları çoğunlukla, kirleticilerin toprak gözenekleri içerisinde jeokimyasal reaksiyonlar sırasında meydana gelmektedir. Çökelme reaksiyonları asit-baz koşulları tarafından kontrol altında tutulur. Bunlar değişken olup, koşullarda bir farklılık olması durumunda önceki çökelmiş bileşenlerin, çözünmesine neden olabilmektedir. İnfiltrasyon Toprak eriyiklerinin vadoz zonda ve yer altı suyu ile doymuş olan daha derinlerdeki zonlarda rastlanan en yaygın kirlenme mekanizmasıdır. Sıvılar yerçekimi etkisiyle içerlere doğru hareket ettikçe organik ve inorganik bileşenleri çözerler. Bunlar yer altı suyu ile doymuş zona ulaştıklarında kirleticiler jeokimyasal ana çevrime katılmak suretiyle yayılırlar. Arazilerde akışa geçen materyal aşağıda açıklanan üç ana grup altında sınıflandırılmıştır: 1. Ana Taşınım Çevrimi MMC: Kimyasal maddelerin dominant olarak yukarı doğru topraktan bitki ve hayvanlara, sonra da düşey olarak aşağı doğru bitki ve hayvanlardan toprağa taşınarak durağan bir konuma geldiği bu tür akış, jeokimyasal çevrimdeki bir akışı temsil eder. 2. Jeokimyasal Akış (LGF): Materyalin toprak yüzeyine paralel olarak, hareket ettiği, pozitif bir taşımayı ilgilendirir. 3. Ekstra Akış: Arazilerdeki materyal akışının üçüncü tipidir. Kimyasal maddelerin birikecekleri yer olan toprağın içine doğru akış olarak tanımlanır. Bu jeokimyasal akış çevrimlerinin her hangi birinde kirleticilerin yayılması ve taşınması olayı, iki ana taşınma prensibine göre oluşur. Bunlar, adveksiyon ve dispersiyondur. a) Adveksiyon: Yer altı suyunun akışının neden olduğu hareket b) Dispersiyon: Adveksiyon sırasında düzenli olmayan sıvıların karışımının neden olduğu hareket. Kirleticiler toprakta hidrodinamik dispersiyon ile de taşınmaktadır. Moleküler Diffuzyon: Mikroskopik ölçekte dispersiyon şu nedenlerle oluşabilir: 1. Konsantrasyon gradientleri boyunca moleküler difüzyon 2. Viskozite veya yoğunluk gradientleri boyunca taşınma 3. Gözeneklerin geometrisindeki değişimden kaynaklanan güçler ile taşınma. Difüzyondan kaynaklanan taşınım işlemi gazlarda, sıvılarda ve katı maddelerde olabilmektedir. Toprak suyunda çözünmüş olan bir kirletici, belirli bir gözenek boşluğunda üniform konsantrasyona erişmek için akışkan içerisinde konsantrasyon gradienti boyunca difüze olabilir. Bu da komşu bölgelerdeki jeokimyasal gradiente tekrar katkıda bulunur. Toprak havası içindeki akaryakıt sızmaları gibi kirleticilerin uçucu bileşiklerden oluşan gazlar, gözenekler sistemi içinde difüze olacaklardır. Difüzyonun konsantrasyon gradientine orantılı olduğu bulunmuştur. Toprak sıvısındaki yoğunluk ve viskozite değişimleri, gözenek boşluklarındaki kirletici taşınımını kontrol eder. Bu, sıcaklık, yoğunluk ve viskozite gibi diğer fiziksel parametrelere ilişkin olarak boşluklardaki hareketliliği izler. Porozite taşınımın artmasında veya daha yüksek taşınım oranlarının durmasında değişebilmektedir. Bu tür durumlar toprağın, bazı bölümlerinde dağılma aktivitesine sahip olduğunda meydana gelmektedir. Böyle durumlarda gözenek geometrisinin değişmesinden kaynaklanan güçler, taşınım işleminin artış göstermesine yol açabilir. Topraktaki kirletici taşınımı için, klasik advksiyon/dispersiyon modeli toprağın gözenek sistemi dikkate alındığında sadece küçük ölçekli bir dispersiyon için geçerlidir. Topraklarda partikül agregasyonundan veya çatlakların oluşumundan kaynaklanan farklı bir fiziksel durumla karşılaşıldığında hidrolik kondaktivite önemli ölçüde değişmektedir. Örneğin, kil yönünden zengin olan toprakların bir biri ardına ıslanma ve kuruma çevrimleri yaşamaları sonucunda büzülme çatlakları meydana getirerek toprak içerisinde akışkanların taşınımı için yollar oluşturduğu durumudur. Çatlaklar boyu ve geniş gözenekler arasında gerçekleşen taşınım sırasında toprak yüzeyindeki tutulma minimum düzeye inmektedir. Çünkü bu durumda az miktar toprak yüzeyi akışkana engel olmaktadır. Toprak Kirliliğinin İnsan ve Çevreye Etkileri • Toprağın doğal yapısının bozulması neticesinde toprak üzerinde bitki ve hayvanlar da barındırmaz. Atık sular tarım alanlarının sulanmasında kullanılırsa içindeki kimyasal maddeler toprağa bulaşır ve kirlenmeye neden olur. Bu kimyasal maddeler insanlar ve hayvanlara ciddi zararlar verebilir. • Egzoz ve baca gazları içinde karbon dioksit, azot dioksit, kükürt dioksit gibi gazlar bulunur. Bu gazlar havdaki su buharı ile birleşerek asit damlacıklarını oluştururlar. Asit damlacıkları yağmurlarla yeryüzüne iner. Bitki ve hayvanlara zarar verdiği gibi toprağa yeni kimyasal maddeler ekleyerek doğal yapısını bozar. • Erozyon nedeniyle tarıma elverişli topraklarımızın kalınlığı gün geçtikçe azalmaktadır. Elverişli toprağın azalması neticesinde özellikle çiftçiler zarar görmektedir. Toprak Kirliliğine Karşı Alınabilecek Tedbirler • Tarım ilaçlarının toprağa zarar vermeyecek şekilde bilinçli olarak kullanılması, • Gübre kullanımında bilinçli hareket edilmesi,suni gübre ve tarım ilaçlarının kullanılmasında yanlış uygulamalar önlenmelidir. • Katı atıkların uygun alanlarda Mevzuata uygun şekilde bertaraf edilmesi, • Atık suların (özellikle tehlikeli maddeler içeren atık suların ) arıtılmadan toprağa verilmesinin önlenmesi, • Verimli tarım topraklarında yerleşim ve sanayi alanları kurulmamalı, yeşil alanlar artırılmalıdır. • Ev ve sanayi atıkları, toprağa zarar vermeyecek şekilde toplanıp depolanmalı ve toplanmalıdır. • Nükleer enerji kullanımı bilinçli şekilde yapılmalıdır. • Toprak kirliliği konusunda toplumsal bilincin artırılması.