30 AÄŸustos 2012 | TEKNÄ°K MAKALE 49. Sayı (AÄŸustos 2102)

Paşa Hüseyin Arı MPE Mühendislik Müşavirlik A. Ş. Hale Özgün, M. Evren Erşahin, İsmail Koyuncu İstanbul Teknik Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü
Günümüzde faaliyette olan farklı kapasitelerde ve farklı ham su özelliklerine sahip membran teknolojisini kullanan birçok içme suyu üretim tesisi bulunmaktadır. Ters osmoz (TO), nanofiltrasyon (NF), ultrafiltrasyon (UF) ve mikrofiltrasyon (MF) en çok kullanılan membran proseslerdir. Gelişen teknolojiyle beraber birim su üretim maliyetlerinde azalma görülmektedir. Membran sistemlerle içme suyu üretiminde enerji ihtiyacının ve birim su maliyetlerinde azalmanın birçok nedeni vardır. Bunlar, membranların günümüzde daha yüksek akılarda çalışabilmesi, daha yüksek tuz giderim oranının sağlanması, düşük hidrostatik basınç gereksinimi ve düşük malzeme fiyatlarıdır. Ters osmoz ile tuz gideriminin maliyeti, termal yöntemlere göre daha düşüktür.

Günümüzde membran prosesli içme suyu arıtma tesislerinin enerji ihtiyaçları, elektrik ve fosil yakıtlarından karşılanırken, gelecekte yenilenebilir enerji ve nükleer enerjiyle çalışan sistemler tasarlanarak birim su maliyetlerinin düşürülmesi hedeflenmektedir.

Sistemlerin ekonomik değerlendirilmesinde ilk yatırım ve işletme maliyetleri dikkate alınmaktadır. İlk yatırım maliyetleri inşaat, pompa, ekipmanlar, otomasyon, membran malzemeleri, tesis tasarımı ve montajı içermekte olup, membran alanı ile doğru orantılı olarak artmaktadır. İşletme maliyeti ise ünitelerin işletme koşullarının kontrolü ve ekipman değişimlerini içermektedir. TO sistemlerinde ön arıtmanın tesis ilk yatırım maliyetine etkisi oldukça yüksektir. Konvansiyonel ön arıtmanın membran prosesli ön arıtma sistemlerine göre maliyeti yaklaşık % 30 daha düşüktür. Ön arıtma olarak mikrofiltrasyon ve ultrafiltrasyon prosesleri kullanılabilmektedir. MF ve UF sistemleri, TO membranlarının kullanım sürelerini uzatarak, membran değişim maliyetini düşürmektedir.
Türkiye’de geçmişi az olan membran sistemler hakkında detaylı bir maliyet analizi çalışması yapılmamıştır. Bu çalışmanın amacı, özellikle kuyu, deniz ve yüzeysel su arıtımında kullanılan membran sistemleri ile ilgili maliyet analizi yapılmasıdır. Tuzlu kuyu sularının, yüzeysel suların ve Türkiye denizlerinin membran sistemlerle arıtılmasının birim su maliyetleri hesaplanıp karşılaştırılmıştır. Bütün tasarımlar 1000 m3/gün, 5000 m3/gün, 10.000 m3/gün, 100.000 m3/gün ve 300.000 m3/gün kapasiteli sistemlere göre ayrı ayrı yapılmıştır. Kuyu sularında, 4 farklı tuzluluktaki ham suyun arıtılmasının maliyet analizi yapılmıştır. Membran öncesi, ön arıtma olarak mekanik ve kum filtre kullanılması durumları, ürün suyu tuzluluk değerlerinin 3 farklı değerde elde edilmesi ve derin kuyu pompalarının maliyete dahil edilip edilmemesi durumları incelenmiştir. Yüzeysel sularda 3 farklı bulanıklıkta, ön arıtmanın konvansiyonel bir sistem olan çöktürme ve kum filtresi veya yine bir membran proses olan ultrafiltrasyon sistemi olması durumlarına göre maliyet analizleri yapılmıştır. Marmara, Akdeniz ve Ege denizlerinin tuzluluğunun içilebilir değerlere getirilmesinin maliyet analizleri yapılırken, deniz suyu arıtımında maliyetle doğrudan ilgili olan membran akıları 3 farklı değer seçilerek hesaplanmıştır. Elde edilen verilerle, farklı kimyasal ve fiziksel yapıdaki suların birbirleriyle kıyaslanması ve bu sistemlerin kendi içlerinde farklı tasarımlarının maliyete etkisi incelenmiştir.

Bu çalışmada, ters osmoz ve nanofiltrasyon sistemlerinin tasarımı için IMS Design (Hydranautics) bilgisayar programı kullanılmıştır. 1000 ppm TÇM değerine sahip kuyu suyunun ham su olarak kullanılacağı sistemlerde TO’da düşük basınçlı Hydranutics ESPA4 membranları, NF’de ESNA LF2 tip membranları kullanılmıştır. Deniz suyu için ise deniz suyu membranları kullanılmıştır. Derin kuyu pompalarının birim su maliyetlerine olan etkisi, 1000 mg/L TÇM konsantrasyonda TO ile arıtılan ham su tasarımları için, farklı debilere göre incelenmiştir. Bu pompaların basma yüksekliği 200 metre su yüksekliği (mSS) olarak seçilmiştir.

Kuyu suyunun işletme maliyetleri değerlendirildiğinde, enerji tüketimi NF membranlarda TO membranlara göre daha düşüktür. Buna karşın TO membranların NF membranlara göre daha yüksek maliyete sahip olması TO membranların membran değişim maliyetini yükseltmektedir. Fakat son yıllarda geliştirilen düşük basınçlı TO membranlar, işletme maliyetleri bakımından NF membranlara yaklaşmıştır. 10.000 m³/gün debiye sahip sistemler için işletme maliyeti NF membranlarda 0,071 $/m3 iken, TO membranlarda bu değer 0,072 $/m3; ilk yatırım maliyeti ise NF membranlarda 0,066 $/m3 iken, TO membranlarda 0,061 $/m3’tür. İlk yatırım maliyetleri değerlendirildiğinde, TO membranlar NF membranlara göre daha ucuzdur. Toplam üretim maliyetlerinde ise, debiye bağlı olarak % 2-5 arası değişen farklılıklar görülmektedir. Debideki artışla birlikte her iki membran türü arasındaki maliyet farkı düşük seviyelerde artış göstermektedir. 1.000 ppm TÇM konsantrasyonuna sahip kuyu sularının, toplam maliyetin daha düşük olduğu TO sistemler ile arıtılmasında, ön arıtmanın kum filtreli veya mekanik filtreli olma durumları karşılaştırılmıştır. 10.000 m3/gün’den küçük debi için basınçlı, 10.000 m3/gün’den büyük debiler için ise betonarme kum filtreler tasarlanmıştır. Yüksek kapasiteli sistemlerde betonarme kum filtre ile ön arıtma yapılması maliyet açısından % 10-15 daha avantajlı olmaktadır. 200, 300 ve 400 ppm TÇM konsantrasyonları içeren çıkış sularının elde edilmesi durumlarına göre debiye bağlı işletme maliyeti değerleri karşılaştırılmıştır. Buna göre, çıkış suyunda iletkenlik değeri arttıkça işletme maliyetlerinin düştüğü görülmektedir. 1.000 ppm TÇM konsantrasyonuna sahip kuyu sularının arıtımında derin kuyu pompalı ve pompasız sistemlerin işletme maliyeti arasında 1.000 m3/gün debi için % 70 ve 100.000 m3/gün debi için ise % 35 fark olduğu tespit edilmiştir. İlk yatırım maliyetinde  bu fark % 7-10 arasında değişmektedir. 5.000 m3/gün debi için derin kuyu pompalı işletme maliyeti 0,085 $/m3 iken, derin kuyu pompasız sistemlerde 0,069 $/m3tür. Kuyu sularının ters osmoz yöntemiyle arıtılmasında kuyuların derinliğine bağlı olarak da işletme ve ilk yatırım maliyetleri arasında büyük farklılıklar görülmektedir.

Yüzeysel su kaynakları ters osmoz yöntemiyle arıtılırken, konvansiyonel ön arıtma sistemleri kullanılması durumunda bütün bulanık değerlerinde (5, 10 ve 15 NTU)  en düşük kapasite deki (1000 m3/gün) sistemin, en yüksek kapasitedeki (300000 m3/gün) sisteme oranla işletme maliyetinin % 30, ilk yatırım maliyetinin % 40 daha pahalı olduğu görülmüştür. Ön arıtmada UF kullanılması, konvansiyonel ön arıtma yöntemlerinin kullanılmasına göre toplam üretim maliyetini % 30 civarında artırmaktadır. Özellikle ham su kalitesinin kötü olduğu durumlarda membran tıkanma riskini minimuma indirgemek için konvansiyonel sistemlere göre çok daha güvenilir olan UF prosesleri tercih edilebilir. Yüzeysel suların ters osmoz sistemiyle arıtımının işletme maliyetleri nanofiltrasyon sistemiyle bütün bulanıklık değerlerinde hemen hemen aynı olduğu belirlenmiştir.
Deniz suyu arıtımının maliyeti incelendiğinde, ters osmoz sistemiyle en yüksek su üretim maliyetleri, en yüksek tuzluluğa sahip olan Akdeniz’dedir. Bütün deniz suyu arıtım proseslerinde yüksek basınç pompasının kapasitesi sınırlayıcı etken olmuştur. 10000 m3/gün’den büyük kapasitelerde sistem tek ünite halinde tasarlanamamaktadır. Bundan dolayı, birim su maliyetlerinin bu kapasiteden sonra düşmediği görülmüştür (Şekil 1). Ayrıca, Akdeniz’in arıtılmasının işletme maliyeti, Karadeniz’e göre % 56 daha pahalı olmaktadır.

İşletme maliyetlerinin oranlarına bakıldığında, enerji maliyet oranı ön plana çıkmaktadır. Tuzluluk arttıkça, enerjinin işletme maliyeti içerisindeki oranı da artmaktadır (Şekil 2). Enerji tüketiminden sonra gelen en önemli maliyetler, membran yenileme ve kimyasal tüketim maliyetleridir.

 Kaynaklar
Arı, PH. (2009) Türkiye’de İçme Suyu Amaçlı Büyük Kapasiteli Membran Sistemlerinin Maliyet Analizi, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi, İstanbul.

 

---

R E K L A M