Su kaynakları, birçok nedenden dolayı dünyanın birçok yerinde giderek kıtlaşıyor. Sürekli nüfus artışı, hem yüzey hem de yeraltı sularının sanayi atıkları ve işlenmemiş evsel  kanalizasyonla kirlenmesi, su kaynaklarının eşit olarak dağıtılmaması ve dönemsel kuraklıklar, sudan sorumlu kurumları yenilikçi su  kaynakları arayışına itiyor.

Halen asıl tedarik kaynağı, sırasıyla toplamın yüzde 63,21 ve yüzde 36,31'ini oluşturan yüzey suları ve yeraltı sularından oluşuyor. Tuzdan arındırma ve atıksu geri kazanımı toplamı, sırasıyla sadece yüzde 0,28 ve yüzde 0,19 oranında katkıda bulunuyor.  Fakat yeraltı suyu, esas olarak yenilenemeyen bir kaynak olduğu için, yeraltı suyunun toplam varlığa katkısının zamanla azalması kaçınılmazdır. Su gereksinimlerinin karşılanmasında tuzdan arındırma ve atıksuyun geri kazanımında önemli artışlar olacağı öngörülmektedir.

Küresel su geri kazanım kapasitesinin 2005 yılında 19,4 milyon m³ten, 2010'da 33,7 milyon m³e ve 2015 yılında da 54.5 milyon m³e yükseleceği, yani on yılda yüzde 181 artacağı tahmin edilmektedir (Şekil 1). İşlenmiş atıksu kullanımı, endüstriler için önemli bir husus haline gelmiştir. Bu konu sadece suyun korunmasına yardım etmekle kalmayıp, deşarjın azaltılmasına da katkı yapmaktadır. Geri kazanılmış atıksu, enerji tesisleri ve petrol rafinerileri için soğutma suyu olarak ve endüstriyel proses suyu olarak kullanılabilir.

Ters ozmoz (TO), suyu yarı geçirgen bir membrandan basınç ile iterek tuzları ve diğer çözünmüş katı maddeleri ayıran, gelişmiş bir su işleme prosesidir. Teknolojideki maliyet ve enerji gereksinimlerinin azalması nedeniyle bu prosesin popülerliği artmaktadır.

Membranlar artık on yıl öncesine göre yarı yarıya ucuzlamıştır. Dow Chemical Company şirketinin bir iş birimi olan Dow Water Solutions, dünyanın önde gelen TO membran teknolojisi tedarikçilerinden biridir ve TO membranlarının enerji gereksinimlerini yüzde 20 oranında düşürmüştür. Bu teknolojik ilerlemeler sayesinde, bir TO elemanıyla işlenebilen su hacmi son yıllarda üç kat artmıştır.                 

TO Prosesi

Ters ozmoz sisteminde, yarı geçirgen bir membran iki bölme arasına yerleştirilir. Saf su, seyreltilmiş bir tuzlu solüsyondan çıkıp membrandan geçerek, daha yüksek konsantrasyonlu bir tuzlu solüsyona akar.  Membran, suyun her iki taraftan geçmesine izin verir, fakat tuz ve suda çözünmüş diğer katı maddeler geçemez. Bu sistem, membranın her iki tarafında aynı konsantrasyona ulaşmaya çalışır. Dengeye ulaşmanın tek yolu, temiz su bölmesinden tuz içeren bölmeye geçerek, tuzlu solüsyonu seyreltmektir.

Ozmoz, konsantre solüsyonun yüksekliğinde bir artışa neden olabilir; bu artış, su sütununun (tuzlu solüsyon) basıncını, bu su sütununun kuvveti, suyun akışını durdurana kadar yükseltir. Bu su sütununun yüksekliğinin, membran karşısındaki su basıncı cinsinden denge noktasına "ozmotik basınç" denilir.

Bu su sütununa bir kuvvet uygulandığında, suyun membrandaki akış yönü tersine çevrilebilir. Ters ozmoz terimi de buradan kaynaklanır. Tersine çevrilmiş bu akış, tuzlu solüsyondan temiz su, yani saf su üretir.

Bir atıksu geri kazanım tesisinde, sisteme giden besleme suyu genellikle yüzey sularından çok daha düşük kalitededir. TO membranında kirlenmeyi önlemek ve optimum performans sağlamak için bu suyun TO sistemine girmeden önce bir ön arıtma işleminden geçirilmesi gerekir.

Ultra-filtrasyonun (UF) ve mikro-filtrasyon teknolojisinin son on yılda yaygın olarak kullanılmasıyla birlikte, daha fazla UF membranı, dördüncül arıtmalı atıksu geri kazanım projelerinde TO'nun ön arıtmasında kullanılmaya başlanmıştır. UF membranları kum, alüvyon, bakteri ve TO sistemine zarar verebilecek diğer kirleticileri tutar. Bu membranlar, partikül maddeleri filtreleyebilen mikroskobik gözeneklerden oluşur. UF teknolojisi, TO prosesi için birçok fayda sağlar:

1. Daha yüksek TO debisi ve daha yüksek oranda geri kazanım mümkün olur

2. Fiziksel olarak daha az alana ihtiyaç duyulur

3. TO membranı değiştirme sıklığı önemli ölçüde azalır

4. Değişken ve düşük kalitede besleme suyu işlenebilir

5. Daha kısa süreli duruşlara ihtiyaç duyulur

TO üniteleri için kimyasal temizlik ihtiyacının azalmış olması, işletme maliyetlerinin düşmesinde başlıca etkendir.

Atıksu geri kazanım tesisinde ters ozmoz uygulamaları öncesi ultra-filtrasyon ön arıtması:

Tablo 1, yeniden kullanılan atıksuyun yüzde 70'ten fazlasının, sadece ikincil veya üçüncül arıtma standardında işlendiğini göstermektedir; bu şekilde işlenmiş su ise ancak tarım için uygundur. Endüstriyel uygulamalara yönelik suyun, TO/Nano-filtrasyon (NF)[1] gibi teknolojilerle daha fazla işlemden geçmesi gerekir. 

Şekil 2, atıksu geri kazanım tesislerinde, TO ön arıtma seçenekleri olarak, iki membran ön arıtma hattı göstermektedir. MBR'nin ardından TO veya sedimentasyonun ardından UF ve TO.

MBR işleme prosesi, belediye tesislerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. "Çökeltme - UF" prosesi, TO için endüstriyel atıksu geri kazanım tesisi ön arıtmasında asıl olarak seçilmektedir. Tablo 2, çeşitli endüstrilerde TO için ön arıtma olarak bazı UF uygulamalarını listelemektedir:

Örnek Olay İncelemesi: Petrol rafinerisinde, TO uygulanmadan önce UF ön arıtması

UF ön arıtma ve konvansiyonel ön arıtmayla atıksu geri kazanımının ekonomik bir değerlendirmesi için, Çin'de bulunan ve günde 16.800 m³ kapasiteli bir petrol rafinerisinde bir çalışma yürütülmüştür. Son kullanıcı, tasarım ve yapım öncesinde her ikisini ayrıntılı olarak karşılaştırdıktan sonra konvansiyonel ön arıtma yerine UF'yi tercih etmiştir. Tesiste kullanılan UF membranları Dow Water Solutions tarafından sağlanmıştır. Membranlar, yüksek molekül ağırlığına sahip polimerik kimyasallardan, özellikle kirlenme eğilimi düşük hidrofilik polivinilidenflourid'den (H-PVDF) yapılmış çift duvarlı, boşluklu fiber membranlardı. Çift duvar, tek duvarlı membrana göre membranı daha sağlam yapmakta, kırılmaya karşı direncini artırmaktadır ve yüksek gözenek dağılımı da yüksek debi sağlamaktadır. 

Tablo 3, nehir suyu ve yeraltı suyu, atıksu geri kazanımı ve deniz suyunu tuzdan arıtma yöntemleriyle üretilen suyun maliyetlerini göstermektedir. Nehir ve yeraltı suyu arıtmanın üretim maliyeti, 20-30 sent/m³ olup, diğer ikisine göre en düşük olanıdır. Tipik bir UF+TO prosesiyle, atık su geri kazanımı için tipik üretim maliyeti 20-40 sent/m3tür. Bu örnekte, UF ve konvansiyonel ön arıtma için toplam maliyetler sırasıyla 31 ve 33 sent/m³tür.

Yüzey suyu işlemeye göre, atıksu geri kazanımının maliyetinin daha yüksek olmasının nedeni, besleme suyunun kalitesinin düşük olmasıdır; bu ise, çoğu zaman UF ve TO sisteminde düşük debi ve geri kazanım, membran temizleme sıklığının yüksek olması ve daha yüksek basınç kayıplarına sebep olmaktadır. Bu faktörler, bir atıksu geri kazanım tesisinin yatırım ve işletme maliyetlerini artırmaktadır. En çok enerji gerektiren yöntem olan deniz suyu arıtmanın maliyeti 60-80 sent/m³tür.

Su üretiminin tüm maliyetleri aşağıda hesaplanmış ve ön arıtma olarak UF ve konvansiyonel yöntemleri kullanmanın etkisi, münferit maliyetler için hesaplanmıştır.

Konvansiyonel ön arıtmada, toplam üretim maliyetinin ön arıtmaya giden kısmı 33 sent/m³ün yaklaşık yüzde 24'ü, yani 7,9 sent/m³tür. UF ön arıtma yapıldığında maliyet 31 sent/m³ün yaklaşık yüzde 27'si veya 8,4 sent/m³tür; bu da konvansiyonel ön arıtmaya göre yüzde 6,5 artış anlamına gelmektedir. Ön arıtma maliyetindeki bu artış aslen kimyasal maddeler ve membran değişimi gibi yatırım ve işletme maliyetleri amortismana dağıtılabilir. Ön arıtma için konvansiyonel yöntem değil de UF seçildiğinde yatırım artacaktır; fakat kimyasal madde tüketimi azalacaktır. Aynı zamanda, UF membranı değiştirme maliyeti de işletme maliyetine eklenecektir. Bu hesaplamaya dayanarak, ön arıtma olarak UF seçildiğinde, kimyasal madde maliyeti en az yüzde 15,8 azalacaktır; fakat UF membranı değiştirme maliyeti olarak yüzde 33,3 eklenecektir.

Arıtmanın ileri aşamasında, TO membranlar endüstriyel prosesler için suyu daha ileri seviyede arıtmakta kullanılır. Ön arıtma olarak konvansiyonel teknoloji kullanıldığında, bir atıksu yeniden kullanma tesisinde su üretim maliyetinin TO membran değiştirme ve temizlik kısımları 33 sent/m³ün yüzde 12'sidir veya yaklaşık 3,9 sent/m³'tür. UF teknolojisi kullanıldığında, su üretim maliyetinin TO membran değiştirme ve temizlik kısımları 31 sent/m³ün yüzde 9'una denk düşmektedir veya yaklaşık 2,9 sent/m³ olmaktadır. Maliyet, UF membranların TO membranına zarar veren kirleticileri filtreleyebilmesi sayesinde yaklaşık 1 sent/m³ azalmaktadır. Atıksu geri kazanım tesislerinde, TO kimyasal temizlik sıklığı tipik olarak her 2 veya 3 ayda birdir; fakat UF kullanıldığında, sıklık her 5 veya 6 ayda bire düşebilmektedir. UF ön arıtımı ile daha kaliteli bir besleme suyu temin edilecek, böylece TO sisteminde membranları temizleme ihtiyacı azalacak, membranın ömrü uzayacak ve de sonuçta TO membran değiştirme maliyeti azalacaktır. Ön arıtma olarak konvansiyonel teknoloji kullanan bir tesiste, su üretim maliyetinin diğer sabit gider kısımları 33 sent/m³ün yüzde 19'u veya yaklaşık 6,2 sent/m³tür. UF teknolojisiyle bu değer, 31 sent/m³'ün yaklaşık yüzde 18'i veya 5,7 sent/m³tür. Bu diğer sabit giderler arasında inşaat süresi, inşaat maliyeti ve imalat süresi vardır. Dow UF membranları düşük maliyetli, kompakt bir sistem elde etmeyi sağlayan basit, dikey ve modüler bir tasarıma sahiptir. Daha kısa imalat süresi, diğer sabit giderleri yaklaşık yüzde 8,4 düşürebilmektedir. Aynı zamanda daha düşük temizlik sıklığı, sistemin duruş süresini azaltmakta ve su üretiminin daha uzun bir süre devam etmesini sağlamaktadır.

Diğer değişken maliyetler esas olarak elektrik enerjisi maliyetlerini içermektedir. Bu değer, TO'nun trans-membran basıncı (TMB) tarafından etkilenmektedir, çünkü TO'nun TMB'si konvansiyonel ön arıtmaya göre UF ön arıtma ile daha düşük tutulacaktır. UF'li TO'nun enerji tüketimi de daha düşük olacaktır. Fakat bu etki hesaplanamadığı için, maliyet tasarruflarını ölçmek zordur. 

Genel olarak konvansiyonel ön arıtmalı bir atıksu geri kazanım tesisinin toplam su üretim maliyeti yaklaşık 33 sent/m³tür. Bir atıksu yeniden kullanma tesisinde "UF-TO" toplam su üretim maliyeti 31 sent/m³tür. Bu, konvansiyonel ön arıtma ile karşılaştırıldığında su üretimi maliyetinde yüzde 6'lık bir tasarruf sağlamaktadır (bkz. Şekil 3).

Sonuçlar

UF, TO sistemleri için üstün kalitede su sağlar. UF ile ön arıtmanın faydaları, atıksu geri kazanımı için yaygın olarak kabul edilmektedir. Atıksu geri kazanım tesislerinde TO'nun ön arıtması olarak UF'in konvansiyonel sistemlere göre yüzde 6'lık bir tasarruf sağladığı görülmektedir. Bu çalışma, tasarrufun esas olarak TO temizlik sıklığının azalması, duruş süresinin azalması ve TO ömrünün uzamasıyla sağlanabileceğini göstermektedir.

Kaynaklar

[1] 19th IDA Worldwide Desalting Plant Inventory: Global Water Intelligence and Water Desalination Report, June 2006.

[2] J.Menge, J.Haarhoff, E. Koning, R. Merten and B. Van der Merwe, Occurrence and Removal of Giardia and Cryptosporidium at the Goreangab Reclamation Plant, Water Sci. Technol., Water Supply, 1(1) (2001)97-106.

[3] J.Caneja, M. Farinas and A. Jimenez, Spanish Cost Data Illustrate RO?s Competitiveness, Desalination&Water Reuse, 15 (1) (2005)10-17.

Eric Shao

Dow Water Solutions Pazar Geliştirme Uzmanı

Dow Water Solutions için:

Tel: 0 216 331 39 66

E-posta: esra.fidan@brenntag.com.tr