su/atıksu arıtılması membran teknolojileri ve uygulamaları · su/atıksu arıtılması ve geri...
TRANSCRIPT
Su/Atıksu Arıtılması ve Geri Kazanılmasında
Membran Teknolojileri ve Uygulamaları Cilt 3: Membran Teknolojilerinde Konsantre Yönetimi, Maliyet, İşletme ve Bakım, Enerji Üretimi Uygulamaları ve Membran Terimleri Sözlüğü
Prof. Dr. İsmail KOYUNCU (Editör)
ii
Su/Atıksu Arıtılması ve Geri Kazanılmasında
Membran Teknolojileri ve Uygulamaları Cilt 1: Membran Teknolojileri ve Su Arıtma Yazarlar Prof. Dr. İsmail Koyuncu Prof. Dr. Halil Hasar Prof. Dr. Bülent Keskinler Prof. Dr. Vedat Uyak Prof. Dr. İzzet Öztürk Doç. Dr. Derya Y. Köseoğlu-İmer Doç. Dr. Ergin Taşkan Yrd. Doç. Dr. Mustafa Evren Erşahin Yrd. Doç. Dr. Hale Özgün Yrd. Doç. Dr. Murat Eyvaz Dr. Recep Kaan Dereli Dr. Börte Köse Mutlu Dr. Bihter Zeytuncu Araş. Gör. Serkan Güçlü Araş. Gör. Türker Türken Araş. Gör. Reyhan Şengür-Taşdemir Araş. Gör. Recep Kaya Araş. Gör. Mehmet Emin Paşaoğlu Araş. Gör. Ayşe Yüksekdağ Araş. Gör. Meltem Ağtaş Araş. Gör. Melike Ürper Araş. Gör. Bahar Özbey Ünal Araş. Gör. Öykü Mutlu Salmanlı Araş. Gör. Sevde Korkut Araş. Gör. Alper Yazagan Yük. Çev Müh. Ayşegül Derya Altınay
ii
Su/Atıksu Arıtılması ve Geri Kazanılmasında
Membran Teknolojileri ve Uygulamaları Cilt 1: Membran Teknolojileri ve Su Arıtma Yazarlar Prof. Dr. İsmail Koyuncu Prof. Dr. Halil Hasar Prof. Dr. Bülent Keskinler Prof. Dr. Vedat Uyak Prof. Dr. İzzet Öztürk Doç. Dr. Derya Y. Köseoğlu-İmer Doç. Dr. Ergin Taşkan Yrd. Doç. Dr. Mustafa Evren Erşahin Yrd. Doç. Dr. Hale Özgün Yrd. Doç. Dr. Murat Eyvaz Dr. Recep Kaan Dereli Dr. Börte Köse Mutlu Dr. Bihter Zeytuncu Araş. Gör. Serkan Güçlü Araş. Gör. Türker Türken Araş. Gör. Reyhan Şengür-Taşdemir Araş. Gör. Recep Kaya Araş. Gör. Mehmet Emin Paşaoğlu Araş. Gör. Ayşe Yüksekdağ Araş. Gör. Meltem Ağtaş Araş. Gör. Melike Ürper Araş. Gör. Bahar Özbey Ünal Araş. Gör. Öykü Mutlu Salmanlı Araş. Gör. Sevde Korkut Araş. Gör. Alper Yazagan Yük. Çev Müh. Ayşegül Derya Altınay
ii
Su/Atıksu Arıtılması ve Geri Kazanılmasında
Membran Teknolojileri ve Uygulamaları Cilt 3: Membran Teknolojilerinde Konsantre Yönetimi, Maliyet, İşletme ve Bakım, Enerji Üretimi Uygulamaları ve Membran Terimleri Sözlüğü
Yazarlar Prof. Dr. İsmail Koyuncu Prof. Dr. Halil Hasar Prof. Dr. Bülent Keskinler Prof. Dr. Vedat Uyak Prof. Dr. İzzet Öztürk Doç. Dr. Derya Y. Köseoğlu-İmer Doç. Dr. Ergin Taşkan Yrd. Doç. Dr. Mustafa Evren Erşahin Yrd. Doç. Dr. Hale Özgün Yrd. Doç. Dr. Murat Eyvaz Dr. Recep Kaan Dereli Dr. Börte Köse Mutlu Dr. Bihter Zeytuncu Araş. Gör. Serkan Güçlü Araş. Gör. Türker Türken Araş. Gör. Reyhan Şengür-Taşdemir Araş. Gör. Recep Kaya Araş. Gör. Mehmet Emin Paşaoğlu Araş. Gör. Ayşe Yüksekdağ Araş. Gör. Meltem Ağtaş Araş. Gör. Melike Ürper Araş. Gör. Bahar Özbey Ünal Araş. Gör. Öykü Mutlu Salmanlı Araş. Gör. Sevde Korkut Araş. Gör. Alper Yazagan Yük. Çev Müh. Ayşegül Derya Altınay
ii
Su/Atıksu Arıtılması ve Geri Kazanılmasında
Membran Teknolojileri ve Uygulamaları Cilt 3: Membran Teknolojilerinde Konsantre Yönetimi, Maliyet, İşletme ve Bakım, Enerji Üretimi Uygulamaları ve Membran Terimleri Sözlüğü
Yazarlar Prof. Dr. İsmail Koyuncu Prof. Dr. Halil Hasar Prof. Dr. Bülent Keskinler Prof. Dr. Vedat Uyak Prof. Dr. İzzet Öztürk Doç. Dr. Derya Y. Köseoğlu-İmer Doç. Dr. Ergin Taşkan Yrd. Doç. Dr. Mustafa Evren Erşahin Yrd. Doç. Dr. Hale Özgün Yrd. Doç. Dr. Murat Eyvaz Dr. Recep Kaan Dereli Dr. Börte Köse Mutlu Dr. Bihter Zeytuncu Araş. Gör. Serkan Güçlü Araş. Gör. Türker Türken Araş. Gör. Reyhan Şengür-Taşdemir Araş. Gör. Recep Kaya Araş. Gör. Mehmet Emin Paşaoğlu Araş. Gör. Ayşe Yüksekdağ Araş. Gör. Meltem Ağtaş Araş. Gör. Melike Ürper Araş. Gör. Bahar Özbey Ünal Araş. Gör. Öykü Mutlu Salmanlı Araş. Gör. Sevde Korkut Araş. Gör. Alper Yazagan Yük. Çev Müh. Ayşegül Derya Altınay
iii
ÖNSÖZ
Türkiye’de membran üretilmesi, modül ve proses geliştirilmesi, membran teknolojileri üzerine araştırma ve geliştirme faaliyetlerinde bulunulması, bu konudaki araştırmacılara fırsatlar sunulması, sanayiye destek olunması ve membran bilim ve teknolojisine katkılarda bulunulması amacıyla ve bu alanlarda Dünya çapında lider bir araştırma merkezi haline gelme vizyonu ile T.C. Kalkınma Bakanlığı ve İstanbul Teknik Üniversitesi Rektörlüğü’nün desteğiyle kurulan İstanbul Teknik Üniversitesi Prof. Dr. Dincer Topacık Membran Teknolojileri Uygulama ve Araştırma (UYGAR) Merkezi (MEM-TEK)’nin faaliyetleri ile birlikte, Türkiye’deki membran teknolojisi alanındaki araştırmalar farklı bir yapıya dönüşmüştür. MEM-TEK’de, son altı yılda çok ciddi bilimsel ve teknolojik araştırmalar yapılmış, ülkemizde yerli ve milli membran üretimi konusunda çok ciddi mesafeler alınmış ve birçok ticari ürün ortaya çıkmaya başlamıştır. Su/Atıksu Arıtılması ve Geri Kazanılmasında Membran Teknolojileri ve Uygulamaları kitabı, MEM-TEK’in kurulmasından itibaren geçen serüvende elde ettiği bilgi birikimi, tecrübe ve başarı öyküsünün bir kısmını aktarmak, Türkçe kaynak bulma konusunda yaşanılan sıkıntıyı gidermek, yol gösterici olmak, kamu ve özel sektörde çalışan meslektaşlarımızın ihtiyaçlarını karşılamak, üniversitelerimizin özellikle çevre mühendisliği bölümleri başta olmak üzere bir çok farklı bölümde lisans ve lisansüstü seviyelerinde okutulmakta olan membran prosesler ile su arıtma tesisi tasarımı ve atıksu arıtma tesisi tasarımı derslerinde kaynak kitap olması gayesiyle yazılmıştır. Bu kitabın yazımı aşamasında, membran teknolojileri alanında hemen hemen tüm güncel kitap, teknik rapor, tasarım rehberi ve katalog taranmış ve özellikle, MEM-TEK’de edilen bilgi ve tecrübenin uygulamaya yönelik bir kısmı aktarılmıştır. Kitap, hem temel bilimsel konuları hem de tasarım, işletme ve bakım gibi uygulamaya yönelik konuları çok detaylı bir şekilde kapsamaktadır. Konuların daha iyi anlaşılabilmesi için bazı bölümlerin sonlarına çözümlü örnek uygulamalar ve tasarım örnekleri verilmiştir. Ayrıca, son dönemde geliştirilen yenilikçi membran prosesler hakkında bilgi verilmiş, membran teknolojilerinin geleceği ile ilgili olarak da bir vizyon çizilmeye çalışılmıştır. Kitabın, kamu, özel sektör ve üniversitelerde çalışan meslektaşlarımıza ve öğrencilerimize faydalı olmasını dilerim.
iv
Kitap üç ciltten oluşmaktadır. Kitabın membran teknolojilerine genel bakış ve su arıtımı başlıklı ilk cildinde sekiz bölüm bulunmaktadır. Birinci bölümde, suyun ve membran teknolojilerinin önemi ve membran teknolojilerinin tarihsel gelişimi hakkında bilgi verilmiştir. İkinci bölümde membranların sınıflandırılması başlığı detaylıca incelenmiştir. Üçüncü bölümde, membran proseslerinin çeşitleri ve sürücü kuvvetlerine göre farklılıklarından bahsedilmiştir. Dördüncü bölümde, membranlarda kütle transferi ele alınmış, beşinci ve altıncı bölümlerde ise konsantrasyon polarizasyonu ve tıkanma ile membran modülü tertip tarzları hakkında bilgi verilmiştir. Su arıtımında membran teknolojileri başlığı altındaki yedinci bölümde su arıtımında kullanılan membran proseslerin teorisi, tasarımı ve uygulamalarından bahsedilmiştir. Sekizinci bölümde ise membran teknolojileri ile proses suyu arıtımı konusu detaylı bir şekilde işlenmiştir. Kitabın evsel ve endüstriyel atıksuların arıtılmasında ve geri kazanılmasında membran teknolojileri başlıklı ikinci cildinde yedi bölüm bulunmaktadır. Bu ciltte sırası ile dokuzuncu bölümde aerobik membran biyoreaktörler, onuncu ve on birinci bölümlerde sırası ile anaerobik membran biyoreaktörler ve dinamik membranlar konusu ele alınmıştır. On ikinci, on üçüncü, on dördüncü ve on beşinci bölümlerde ise sırasıyla, yenilikçi membran biyoreaktör (MBR) prosesleri, gri su arıtımı, evsel atıksuların geri kazanımı ve endüstriyel atıksu arıtılmasında ve geri kazanılmasında membran uygulamaları konuları verilmiştir. Kitabın üçüncü cildinde ise beş bölüm bulunmaktadır. On altıncı bölümde membranlarda konsantre yönetimi, on yedinci bölümde membranlardaki detaylı maliyet analizi, on sekizinci bölümde, membranlardaki işletme ve bakım, on dokuzuncu bölümde, membran teknolojilerinin enerji uygulamaları ve kitabın son bölümü olan yirminci bölümde, kitap hazırlanırken oluşturulan membran terimleri sözlüğü verilmiştir. Kitabın hazırlanması aşamasında, Mulder (1996), Baker (2004, 2012), Asano (2007), Saleh ve Gupta (2016), Jacagelo ve diğ. (1996), Mallevialle ve diğ. (1996), Crittenden ve diğ. (2012), AWWA (2005), AWWA (2007), Dow (2007), Wif (2007), Kucera (2015), Yoon (2015), (Metcalf ve Eddy (2007), Ericsson (2012) ve Cisneros (2014) kaynaklarından kısmi ölçüde istifade edilmiştir.
v
Bütün çabamıza rağmen hala bulunması kaçınılmaz olan hatalarımız dolayısıyla anlayışınızı rica ederim. MEM-TEK’in kurulması ve sonrasındaki çok ciddi katkı ve desteklerinden dolayı T.C. Kalkınma Bakanlığı’na, T.C. Çevre ve Şehircilik Bakanlığı’na, T.C. Orman ve Su İşleri Bakanlığı’na, T.C. Bilim Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı’na, TÜBİTAK’a, İstanbul Kalkınma Ajansına, İSKİ Genel Müdürlüğü’ne ve İstanbul Teknik Üniversitesi Rektörlüğü’ne şükranlarımı sunarım. MEM-TEK’in kuruluşu, resmi açılış töreni ve sonrasındaki Ar-Ge faaliyetleri kapsamında sürekli yanımızda olan ve destek veren T.C. Orman ve Su İşleri Bakanı Sayın Prof. Dr. Veysel Eroğlu’na, T.C. Çevre ve Şehircilik Bakanlığı Müsteşarı Sayın Prof. Dr. Mustafa Öztürk’e, T.C. Orman ve Su İşleri Bakanlığı bir önceki Müsteşarı Prof. Dr. Hasan Zuhuri Sarıkaya’ya, İstanbul Teknik Üniversitesi Rektörü Sayın Prof. Dr. Mehmet Karaca’ya, T.C. Başbakanlık Baş Danışmanı Sayın Prof. Dr. Lütfi Akça’ya, ASKİ Genel Müdürü Sayın Prof. Dr. Cumali Kınacı’ya ve İSKİ Genel Müdürü Fatih Turan’a çok teşekkür ederim. MEM-TEK’in kuruluşundan bu yana beraber olduğumuz, Ar-Ge projelerine destek veren, MEM-TEK’in Dünya çapında örnek ve lider bir Ar-Ge merkezi haline gelmesinde çok büyük katkıları olan, fikirleri ile destek veren ve bu kitabın derlenmesi, toparlanması ve yayına gitmeden önce son şeklinin verilmesi aşamasındaki katkılarından dolayı MEM-TEK’deki mesai arkadaşlarım, Prof. Dr. Halil Hasar’a, Prof. Dr. Bülent Keskinler’e, Prof. Dr. İzzet Öztürk’e, Prof. Dr. Vedat Uyak’a, Prof. Dr. Mehmet Kitiş’e, Prof. Dr. Ali Ata’ya, Prof. Dr. Yusuf Menceloğlu’na, Prof. Dr. İsmail Toröz’e, Prof. Dr. Kadir Alp’e, Prof. Dr. İbrahim Demir’e, Prof. Dr. Süleyman Övez’e, Prof. Dr. Ali Fuat Aydın’a, Prof. Dr. Osman Atilla Arıkan’a, Prof. Dr. Mustafa Yazgan’a, Doç. Dr. Oktay Özkan’a, Doç. Dr. Nevzat Özgü Yiğit’e, Doç. Dr. Derya Y. Köseoğlu-İmer’e, Yrd. Doç. Dr. Esra Ateş Genceli’ye, Yrd. Doç. Dr. Serkan Ünal’a, Yrd. Doç. Dr. Mahmut Altınbaş’a, Yrd. Doç. Dr. Evren Erşahin’e, Yrd. Doç. Dr. Hale Özgün’e, Yrd. Doç. Dr. Murat Eyvaz’a, Yrd. Doç. Dr. Ekrem Karpuzcu’ya, Dr. Börte Köse Mutlu’ya, Dr. Recep Kaan Dereli’ye, Dr. Bihter Zeytuncu’ya, Araş. Gör. Serkan Güçlü’ye, Araş. Gör. Türker Türken’e, Araş. Gör. Reyhan Şengür-Taşdemir’e, Araş. Gör. Recep Kaya’ya, Araş. Gör. Mehmet Emin Paşaoğlu’na, Araş. Gör. Meltem Ağtaş’a, Araş. Gör. Ayşe Yüksekdağ’a, Araş. Gör. Sevde Korkut’a, ismini sayamadığım tüm öğretim üyesi ve
vi
araştırma görevlisi arkadaşlarıma ve tüm lisans ve lisansüstü öğrencilerime şükranlarımı sunarım. Kitaptaki resimlerin hazırlanmasındaki çok ciddi katkısından dolayı grafiker Ersin Bektaş’a da çok teşekkür ederim. Ortak proje yürüttüğümüz tüm uluslararası ortaklarıma, özellikle, Seul National University (Güney Kore) öğretim üyesi Prof. Dr. Chung-Hak Lee’ye, Duke University (ABD) öğretim üyesi Prof. Dr. Mark Wiesner’e, Michigan State University (ABD) öğretim üyesi Prof. Dr. Volodymyr Tarabara’ya ve Universiti Teknologi Malaysia (UTM) (Malezya) Rektör Yardımcısı ve Membran Teknolojisi Araştırma Merkezi Müdürü Prof. Dr. Ahmet Fauzi İsmail’e şükranlarımı sunarım. Kitabın hazırlanması aşamasındaki büyük sabır ve anlayışlarından dolayı, başta kendi ailem olmak üzere, tüm bölüm yazarlarımızın ailelerine ve yakınlarımıza en kalbi sevgilerimi sunarım. İTÜ’deki membran çalışmalarını başlatan ve MEM-TEK’in kurulması yolundaki ilk fikri ortaya atan merhum Prof. Dr. Dincer Topacık’ı ve Çevre Mühendisliğine birçok yayın kazandırmış olan merhum Prof. Dr. Yılmaz Muslu’yu da rahmetle anıyorum. Bu kitabın üniversite dışında basılmasına izin veren İstanbul Teknik Üniversitesi Rektörü Sayın Prof. Dr. Mehmet Karaca’ya ve bu eserin ortaya çıkması konusunda teşvik eden ve her türlü desteği sunan T.C. Çevre ve Şehircilik Bakanlığına, Çevre Yönetimi Genel Müdürlüğü’ne ve özellikle, Bakanlık Müsteşarı Sayın Prof. Dr. Mustafa Öztürk’e şükranlarımı sunarım. Son olarak, kitabın basımını gerçekleştiren Türkiye Çevre Vakfı’na çok teşekkür ederim. Prof. Dr. İsmail KOYUNCU İstanbul, 2018
vii
İÇİNDEKİLER
Cilt 1: MEMBRAN TEKNOLOJİLERİ ve SU ARITMA BÖLÜM 1 GİRİŞ ..................................................................................................... 3
İsmail Koyuncu ve Reyhan Şengür-Taşdemir
Küresel Anlamda Su Hakkındaki Gerçekler .................................................. 3 1.1. Membran Teknolojilerinin Önemi ve Kullanım Alanları ...................... 13 1.2. Membranların Tarihsel Süreçteki Gelişimi ................................................ 15 1.3. Membran Teknolojilerinin Bilimsel Gelişimi............................................. 18 1.4.
BÖLÜM 2 MEMBRANLAR VE MEMBRANLARIN SINIFLANDIRILMASI ................................................................................................................................. 39
Vedat Uyak,, Serkan Güçlü ve İsmail Koyuncu 2.1. Giriş ............................................................................................................................. 39 2.2. Membranların Gözenek Çaplarına Göre Sınıflandırılması ................... 39 2.3. Membranların Geometrik Şekillerine Göre Sınıflandırılması ............. 41 2.4. Membranların Yapısına ve Morfolojisine Göre Sınıflandırılması ...... 43 2.5. Membranların Malzemesine Göre Sınıflandırılması ............................... 49 2.6. Membranların Ayırma Prosesine Göre Sınıflandırılması ..................... 53 BÖLÜM 3 MEMBRAN PROSESLER ................................................................ 59
Halil Hasar, G. Melike Ürper, Serkan Güçlü ve İsmail Koyuncu
Giriş ............................................................................................................................. 59 3.1. Mikrofiltrasyon (MF) Prosesi ........................................................................... 60 3.2. Ultrafiltrasyon (UF) Prosesi ............................................................................. 64 3.3.Nanofiltrasyon (NF) Prosesi ............................................................................. 67 3.4. Ters Osmoz (TO) Prosesi ................................................................................... 69 3.5. İleri Osmoz (İO) Prosesi ..................................................................................... 73 3.6. Membran Distilasyonu (MD) Prosesi............................................................ 76 3.7. Elektrodiyaliz (ED) Prosesi ............................................................................... 79 3.8. Elektrodeiyonizasyon (EDI) Prosesi ............................................................. 82 3.9.
Pervaporasyon (PV) Prosesi .......................................................................... 83 3.10. Membran Kontaktör (MK) Prosesi .............................................................. 85 3.11.
viii
BÖLÜM 4 MEMBRAN PROSESLERDE KÜTLE TRANSFERİ.................... 99 İsmail Koyuncu ve Reyhan Şengür-Taşdemir
Sürücü Kuvvetler................................................................................................... 99 4.1. Osmoz Olayı .......................................................................................................... 104 4.2. Kütle Transfer Modelleri ................................................................................. 107 4.3.
4.3.1. Tersinir Olmayan Termodinamik ve Birleşmeli Taşınım .............. 107 4.3.2. Gözenekli Membranlarda Taşınım .......................................................... 115 4.3.3. Spiegler ve Kedem Modeli .......................................................................... 116 4.3.4. Çözünme ve Difüzyon Modeli .................................................................... 119 4.3.5. Adsorpsiyon ve Kapiler Akım Modeli .................................................... 123 4.3.6. Donnan Denge Modeli ve Elektronötralite .......................................... 125 4.3.7. Geliştirilmiş Nerst-Planck Modeli ............................................................ 127 4.3.8. Bazı Membran Proseslerde Taşınım ...................................................... 128 BÖLÜM 5 KONSANTRASYON POLARİZASYONU VE TIKANMA ........ 135
İsmail Koyuncu ve Reyhan Şengür-Taşdemir
Membranlar ile İlgili Temel Kavramlar .................................................... 136 5.1. 5.1.1. Akı ....................................................................................................................... 136 5.1.2. Giderme Verimi ............................................................................................... 138
Konsantrasyon Polarizasyonu ...................................................................... 139 5.2.5.2.1. Konsantrasyon Polarizasyonunu Etkileyen Parametreler ............ 146 5.2.2. Konsantrasyon Polarizasyonuna Bağlı Olarak Basınç Değişimi . 150 5.2.3. Konsantrasyon Polarizasyonuna Bağlı Olarak Akı Değişimleri .. 151
Membran Tıkanması ......................................................................................... 151 5.3.5.3.1. Membran Tıkanmasına Bağlı Akı/Zaman Değişimleri.................... 158 5.3.2. Çökelmeli Tıkanma ........................................................................................ 164 5.3.3. Kek Tabakası Oluşumu................................................................................. 168 5.3.4. Membran Tıkanmasının Tespiti ............................................................... 169 5.3.5. Membran Tıkanmasının Önlenmesi ve Azaltılması İçin Uygulanan Metotlar .......................................................................................................................... 175
Örnek Uygulamalar ........................................................................................... 180 5.4. BÖLÜM 6 MEMBRAN MODÜLLERİ ............................................................ 191
İsmail Koyuncu, Recep Kaya, Mehmet Emin Paşaoğlu ve Öykü Mutlu-Salmanlı
Giriş .......................................................................................................................... 191 6.1.Membran Modül Tipleri .................................................................................. 191 6.2.
ix
6.2.1. Plak Çerçeve Modüller ................................................................................. 191 6.2.2. İçi Boşluklu Fiber Membran Modülleri ................................................. 194 6.2.3. Spiral Sargılı Modüller ................................................................................. 198 6.2.4. Tübüler Membran Modülleri ..................................................................... 201 6.2.5. Membran Modüllerinin Karşılaştırılması ............................................ 202
Modül Tasarımı ................................................................................................... 202 6.3.6.3.1. Modüllerin Üç Boyutlu Tasarımı .............................................................. 203 6.3.2. Modüllerin Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) ile Modelleme ve Simülasyonu ........................................................................................................... 205 BÖLÜM 7 SU ARITIMINDA MEMBRAN TEKNOLOJİLERİ ................... 217
İsmail Koyuncu, Ayşe Yüksekdağ, Meltem Ağtaş ve Türker Türken
Mikrofiltrasyon ve Ultrafiltrasyon ile İçme Suyu Arıtımı .................. 217 7.1.7.1.1. Genel Bilgiler .................................................................................................... 217 7.1.2. İçme Suyu Arıtımında MF/UF Membranları ile Konvansiyonel Sistemlerin Karşılaştırılması ................................................................................. 218 7.1.3. Su Arıtımında Membran Filtrasyonu Tarihçesi ................................. 220 7.1.4. Membran Tertip Tarzları ............................................................................ 225 7.1.5. Proses Alternatifleri ...................................................................................... 225 7.1.6. Membran Malzemeleri ................................................................................. 233 7.1.7. Membranların Karakteristik Özellikleri ............................................... 236 7.1.8. MF/UF Giderme Mekanizması .................................................................. 236 7.1.9. Su Kalitesi .......................................................................................................... 257 7.1.10. Membran Filtrasyonunda Akış Hidroliği ........................................... 265 7.1.11. Membran Tıkanması .................................................................................. 268 7.1.12. Proses Tasarımı ve Tasarım Kriterleri ............................................... 279
Nanofiltrasyon ve Ters Osmoz (NF/TO) ile İçme Suyu Arıtımı ve ........ 7.2. Desalinasyon Sistemleri .......................................................................................... 294 7.2.1. Genel Bilgiler .................................................................................................... 294 7.2.2. NF/TO Membran Malzemeleri ve Tertip Tarzları ............................ 296 7.2.3. NF/TO Membran Sistemi Bileşenleri ..................................................... 304
Dünya’daki MF/UF ve NF/TO Uygulamaları .......................................... 413 7.3. 7.3.1. Saratoga MF Su Arıtma Tesisi ................................................................... 414 7.3.2. Manitowoc MF Su Arıtma Tesisi .............................................................. 414 7.3.3. Sandhurst Su Arıtma Tesisi ........................................................................ 416 7.3.4. Seekonk UF Su Arıtma Tesisi ..................................................................... 418 7.3.5. Nevada (ABD) Arsenik Giderimi İçin Koagülasyon/Mikrofiltrasyon Tesisi ....................................................................................................................... 419 7.3.6. Bendigo (Avustralya) Su Arıtma Tesisi ................................................. 421
x
7.3.7. Clay Line UF Su Arıtma Tesisi ................................................................... 421 7.3.8. Héricourt en Caux (Fransa) UF Su Arıtma Tesisi .............................. 422 7.3.9. Roetgen (Almanya) UF/NF Su Arıtma Tesisi ...................................... 425 7.3.10. Mery Sur Oise (Fransa) NF Yüzeysel Su Arıtma Tesisi ................. 426 7.3.11. Ashkelon TO Deniz Suyu Arıtma Tesisi .............................................. 428 7.3.12. Al Khafji Güneş Enerjili TO Deniz Suyu Arıtma Tesisi .................. 430 7.3.13. Tampa Bay TO Deniz Suyu Arıtma Tesisi .......................................... 431
Türkiye’deki MF/UF ve NF/TO Uygulamaları ........................................ 433 7.4.7.4.1. Ankara-Çubuk UF İçme Suyu Arıtma Tesisi ........................................ 433 7.4.2. Ankara-Bala (Kesikköprü) UF/TO İçme Suyu Arıtma Tesisi ........ 433 7.4.3. Polatlı NF İçme Suyu Arıtma Tesisi ......................................................... 435 7.4.4. Kırıkkale UF/TO İçme Suyu Arıtma Tesisi ........................................... 436 7.4.5. Samsun-Bafra UF/TO İçme Suyu Arıtma Tesisi ................................. 439 7.4.6. Avşa Deniz Suyu TO Arıtma Tesisi .......................................................... 440 7.4.7. İÇDAŞ Demir Çelik Deniz Suyu TO Arıtma Tesisi .............................. 443
MF/UF ve NF/TO İçin Örnek Sorular ve Çözümleri ............................. 443 7.5. MF/UF ve NF/TO İçin Tasarım Uygulamaları ........................................ 455 7.6.
BÖLÜM 8 PROSES SUYU ARITIMINDA MEMBRAN TEKNOLOJİLERİ .............................................................................................................................. 517
İsmail Koyuncu, Öykü Mutlu Salmanlı ve Türker Türken 8.1. Genel Bilgiler ........................................................................................................ 517 8.2. Proses Suyu Arıtımında Membran Teknolojileri .................................. 517 8.3. Proses Suyu Ham Su Kaynakları ve Uygulanan Akım Şemaları ...... 523 8.3.1. Yeraltı Suyu ....................................................................................................... 523 8.3.2. Yüzey Suyu ........................................................................................................ 526 8.3.3. Arıtılmış Atıksu (Su Geri Kazanımı) ve Deniz Suyu.......................... 529 8.4. Ultra Saf Su Üretimi ........................................................................................... 530 8.4.1. Ters Osmoz (TO)............................................................................................. 530 8.4.2. Nanofiltrasyon (NF) ...................................................................................... 531 8.4.3. Elektrodiyaliz (ED) ve Elektrodeiyonizasyon (EDI) ........................ 532 8.4.4. Çift Geçişli Ters Osmoz................................................................................. 535 8.4.5. Ters Osmoz/ Elektrodeiyonizasyon (TO/EDI) .................................. 536 8.4.6. Membran Distilasyonu (MD) ..................................................................... 536 8.4.7. Membran Kontaktörleri ............................................................................... 537 8.4.8. Membran Kapasitif Deiyonizasyon (MCDI) Teknolojisi ................. 537 8.5. Örnek Uygulamalar ........................................................................................... 540 8.5.1. İskenderun Demir Çelik Fabrikası .......................................................... 540 8.5.2. Bursa Organize Sanayi Bölgesi Proses Suyu Üretimi ..................... 541
xi
8.5.3. Endüstriyel Atıksuların Geri Kazanımında Membran Teknolojilerinin Kullanımı ..................................................................................... 544 8.5.4. İSKİ Uygulamaları .......................................................................................... 544 8.5.5. İSU Uygulamaları ............................................................................................ 545 DİZİN .................................................................................................................. 551
Cilt 2: EVSEL VE ENDÜSTRİYEL ATIKSULARIN ARITILMASI ve GERİ KAZANILMASINDA MEMBRAN TEKNOLOJİLERİ BÖLÜM 9 AEROBİK MEMBRAN BİYOREAKTÖRLER ........................... 557
İsmail Koyuncu, Türker Türken ve Derya Y. Köseoğlu-İmer
9.1. Genel Bilgiler ........................................................................................................ 557 9.2. MBR Sistemlerinin Sınıflandırılması .......................................................... 559 9.2.1. Batık MBR Sistemleri .................................................................................... 559 9.2.2. Harici MBR Sistemleri .................................................................................. 563 9.3. İşletme Parametreleri ve Performansa Etki Eden Faktörler ........... 564 9.3.1. Askıda Katı Madde Konsantrasyonu (AKM) ........................................ 564 9.3.2. Hidrolik Bekletme Süresi (HRT) .............................................................. 566 9.3.3. Çamur Yaşı ........................................................................................................ 567 9.3.4. Organik Yükleme Oranı ................................................................................ 568 9.3.5. Çözünmüş Oksijen .......................................................................................... 569 9.3.6. Oksijen Alım Hızı (OUR) ve Spesifik Oksijen Alım Hızı (SOUR) .. 571 9.3.7. Şok Yüklemelerin Membran Tıkanması Üzerine Etkisi .................. 571 9.4. MBR’lerde Kirlenme Kontrolü ve Önleme Yöntemleri ....................... 574 9.4.1. Ön Arıtma Uygulanması ............................................................................... 576 9.4.2. Fiziksel ve Kimyasal Temizleme Protokolleri .................................... 577 9.5. Membran Biyoreaktör Sistemlerinde Organik Madde ve Nütrient Giderimi (BNR Sistemler) ....................................................................................... 580 9.5.1. Azot Giderimi ................................................................................................... 581 9.5.2. Fosfor Giderimi ............................................................................................... 582 9.5.3. Azot ve Fosfor Giderimini Birlikte Yapan Sistemler ........................ 585 9.6. MBR Sistemlerinin Tasarım Kriterleri ...................................................... 593 9.6.1. Akı ve Membran Alanı .................................................................................. 593 9.6.2. Ön Arıtma Sisteminin Seçimi ..................................................................... 595 9.6.3. Biyokütle Üretim Hızı ................................................................................... 598 9.7. MBR Tasarım Prosedürü ................................................................................. 602 9.7.1. Proses Analizi................................................................................................... 603
xii
9.7.2. Atıksu İçeriği İçin Kritik Noktalar ........................................................... 606 9.7.3. Membran Sistem Tasarımı ......................................................................... 606 9.7.4. MBR Sistemlerinin Tasarım Adımları .................................................... 609 9.7.5. MBR Tasarımı İçin Hesaplama Adımları ............................................... 610 9.7.6. MBR İçin Tasarım Örneği ............................................................................ 641 BÖLÜM 10 ANAEROBİK MEMBRAN BİYOREAKTÖRLER .................. 657
Recep Kaan Dereli, Mustafa Evren Erşahin ve Hale Özgün
10.1. Giriş ....................................................................................................................... 657 10.1.1. Anaerobik Membran Biyoreaktör (AnMBR) Teknolojisinin Esasları ........................................................................................................................... 657 10.1.2. AnMBR Teknolojisinin Tarihsel Gelişimi ........................................... 659 10.1.3. AnMBR Tasarımında Temel Faktörler ve Farklı Reaktör Kombinasyonları ........................................................................................................ 662 10.2. Uygulama Alanları ........................................................................................... 665 10.2.1. Evsel Atıksu Arıtımında AnMBR Uygulamaları ............................... 665 10.2.2. Endüstriyel Atıksu Arıtımında AnMBR Uygulamaları .................. 676 10.3. Fizibilite ............................................................................................................. 697 10.4. Genel Değerlendirme ..................................................................................... 701 BÖLÜM 11 DİNAMİK MEMBRANLAR ....................................................... 715
Mustafa Evren Erşahin, Hale Özgün ve Recep Kaan Dereli
11.1. Giriş ....................................................................................................................... 715 11.2. Dinamik Membran Teknolojisinin Tarihsel Gelişimi ........................ 716 11.3. Dinamik Membran Türleri........................................................................... 718 11.4. Dinamik Membran Tabakası Oluşumu için Kullanılan Malzemeler ............................................................................................................................................ 720 11.5. Destek Malzemeleri ........................................................................................ 722 11.6. Uygulama Alanları ........................................................................................... 723 11.6.1. Fiziksel Sistemlerde Dinamik Membran Uygulamaları ............... 723 11.6.2. Biyolojik Sistemlerde Dinamik Membran Uygulamaları ............. 728 11.7. Genel Değerlendirme ..................................................................................... 742
xiii
BÖLÜM 12 YENİLİKÇİ MEMBRAN BİYOREAKTÖR (MBR) PROSESLERİ ..................................................................................................... 757
İsmail Koyuncu, Halil Hasar, Derya Y. Koseoğlu-İmer, Börte Köse-Mutlu, Murat Eyvaz, Bahar Özbey-Ünal ve Yunus Aksoy
12.1. Yeter Sayı Etkisini Azaltan (Quorum Quenching) Membran Biyoraktör (QQ MBR) Prosesi ............................................................................. 757 12.1.1. Giriş ................................................................................................................... 757 12.1.2. Biyotıkanmayı Önleyici Yeni Bir Yaklaşım: Yeter Sayı Etkisi “Quorum Sensing” ve Yeter Sayı Etkisini Azaltma “Quorum Quenching” Kavramları .................................................................................................................... 759 12.1.3. QQ MBR Uygulama Örnekleri ................................................................. 763 12.1.4. Mantarlı QQ MBR Uygulamaları ............................................................ 773 12.1.5. QQ MBR Teknolojisinin Geleceği ........................................................... 774 12.2. İleri Osmoz (Osmotik) Membran Biyoreaktörler (OsMBR) ........... 775 12.2.1. Giriş ................................................................................................................... 775 12.2.2. OsMBR ile İlgili Temel Bilgiler ............................................................... 776 12.2.3. OsMBR’lerde Karşılaşılan İşletme Zorlukları ................................... 780 12.2.4. OsMBR’lerin Tasarımında Optimize Edilmesi Gereken Parametreler ................................................................................................................ 781 12.3. Membran Distilasyon Biyoreaktörler (MDBR) ................................... 783 12.3.1. Giriş ................................................................................................................... 783 12.3.2. MDBR Prosesi Tertip Tarzı ...................................................................... 785 12.3.3. MDBR ile Atıksu Arıtımı ............................................................................ 788 12.4. Membran Biyofilm Reaktörler (MBfR) ................................................... 789 12.4.1. Giriş ................................................................................................................... 789 12.4.2. Membran Biyofilm Reaktör Çeşitleri ................................................... 791 12.4.3. MBfR Uygulama Alanları .......................................................................... 792 12.4.4. Membran Biyofilm Reaktör Tertip Tarzları ...................................... 795 12.4.5. MBfR Sistemlerinde Membran Tasarımı ............................................ 796 12.5. Ekstraktif Membran Biyoreaktörler (ExMBR) .................................... 799 BÖLÜM 13 GRİ SU ARITIMI ......................................................................... 817
İsmail Koyuncu, Mehmet Emin Paşaoğlu ve Recep Kaya
13.1. Giriş ....................................................................................................................... 817 13.2. Gri Suyun Karakteristikleri ........................................................................ 819 13.2.1. Fiziksel Karakteristikler ........................................................................... 819 13.2.2. Kimyasal Karakteristikler ........................................................................ 821 13.3. Gri Su Kaynakları ............................................................................................. 823
xiv
13.4. Gri Su Kalitesi .................................................................................................... 824 13.5. Gri Suların Arıtımında Kullanılan Teknolojiler ................................... 825 BÖLÜM 14 EVSEL ATIKSULARIN MEMBRAN TEKNOLOJİLER İLE GERİ KAZANIMI .............................................................................................. 853
Derya Y. Köseoğlu-İmer, Serkan Güçlü ve İsmail Koyuncu
14.1. Giriş ....................................................................................................................... 853 14.2. Evsel Atıksuların Geri Kazanımının Önemi .......................................... 855 14.3. Geri Kazanılan Atıksuların Kullanım Alanları ..................................... 862 14.3.1.Tarımsal Sulama Amacıyla Kullanım .................................................... 863 14.3.2. Geri Kazanım Sularının Kentsel İhtiyaç İçin Kullanımı ................ 866 14.3.3. Rekreasyonel Kullanım ............................................................................. 868 14.3.4. Endüstriyel Yeniden Kullanım ............................................................... 870 14.3.5. Geri Kazanım Suyunun Akiferlere Beslenmesi ................................ 872 14.3.6. İnsani Tüketim Amacıyla Kullanım ...................................................... 873 14.4. Evsel Atıksu Geri Kazanımının Tarihçesi ve Mevcut Durum ......... 875 14.4.1. EPA Yönetmeliği ........................................................................................... 876 14.4.2. Dünya Sağlık Teşkilatı (WHO) Yönetmeliği ...................................... 879 14.4.3. Avustralya ....................................................................................................... 882 14.4.4. Avrupa Ülkeleri ............................................................................................ 884 14.4.5. Japonya ............................................................................................................ 884 14.4.6. İsrail .................................................................................................................. 887 14.4.7. Türkiye (SKKY Atıksu Arıtma Tesisleri Teknik Usuller Tebliği, TUT) ................................................................................................................................. 888 14.5. Evsel Atıksuların Geri Kazanımında Membran Teknolojilerinin Kullanımı ........................................................................................................................ 889 14.5.2. Ardışık Kesikli Reaktör (AKR) ve Düşük Basınçlı Membran Prosesi (DBM) Entegrasyonu (AquaMB prosesi) .......................................... 902 14.5.3. Membran Biyoreaktör (MBR) Prosesi ................................................ 903 14.5.4. Evsel Atıksu Ön Arıtma Çıkışı ile Düşük Basınçlı Membranların Birleştirilmesi (IMANS Prosesi) ........................................................................... 906 14.6. Membran Prosesler ile Geri Kazanım Örnek Uygulamaları ........... 907 14.6.1. Dünya’daki Su Geri Kazanımı Örnek Uygulamalar ........................ 907 14.6.2. Türkiye’deki Su Geri Kazanımı Örnek Uygulamaları .................... 933
xv
BÖLÜM 15 ENDÜSTRİYEL ATIKSU ARITILMASINDA VE GERİ KAZANIMINDA MEMBRAN TEKNOLOJİLERİ ......................................... 947
Bülent Keskinler, Ayşegül Derya Altınay ve Bahar Özbey-Ünal
15.1. Tekstil Endüstrisi Atıksu Artımı ve Geri Kazanımı............................ 947 15.1.1. Tekstil Endüstrisi Atıksularının Arıtılması ....................................... 953 15.1.2. Tekstil Atıksuyu Arıtımında Membran Sistemlerinin Uygulamaları ................................................................................................................ 956 15.2. Ağır Metal İçeren Atıksuların Arıtımında Membran Teknolojiler ............................................................................................................................................ 969 15.2.1 Ağır Metaller ve Çevresel Etkileri .......................................................... 969 15.2.2. Endüstriyel Atıksularda Bulunan Ağır Metaller ve Kaynakları 970 15.2.3. Ağır Metallerin Arıtımında Kullanılan Yöntemler.......................... 971 15.2.4. Ağır Metallerin Membran Teknolojiler ile Arıtımı ......................... 973 15.3. Gıda Sektörü Atıksularının Arıtımında Membran Sistemleri ........ 981 15.3.1. Atıksu Özellikleri ......................................................................................... 981 15.3.2. Gıda Endüstirisi Atıksularının Membran Prosesler ile Geri Kazanımı ve Yeniden Kullanımı ........................................................................... 984 15.3.3. Gıda Endüstrisi Atıksularının Arıtımı için Membran Proseslerin Optimizasyonu............................................................................................................. 984 15.3.4. Gıda Endüstrisinde Yerinde Temizlik Çözeltilerinin Geri Kazanımı ........................................................................................................................ 985 15.3.5. Gıda Endüstrisi Atıksuyunda Bulunan Diğer Değerli Bileşenlerin Geri Kazanımı ............................................................................................................... 990 15.3.6. Gıda Endüstrisinde Gerçekleştirilen Örnek Uygulamalar ........... 993 15.4. Sızıntı Sularının Arıtımında Membran Sistemleri ............................. 999 15.4.1. Sızıntı Suyunun Karakterizasyonu ..................................................... 1000 15.4.2. Sızıntı Suları ile I lgili Deşarj Standartları ........................................ 1003 15.4.3. Sızıntı Suyu Arıtma Yöntemleri ........................................................... 1005 15.4.4. Sızıntı Suyu Arıtımında Membran Filtrasyon Prosesleri .......... 1007 15.4.5. Sızıntı Suyu Arıtımında Örnek Membran Uygulamaları ............ 1012 15.5. Deri Endüstrisi ............................................................................................... 1018 15.5.1. Deri Endüstrisi Atıksuları ...................................................................... 1020 15.5.2. Deri Endüstrisi Atıksularının Membran Prosesler ile Arıtılması .......................................................................................................................................... 1021 15.6. Zeytin İşleme Endüstrisi............................................................................. 1028 15.6.1. Zeytin Karasularının Membran Teknolojiler ile Arıtılması ...... 1030 DİZİN ............................................................................................................... 1051
xvi
Cilt 3: MEMBRAN TEKNOLOJİLERİNDE KONSANTRE YÖNETİMİ, MALİYET, İŞLETME ve BAKIM, ENERJİ ÜRETİMİ UYGULAMALARI ve MEMBRAN TERİMLERİ SÖZLÜĞÜ
BÖLÜM 16 MEMBRAN TEKNOLOJİLERİNDE KONSANTRE YÖNETİMİ .......................................................................................................................................... 1057
Börte Köse Mutlu, Derya Yüksel İmer, Alper Yazagan, Bihter Zeytuncu, İzzet Öztürk ve İsmail Koyuncu
16.1. Giriş ..................................................................................................................... 1057 16.2. Konsantre Yönetiminde Konvansiyonel Metotlar ........................... 1060 16.2.1. Yüzeysel Su Kaynaklarına Deşarj ........................................................ 1060 16.2.2. Kanalizasyona Deşarj ............................................................................... 1061 16.2.3. Araziye Verme ............................................................................................. 1063 16.2.4. Buharlaştırma Havuzları ........................................................................ 1064 16.2.5. Derin Kuyu Enjeksiyonu ......................................................................... 1065 16.2.6. Sıfır Sıvı Deşarjı (SSD) ............................................................................. 1066 16.3. Konsantre Yönetiminde Yenilikçi Yöntemler .................................... 1072 16.3.1. Elektrokoagülasyon .................................................................................. 1072 16.3.2. Membran Distilasyonu ve Membran Kristalizasyonu ................ 1074 16.3.3. İleri Osmoz ................................................................................................... 1075 16.3.4. Yüksek Verimli Ters Osmoz (HERO) ................................................. 1076 16.3.5. Elektrodiyaliz (ED), Ters Elektrodiyaliz (EDR/TED) ve ........... 1077 Elektrodiyaliz Metatezi (EDM) Prosesleri ..................................................... 1077 16.3.6. Kapasitif İyon Giderimi (CDI) ............................................................... 1079 16.3.7. İleri Oksidasyon Prosesleri .................................................................... 1081 16.3.8. İki Kademeli TO Sistemlerinde Birinci Kademe Konsantresi Arıtma Yöntemleri ................................................................................................... 1083 16.3.9. Diğer Yenilikçi Teknolojiler ................................................................... 1084 16.3.10. Yenilikçi Teknolojilerin Karşılaştırılması ..................................... 1086 16.4. Konsantre Yönetimi ile İlgili Mevzuat .................................................. 1087 16.4.1. Yasal Çerçeveler Hazırlanırken Tercih Edilen Yaklaşımlar ..... 1087 16.4.2. Avrupa Birliği Tarafından Hazırlanan Yasal Çerçeveler ............ 1095 16.4.3. Dünya Bankası Talimatları .................................................................... 1097 16.4.4. Amerika Birleşik Devletleri (ABD) Tarafından Hazırlanan Yasal Çerçeveler .................................................................................................................... 1098 16.4.5. İsrail Tarafından Hazırlanan Yasal Çerçeveler .............................. 1102 16.4.6. Avusturalya’daki Yasal Düzenlemeler .............................................. 1106 16.4.7. Genel Değerlendirme ............................................................................... 1108 16.5. Konsantre Deşarj Maliyetleri ve Maliyetlerin Yönetimi ................ 1109
xvii
16.5.1. Yüzeysel Sulara Deşarj ve Maliyetleri ............................................... 1110 16.5.2. Kanalizasyona Deşarj ve Maliyetleri................................................. 1111 16.5.3. Arazi Verme Uygulamaları ve Maliyetleri ....................................... 1112 16.5.4. Kuyuya Deşarj ve Maliyetleri ............................................................... 1113 16.5.5. Buharlaştırma Havuzları ve Maliyetleri ........................................... 1113 16.5.6. Sıfır Sıvı Deşarjı (SSD) ve Maliyetleri ................................................ 1113 16.5.7. Konsantre Yönetiminde Su Geri Kazanımlarının Maliyete Etkisi .......................................................................................................................................... 1114 16.5.8. Konsantre Yönetiminde Ürün Geri Kazanımlarının Maliyete Etkisi .......................................................................................................................................... 1117 16.6. Konsantre Yönetiminde Çevresel Etki Değerlendirme .................. 1123 16.6.1. Konsantre Deşarjının Çevresel Etkileri ............................................ 1126 16.7. Desalinasyon Tesisleri TO Konsantre Deşarjı Hesaplamaları .... 1132 16.7.1. Konsantre Deşarjlarında Alıcı Ortamda Oluşacak İlk Seyrelmenin “Yoğun Tuzlu Su Deşarjı Hesaplayıcısı-Ters Osmoz (TO) Modülü (Brine Discharge Calculator)” ile Hesaplanması ....................................................... 1135 16.7.2. Maksimum Yükselme Noktasındaki Jetin Minimum Eksenel Seyrelmesinin Hesabı ............................................................................................. 1140 16.7.3. Tuzlu Su Deniz Deşarjında “TO Hesap Modülü” ile İlk Seyrelmenin Hesabı için Örnek Bir Uygulama ............................................. 1141 16.8. Konsantre Yönetimi İçin Örnek Bir Uygulama .................................. 1148 BÖLÜM 17 MEMBRAN TEKNOLOJİLERİNDE MALİYET ................... 1161
İsmail Koyuncu, Sevde Korkut, Türker Türken ve Börte Köse-Mutlu 17.1. Giriş ..................................................................................................................... 1161 17.2. Maliyeti Oluşturan Unsurlar ..................................................................... 1162 17.2.1. İlk Yatırım Maliyetleri (İYM) ................................................................. 1163 17.2.2. İşletme ve Bakım Maliyetleri (İBM) ................................................... 1164 17.2.3. Maliyeti Etkileyen Bazı Faktörler........................................................ 1165 17.2.4. Maliyet Hesaplamalarında Kullanılan Yaklaşımlar ve Modeller .......................................................................................................................................... 1170 17.3. Membran Tesisleri Maliyetleri ................................................................ 1179 17.3.1. Milrofiltrasyon (MF) ve Ultrafiltrasyon (UF) Tesislerinin Maliyetleri ................................................................................................................... 1179 17.3.2. Kuyu Suyu Arıtımı ve Su Yumuşatma İçin Nanofiltrasyon (NF) ve Ters Osmoz (TO) Tesislerinin Maliyetleri ...................................................... 1198 17.3.3. Desalinasyon Amaçlı Ters Osmoz Tesislerinin Maliyetleri ...... 1216 17.3.4. Endüstriyel Atıksu Arıtma Tesislerinin Maliyetleri .................... 1236 17.3.5. Membran Biyoreaktör Tesislerinin Maliyetleri ............................ 1240
xviii
BÖLÜM 18 MEMBRAN TEKNOLOJİLERİNDE İŞLETME VE BAKIM ........................................................................................................................... 1263
İsmail Koyuncu, Türker Türken, Serkan Güçlü ve Recep Kaya 18.1. Mikrofiltrasyon ve Ultrafiltrasyon Sistemlerinde İşletme ve Bakım .......................................................................................................................................... 1263 18.1.1. MF/UF Prosesinin İşletilmesi ............................................................... 1265 18.1.2. Filtrasyon Adımı......................................................................................... 1265 18.1.3. Geri Yıkama Adımı .................................................................................... 1267 18.1.4. Kimyasal Destekli Geri Yıkama (CEB) ............................................... 1269 18.1.5. Yerinde Kimyasal Yıkama Adımı (CIP) ............................................. 1270 18.1.6. MF/UF Sistemlerinin İşletme Parametreleri.................................. 1272 18.1.7. Modül Sağlamlık Testleri ........................................................................ 1273 18.1.8 Mikrofiltrasyon ve Ultrafiltrasyon Sistemleri İşletme ve Bakım Kılavuzu ........................................................................................................................ 1277 18.2. Nanofiltrasyon (NF) ve Ters Osmoz (TO) Sistemlerinin İşletilmesi .......................................................................................................................................... 1293 18.2.1. Veri Analizi ................................................................................................... 1294 18.2.2. Koruyucu Bakım ......................................................................................... 1294 18.2.3. Kapalı İken (Çevrimdışı) (Off-Line) İşletme ................................... 1297 18.2.4. Yüksek Basınçlı Modüllerde Sağlamlık Testleri ........................... 1301 18.2.5. NF/TO Sistemi İle İlgili Sıkça Sorulan Sorular ............................... 1305 18.3. Membran Biyoreaktör (MBR) Sistemlerinde İşletme ve Bakım 1312 18.3.1.Ön Arıtma ....................................................................................................... 1312 18.3.2. Biyolojik Proses .......................................................................................... 1313 18.3.3. İşletme Modlarının Ayarlanması ......................................................... 1314 18.3.4. Havalandırma Sisteminin Ayarlanması ............................................ 1316 18.3.5. Membran Tankının İzlenmesi ve Otomasyon ................................ 1316 18.3.6. Membranların Havalandırılması ......................................................... 1317 18.3.7. Membranların Temizlenmesi ............................................................... 1318 18.4. Membran Otopsisi ........................................................................................ 1323 18.4.1. Membran Otopsisinin Faydaları .......................................................... 1323 18.4.2. Membran Otopsisinde Uygulanan İşlemler .................................... 1325 18.4.3. Ülkemizde Membran Otopsisi Değerlendirmesi ........................... 1327 18.4.4. Membran Otopsisi Uygulama Örnekleri ........................................... 1328
xix
BÖLÜM 19 MEMBRAN TEKNOLOJİLERİNİN ENERJİ ÜRETİMİ UYGULAMALARI .......................................................................................... 1333
İsmail Koyuncu, Mehmet Emin Paşaoğlu, Ergin Taşkan ve Halil Hasar 19.1. Basınç Geciktirmeli Osmoz (PRO) Prosesi .......................................... 1333 19.1.1. PRO Çalışmalarının Tarihçesi ............................................................... 1339 19.1.2 PRO Membranlarındaki Gelişmeler .................................................... 1348 19.1.3. PRO’nun Kısıtları ve Tavsiye Edilen Çözümler .............................. 1349 19.1.4. PRO’nun Enerji Maliyeti .......................................................................... 1358 19.1.5. Pilot Ölçekli PRO Çalışmaları ................................................................ 1359 19.2. Mikrobiyal Yakıt Hücreleri ........................................................................ 1362 19.2.1. Mikrobiyal Yakıt Hücrelerinin Çalışma Prensibi .......................... 1366 19.2.2. Mikrobiyal Yakıt Hücrelerinde Atıksu Arıtımı ............................... 1367 19.2.3. Mikrobiyal Yakıt Hücresinin Maliyet Analizi ................................. 1368 19.2.4. Mikrobiyal Yakıt Hücrelerinde Enerji Transferi ........................... 1372 19.2.5. Proton Değişimli Membranlar (PDM) ............................................... 1376 BÖLÜM 20 MEMBRAN TERİMLERİ SÖZLÜĞÜ .................................... 1393
İsmail Koyuncu, Reyhan Şengür-Taşdemir, Derya Y. Köseoğlu-İmer, Serkan Güçlü, Börte Köse-Mutlu, Türker Türken, Mehmet Emin Paşaoğlu, Recep Kaya, Meltem Ağtaş ve Ayşe Yüksekdağ
DİZİN ............................................................................................................... 1417
xx
Cilt 3
MEMBRAN TEKNOLOJİLERİNDE KONSANTRE YÖNETİMİ,
MALİYET, İŞLETME ve BAKIM, ENERJİ ÜRETİMİ UYGULAMALARI
ve MEMBRAN TERİMLERİ SÖZLÜĞÜ
1056
,
TO D
eniz
Suy
u Ar
ıtma
ve
Kon
sant
re D
eşar
jı Şe
mat
ik Ş
ekli
TO D
eniz
Suy
u Ar
ıtma
ve
Kon
sant
re D
eşar
jı Şe
mat
ik Ş
ekli
(İfh.u
ni-k
arlsr
uhe.d
e, 20
10)
M
embr
an k
onsa
ntre
deş
arjın
ın o
lası
etk
ileri
nin
belir
lenm
esi
için
bilg
isay
ar s
imül
asyo
nlar
ı kul
lanı
labi
lmek
tedi
r.
1057
BÖLÜM 16
MEMBRAN TEKNOLOJİLERİNDE KONSANTRE YÖNETİMİ
Börte Köse Mutlu1, Derya Yüksel İmer1,2, Alper Yazagan1,2, Bihter
Zeytuncu1, İzzet Öztürk1,2 ve İsmail Koyuncu1,2
16.1. Giriş
Membran uygulamalarının fizibilitesini etkileyen en önemli faktör,
konsantre oluşumu, yönetimi ve arıtımıdır. Son yıllarda membran
teknolojilerindeki gelişmeler yüksek hacimde oluşan konsantre
deşarjlarını da beraberinde getirmiş ve giderek artan çevresel
farkındalık ve sıkı yönetmelikler, konsantre yönetimini kaçınılmaz bir
hale getirmiştir. Konsantre yönetimi, hem hiçbir arıtım yapmadan
deşarjı hem de arıtma ve/veya geri kazanım için yapılan teknolojileri
kapsamaktadır. Özellikle arıtmanın yapıldığı durumda membran
proseslerin işletim maliyetinin önemli bir kısmını konsantre giderimi
oluşturmaktadır. Bazı durumlarda membran konsantre yönetimi,
yatırımı yapılacak tesis için alan seçimini de etkilemektedir (Squire,
1997). Literatürde ve uygulamada membran konsantrelerinin bertarafı
ve yönetimi için kullanılan teknolojiler ve yaygın kullanım yüzdeleri
Şekil 16.1’de gösterilmiştir. Bu grafik, 2008 yılında “Desalination and
Water Purification Research and Development” programı kapsamında
yayınlanmış bir rapordan alınmıştır (Şekil 16.1). Bu rapora göre,
desalinasyon tesislerinde membran konsantrelerinin çoğunlukla
yüzeysel sulara deşarj edildiği görülmektedir. Bu yöntem
uygulandığında, uygulama sahasında konsantrede bulunan kirleticilerle
alıcı ortamın kirlenmesi ve yüksek kirlilik nedeniyle alıcı ortamdaki
çözünmüş oksijen değerinin azalması söz konusu olmaktadır. İkinci
sırada ise konsantre akımının kanalizasyona deşarjı vardır. Bu
yöntemde, nihai arıtımın yapıldığı evsel atıksu arıtma tesisinde kirlilik
1 Prof. Dr. Dincer Topacık Ulusal Membran Teknolojileri Uyg-Ar Merkezi, İTÜ 2 İnşaat Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, İTÜ
1058
ve tuz yükü artmaktadır. Fakat bu yöntem konsantrenin seyreltilmesi
için alıcı ortama direkt deşarjından daha iyi bir yöntem olarak
düşünülmektedir.
Desalinasyon tesislerindeki membran prosesler sonucu açığa çıkan
konsantre akımlar, kentsel atıksu arıtma tesislerinde arıtımdan sonra
yeraltı suyuna enjeksiyon, araziye serme ve evaporasyon seçenekleriyle
de yönetilmektedir. Konsantre akımında problem yaşanan sektörlerden
olan endüstriyel atıksuların membran ile arıtımı sonucu oluşan
membran konsantrelerinin yönetiminde ise evaporasyon dışındaki diğer
teknolojilerin yaygın olarak kullanılmadığı görülmektedir (Subramani
ve Jacangelo, 2014). Endüstriyel uygulamalarda sıfır sıvı deşarjı
yaklaşımı ile yapılan membran konsantre arıtımı/yönetimi
çalışmalarında, membran prosesler (basınç sürücülü ve elektrik
potansiyeli sürücülü) ile termal temelli konsantre giderim
yöntemlerinin bir arada kullanıldığı görülmektedir.
Şekil 16.1 Desalinasyon tesislerinde uygulanan konsantre yönetim
metotları (Mickley, 2008a)
1059
Mekanik ya da doğal termal temelli konsantre giderme yöntemi,
buharlaşma prosesini içermektedir. Mekanik evaporasyon, diğer bir
deyişle ısıtılarak gerçekleştirilen evaporasyon konsantredeki suyu,
kondense ederek su buharına ve yan ürün olarak ıslak tuza
çevirmektedir. Doğal buharlaştırma prosesi ise sadece buharlaştırma
havuzlarından oluşmaktadır. Evaporasyon prosesleri, enerjiyi yoğun
kullanan proseslerdir ve bu nedenle enerji ihtiyacını düşürmeyi
amaçlayan çok etkili buhar yoğunlaştırıcı sistemlerin geliştirilmesine ve
uygulamasına neden olmuştur. Fakat daha az enerji sarfiyatı olan
evaporasyon sistemlerine gereksinim hala sürmektedir. Buharlaştırma
havuzları mekanik evaporasyona göre daha düşük maliyetli olmalarına
ve daha az ekipman kullanılıyor olmasına rağmen, yüksek alan
gereksinimi söz konusudur ve gerçek ölçekli uygulaması olmadığı için
proses maliyeti henüz net olarak belirlenmemiştir
Konsantre yönetiminde en düşük paya sahip geri dönüşüm/tekrar
kullanım, özellikle endüstriyel atıksularda uygulanması gereken
yöntemlerdir. Konsantredeki değerli maddelerin geri kazanımı veya
suyun yeniden kullanımı amacıyla membran temelli ve termal temelli
sistemlerin hibrit tertip tarzları uygulanmaktadır ve besleme suyunun
%99’unun geri kazanılması mümkün olabilmektedir (Subramani ve
Jacangelo, 2014).
Literatürde sunulan çalışmalar ve gerçek ölçekli sistemlerde gözlenen
sonuçlar, yukarıda özetlenen yöntemlerin özellikle desalinasyon
tesisleri özelinde geliştirildikleri, uygulandıkları ve bazılarının membran
konsantresi arıtımı/yönetiminde başarılı olduğunu, fakat uzun süreli
işletimi mümkün ve düşük maliyetli teknolojilerin geliştirilmesi için
çalışmalar yapılması gerektiğini göstermektedir. Bu bölümde konsantre
yönetiminde kullanılan konvansiyonel ve yenilikçi metotlar ayrıntıları
ile açıklanacaktır. Ardından, konsantre yönetimi ile ilgili yasal
düzenlemelerden ve uygulama maliyetlerinden bahsedilecek ve bir
uygulama örneği ile bölüm tamamlanacaktır.
1060
16.2. Konsantre Yönetiminde Konvansiyonel Metotlar
Mevcut membran konsantre bertaraf teknikleri, tuzlu veya tatlı yüzeysel
sulara deşarj, kanalizasyona deşarj, arazi uygulamaları ve sulama, derin
kuyu enjeksiyonları, buharlaştırma havuzları, mekanik buharlaşma,
arıtılmış atıksu veya soğutma suları ile karıştırılmış deşarj ve çoğunlukla
Ar-Ge ve pilot uygulamalar aşamasında olan diğer yeni tekniklerdir
(Mackey, 2006). Bu bölümde konvansiyonel teknikler detaylı olarak
açıklanmıştır. Geliştirilmekte olan yeni konsantre bertaraf
tekniklerinden bazıları ise aşağıda sunulmuştur:
Membran distilasyon ve/veya evaporasyon ile membran
konsantrelerinde hacim azaltılması ve temiz su elde edilmesi
İleri osmoz (İO) ve İO hibrit prosesleri
Elektrodiyaliz esaslı prosesler
Konsantrelerin kimyasal ve/veya biyolojik yöntemlerle ön
arıtılması ve sonrasında tekrar membran proseslerinde
konsantre edilmesi
Yüksek tuz konsantrasyonlarında çalışan ve yeterli miktarlarda
akı üreten membranların geliştirilmesi
Sıfır sıvı deşarjı konseptiyle kristalizasyon ve tuz eldesi
Araştırma aşamasında olan diğer teknolojiler
16.2.1. Yüzeysel Su Kaynaklarına Deşarj
En düşük maliyete sahip metot oluşu ve birçok fabrikanın yüzey su
kaynaklarına daha yakın olmasından dolayı membran konsantrelerinin
yüzeysel su kaynaklarına deşarjı en çok kullanılan yöntemdir. Bu
yöntemde, konsantre direkt olarak nehirler, dereler, göller, okyanuslar,
koylar ve diğer su kütleleri içine deşarj edilmektedir (Lattemann ve
Höpner, 2008). Konsantre akımı, tahliye yapısı aracılığıyla alıcı ortama
bertaraf edilmek üzere boru hattından sevk edilmektedir. Nihai bertaraf,
yüzeysel su kaynaklarına konsantre deşarjının çevresel etkileri göz
önünde bulundurularak deşarj öncesi konsantrenin seyreltilmesiyle
1061
yapılmaktadır. Ayrıca, ön işlemler de dikkate alınmalıdır. Doğrudan bir
konsantre deşarjı izni için birincil kriter, karışım bölgesi sınırında akut
toksisiteden kaçınmaktır (Ladewig ve Asquith, 2012).
Atıksu bertarafı için bir su kütlesinin bulunması, desalinasyon (tuzdan
arındırma) tesisinin kurulması için büyük önem taşımaktadır. Uygun bir
su kütlesi olsa bile, çevresel etkiyi azaltmak için tahliye deşarj yapısının
tasarlanması ve yerleştirilmesi gerekmektedir. Bu nedenle,
konsantrenin alıcı ortam özelliklerine dayalı karışım ve seyreltme
derecesi göz önünde bulundurulmalıdır. Deşarjı takiben konsantrenin
davranışı, tuzluluk, yoğunluk ve akış hızının yanı sıra, alıcı ortamın
hidrografik ve biyolojik özellikleri ile belirlenmektedir. Bunlar arasında,
derinlik, hacim, sıcaklık, su bileşimi ve ayrıca okyanus çıkışları, gelgitler,
dalgalar ve akıntılar da bulunmaktadır. Bu koşullardaki farklılıklardan
dolayı, her alıcı ortam farklıdır ve bu nedenle, daha deşarj oluşmadan
spesifik koşullar ve etkiler duruma göre belirlenmelidir. Karışımı ve
seyreltmeyi belirleyecek belki de en belirgin özellik, konsantrenin
yoğunluğudur. Ayrıca, başka herhangi bir yerel desalinasyonun veya
atıksu deşarjının varlığı da alıcı ortamın tuzluluğunu arttırabilir veya
kalitesini düşürebilir (Kenna ve Zander, 2000). Yüzeysel su
kaynaklarına deşarj uygulamaları ile ilgili örnek görseller Şekil 16.2 ve
Şekil 16.3’te görülebilir.
16.2.2. Kanalizasyona Deşarj
Bir başka bertaraf yöntemi ve belki de en popüler olanı, konsantrenin
kanalizasyon sistemi veya doğrudan bir boru hattı vasıtasıyla yerel
atıksu arıtma tesisine verilmesidir. Bu yöntemle, membran konsantresi
direkt olarak kanalizasyon şebekesine deşarj edilmektedir. Konsantre,
kanalizasyon akışıyla harmanlanabilir ve böylece toplam çözünmüş katı
madde konsantrasyonu ve diğer kirleticiler azaltılabilir (Brandhuber,
2007).
1062
En yaygın metot olmasının başlıca sebebi, uygulaması kolay ve düşük
maliyetli oluşudur. Bu seçenek, en yakın atıksu arıtma tesisi ile sadece
yerel bir izin veya sözleşme gerektirmektedir ve böylece atıksu
tesisinde işletme problemleri riski azaltılırken, yerel atıksu arıtma
tesisinin kendi atık izin şartlarının ihlal riskini de azaltmaktadır (Kenna
ve Zander, 2000). Bu gibi izinler veya anlaşmalar genellikle, bireysel
tesislerin ön arıtma gerekliliklerine tabi olduğu gibi devlet kurumları
tarafından belirlenen bazı özel yönergelere de tabidirler. Eğer konsantre
akımı, atıksu arıtma tesisindeki biyokütle için toksik etki oluşturmaz ve
durultucuyu olumsuz bir şekilde etkilemezse veya nihai atık bertarafını
sınırlamaz ise membran konsantrelerinin yerel atıksu arıtma tesislerine
deşarjı uygundur. TO konsantreleri gibi bazı konsantrelerin aşındırıcı
özellikleri, bu deşarjların yönetiminde önem teşkil etmektedir. Toplam
çözünmeyen katı madde seviyeleri, pH aralığı, ağır metaller ve
korozyona neden olan bileşenlere sınırlamalar getirilebilir (Reiss ve
Vergara 2003).
Şekil 16.2 Açık denize borular vasıtası ile konsantre deşarjı (sol)
(WaterReuse, 2015a) ve bu tarz bir borulama sisteminin itme tekniği ile
inşaa edilmesi (sağ) (Lokiec, 2013)
1063
Şekil 16.3 Hadera Desalinasyon Tesisi’nin yakın kıyı deşarjı (Mickley ve
Voutckov, 2015)
Konsantrenin çevreye tahliye etmeden önce bir yerel atıksu arıtma
tesisine deşarjı herhangi bir işlem yapılmaksızın doğrudan çevreye
boşaltmaktan daha güvenli bir alternatiftir. Diğer yandan, doğrudan
atıksu deşarjını bir atıksu tesisine verip, ardından yüzey suyuna deşarjı
da deneyimleyerek karşılaştıran bazı çalışmalarda, çevresel yükler,
enerji kullanımı ve malzeme kullanımı vb. gibi faktörlere dayanarak
çevresel etkiler için karşılaştırma yapılmıştır. Bazı durumlarda, merkezi
atıksu arıtma tesisine deşarjın çevreye olumsuz etkiye neden olabildiği
de tespit edilmiştir.
16.2.3. Araziye Verme
Araziye verme, yeniden kullanım olarak değerlendirilebilecek bir
bertaraf yöntemidir. Konsantrenin toprağa verilmesi, konsantrenin
arıtılması amacıyla değil, toprağın iyileştirilmesi ya da sulama gibi
yararlı olarak yeniden kullanımı amacıyla da yapılmaktadır. Ekstradan
1064
temiz su kullanmayı gerektirmeyen ve konsantre akımlarının mevcut su
ihtiyacını başarıyla karşıladığı uygulamalar da mevcuttur (Mickley,
2008a).
Saha uygulamalarındaki tipik yöntemler arasında, yağmurlama sulaması
ve infiltrasyon (sızdırma) bulunmaktadır. Konsantre kullanarak
yağmurlama sulamasında çoğu zaman yeraltı suyunun kirlenmesini
önlemek için konsantrenin seyreltilmesi ve düzenleyicilerin kullanılması
gerekmektedir. Genellikle, düşük ekonomik değere sahip ancak yüksek
besin alım kapasitesi olan ve tuzluluğa toleranslı bitkiler gibi ürünler
seçilmektedir. Temel hususlar arasında, konsantre özellikleri, bitki
örtüsü ve halk sağlığı gereksinimleri bulunmaktadır. Yüzey suyuna
karışma ve/veya yeraltı suyuna sızma da uygulayıcıyı ilgilendirmektedir
ve ek izin gerektirebilmektedir. İnfiltrasyon uygulamaları, konsantrenin
toprakta süzülmesine ve yeraltı sularına ulaşmasına izin vermektedir.
Konsantre akımları, kum gibi iyi geçirgen olan topraklara uygulanabilir.
Havzalar, bu uygulama için kullanıldıklarında genellikle sıvıların yatay
taşınımını önlemek için, havza etrafında koruma bölgelerinin bulunması
gerekmektedir. Bu bertaraf yöntemiyle, bitkiler tarafından çok az
konsantre tüketilmekte ve konsantrenin çoğu yeraltı suyuna
ulaşmaktadır (Kenna ve Zander, 2000).
16.2.4. Buharlaştırma Havuzları
Buharlaştırma havuzları, sıcak, kurak iklimler ve buharlaşması yağışdan
daha yüksek olan coğrafi bölgeler için uygun bir bertaraf yöntemidir.
Buharlaşma hızını etkileyen faktörler arasında, rüzgar hızı, barometrik
basınç, hava ve su sıcaklığı ve suyun tuzluluk derecesi bulunur.
Çoğunlukla, buharlaştırma havuzlarının kullanımı için özel bir izin
gerekmemektedir. Havuzların sızdırma yatakları olarak kullanıldığı
durumlarda konsantrenin karşılaması gereken standartlar olabilir
(Mickley, 2006; Brandhuber, 2007).
1065
Buharlaştırma havuzlarının inşa edilmesi kolaydır ve fazla bakım
gerektirmezler. Ayrıca, operatörün dikkat etmesi gereken çok fazla bir
durum yoktur. Yüksek buharlaşma oranları ve düşük arazi maliyetlerine
sahip alanlarda uygun olabilirler. Bununla birlikte, bazı durumlarda
büyük alanlar gerekebilir ve geçirgen olmayan kil katmanları veya
sentetik bir malzeme ile tecrit gerekebilir. Bu durum, inşaat
maliyetlerini arttırmaktadır. Bu teknik, nispeten küçük hacimli
konsantre akımları için uygundur (Mickley, 2008a). Buharlaştırma
havuzlarının kullanımı ile ilgili örnek görseller Şekil 16.4 ve Şekil 16.5’te
verilmektedir.
16.2.5. Derin Kuyu Enjeksiyonu
Konsantre atıklar için bir diğer yöntem ise derin kuyu enjeksiyonudur
(Mackey, 2006). Bu yöntem, sıvı atıkların 305-2440 m’lik derinliklerde
gözenekli yüzey altı kaya oluşumlarına enjekte edilmesini içermektedir
(Beltrán 1999; Masnoon ve Glucina, 2011). Su arıtma tesisi
konsantreleri genellikle birinci sınıf kuyularda imha edilecek şekilde
listelenmiştir. Sınıflandırmalar önemlidir. Birinci sınıf kuyular, ikinci
sınıf kuyulardan daha sıkı yapı ve izleme gerekliliklerine sahiptirler.
Birinci sınıf kuyuların tanımında, bir yeraltı içme suyu kaynağı içeren en
alttaki oluşumun altında ki bir derinliğe enjeksiyon gereksinimi vardır.
Enjeksiyon bölgeleri, enjeksiyon sıvılarının yukarı doğru taşınmasını
önlemek için hidrolojik olarak geçirimsiz bir oluşum ile yeraltındaki
içme suyu kaynaklarından ayrılmalıdır. Bu yöntemle ilgili en önemli
çevresel husus, enjekte edilen sıvının içilebilir su yataklarına karışma
olasılığıdır (Kenna ve Zander, 2000; Mickley, 2008a).
Yetkili kurumlar, her bölgenin benimsediği ve öncelik verdiği atıkların
zemine enjekte edilmesine ilişkin düzenlemeleri ilan etmelidirler.
Kriterler, inşaat, işletme, izleme ve raporlama gereksinimlerini
içermektedir. Derin kuyu enjeksiyonları, genellikle maliyetli bir
yöntemdir. Masraflar, kuyu yapımında ve kapsamlı izleme ihtiyacında
meydana gelmektedir (Mickley, 2006).
1066
Şekil 16.4 Konsantre buharlaştırma havuzları (USGS, 2017)
Şekil 16.5 Buharlaştırma havuzlarında kullanılan mekanik
püskürtücüler (sol) (DriBoss, 2011) ve Teksas’ta yer alan solar
buharlaştırma havuzları (sağ) (Masnoon ve Glucina, 2011)
16.2.6. Sıfır Sıvı Deşarjı (SSD)
Sıfır-sıvı deşarjı (ZeRO Liquid Discharge, ZLD), sıvı atıkların su arıtma
tesisi sınırını dışına çıkmadığı anlamına gelmektedir. Tüm atıksuyun
arıtıldığı ve geri dönüştürüldüğü bir atıksu arıtma prosesi olan bu
yöntem, uygulama döngüsünün sonunda sıfır deşarj bırakmaktadır
(Brandhuber, 2007). Sıfır-sıvı deşarjı, ultrafiltrasyon, ters osmoz,
buharlaştırma/kristalleştirme ve fraksiyonel elektro-iletkenleştirme
tekniklerini içeren gelişmiş bir atıksu arıtma yöntemidir (Reiss ve
1067
Vergara, 2003). Kristalleştiriciler ve sprey kurutucular gibi sıfır deşarj
sistemleri (SSD), NF ve TO konsantrelerini katı bir ürüne indirgemekte
kullanılır.
Bununla birlikte, bu termal sistemlerin maliyeti tipik olarak bir NF veya
TO tesisi maliyetinden çok daha yüksektir. Mevcut sıfır deşarj
proseslerini kullanmak, tesisin konumuna ve büyüklüğüne bağlı olarak
desalinasyon masraflarını üç ile sekiz kata kadar arttıracaktır (Mickley,
2008b). Bu artan maliyetler, pek çok yerde engelleyici unsur olmaktadır.
Bu noktada, buharlaşma havuzları daha düşük maliyetli bir seçenek
olabilir. SSD işlemini, buharlaşma esaslı, membran esaslı ya da ikisinin
bir kombinasyonu olarak düşünmek daha yararlı olabilmektedir. Şekil
16.6, konvansiyonel birinci kademe TO işletiminde geri kazanımları
(solda) ve artan geri kazanım oranları ile ilgili bir dizi geri kazanım
metodunu göstermektedir. En sağda ise hem yüksek geri kazanım hem
de SSD durumları vardır (Mickley, 2008b).
Birinci aşamadaki TO membranlarında geri kazanımlar genellikle %60-
85 aralığı ile sınırlıdır. Besleme hacminin %15-40'ı kadarı gibi bir
konsantre üretilmektedir. Birçok durumda, geri kazanım %70-85
arasında olursa, konsantre atığın miktarı da çok daha az olacaktır.
Konsantre hacmi iki kat azaltılırken (örneğin besleme hacminin
%30'undan %15'e gibi), konsantre tuzluluk oranı da iki kat artacaktır.
Tuzluluktaki bu artış, konsantre ve potansiyel alıcı ortam arasında daha
büyük bir uyuşmazlık ile sonuçlanarak konsantrenin bu seçeneklerle
uzaklaştırılmasının daha da zorlaşmasına neden olabilecektir. Azaltılmış
hacimli tuzlu su, daha küçük bir hacimde tuzlu su veya katılar (veya bir
çamur) üretmek için daha da yoğunlaşmadıkça, üstün olmayacaktır
(Mickley, 2008b.)
16.2.6.1. Konvansiyonel SSD Planlarının Gözden Geçirilmesi
ABD’de yaklaşık 120 endüstriyel atıksu tesisinde SSD tesisi
bulunmaktadır. Endüstriyel SSD teknolojileri, aslında tekil olarak
1068
kullanılan teknolojilerin proses adımları şeklinde sıralanmasıdır. Çeşitli
SSD proses akım şemalarında rutin olarak kullanılan teknolojiler şunları
içermektedir (Mickley, 2006, 2008b):
Termal (buharlaştırıcı) tuzlu su konsantratörleri
Termal (buharlaştırmalı) kristalleştiriciler
TO
Buharlaştırma havuzları
Sprey kurutucular
Kavramsal olarak, SSD proses akım şemaları öncelikle iki türden oluşan
bir dizi işlem adımı içermektedir:
Arıtma öncesi veya arıtma aşamaları: Besleme akımında daha
sonra yüksek verimlerde tuzun arıtılmasına veya belirli tuzların
seçici olarak uzaklaştırılmasına izin verme amaçlı (Bu adımlar
atık katılar veya ürün katıları ve çamur üretir.)
Tuzdan arındırma adımları: Suyu arıtma amaçlı
Proses ve tuzdan arındırma adımları, basitten komplekse doğru çeşitli
şekillerde birbirlerine bağlanabilir. Tipik işleme şemaları, genel arıtma
yaklaşımlarını temsil etmektedir. En tipik akım şemaları şu şekilde
listelenebilir:
Genel Akım Şeması 1: Konvansiyonel SSD tesisleri neredeyse
sadece aşağıdaki iki şemadan birinde termal tuzlu su
konsantratörlerinin kullanılmasını gerektirir:
o Konsantre → ön arıtma prosesi (asgari) → termal tuzlu
su konsantratörü → buharlaştırma havuzu
(standart/geliştirilmiş)
o Konsantre → ön arıtma prosesi (asgari) → termal tuzlu
su konsantratörü → kristalizatör → katılar (mümkün
olabilen çok küçük debili ile)
1069
Genel Akım Şeması 2: Son zamanlarda, yüksek geri kazanımlı TO
sistemleri, termal tuzlu su konsantratörlerine giden çözelti
hacmini azaltmak için kullanılmıştır. Akım şemaları şunları
içerir:
o Konsantre → arıtma prosesi → ikinci kademe TO →
termal tuzlu su konsantratörü → buharlaştırma havuzu
o Konsantre → arıtma prosesi → ikinci kademe TO →
termal tuzlu su konsantratörü→ kristalizatör→ katılar
Genel Akım Şeması 3: Bazı durumlarda, iki aşamalı membran
sistemi, herhangi bir ısıl işleme tabi tutulmadan tek başına
kullanılır:
o Konsantre → arıtma prosesi → ikinci kademe TO →
buharlaştırma havuzu
Genel Akım Şeması 4: Bir başka akım şeması, atıklardan bireysel
tuzların seçici ya da sıralı geri kazanılmasını sağlayabilir.
Kullanılan akım şeması, arıtılan atığa bağlıdır:
o Konsantre → tuz giderimi → ikinci kademe TO → tuz
giderimi → tuzlu su konsantratörü → karışık tuz giderimi
1070
Şekil 16.6 Geri kazanım çeşitleri ve olası bertaraf seçenekleri (Mickley, 2008b)
1071
16.2.6.2. Konvansiyonel SSD Teknolojilerinin Özellikleri
Çoğu konvansiyonel SSD tesisi, birincil desalinasyon basamağı için
mekanik buhar evaporatör teknolojisi kullanmaktadır. Bu teknoloji,
başlangıçtaki suya bağlı olarak düşük tuzluluk kaynaklı atığı veya suları,
yaklaşık 160000-360000 mg/lt toplam çözünmüş madde (TÇM)’ye
kadar olan sıvıları alabilir. Bir besleme suyunun yoğunlaştırılma
derecesi 1) glauberit (sodyum-kalsiyum sülfat), sodyum sülfat veya
sodyum klorür gibi tuzların çökmesinin başlaması veya 2) kabul
edilemeyecek kadar yüksek bir miktarda askıda katı madde seviyesi ile
sınırlandırılabilir. Muhtemel konsantrasyon faktörlerinin teorik aralığı,
yaklaşık 1,67 (besleme tuzluluğu 60000 mg/lt ve üst sınır 160.000
mg/lt) ile 90’dır (besleme tuzluluğu 4000 mg/lt ve üst sınır 360000
mg/lt).
Kapsamlı bir ön konsantratör teorik limiti olan TO ünitesinin
konsantrasyon faktörü, deniz suyu durumunda olduğu gibi osmotik
basınç ile sınırlandırılmıştır. Bu sınıra, doygun bir sodyum klorür ve su
çözeltisi için genellikle 60000-70000 mg/lt'lik bir TÇM seviyesinde
ulaşılmaktadır. TO sistemleri için enerji ihtiyacı, termal buharlaştırma
için gereken enerjiden oldukça düşüktür. Bu nedenle, besleme suyu
önceden TO ile konsantre edildiğinde, daha iyi enerji tasarrufları
sağlanmaktadır. İki aşamalı bir TO arıtımını (yüksek geri kazanımlı bir
TO sistemi) sağlamak için gerekli olan ön arıtmanın uygulanması önemli
olabilir. Bu, yumuşamanın (sertlik gideriminin) gerekli olduğu yüksek
sertlikte sular için özellikle geçerlidir. Bu durumda, kireç yumuşaması
büyük miktarda kimyasal madde gerektirebilir ve büyük miktarda katı
madde üretebilir (Mickley, 2008b).
4546 m3/gün debiye sahip bir sistem için tuzlu su konsantratörleri
tarafından üretilen tuzlu su, tipik olarak besleme seviyesinin %2-10'u ve
dolayısıyla 91-455 m3/gün aralığındadır. Termal evaporatörlerin
beslemesine göre su geri kazanımı %90-99 aralığındadır. Bu tuzlu su,
tipik olarak buharlaşma havuzları, kristalleştiriciler veya püskürtmeli
kurutucular tarafından işlenebilir. Debisi, 10 m3/st veya daha düşük ise
1072
tek bir kristalleştirici kullanılabilir. Tuzlu su debisi 10-30 m3/gün
aralığında ise buharla çalışan bu tür kristalleştiriciler daha ekonomik
olacaktır. Atık buhar mevcutsa, daha ekonomik olacaktır. Daha büyük
sistemlerde, buharlaştırma için normalde ısı sağlamak amacıyla
elektrikle çalışan buhar kompresörleri kullanılır. 55 m3/gün'den daha
küçük kapasitelerde püskürtmeli kurutucular uygulanabilir.
Buharlaştırma işlemleri, besleme tuzluluğuna bağlı olarak tipik olarak
10 mg/lt veya daha az TÇM'ye sahip çok saf bir ürün suyunu
üretmektedir. Sıfır sıvı deşarjı tesislerinin bir çoğunda enerji santralleri
vardır ve nihai bertaraf, tesis bünyesindeki tek kullanımlık buharlaşma
havuzları vasıtasıyla sağlanabilir. Sıfır deşarjlı bir tesis ile bağlantılı
buharlaşma havuzunun düzgün tasarımı, havuzun tesis ömrü boyunca
çökelen katıların birikimine imkan verecek derinliğe sahip olmalıdır
(Mickley, 2008b).
16.3. Konsantre Yönetiminde Yenilikçi Yöntemler
Konvansiyonel yaklaşımların yanı sıra, nispeten daha yenilikçi ve hacim
azaltma vb. gibi hedefleri olan çeşitli konsantre yönetimi tekniği ve
teknolojisi bulunmaktadır. Bu bölümde, en yaygın kullanılan yenilikçi
yöntemler hakkında özet bilgiler ve örnekler verilmiştir.
16.3.1. Elektrokoagülasyon
Elektrokoagülasyon, ters osmoz konsantresinden çift değerlikli iyonları
ve metalleri ayırmada kullanılan alternatif yöntemlerden biridir.
Elektrokoagülasyon sonrasına ikinci bir ters osmoz kademesi
yerleştirildiği takdirde toplam su kazanım oranı %93 ve üzerine kadar
çıkmaktadır (Subramani ve diğ., 2012a). Yöntem, konsantredeki
baryum, kalsiyum, mağnezyum, stronsiyum ve silikanın gideriminde
%90 üzerinde verime sahiptir. Elektrokoagülasyon, uzun yıllardır
piyasada olan bir proses olmasına karşın tasarım ve ekipman
geliştirmeleri ile ancak son yıllarda ekonomik ve büyük hacimlerde
1073
uygulanabilir hale gelmiştir. Şekil 16.7’de ters osmoz çıkışındaki
konsantre akımı için kurulmuş bir elektrokoagülasyon ünitesi
görülmektedir.
Şekil 16.7 Konsantre akımında yer alan elektrokoagülasyon ünitesi
(Den ve Wang, 2008)
Elektrokoagülasyon flokları, daha az su tutmakta ve filtrelenebilirlikleri
daha yüksek olmaktadır. Ayrıca, farklı kirleticilerin yüksek oranlarda tek
bir prosesle giderilebilmesi elektrokoagülasyonun en önemli
üstünlüklerindendir. Elektrokoagülasyon ile üretilen çamurun pH değeri
6-7 civarında olmaktadır ve bu pH değerlerinde çamurdaki metaller
stabil formda olduğu için elektrokoagülasyon çamuru çevre dostu olarak
tanımlanabilir. Elektrokoagülasyon için henüz bir standart reaktör
tasarımı bulunmamaktadır ve prosesin geçmişine baktığımızda yüksek
enerji maliyeti sebebi ile tercih edilmediği durumların olduğu
görülmektedir. Bununla beraber, güncel tasarımlar ve geliştirmelerle
enerji maliyeti günümüzde eski değerlere göre nispeten daha düşüktür
ve 454 m3/st’lik debilere kadar uygulamaları yapıldığı görülmektedir
(DIBR, 2012).
1074
16.3.2. Membran Distilasyonu ve Membran Kristalizasyonu
Membran distilasyonu, konsantre arıtımında da kullanmak için üzerinde
çalışmalar yapılan alternatif proseslerden biridir. Membran
distilasyonunun çeşitli versiyonları olmakla beraber desalinasyona en
uygun olanı direkt temaslı membran distilasyonu prosesidir. Yapılan bir
çalışmada, 15 mS/cm iletkenliğindeki bir TO konsantresi arıtımında
direkt temaslı membran distilasyonu, bir kristalizatör ile kullanıldığında
3-5 lt/m2.st akıda toplam %95 su geri kazanım oranı yakalanmıştır
(Tun ve Groth, 2011). Başka bir çalışmada ise 100000 mg/lt toplam katı
madde (TKM) değerine sahip olan konsantresi için, çok tercih edilen
direkt temaslı membran distilasyonu prosesi yerine 4 kademeli vakum
etkili membran distilasyonu sistemi kullanılmış ve 5,2 lt/m2.st akı
kaydedilmiştir. Bu akı, direkt temaslı membran distilasyonu
sistemlerinde tipik olarak elde edilen akı değerlerine göre nispeten daha
az olsa da atık ısının tekrar kullanımı sebebiyle sistem daha az enerji
harcamıştır (Janson ve diğ., 2012). Şekil 16.8’de 4 kademeli bir
membran distilasyonu sistemi akım diyagramı verilmiştir.
Membran distilasyonu, konvansiyonel distilasyondan daha az ısıya
ihtiyaç duyduğu (genellikle 700C ve altında) için caziptir (Macedonio ve
diğ., 2012). Ayrıca solar enerji, jeotermal enerji ve atık ısı gibi düşük
seviyeli ısı kaynaklarıyla da kullanılabilir (Susanto, 2011). Membran
distilasyonu prosesi, konsantrasyon polarizasyonundan da çok az
etkilenmektedir ve yüksek tuzluluğa sahip konsantreler ile
beslenebilmektedir.
Genel konsept olarak membran kristalizasyonu, kristalize olabilen ve
uçucu olmayan çözüneni olan bir çözeltinin gözenekli bir membran
vasıtasıyla süzülmesidir. Membran polimerik ya da inorganik
malzemeden veya bunların ikisini de içeren kompozit bir malzemeden
yapılmış olabilir. Modül tipi olarak, içi boşluklu fiber ya da düz plaka
membran da tercih edilebilir. Membran kristalizasyonu için ısı ve kütle
transferi modelleri ve detaylı ilişkileri, membran distilasyonu ve
osmotik distilizasyon ile aynı konseptleri kullanarak açıklanabilir. Genel
1075
bir tanım olarak ısı ve kütle transferi, sadece sistem termodinamik
dengede değil iken gerçekleşmektedir (Di Profio ve diğ., 2017).
Şekil 16.8 Membran distilasyonu (Subramani ve Jacangelo, 2014)
16.3.3. İleri Osmoz
Konsantre yönetiminde tercih edilebilecek bir diğer metot, ileri osmoz
prosesidir. İleri osmoz prosesi, konsantre arıtımı metotları arasında
basınç sürücüsü için enerji gerektirmemesi ile üstündür. Ayrıca ileri
osmoz, 70000 mg/lt TKM değerlerine kadar kullanılabilmektedir. Bu
durum bu prosesi TO konsantre arıtımı için uygun kılmaktadır. Ters
osmoz ile beraber kullanıldığında toplam geri kazanım oranı %90
seviyesindedir. Ayrıca basınç sürücülü membranlara göre daha yavaş ve
geri döndürülebilir tıkanma eğilimi göstermektedir (Hancock, 2013;
Achilli ve diğ., 2009).
İleri osmoz prosesinin konsantre arıtımında kullanılmasındaki
uygulama zorlukları ise proses akısının genellikle istenenden düşük
olması ve konsantrasyon polarizasyonu oluşmasıdır. Günümüzde, ileri
osmoz prosesindeki hidrolik tertip tarzlarının konsantrasyon
polarizasyonunu minimize edecek şekilde geliştirilmesi gerekmektedir.
1076
Bazı laboratuvar ölçekli çalışmardan örnek vermek gerekirse, 5-6 M
fruktoz çekme çözeltisi ile arıtılan 1-2 M NaCI konsantresinde 18 saatte
%76 su geri kazanım oranı yakalanmıştır. Söz konusu çalışmada, selüloz
asetat membranlar kullanılmış olup 8,2 lt/m2.st başlangıç akısı
kaydedilmiştir (Tang ve Ng, 2008). Başka bir çalışmada ise 70000 mg/lt
TKM değerine sahip konsantre ileri osmoz arıtımı ile 225000 mg/lt TKM
değerine sahip konsantre elde edilmiştir. Ortalama sistem geri kazanımı
%60 ve su akısı 2-4 lt/m2.st olarak elde edilmiştir (Hancock, 2013). Şekil
16.9’da ileri osmoz sisteminin akım şeması verilmektedir.
Şekil 16.5 İleri osmoz prosesi (Subramani ve Jacangelo, 2014)
16.3.4. Yüksek Verimli Ters Osmoz (HERO)
Nispeten daha yeni duyulmaya başlanılmış yüksek verimli ters osmoz
(HERO) prosesi ile konsantreden %90-95 oranlarında geri kazanım
gerçekleştirilmesi mümkündür. Bazı çalışmalarda %98 gibi çok yüksek
bir geri kazanım oranı da yakalanmıştır. HERO prosesi yeni geliştirilmiş
bir proses olup, hala laboratuvar, pilot ölçekli çalışmaları
sürdürülmektedir ve henüz tam ölçekli bir örneği yoktur. Tam ölçekli
olarak uygulanabilmesi için ise en başta çok yüksek olan yatırım
maliyetinin düşürülmesi gerekmektedir. Şekil 16.10’da prosesin akım
şeması sunulmaktadır.
1077
Şekil 16.10 Yüksek verimli ters ozmos prosesi (Mukhopadhyay, 1999)
HERO prosesinin üstünlükleri yüksek silika değerlerine sahip
konsantrelere uygulanabilmesi, az yer ihtiyacı olması ve yüksek geri
kazanım oranıdır. Kısıtları ise TKM’ye dayalı verim limiti, yüksek ilk
yatırım ve işletme maliyeti, işletme için nitelikli eleman ihtiyacı ,
kompleks bir sistem oluşu ve yüksek kimyasal malzeme ihtiyacı olarak
sıralanabilir (Cob ve diğ., 2012).
16.3.5. Elektrodiyaliz (ED), Ters Elektrodiyaliz (EDR/TED) ve
Elektrodiyaliz Metatezi (EDM) Prosesleri
Elektrodiyaliz (ED), iyonların iyon seçici membran içerisinde elektrik
alan etkisi ile oluşan hareket prensipli membran temelli bir ayırma
prosesidir. Yapılan çalışmalara göre iletkenliği 3,90 ile 4,14 mS/cm
değerleri arasındaki TO konsantresi arıtımında toplam %97,5 su geri
kazanım oranına ulaşılabilmektedir (Zhang ve diğ., 2012). TO
konsantresi arıtımında ED’yi kullanmanın en büyük mahsurlarından biri
ise az çözünen tuzların ED performansını kısıtlamasıdır. Şekil 16.11’de
ED prosesinin akım şeması verilmektedir.
1078
Şekil 16.11 Elektrodiyaliz prosesi (Korngold, 2009)
Ters elektroliz prosesi (EDR) ise ED teknolojisinin modifikasyonu ile
geliştirilmiştir. Ters elektrodiyaliz, normal elektrodiyaliz prosesine
benzemektedir. Ancak düz akım voltajı saatte 3-4 defa tersine çevrilerek
ölçeklendirme potansiyeli düşürülmektedir. Akımın yönünün
değiştirilmesi ile membranlar kendilerini temizlemektedirler. TKM
konsantrasyonu 1500 ppm’den düşük olduğunda EDR’nin enerji
tüketimi TO’dan düşük olabilmektedir (Tanaka, 2015). Şekil 16.12’de
EDR prosesinin akım şeması verilmektedir.
Şekil 16.12 Ters osmoz sistemine entegre EDR prosesi (Reahl, 2006)
1079
Elektrodiyaliz Metatezi (EDM) prosesi de ED prosesinin bir
modifikasyonudur. Bu proseste, her hücrede dört adet iyon değişimi
membranı bulunmaktadır. ED’nin aksine dört adet çözelti bölümü ve
dört membran vardır. Bu membranlar, anyon değişimi membranı ile
katyon değişimi membranı ve tek değerlikli anyon seçici membran ile
tek değerlikli katyon seçici membrandır. Bu tertip tarzından iki akım
çıkmaktadır. Sodyumla anyonların olduğu çözelti ve klorürle
katyonların olduğu bir diğer çözelti (Bond ve diğ., 2011). EDM sistemi
yüksek CaSO4 ve CaCO3 kapasitesi sayesinde TO konsantresinde
uygulanma potansiyeline sahiptir. 16.000 mg/lt TKM değerine sahip
ters osmoz konsantresi ile yapılan bir çalışmada %99 üzerinde geri
kazanım oranı yakalanmıştır (Butterworth ve Davis, 1989). TKM 5000
mg/lt’den düşük olduğunda, EDM ekonomik olarak uygun olmaktadır.
TKM 15000 mg/lt’den yüksek değerlerde olduğunda ise termal
prosesler daha ekonomik olmaktadır. CaSO4’ün aşırı doygun olduğu TO
konsantreleri söz konusu olduğunda EDM gelecek vaat eden bir
teknolojidir. Ardından evaporasyon havuzu uygulaması ile EDM sıfır sıvı
deşarjını mümkün kılan bir teknolojidir. ED ve EDR ile kıyaslandığında
daha yüksek su geri kazanım oranı yakalanmaktadır. Ancak bununla
birlikte henüz sadece laboratuvar ve pilot ölçekli çalışmalar yapılmıştır
ve ilk yatırım maliyeti daha yüksektir. Şekil 16.13’te EDM prosesinin
akım şeması verilmektedir.
16.3.6. Kapasitif İyon Giderimi (CDI)
Kapasitif iyon giderimi (CDI), düşük voltaj ve basınçta çalışan
elektrostatik bir prosestir. Bu proses, çözünmüş iyonların çözeltiden
giderimi için kullanılmaktadır. Çözelti, gözenekli ve elektrotlu bir
yapıdan geçmekte ve bu geçiş esnasında oluşturulan elektriksel alan
(1,2 V) vasıtasıyla iyonlar zıt yüklü elektrota gitmektedirler. Geride
sadece deiyonize su kalmaktadır. Belli bir süre sonra elektrotlar
iyonlara doygun hale gelmekte ve elektrik alanın sıfırlanması ile
rejenere edilmektedirler. Sisteme verilen elektriğin kesilmesi ile
elektrotlar tarafından tutulan iyonlar salınıp sistemden çıkmaktadırlar.
1080
Şekil 16.13 Ters osmoz/EDM tertip tarzı (Bond ve Veerapaneni., 2007)
CDI prosesinin verimi, elektrotların yüzey özelliklerine ve adsorpsiyon
özelliklerine bağlıdır. CDI’nin enerji verimliliği, diğer tuz giderimi
yöntemlerinden (örneğin, ters osmoz) daha yüksektir. Ancak bununla
birlikte geri kazanım oranı daha düşüktür. Tuzlu su ile yapılan
uygulamalarda geri kazanım oranı %70 civarıdır. Şekil 16.14’te CDI
prosesini açıklayan bir şematik gösterim yer almaktadır.
Kapasitif iyon giderim yönteminin üstünlükleri, düşük enerji tüketimi,
elektrotların rejenerasyonunda kimyasal ihtiyacı olmaması ve geri
kazanım oranının silika miktarından bağımsız olması olarak
gösterilebilir. Kısıtları ise yöntemin hala geliştirilme aşamasında olması
ve konvansiyonel sistemlerden daha az su kazancı sağlamasıdır
(Mickley, 2008a).
1081
Şekil 16.14 a) CDI arıtımı ve b) konsantre çıkışı (Masnoon ve Glucina,
2011)
16.3.7. İleri Oksidasyon Prosesleri
İleri oksidasyon prosesleri, son yıllarda TO konsantresindeki organik
yükü azaltmak için kullanılmaktadır. Atıksu arıtım tesislerinin
konsantresinde 1 kDa’dan küçük boyutlarda hümik parçacıklar, fulvik
asitler ve çözünebilir organik mikrobiyal ürünler bulunmaktadır. Bu
parçacıkların giderimi çözünmüş organik maddeyi gidermenin
anahtarıdır (Zhou ve diğ., 2012). Tek başına ozon kullanımı toplam
organik madde (TOM)’yi %22 gidermektedir. Ozon, UV ve titanyum
dioksit ile kombine edildiğinde ise kolaylıkla %52’lere varan toplam
organik madde giderim oranlarına ulaşılabilmektedir.
1082
Asidik koşullarda UV ve H2O2 kombinasyonu daha hızlı sonuç vermekte
ve tuzluluktan da etkilenmemektedir (Liu ve diğ., 2012). TiO2 ile yapılan
bir çalışmada 1 saatlik temas sonunda TOM’nin %30’unun giderildiği
saptanmıştır. Ayrıca, bu oran katalizör dozlandığında daha da
artmaktadır (Dialynas ve diğ., 2008). Söz konusu TO konsantresi
olduğunda ise elektrokimyasal oksidasyon, ileri oksidasyon
yöntemlerinin en etkililerinden biridir. Yüksek tuz konsantrasyonu ile
TO konsantresi çok iyi iletkenlik göstermekte ve bu proses için gerekli
olan enerji tüketimini düşürmektedir (Pérez ve diğ., 2012). Bahsi geçen
tüm bu çalışmalar TO konsantresindeki organik madde yükünü
düşürmek için yapılmaktadır ve ileri oksidasyon proseslerinin
konsantre arıtımında süren çalışmaları bu yönde olmaktadır. Tablo
16.1’de konsantre akımına uygulanan ileri oksidasyon prosesleri
özetlenmiştir.
Tablo 16.1 Konsantre akımına uygulanan ileri oksidasyon prosesleri
(Zhou ve diğ., 2012)
İO tekniği Kimyasal proses Amaç
Fotokataliz
TiO2+hv→e-+h+ TOK giderimi
h++H2O→HO.+H+
Koagülasyon ön
arıtımıyla TOK
giderimi
Foto
oksidasyon H2O2+hv→2HO. TOK giderimi
Sonik
parçalama
H2O+)))→H++HO.
2HO.→H2O2 TOK giderimi
Elektro
oksidasyon H2O+anot→anot[HO.]ads+H++e-
KOİ giderimi; TOK,
farmasotik ve pestisit
oksidasyonu
Ozon O3→HO. TOK ve beta-bloker
molekülü giderimi
Fenton Fe2++H2O2→Fe3++OH-+HO. TOK giderimi
1083
16.3.8. İki Kademeli TO Sistemlerinde Birinci Kademe Konsantresi
Arıtma Yöntemleri
16.3.8.1. İki Kademeli TO Sistemlerinde Birinci Kademe
Konsantresi Kimyasal Arıtma Yöntemleri
Birinci aşama ters osmoz konsantre hattı üzerine yerleştirilen kimyasal
yumuşatma üniteleri ile ikinci ters osmoz ünitesi çok daha verimli
çalışmaktadır. Ara arıtmanın giderme performansına etkisini inceleyen
bir çalışmada, birinci TO ünitesi çıkışına kireç yumuşatma uygulayarak
su geri kazanımında %95 verim artışı elde edilmiştir (Gabelich ve diğ.,
2007). Kalsiyum, CaCO3 olarak, silika ve metaller ise çöktürme ile
ayrılmıştır. Bir başka teknik ise hızlandırılmış çöktürmedir. Bu metotta,
sertlik veren iyonların çökelmesini hızlandırmak için bazı kimyasallar
eklenmektedir. TO konsantresi ile yapılan çalışmalarda, sadece CaPO4 ve
PO₄ iyonları ile %90 civarı su geri kazanım artışı görülmüş diğer katkı
materyalleri ise pek etkili olmamıştır (Sanciolo ve diğ., 2012). Şekil
16.15’te ilgili bir örneğe ait akım şeması verilmektedir.
Şekil 16.15 İki aşamalı TO sistemlerinde birinci kademe konsantresi
kimyasal ara arıtma prosesi akım şeması (Subramani ve diğ., 2012a)
1084
16.3.8.2. İki Kademeli TO Sistemlerinde Birinci Kademe
Konsantresi Biyolojik Arıtma Yöntemleri
Bu metotta TO konsantresindeki sülfat, sülfat indirgeyen bakteriler
tarafından indirgenmektedir. Bu yaklaşımla, elektron donörü de
ekleyerek (asetat ya da etanol gibi) sülfat, bakteriler vasıtasıyla sülfite
çevrilmektedir (Williams ve Pirbazari, 2003). Sülfatın biyolojik olarak
indirgenmesinin ardından ikinci bir TO prosesi kullanılmakta ve su geri
kazanım oranı bu vasıtayla artırılmaktadır. Şekil 16.16’da bu sisteme ait
örnek bir akım şeması verilmiştir.
Şekil 16.16 İki aşamalı TO sistemlerinde birinci kademe konsantresi
biyolojik indirgeme sistemi akım şeması (Williams ve Pirbazari, 2003)
16.3.9. Diğer Yenilikçi Teknolojiler
16.3.9.1. Titreşim İle Kesme Kuvveti Arttırılmış Proses (VSEP)
Titreşim ile kesme kuvveti artırılmış proses (VSEP), geliştirilmiş patentli
bir titreşimli membran sistemidir. Bu prosesin özelliği membran
yüzeyine 50 Hz frekansında titreşim uygulanması ve böylece membran
yüzeyinin klasik çapraz akışlı sistemlere göre 10 kat daha fazla kesme
kuvveti kazanmasıdır. Yapılan denemelerde kolloidal tıkanma ve
1085
konsantrasyon polarizasyonunun ciddi derecede düştüğü gözlenmiştir.
MF, UF, NF ve TO membranlarında uygulanabilen sistem sadece düz
plaka tipi membranlara uygundur. 2008 yılında yapılan pilot ölçekli bir
çalışmada 1200 mg/lt toplam organik madde değerine sahip yeraltı
suyunun arıtımında birinci TO membranının konsantresini arıtmak için
kullanılmıştır. Söz konusu çalışmada, birinci TO membranı ve VSEP
sistemi %75 geri kazanım oranında çalıştırılmış, toplam geri kazanım
oranı ise %94 olarak belirlenmiştir. Yüksek silika konsantrasyonu
sebebiyle VSEP girişine asit dozlanmıştır. Akı, VSEP membranı
yüzeyinde zamanla artan baryum sülfat ve silika sebebiyle düşmüştür.
Haftada 3-4 defa kimyasal yıkama yapılmıştır (Subramani ve diğ.,
2012b). Şekil 16.17’de ilgili prosesin akım şeması verilmiştir.
Şekil 16.17 VSEP akım şeması (Subramani ve diğ., 2012b)
16.3.9.2. Kristal Oluşumlu Çamur Çökeltimi ve Geri Devir (SPARRO)
Kristal oluşumlu çamur çökeltimi ve geri devir (SPARRO) prosesi, su
içerisindeki maddeleri çöktürmek için kristalleri kullanmaktadır.
SPARRO sistemi, başlıca kalsiyum sülfat ve kalsiyumun diğer tuzlarını
çöktürmek için kullanılmaktadır. Kalsiyum sülfatı çöktürmede alçıtaşı
kullanılmaktadır. Arıtılacak besleme suyu çekirdek kristallerini içeren
geri devir suyu ile karıştırılır ve TO membranına beslenir. Çekirdek
kristallerini içeren konsantre, siklon sistemine verilir ve burada
kristaller ayrılır. Sistemin toplam geri kazanım oranı %90’ın üzerinde
olmakla beraber, en büyük mahsuru, yüksek kimyasal malzeme
1086
ihtiyacıdır (Sethi ve diğ., 2005). Şekil 16.18’de bu sistemin akım şeması
verilmiştir.
Şekil 16.18 SPARRO sistemi akış şeması (Sethi ve diğ., 2005)
16.3.9.3. Suyun İleri Geri Kazanımı Prosesi (ARROW)
Suyun İleri Geri Kazanımı Prosesi (ARROW), suyun yüksek oranda geri
kazanımına yönelik olarak geliştirilen patentli bir prosestir. Normalde
ilk TO membranı öncesi ya da iki TO membranı arasında yapılan
kimyasal çöktürme, bu proseste ikinci ters osmoz membranı
konsantresine uygulanmaktadır. Bu prosesin en büyük üstünlüğü,
kimyasal çöktürme uygulanacak konsantrenin daha az hacimde
olmasıdır. Kimyasal çöktürmeden çıkan su, ilk ters osmoz membranı
çıkışı, ikinci kademe TO girişine verilmektedir. Yapılan çalışmalarda,
toplam geri kazanım oranı %95 ve üzeri olarak kaydedilmiştir (Mickley,
2008a). ARROW prosesinin akım şeması Şekil 16.19’da verilmiştir.
16.3.10. Yenilikçi Teknolojilerin Karşılaştırılması
Yenilikçi konsantre yönetim teknolojilerinin çeşitli açılardan
karşılaştırılması, Tablo 16.2-16.4’te verilmiştir.
1087
Şekil 16.19 ARROW prosesi akım şeması (WERF, 2012)
16.4. Konsantre Yönetimi ile İlgili Mevzuat
Bu bölümde, dünyadaki çeşitli otoriteler tarafından konsantre yönetimi
adına oluşturulmuş ve yayınlanmış yönetmelikler ile yasal olarak
bağlayıcı diğer mevzuatdan bahsedilecektir. Mevzuat oluşturulmasında
izlenilen yaklaşımlar ve sınıflandırmalar, uygulama durumları ve yakın
gelecekte geliştirilmeleri adına yapılması gerekenlerden söz edilecektir.
16.4.1. Yasal Çerçeveler Hazırlanırken Tercih Edilen Yaklaşımlar
Önceki bölümlerde bahsedildiği üzere, konsantreler yüzey sularına
verilebildikleri gibi deniz ve okyanuslara da derin deniz deşarjı ile
verilebilmektedir. Okyanus ya da deniz kıyısındaki ülkeler, konsantre
akımları için izin verilen bölgeler belirlemişlerdir. Bu amaçla belirlenen
bu özel bölgelerde, toksik olmayan kirleticiler için hali hazırda geçerli
olan su kalite standartlarında belirtilen limit değerlerin aşılmasına
müsaade edilmektedir (Kimes, 1995). Amerika Birleşik Devletleri ve
Ortadoğu ülkelerindeki mevcut desalinasyon tesislerinin %48’i
konsantrelerini yüzeysel sulara vermektedir. Çünkü denizden uzak
tesislerde ortaya çıkan konsantrelerin borular ile taşınması hem
ekonomik olarak verimsiz hem de konsantrenin korozif özelliği sebebi
ile özel koruma gerektiren bir işlemdir (Tinos ve diğ., 2017).
1088
Tablo 16.2 Basınç sürücü kuvvetli konsantre arıtım tekniklerinin karşılaştırılması (Subramani ve Jacangelo,
2014)
Teknoloji Besleme
suyu türü
Arıtılacak
parametreler
Enerji
sarfiyatı
Mevcut
uygulama
boyutu
Üstünlük Mahsur
Ara kimyasal
yumuşatma
TO tuzlu su
konsantresi
Sertlik
iyonları, silika,
metaller
Veri yok Tam
ölçekli
Uygulanmış
olması
Yüksek atık
çamur
çıkması
Elektrokoagülasyon
Madenle
kirlenmiş
TO
konsantresi
Sertlik
iyonları, silika,
metaller
3–4
kWh/m3
Pilot
ölçekli
Metallerde
yüksek giderim
Hala
gelişiyor
olması
Ara biyolojik
indirgeme
TO tuzlu su
konsantresi Sülfat Veri yok
Pilot
ölçekli Sülfat giderimi
Bakterilerin
aklimasyonu
gerekiyor
Çekirdek oluşumlu
çamur çöktürme
TO tuzlu su
konsantresi Konvansiyonel Veri yok
Pilot
ölçekli -
Yüksek
çapraz akış
hızı
gerekiyor
1089
Tablo 16.2 (Devamı) Basınç sürücü kuvvetli konsantre arıtım tekniklerinin karşılaştırılması (Subramani ve
Jacangelo, 2014)
Teknoloji Besleme
suyu türü
Arıtılacak
parametreler
Enerji
sarfiyatı
Mevcut
uygulama
boyutu
Üstünlük Mahsur
HERO TO tuzlu su
konsantresi Konvansiyonel
3-5
kWh/m3
Pilot
ölçekli
Gelişmiş
teknolojilerin
kombinasyonu
olması
Patentli
teknoloji
ARROW TO tuzlu su
konsantresi Konvansiyonel Veri yok
Pilot
ölçekli
Gelişmiş
teknolojilerin
kombinasyonu
olması
Patentli
teknoloji
VSEP TO tuzlu su
konsantresi Konvansiyonel Veri yok
Pilot
ölçekli
Yüksek AKM
oranlarına
uygun olması
Patentli
teknoloji
1090
Tablo 16.3 Elektriksel potansiyel sürücü kuvvetli konsantre arıtım tekniklerinin karşılaştırılması (Subramani
ve Jacangelo, 2014)
Teknoloji Besleme
suyu türü
Arıtılacak
parametreler Enerji sarfiyatı
Mevcut
uygulama
boyutu
Üstünlük Mahsur
Elektrodiyaliz TO tuzlu su
konsantresi
Sertlik
iyonları, TKM
3,9 kWh/m3
7000 mg/lt TKM
için
Tam
ölçekli
Yüksek
silika için
efektif
Enerji maliyeti
TKM ile beraber
artıyor
Ters
Elektrodiyaliz
TO tuzlu su
konsantresi
Sertlik
iyonları, TKM 7-8 kWh/m3
Tam
ölçekli
Yüksek
silika için
efektif
Enerji maliyeti
TKM ile beraber
artıyor
Elektrodiyaliz
metatezi
TO tuzlu su
konsantresi
Sertlik
iyonları, TKM
11,9 kWh/m3
10000 mg/lt
TKM için
Pilot
ölçekli
Yüksek
kalsiyum
sülfat için
efektif
Limitli
uygulama/
TKM 15000
mg/lt üzerinde
termal prosesler
daha ekonomik
1091
Tablo 16.4 Membran distilasyonu ve ileri osmozun konsantre arıtımda karşılaştırılması (Subramani ve
Jacangelo, 2014)
Teknoloji
Besleme
suyu
türü
Arıtılacak
parametreler
Enerji
sarfiyatı
Mevcut
uygulama
boyutu
Üstünlük Mahsur
İleri osmoz
TO
konsantr
esi
TKM 0,26-0,80
kWh/m3 Pilot ölçekli
Atık ısı ile
TO’dan daha
ekonomik
Limitli tam
ölçek
uygulama
Membran
distilasyonu
Termal
proses
konsantr
esi
TKM
13,2 kWh/m3,
atık ısı ile 10,3
kWh/m3
Pilot ölçekli
Besleme
basıncı
gerektirmiyor.
Yüksek TKM’ye
uygun.
Limitli tam
ölçek
uygulama
1092
Yasal çerçeveler, konsantre akımların çevreye deşarjları durumunda
bünyelerindeki kirleticilerin, özellikle tuzluluğun, alıcı ortamın
karakterine uygunluğunu sağlamakla yükümlülüğü getirmektedir. Bir
yönetmelik aşağıdaki hususları içermelidir (Mickley, 2017a):
Özel bileşenler ve belli parametreler için sayısal limitler
Bütünleşik çıkış toksisitesi (Whole effluent toxicity, WET) testi
Biyolojik çeşitlilik parametreleri
Konsantrelerin yönetimi ile ilgili yönetmeliklerde geçen limit değerler,
genellikle deşarj noktasında değil, karışım bölgelerinin sıınırlarındaki
konsantrasyonlar için geçerlidir (Şekil 16.20). Karışım bölgesindeki
dispersiyon (karışım) etkisi, modellenmeli ve bir seyrelme katsayısı
belirlenmelidir. Bu katsayı sayesinde, deşarj hattı sonunda deşarj
edilecek maksimum konsantrasyonlar aşağıdaki şekilde belirlenebilir
(Mickley ve Voutchkov, 2015).
Ce=Co+Dm*(Co-Cs) (16.1)
Burada,
Ce : Müsaade edilen en yüksek konsantrasyonunu (deşarj hattı
sonunda)
Co : Su kalitesi standardını
Dm : Seyrelme katsayısını
Cs : Ortam konsantrasyonunu
ifade etmektedir.
1093
Şekil 16.20 Karışım bölgeleri (Mickley, 2017a)
Yasal çerçeveler ile çevrenin etkilenmesinin önlenmesi çalışmaları, bu
bağlamda dört ana maddede incelenebilir (Mickley ve Voutchkov, 2015).
Özellikle tuzluluk açısından alıcı ortamın toleransının ortaya
konulması ile alıcı ortam kalitesinin yaşayan canlılar açısından
istenilen düzeyde tutulması
Su kaynağı olarak kullanılan alıcı ortamın bünyesindeki
bileşenlerin konsantrasyonlarının zararlı seviyelere ulaşmasının
engellenmesi
Alıcı ortamda deşarj sebebiyle renk değişimi ve düşük oksijen
problemlerinin gözlenmemesi için deşarj yapılan difüzörler ile
ortamda türbülans oluşmasının engellenmesi
Şekil 16.21’de, bir yasal düzenleme yapılırken izlenilmesi gereken
adımlar sınıflandırılmış ve sıralanmıştır.
Tuzluluk toleransı ve WET testleri, alıcı ortamın araştırılması için ilk
yapılması gereken ve belki de en önemli adımlardır. Fakat, oldukça fazla
zorlukları vardır. Tüm deniz canlılarının tuzluluğa karşı tepkileri ve
toleranslarının farklı olmasının yanısıra, aynı türün yaşam dönemleri
1094
Şekil 16.21 Konsantre yönetimi için oluşturulacak bir yasal çerçeve için izlenilecek adımlar (Mickley, 2017a)
1095
süresince de toleransları değişebilmektedir. Bu bağlamda, WET testler
için hali hazırda yayınlanmış olan protokoller kullanılmalı ve testlerde
kullanılacak türlere dikkat edilmelidir (Mickley, 2017a).
16.4.2. Avrupa Birliği Tarafından Hazırlanan Yasal Çerçeveler
Avrupa Birliği’ndeki çoğu ülkeler, bireysel olarak desalinasyon ve
konsantre yönetimine dair spesifik yönetmeliklere sahip değildirler.
Ülkeler, Avrupa Birliği’nin hazırladığı ilgili direktifleri, kısmi ve dolaylı
ya da doğrudan şekilde kendi su yönetimlerine dair yasal çerçevelerine
adapte ettiklerinde desalinasyon tesislerinin işletilmesi ve konsantre
yönetimi hususlarına da standartlar getirmiş olmaktadırlar. Avrupa
Birliği’nin su ile ilgili yasal çerçevesi oldukça geniş ve karmaşık
olduğundan ilgili kısımlara odaklanarak ayrı ayrı inceleme yapmak
gerekmektedir. Bu bağlamda öncelikle Su Çerçeve Direktifi (EC
2000/60) alt başlıkları ele alınabilir. Yüzeysel Sular Direktifi
(75/440/EEC), içme suyu amaçlı kullanılacak yüzeysel su kaynaklarının
kalite standartlarını belirtmektedir. Dolaylı yoldan konsantre deşarjı ile
ilgili bir direktiftir. Yeraltı Suyu Direktifi (80/68/EEC), konsantrelerin
tamamen ya da kısmi şekilde yeraltı suyuna deşarjını engellemektedir.
Ancak, dolaylı yoldan (zemin filtrasyonuna tabi tutulmuş şekilde)
deşarjına izin verebilmektedir.
Entegre Kirlilik Önleme ve Kontrol Direktifi (96/61/EC), özellikle
endüstriyel kaynaklı aktivitelerle ilgilenmektedir. Kentsel Atıksu
Direktifi (91/271/EEC) ise hassas alıcı alanları tanımlar ve özellikle
getirdiği limitler sebebi ile hem konsantre oluşum miktarlarını arttırıcı
bir etkisi olmuştur hem de konsantre deşarjları daha da kısıtlanmıştır.
Ayrıca, Su Çerçeve Direktifi konsantrelerin ve desalinasyondan kaynaklı
tuz veya diğer kirleticilerin deşarjı ile ilgili bir liste içermese de, 2006
yılında yürürlüğe koyulan Havza Yönetim Planı ile saha ya da yeraltı
uygulamaları sebebiyle oluşabilecek çevresel etkileri kısıtlamak adına
limitler getirilmiştir (Gibbons ve diğ., 2007).
1096
Özet olarak, Su Çerçeve Direktifi direkt olarak konsantre deşarjları ile
ilgilenmese de konsantre yönetimi ile ilgili endişeleri mevcuttur ve pek
çok Avrupa Birliği ülkesinin uyguladıkları standartları ve alıcı ortam
standartları ile kirleticilere kısıtlama getirmiş bulunmaktadır. İlgili
parametreler konsantre kaynağına göre, sıcaklık, tuzluluk, pH,
çözünmüş oksijen, çözünmüş organik madde ve diğer kimyasal
kirleticiler (bakır, nikel, serbest klor ve klorlama yan ürünleri gibi)
olarak sıralanabilir (Bleninger and Jirka, 2010).
Konsantrelerin kıyı sularına ya da nehirlere deşarjlarının Su Çerçeve
Direktifi kapsamında bahsi geçmemektedir (Tinos ve diğ., 2017). Avrupa
Birliği’nde yer alan çerçeve direktiflere ek olarak son yıllarda konsantre
yönetimi açısından kendi yasal çerçevesini hazırlayan kısıtlı sayıdaki
ülkelerden biri İspanya’dır. İspanya Çevre Bakanlığı (MERM), bir
yönetmelik yayınlamıştır. Bu yönetmelik hem deşarj noktası hem de
karışım bölgesi sınırları için geçerli limit değerlerden bahsetmektedir.
Yönetmelik, planlama, inşaat ve işletme aşamalarını içerecek şekilde
hazırlanmıştır. Planlama aşaması şu adımları içermektedir (Mickley ve
Voutchkov, 2015):
Deşarj alanının biyolojik olarak durumunun araştırılması
Su kalitesinin ortaya konulması
Deşarj yapısından salınan konsantre akımının alıcı ortam
içerisindeki dağılımının numerik olarak modellenmesi
İspanya kıyılarında bulunan ve tuzluluğa karşı hassasiyeti olan
iki deniz çayırının (Poseidon ocenia ve Cymodsea nodosa)
varlığına dikkat edilmesi
İnşaat fazında ise özellikle deniz ortamına siltlerin verilmesinin kontrol
altında tutulmasına özen gösterilmesine değinilmiştir. İşletme fazında
ise geçerli limitlerinin (Tablo 16.5) sağlanıp sağlanmadığı kontrol
edilmelidir.
1097
Tablo 16.5 İspanya’daki konsantre yönetimi ile ilgili yönetmelikte yer
alan limitler (Mickley ve Voutchkov, 2015)
Parametre Birim Maksimum
konsantrasyon
TAKM mg/lt 35
pH - 6-9
Toplam azot mg/lt 15
Toplam fosfor mg/lt 2
BOİ5 mg/lt 25
16.4.3. Dünya Bankası Talimatları
Deniz suyunun desalinasyonunu gerçekleştiren tesislerin çevre
üzerindeki olumsuz etkisinin sınırlandırılması ve kontrol altına
alınabilmesinin yolu ulusal yönetmeliklerin yayınlanması veya
uluslararası anlaşmaların yapılmasından geçmektedir. Bu yönetmelikler,
konsantre deşarjının yönetimini, limitlerini veya alıcı ortamın çevresel
standartlarını ve işletme izin şartlarını içermelidir. Ana problem,
desalinasyon tesislerine özel bir yönetmeliğin bulunmamasıdır. Dünya
çapındaki mevcut konsantre deşajı/yönetimi üzerine hazırlanan
yönetmelikler dağınık bir yapıda ve belirsizliklerle doludur. Ortak
standartlar bulunmamakta ve ülkelerin kendi içlerinde uyguladıkları
değişik yaklaşımlar mevcuttur. Dünya Bankası Tüzüğü, referans olarak
kullanılabilecek ortak bir uluslararası referans olarak gösterilebilir. İşbu
tüzük, ulusal bazda farklılık gösteren hususlarda daha sıkı limitler
getirecektir (Tinos ve diğ., 2017). Tablo 16.6’da karışım bölgesi için
geçerli konsantre standartları sunulmaktadır (Bleninger ve Jirka, 2010).
Dünya Bankası, konsantrenin izin verilen karışım bölgesi sınırında alıcı
ortamdaki su sıcaklığının 3oC’den fazla artmasına sebep vermeyecek
şekilde deşarjının yapılmasının daha sağlıklı olacağını belirtmektedir.
Umman Sultanlığı’ndaki yönetmeliklere göre deşarj edilen konsantrenin
sıcaklığının alıcı ortamın sıcaklığından 10oC’den daha fazla olmamalı ve
alıcı ortamın sıcaklığının deşarj noktası merkezli 300 m çapındaki
1098
dairesel alanda 1oC’den fazla bir sıcaklık artışına sebebiyet
vermemelidir (Sultanate of Oman, 2005). Umman Sultanlığı’nda geçerli
konsantre akımların denize deşarjı için geçerli maksimum limit değerler
ise Tablo 16.7’de verilmektedir (Tinos ve diğ., 2017).
Tablo 16.6 Deşarj ve alıcı ortam standartları (Dünya Bankası
talimatlarını içermektedir, Sultanate of Oman, (2005))
Kirletici Çıkış suyu
standardı (ÇSS)
Alıcı ortam
standardı
(AOS)
ÇSS/AOS
Bakır 500 μg/lt 4,8 μg/lt 104
Klor 200 μg/lt 7,5 μg/lt 27
Sıcaklık
farkı 10oC 3oC 3
Tuzluluk -* - 10
*Bu konuda henüz bir limit bulunmasa da, TO kullanımının alıcı ortamın
yüzeyinde 35 ppt tuzluluğa sebep olduğu belirtilmektedir.
16.4.4. Amerika Birleşik Devletleri (ABD) Tarafından Hazırlanan
Yasal Çerçeveler
Amerika Birleşik Devletleri Çevre Koruma Ajansı (USEPA),
konsantrelerin yönetimi ile ilgili kapsamlı ve spesifik bir yönetmelik
uzun süre yayınlamamış olsa da yerel yönetimlerin eyaletler bazında
yayınladığı pek çok membran konsantrelerinin uzaklaştırılmasına dair
yönetmelikler mevcuttur (Mickley, 2017a). Örneğin, Kaliforniya
eyaletinde desalinasyon için altı farklı yönetmelik bulunmaktadır. Bu
yönetmeliklerden sadece biri kesin yükümlülükler içermektedir.
1099
Tablo 16.7 Umman’da geçerli deniz deşarj kriterleri (Sultanate of
Oman, 2005)
Parameter Maksimum değer (mg/lt)
Toplam klor 0,40
Bakır 0,20
Demir 1,50
Çinko 1,00
Krom 0,05
Molibden 0,05
Nikel 0,10
Alüminyum 5,00
Kadmiyum 0,01
Kurşun 0,08
Yağ 15,0
Toplam askıda katı madde 30,0
Amerikan Membran Teknolojileri Birliği (AMTA), 2006 yılında
yayımladığı bir raporda membran konsantrelerinin ve diğer atıklarının
yönetiminde yaşanan problemlere bölgesel çözümlerin daha faydalı
olacağını belirtmiştir. Fakat, buna ek olarak EPA’yı da, son yirmi yıldır
kurulup işletilmekte olan desalinasyon tesislerinden elde edilen teknik
ve bilimsel tecrübelerin ve verilerin toparlanarak bir yönetmelik
oluşturmaya çağırmıştır. Bu sayede, bu teknoloji ile içme suyu eldesinin
birim maliyetinin de düşeceğini savunmuşlardır (AMTA, 2006). 2010
yılında USEPA desalinasyon sonucu oluşan konsantrelerin deşarjına dair
yeni kuralları yayınlamıştır (Tinos ve diğ., 2017). ABD’de konsantrenin
derin kuyulara enjeksiyonu için kuyuların inşaa edilmesi ve işletilmesi,
yönetmelikler çerçevesinde özel izin gerekmektedir. USEPA, yeraltı
suyuna enjeksiyon aktiviteleri için bir yönetmelik yayınlamıştır. Bu
bağlamda deniz kıyısında olmayan desalinasyon tesislerinin de tabi
olduğu yeraltı suyuna enjeksiyon kontrolü (UIC) programı ortaya
çıkmıştır. Bu programın amacı, içme suyu temini için de kullanılan
yeraltı suyunun kalitesini korumaktır. Yeraltı suyunun içme suyu
kaynağı adayı olabilmesi için 10000 mg/lt’den düşük TKM
konsantrasyonuna sahip olması gerekmektedir. Şekil 16.22’de yeraltı
1100
sularına konsantre deşarjının yapılabilmesi için geçerli
sınıflar/senaryolar gösterilmektedir. Sınıf-I enjeksiyon kuyularında
kuyu en alt kademeye kadar ilerlemekte ve içme suyu eldesinin olmadığı
seviyelere ulaşmaktadır. Sınıf-V_Tip A enjeksiyon kuyuları ise içme suyu
standartlarına uymalıdır ya da yeraltı suyu karakterindeki
konsantrasyonlardan daha düşük konsantrasyonlarda kirletici içeren
konsantrenin enjeksiyonu için kullanılmalıdır. Sınıf-V_Tip B enjeksiyon
kuyuları ise alt kısmında içme suyuna ulaşılabilen ama daha yer yüzüne
yakın noktalarda içme suyu amaçlı kullanılmayan akiferlerin olduğu
durumlarda kullanılır. Sınıf-V_Tip C enjeksiyon kuyuları ise yakınlarda
içme suyu kaynağı olarak kullanılan hiçbir akiferin olmaması
durumunda kullanılan en rahat seçenek oluşturucu kuyu çeşididir. Bir
diğer sınıf ise, Sınıf-II olup üretim atıksuyunun uzaklaştırılması için
açılmış olan kuyulara enjeksiyon yapılmasıdır (Maliva, 2007).
Şekil 16.22 Konsantre enjeksiyon kuyuları tipleri (Maliva, 2007)
Bu duruma örnek, Teksas Eyaleti’nde görülebilir. Eğer bölgede petrol ve
doğal gaz üretim tesisleri var ise konsantrenin burada açılmış kuyulara
enjeksiyonu akla gelen ilk çözümdür (Mace ve diğ. 2005; Nicot ve
Chowdury, 2005). Bu durum, hem yasalara uygun halde yapılabilir hem
de bu sayede maliyetler azaltılabilir. Bir diğer seçenek olarak, ortamda
bulunan ve mevcut durumda artık işlevi olmayan Sınıf-II enjeksiyon
1101
kuyuları için, Sınıf-I enjeksiyon kuyusu olarak izin alınabilir ise, bu
kuyularda kullanılabilir (Maliva, 2007).
ABD bünyesinde en detaylı ve geçerli konsantre yönetmelikleri
Kaliforniya, Florida ve Teksas Eyaletleri bünyesinde hazırlanmıştır. Bu
üç yönetmelik karşılaştırılmak ve ana farkları ortaya konulmak
istenirse, Teksas’ta geçerli olan yönetmelikte karışım bölgesinin sınırları
otomatik olarak belirlenirken, Kaliforniya ve Florida’da geçerli
yönetmeliklerde ise tesis özelinde karışım bölgelerinin büyüklüğü
belirlenmektedir. Florida’da WET testlerine otomatik olarak karar
verilir iken Teksas’da bu testler tesise özel listelenmektedir. Her
birindeki su kalite standartları ve toplam günlük maksimum yükleme
(TDML) değerleri birbirinden farklıdır. Kaliforniya’da kurulacak tesise
onay verecek yetkili kurum sayısı oldukça fazlayken diğer eyaletlerde
kurumlar azdır. Tuzluluk için geçerli limit değerler, tesise özel
verilmektedir. Bu durum her üç eyalet için de geçerlidir. Fakat
Kaliforniya’da ek olarak alıcı ortamın tuzluluğundan en fazla 2000 mg/lt
daha yüksek bir tuzluluk kabul edilmektedir. Kaliforniya’daki mevcut
yönetmelik yıllar boyu işletilen tesislerin okyanusa deşarj yapmasının
sonucunda elde edilen veriler gözetilerek daha da sıkı limitler içerecek
şekilde yenilenmiştir (Mickley ve Voutchkov, 2015). ABD’de yer alan üç
değişik desalinasyon tesisi için, izin aşamasında tesislere özel olarak
belirlenmiş limit değerler Tablo 16.8’de verilmiştir. Tabloda bahsi geçen
Carlsbad Tesisi’nin görünümü ise Şekil 16.23’te verilmektedir.
1102
Şekil 16.23 Carlsbad Desalinasyon Tesisi’nin yakın kıyı deşarjı
(WaterReuse, 2015)
16.4.5. İsrail Tarafından Hazırlanan Yasal Çerçeveler
İsrail, kıyı şeridinde yer alan desalinasyon tesislerinin hem inşaası hem
de işletilmesi konusunda bir yönetmelik hazırlamıştır (Safrai ve Zask,
2007; State of Israel-Ministry of the Environment, 2002). Desalinasyon
tesislerinin planlanması ve işletilmesi sırasında uyulacak kurallar dört
ana ulusal yönetmeliğin kombinasyonu sayesinde
gerçekleştirilmektedir. Planlama aşamasında, Planlama ve İnşaat
Mevzuatı (1965 yılında yayınlanmıştır) ve Kıyıların Korunmasına Dair
Yönetmelik (5764-2004) kullanılmaktadır. Bu bağlamda, desalinasyon
tesislerin planlama ve inşaat aşamasında konsantrenin nasıl
uzaklaştırılacağı hususuna ve yönetim modeline karar verilmektedir.
Korunması gereken kıyı bölgesi, karadan itibaren 300 m uzaklıktaki
kısımdır.
1103
Tablo 16.8 ABD’de kurulu üç desalinasyon tesisinin deşarjları için izin alabilmek adına sağlaması gereken
kriterler (Mickley ve Voutchkov, 2015)
Tesis Kapasite
(m3/gün)
Kaynakta
TÇM (ppt)
Konsantre
TÇM (ppt)
Akut
toksisite
(TUa)
Kronik
toksisite
(TUc)
Seyrelme
oranı
Carlsbad 227304 33,5 67 0,765 16,5 15,1:1
Huntington
Beach
227304 33,5 67 - 8,5 7,5:1
Tampa 113652 26 43 - - 28:1
1104
İşletme safhası için, Akdeniz ülkelerinin ihtiyaç duydukları temiz ve
kullanılabilir su miktarını karşılamak için kurulan desalinasyon
tesislerinin konsantrelerinin bertarafı konusunda başka mevzuatlar da
bulunmaktadır. 2005 yılında yeniden düzenlenen Deniz Kirliliği Kontrol
Yönetmeliği (LBS) ve 1995 yılında yenilenen Akdeniz’in Anakara
Kaynaklı Kirlilikten Korunması’na Yönelik Protokol, bu mevzuatlara
örnek olarak verilebilmektedir (Tinos ve diğ., 2017).
LBS yönetmeliği, konsantrenin en uygun teknolojilerle muamelesinin
ardından deşarjına verilebilecek izinlerden bahsetmektedir. Konsantre
hakkında seyrelme ve yayılma etkileri, çökelme ile taşınma ve gereken
ön arıtma işlemleri üzerine gerekli çalışmalar yapıldıktan sonra en
uygun teknoloji seçilmektedir. Bakanlıklararası ilgili kurum, ilgili
desalinasyon tesisine gerekli çalışmalardan sonra geçici bir süre ve
öngörülen koşullar için ruhsat vermektedir. Bu kurumda, yedi farklı
bakanlık ve kamusal çevre organizasyonlarını temsil eden bir kuruluş
yer almaktadır (Safrai, 2007; State of Israel-Ministry of the
Environment, 2002).
İsrail Çevre Bakanlığı, 2002 yılında Akdeniz ve Kıyılarını Desalinasyon
Faaliyetlerinden Koruma Politikası’nı yayınlamıştır. Bu yasal çerçevede;
deşarjın kompozisyonu, deniz deşarjı ve denizin izlenme programı ele
alınmıştır. Deşarjın kompozisyonu başlığı, ham su kaynağının
karakterine, ön arıtma metoduna (ön arıtma konsantrelerinin de denize
deşarj edilip edilmediğinin kontrolü), kimyasal ilavesine (antiskalant
yüklemeleri ve fosfat yüklerinin kontrolü), işletme yöntemine (kesikli ya
sürekli işletim modelinin gün içerisinde alıcı ortamda yüksek TKM
konsantrasyonlarının pik yapıp yapmadığının kontrolü) ve deşarjın
debisine odaklanmaktadır. Bu politikanın ardından İsrail Çevre
Bakanlığı, deniz deşarjı için 2006 yılında daha güncel bir kriter listesi
yayınlamıştır (Ministry of Environmental Protection). Bu kriterlere göre:
Güç santrallerinin soğutma suları hariç deniz kıyısına her türlü
deşarj yasaklanmıştır.
1105
Konsantrenin deniz suyundan daha ağır olacağı da göz önüne
alınarak, daha verimli bir dağılım ve seyrelme için deniz
tabanının 2 m üzerinden difüzörlerle yapılmalıdır.
Deşarj hattının izlenmesi için gerekli altyapı oluşturulmalı ve
deşarjın deniz ekosistemine etkisinin belirlenebilmesi adına
yıllık izleme programı oluşturulmalıdır.
Deniz deşarjı sahile minimum 300 m uzaklıkta
gerçekleştirilmelidir.
Gerekli hallerde derin deşarj yapılarak kıyıların çevresel
kalitesini bozmaktan kaçınılmalıdır.
Oşinografik karakterizasyonun (sudaki değişim, batimetri/deniz
tabanı coğrafyası, akımlar vb.) yapılması gerekmektedir.
Deşarjlardaki kirleticilerin geçerli çevre standartlarında bahsi
geçen limit değerlerin altında olmasına dikkat edilmelidir.
Deniz deşarjı için inşaa edilecek boru hattı, kum
hareketleri/kaymaları, balıkçılık faaliyetleri ve yüzmeye gelen
halkın güvenliği gözönüne alındığında karar verilen uzaklığa
ulaşılabilecek uzunluğa sahip olmalıdır (Safrai ve Zask, 2007).
Yukarıdaki maddelerden de anlaşılacağı üzere, desalinasyon tesislerinin
kullandığı tekniklere göre özel deşarj standartları ya da çok detaylı
kurallar bulunmamaktadır. Bu bağlamda, işletmeci, tesisini işletirken
sürekli durumun takibinde olmalı ve eylem planı yapması gereken
anların farkında olmalıdır. Deşarj kompozisyonları ve
konsantrasyonları, tesis ve deşarj noktasına bağlı olarak belirlenebilir
(Tinos ve diğ., 2017). Örneğin, Tablo 16.9’da İsrail’de yer alan Askelon
denizsuyu desalinasyon tesisine ait olan standartları göstermektedir.
1106
Tablo 16.9 Askelon denizsuyu desalinasyon tesisine ait olan
standartlar (Safrai ve Zask, 2007)
Parametre Birim Maksimum konsantrasyon
Askıda katı madde mg/lt 20
Bulanıklık NTU 10
BOİ mg/lt <1,0
pH 6,5<pH<9,0
Demir mg/lt 2,0
Sıcaklık oC 4
Azot türleri mg/lt Alıcı ortam konsantrasyonunun 1,7
katını geçmeyecek şekilde
Fosfor türleri mg/lt Alıcı ortam konsantrasyonunun 1,7
katını geçmeyecek şekilde
Ağır metaller (Ag,
Cd, Cu, Cr, Hg, Ni,
Pb, Zn)
mg/lt Alıcı ortam konsantrasyonunun 1,7
katını geçmeyecek şekilde
16.4.6. Avusturalya’daki Yasal Düzenlemeler
Avusturalya ve Yeni Zelanda Çevre Koruma Kurulu (ANZECC), bu
konuda bir yönetmelik yayınlamıştır. Fakat uygulama eyalet bazında
yerel kurumların yetkisindedir. Konsantre akımlarının deşarjının
yönetilmesi ile ilgili hazırlanan bu yönetmelikte aşağıdaki hususlara
değinilmektedir (Mickley ve Voutchkov, 2015):
Karışım bölgesinin belirlenmesi
Su kalite standartlarının karışma bölgesi sınırlarında sağlanması
Tüm kirleticilerin bireysel toksisitelerinin belirlenmesi yerine
toplu etkinin ortaya konulacağı bir toksisite testinin yapılması
Kirleticilerin limitleri için alıcı ortamın girdiği sınıfa bağlı olarak
karar verilmesi
Avustralya için geçerli deşarj limitleri Tablo 16.10’da verilmiştir
1107
Tablo 16.10 Avustralya’da geçerli olan konsantrelerin deşarjı için uygulanacak limit değerler (Mickley ve
Voutchkov, 2015)
Parametre Birim Güneydoğu
Avusturalya
Tropikal
Avusturalya
Güneybatı
Avusturalya
Güney-Merkez
Avusturalya
Klorofil-a
Kıyıda/açıkta μg/lt 1 0,7-1,4/0,5-0,9
0,7/20
0,3/20 1
Toplam fosfor
Kıyıda/açıkta μg/lt 25 15/10 20 100
Çözünmüş reaktif
fosfat μg/lt 10 5 5 10
Toplam azot
Kıyıda/açıkta μg/lt 120 100 230 1000
Nitrat
Kıyıda/açıkta μg/lt 5 2-8/1-4 5 50
Amonyak
Kıyıda/açıkta μg/lt 15 1-10/1-6 5 50
Çözünmüş oksijen
Min/maks. Limitler % 90/110 90 90 90
pH
Min/maks. Limitler - 8/8,4 8/8,4 8/8,4 6,5/9
Bulanıklık NTU 10 20 2 10
1108
Alıcı ortamlarının sınıfları ise şu şekilde belirtilmiştir;
Ekolojik yüksek koruma bölgesi (HEPA)
Ekolojik orta koruma bölgesi (MEPA)
Ekolojik düşük koruma bölgesi (LEPA)
Avustralya’daki deşarjların izlenmesi amacıyla belirlenen izleme
parametleri ise şu şekildedir (Mickley ve Voutchkov, 2015);
Toplam çıkış toksisitesi
Deniz canlılarındaki kimyasal ve biyokimyasal değişiklikler
Sedimentteki toksisite
Pratik şekilde sayısal olarak balık çeşitliliğinin belirlenmesi
Denizçayırı ile kayalı bölge derinliğininin dağılımı
Alg patlamalarının sıklığı
Işık geçirgenliği
Sedimentteki nütrient değerleri
16.4.7. Genel Değerlendirme
Sonuç olarak, küresel ölçekte bakıldığında konsantre yönetimine
yönelik özel olarak yönetmelik hazırlayan ülkelerin sayısının az olduğu
söylenebilir. Bu az sayıdaki ülkelerin genellikle desalinasyona mecbur
kalan ve zorlukları ile karşı karşıya olan Ortadoğu ülkeleri olması bir
rastlantı değildir. Tüm hususları tek bir bünyede toparlayan ve kati,
belirli çerçevelere sahip yasal düzenlemelerin eksikliği mevcut
desalinasyon tesislerinin yol açtığı etkilerin değerlendirilmesinde büyük
bir uyumsuzluğa sebep vermektedir.
Yönetmeliklerdeki belirsizlikler, yatırımcılar açısından da
güvensizliklere sebep olmaktadır. Ayrıca, yerel otoriteler ileride
kurulacak olan tesislere izin vermek konusunda da tereddüt
yaşamaktadırlar. Yukarıda da değinildiği üzere, Avrupa Birliği
bünyesinde de desalinasyon tesislerinin tabi olacağı spesifik bir
1109
yönetmeliğinin bulunmaması tesis operatörlerinin daha sıkı limitlere
sahip su direktifine uymasını zorunlu kılmaktadır. Dünya çapında
desalinasyon tesisleri için yayınlanan yönetmeliklerin ortak iki ana
parametresi, tuzluluk ve deşarj mesafesidir. Dünya çapındaki
yönetmeliklerin karşılaştırılabilmesi adına bir örnekleme özet tablosu
aşağıda verilmektedir (Tablo 16.11).
Tablo 16.11 Seçilen bazı desalinasyon tesislerinin tabi olduğu tuzluluk
standartları (Jenkins, 2012)
Bölge/Otorite Tuzluluk limiti Uzaklığı
USEPA Artış ≤ 4 ppt
Carlsbad, Kaliforniya Mutlak ≤ 40 ppt 300 m
Huntington Sahili,
Kaliforniya Mutlak ≤ 40 ppt 300 m
Batı Avusturalya
Talimatları Artış < %5 -
Oakajee Limanı,
Batı Avusturalya Artış ≤ 1 ppt -
Perth, Avusturalya
Artış ≤ 1,2 ppt (50
m)
Artış ≤ 0,8 ppt (1000
m)
50 m ve 1000 m
Sidney, Avusturalya Artış ≤ 1 ppt 50-75 m
Gold Coast, Avusturalya Artış ≤ 2 ppt 120 m
Okinawa, Japonya Artış ≤ 1 ppt Karışım bölgesi
sınırı
16.5. Konsantre Deşarj Maliyetleri ve Maliyetlerin Yönetimi
Daha ucuz membranlar, daha uzun membran ömürleri ve enerji geri
kazanımlarının arttırılabilmesi gibi faktörler sayesinde membran
maliyetleri azalırken, konsantre yönetimi maliyetleri zaman içerisinde
artmıştır. Böylelikle, konsantre yönetimi kaleminin maliyetleri, toplam
tesis maliyeti içerisinde önemli bir orana sahip olmaya başlamıştır.
1110
Bunun asıl sebebi, geçmişte konsantre yönetiminin olmaması daha
doğrusu hesaba katılmaması ve gün geçtikçe artan yasal yönetmelikler
ve sıkılaşan kurallar sebebi ile hem mevcudiyetinin kesinleşmesi hem de
ileri düzeyde arıtma ihtiyacının doğması maliyet artışını ortaya
koymuştur.
Konsantrenin yönetimi için seçilen metodun maliyete etkisi, ana arıtma
prosesisinin alternatifler arasından seçilmesinden daha farklıdır. Çoğu
konsantre yönetim seçeneğinde (Mickley, 2017b):
Taşıma maliyetleri tesis bazında değişkenlik göstermektedir.
Tasarımda daha az standart kural bulunmaktadır.
Sıklıkla çoklu işlem ve taşıma adımı gerekmektedir.
Konsantre yönetimini gerçekleştiren tesislerin bu amaçla ortaya çıkan
birim maliyetlerini karşılaştırabilmesi için tüm koşulların eşit olması
gerekmektedir. Ancak, bu şart çoğu zaman sağlanamaz. Bunun için tüm
seçeneklerin uygulanabilir ve/veya yetkili merciler tarafından izin
verilebilir olması gerekmektedir.
16.5.1. Yüzeysel Sulara Deşarj ve Maliyetleri
Desalinasyon tesislerinin konsantrelerinin akarsu, göl, lagün, kanal ve
okyanus benzeri alıcı ortamlara deşarjı en yaygın görülen yönetim
çeşididir. Bu metot, genel olarak en düşük maliyete sahiptir ve çoğu
tesiste hali hazırda su kaynağı kenarında kurulu olduğundan bu yöntem
tercih edilmektedir. Maliyetin düşüklüğü, hattının uzunluğu ve
konsantrenin karakterinin alıcı ortam için uygunluk derecesine bağlıdır
(Mickley, 2017b). Maliyet birimleri şu şekilde sıralanabilir:
Desalinasyon membran tesisinden alıcı ortam deşarjının boru
sonuna kadar uzanan iletim maliyetleri
Deşarj için çıkış yapısının inşaat ve işletme maliyetleri
1111
Konsantre deşarjının çevresel etkisinin takibi için izleme
maliyetleri
İletim maliyetleri tipik olarak, mesafeye ve konsantre akımının debisine
bağlıdır. Çıkış yapısının maliyetleri ise tesise göre değişmektedir.
Konsantrenin hacmine ve tuzluluğuna göre tasarlanan difüzör
sisteminin tertip tarzı ve seçilecek malzemeler, alıcı ortamdaki
hidrodinamik koşullara göre değişkenlik göstermektedir. Çıkış yapısının
işletme maliyetleri genellikle konsantrenin havalandırılarak deşarj
edilmesi gerekli ise artmaktadır. Alıcı ortam, hassas ortam olarak
sınıflandırılmakta ise izleme ve takip maliyetleri de artacaktır (Mickley,
2017b).
16.5.2. Kanalizasyona Deşarj ve Maliyetleri
Genellikle, düşük hacme sahip konsantre akımına sahip tesisler,
kanalizasyona deşarjı tercih etmektedir. Maliyeti diğer alternatiflere
göre düşüktür. Kanalizasyonun taşıyabileceği ek hacim belirlenmeli ve
uygun ise tercih edilmelidir. Özellikle kentsel atıksu, biyolojik bir proses
içeren bir atıksu arıtma tesisinde arıtılmakta ise konsantre deşarjından
dolayı tuzluluk değerlerinin artmasının ilgili prosesler üzerinde
olumsuz bir etkisinin olmadığı incelenmelidir. Bazı durumlarda atıksu
arıtma tesisi, bu deşarj için ek bir ücret talep edebilir. Konsantrenin
kanalizasyona ulaştırılabilmesi için iletim hattı ve terfi gerekebilir.
Kanalizasyona bağlanma maliyetleri, bölgeye ve atıksu arıtma tesisinin
gönüllü olma seviyesine göre değişebilmektedir (Mickley, 2017b). Şekil
16.24’te görülebileceği üzere çeşitli kapasitelerdeki tesislerin
konsantreleri için tercih edilmektedir.
1112
Şekil 16.24 Konsantre yönetim seçeneklerinin göreceli ilk yatırım
maliyetleri (Mickley, 2017b)
16.5.3. Arazi Verme Uygulamaları ve Maliyetleri
Arazi verme uygulamaları, membran konsantrelerinin sulama vb. gibi
faydalı kullanımlar için tercih edilmesidir. Eğer konsantrenin karakteri
sulama suyu olarak kullanılmaya uygun değil ise temiz su ile
seyreltilerek kullanılabilir. Ancak bu durum maliyeti arttıracaktır.
Maliyet kalemleri, arazi maliyeti (var ise), depolama ve dağıtım
sistemleri maliyetleri, seyreltme suyu maliyetleri ve sulama sistemleri
kurulum maliyetleri olarak sıralanabilir (Mickley, 2017b). Şekil 16.24’te
görüldüğü üzere sınırlı ekonomik getiri sebebiyle genellikle düşük
kapasiteli sistemlerde kullanılmaktadır.
1113
16.5.4. Kuyuya Deşarj ve Maliyetleri
Kuyuya deşarj için gereken ilk yatırım maliyetleri, yüzeysel sulara,
kanalizasyona ve araziye uygulama maliyetlerine göre daha yüksektir.
Bu sebeple, yüksek hacimlere sahip konsantre akımları için
uygulanmalıdır. Böylelikle daha fizibil bir seçenek olacaktır (Mickley,
2017b). Maliyeti etkileyen ana unsurlar, kuyuların derinliği ve çapıdır.
Diğer unsurlar ise şu şekilde sıralanabilir:
Ön arıtmanın gerekliliği
Pompaj hacmi ve basıncı
Çevresel izleme sisteminin boyutu ve tertip tarzı
Arazinin hazırlanması
16.5.5. Buharlaştırma Havuzları ve Maliyetleri
Eğer hava sıcaklıklarının yüksek ve arazi maliyetlerinin düşük olduğu
coğrafyalarda tercih edilirse uygun maliyetli bir seçenek olabilir.
Buharlaştırma havuzlarının maliyetini arttıran husus, yönetmelikler
sebebiyle daha geçirimsiz ortamlar ve özel izleme sistemleri
istenilmesidir. Ekonomik açıdan sağlıklı uygulamalar için düşük
hacimdeki konsantreler için tercih edilmesi önerilmektedir (Mickley,
2017b). Maliyeti etkileyen ana unsurlar şu şekilde sıralanabilir:
Buharlaştırma sıcaklığı
Konsantre hacmi
Arazi ve arazi ıslah maliyetleri
Kaplama malzemesi
16.5.6. Sıfır Sıvı Deşarjı (SSD) ve Maliyetleri
Bu tarz sistemler, konsantrenin hacmini azaltmayı hedeflemektedir.
Hem ilk yatırım maliyetleri hem de işletme maliyeleri gözönüne
1114
alındığında konsantre yönetiminin maliyeti, desalinasyonun kendi
maliyetinden yüksektir. Sıfır sıvı deşarjı için seçilen metoda göre
maliyetler nispeten azaltılabilmektedir. Termal buharlaştırıcılardan
önce HERO prosesisinin tercih edilmesi maliyetleri düşürmektedir. Tuz
geri kazanımı yapılması da maliyetlerde rahatlama sağlamaktadır. Sıfır
sıvı deşarjının maliyetlerinin azaltılmasının yollarını araştırmak, pek
çok ülkenin ivedilikle ele aldığı bir konudur. Bu tercihin maliyetinin
yüksek olmasının ana nedeni, mekanik ekipmanların fazlalığıdır. Enerji
de oldukça önemli bir maliyet kalemidir (Mickley, 2017b). Su kıtlığının
arttığı dünyamızda suyun maliyeti oldukça önemlidir ve bu sebeple sıfır
sıvı deşarjı yaklaşımlar desteklenmektedir. Konvansiyonel sıfır sıvı
deşarjı metotları, nispeten daha yüksek enerji maliyetlerine sahiptirler.
Ara arıtma adımlarını kullanmak, iki adımlı membran sistemlerine
ağırlık vermek, hacmi azaltacağından enerji maliyetlerini de
azaltmaktadır. Fakat, bir yandan kimyasal maliyeti de artmaktadır. Bu
noktada özellikle ürün geri kazanımı açısından seçici tuz geri
kazanımına yönelik çalışma yapılmalıdır. ABD’de kurulu 10 TO
desalinasyon tesisinin konsantre yönetim metotları ve maliyetleri
değerlendirilmiş ve karşılaştırılmalı sonuçlar elde edilmiştir (DiNatale,
2009).
16.5.7. Konsantre Yönetiminde Su Geri Kazanımlarının Maliyete
Etkisi
Konsantre yönetimini daha kazançlı hale getirebilmenin başlıca yolu
geri kazanımdan geçmektedir. Geri kazanım, su geri kazanımı ya da
ürün geri kazanımı olarak iki başlıkta incelenebilir. Gerçek ölçekli bir TO
desalinasyon tesisinin konsantre yönetiminde konsantrenin hacmini
azaltmak ve su geri kazanımı amacıyla tekrar TO kullanılabilir.
Tablo 16.12’de listelenen özelliklere sahip bir tesis için maliyet
hesaplamaları gerçekleştirilmiş ve oldukça ilgi çekici sonuçlar elde
edilmiştir. Suyun satış fiyatı olarak 0,53 $/lt kabul edilmiştir (Tarquin,
2010). Maliyet hesaplamalarının su geri kazanım oranının bir
1115
fonksiyonu olarak değerlendirilmesi Şekil 16.20’de görülebilir. %80
civarında bir geri kazanım oranında kırılma gerçekleşmektedir. Bu
kırılma noktasından sonra kazanç elde edilmektedir. Çeşitli geri
kazanım oranları için elde edilen kazanç sonuçları Tablo 16.13’te
verilmektedir.
Tablo 16.12 Gerçek ölçekli bir SWRO tesisinin özellikleri ve maliyetleri
(Tarquin, 2010)
Kalem/Parametre Birim Değer
TO konsantre hacmi m3/gün 13638
Faiz oranı % 5
Kaplama/dolgu maliyeti $/m2 6,46
Kaplama/dolgu ömrü yıl 20
Kazı $/m3 3,92
Kazı ömrü yıl 20
Ekipman ömrü yıl 20
Karıştırma kuyusu
derinliği m 91,44
Karıştırma oranı (toplam
hacim/TO süzüntüsü) - 1,5
SWRO membran ömrü yıl 5
TO ilk yatırım maliyeti $/m3/gün 153,98
Enerji maliyeti $/kWh 0,08
Pompa ve motor çalışma
verimi % 75
İnşaat maliyeti $ 320000
TO membranı maliyeti $/m2 21,52
SWRO akısı m3/m2/st 0,255
SWRO işletme basıncı psi 700
H2SO4 $/lt 0,67
Personel maliyeti $/yıl 6@ 35000 $ 210000
Hesaplanmayan giderler $/yıl 200000
1116
Tablo 16.13 Geri kazanım oranlarının bir fonksiyonu olarak üretilen
suyun maliyeti (Tarquin, 2010)
Geri kazanım (%) Üretilen suyun
maliyeti ($/3758 lt) Net kazanç ($/yıl)
10 22,50 -3367933
20 10,81 -2895492
30 6,92 -2422983
40 4,97 -1950393
50 3,80 -1477701
55 3,37 -1241306
60 3,02 -1004872
65 2,72 -768391
70 2,46 -531852
75 2,24 -295240
80 2,04 -58532
85 1,87 178311
90 1,72 415365
Şekil 16.25 Geri kazanım oranları ile değişen maliyet kazanımı
(Tarquin, 2010)
1117
%85’lik bir geri kazanım oranı bu proje için kazaçlı olarak
görülmektedir ve bu sayede yıllık yaklaşık 178000 $ kar elde
edilebilmektedir. %90’ın üzerine çıkıldığında net pozitif kazanç 400000
$’dan da fazla olmaktadır. Kaybedilecek olan 17275 m3/gün’lük su,
pozitif kazanç elde edilen geri kazanım oranında geri kazanılmış
olmaktadır (Tarquin, 2010).
16.5.8. Konsantre Yönetiminde Ürün Geri Kazanımlarının Maliyete
Etkisi
Konsantre yönetiminde maliyetler, ürün geri kazanımı ile de
mümkündür. Mevcut laboratuvar araştırma çalışmalarında ve gerçek
kurulu tesislerdeki çalışmaların raporlarında, desalinasyon sonucu
oluşan konsantre akımlarından ürünlerin geri kazanımının önemli
oranlarda gerçekleştirilebildiği gösterilmiştir. Çalışmalar, geri
kazanımın mali açıdan uygulanabilir olduğunu ve kar sağlanmasına
yardımcı olabildiğini söylemektedir. Gerçek ölçekli çalışmaların sayısı
oldukça azdır. Diğer bir yandan da, geri kazanım çalışmaları sırasında
ortaya çıkan enerji ve kimyasal sarfiyatlarının da sağlıklı
değerlendirildiği çalışmaların sayısı da oldukça azdır. Ürün/malzeme
geri kazanımında önemli olan parametreler, ürünün saflığı, işçilik,
güvenlik, malzemenin taşınımı ve depolanması olarak listenelebilir.
Günümüzde özellikle artan desalinasyon tesisi sayısı ile teknolojik ve
ekonomik olarak fizibil ürün geri kazanımına her geçen gün daha da
ağırlık verilmektedir (Bellona, 2014). Bir bileşenin geri kazanımının
potansiyel olarak ekonomik kazanç sağlayıp sağlamayacağı aşağıdaki
kriter ile kontrol edilmelidir:
Bileşenin satış fiyatı* Konsantrasyon* Debi > Yıllık maliyet
Araştırmacılar, Br, Ca, K, Mg, NaCl, Rb, ve Sr geri kazanımının fizibil
olarak gerçekleşebileceğini göstermektedir. Bu ürünlere ek olarak, Cl2
ve NaOH da örnek verilebilir. Şekil 16.26’da desalinasyon tesislerinde
1118
element geri kazanımının kazanç sağlayabildiği konsantrasyonlar
gösterilmektedir.
Şekil 16.26 Desalinasyon tesislerinde ürün geri kazanımı (Bellona,
2014)
16.5.8.1. Sodyum Klorür Geri Kazanımı
Geri kazanılabilecek ürünlerden birincisi, sodyum klorür ve diğer
sodyum tuzlarıdır. Sodyum klorür, zaten hali hazırda yüzyıllardır deniz
suyundan büyük miktarlarda ekstrakte edilerek kullanılmaktadır.
Genellikle güneş ile kurutma ve çöktürme adımları tercih edilmekteir.
Güneş ile kurutularak elde edilen sodyum klorürde, bromür, iyodür gibi
yan ürünler de bulunabilmektedir. Japonya, yemek tuzunu deniz
1119
suyundan elektrodiyaliz ve buharlaştırma uygulayarak elde etmektedir.
Geri kazanımın ekonomik olarak uygulanabilirliği, üretilen tuzun son
fiyatı ile ilgilidir (Bellona, 2014). Çoklu-etkili distilasyon (Multi-effect
distillation-MED) kullanımı ile (Şekil 16.27) ekonomik değeri yüksek tuz
geri kazanımı son yıllarda uygulanmaya başlanmıştır.
Şekil 16.27 Konsantre akımından sodyum klorür geri kazanımı
(Bellona, 2014)
Bromür, aslında deniz suyundan elde edilebilir. 1920’lerde geliştirilen
bir proses kullanılmaktadır. Kuzey Karolina (ABD) eyaletinde 1933
yılında kurulan oldukça büyük kapasiteli bir deniz suyundan bromür
üretim tesisi yer almaktadır. Yan ürün olarak elde edilen bromür,
karışımdan geri kazanılabilir (Bellona, 2014). Bromür, Mağnezyum ve
sodyum klorür beraber geri kazanılabilir (Şekil 16.28).
1120
Şekil 16.28 Bromür, mağnezyum ve sodyum klorür geri kazanımı
(Davis, 2006)
16.5.8.2. Mağnezyum Geri Kazanımı
Mağnezyum, deniz suyundaki ana katyonlar içerisinde ikinci sırada
gelmektedir (~1,28 g/lt). 50 yıldan uzun bu yana deniz suyundan
mağnezyum eldesi yapılmaktadır. Dünya’da pek çok Mg(OH)2 ve MgO
ekstraksiyon tesisi hali hazırda işlemektedir. Genellikle, soda ile
çöktürme prosesi tercih edilmektedir. TO konsantresinden geri
kazanımı ise Şekil 16.29’da verilen proses akım şeması ile mümkündür.
Bu şekilde mağnezyum oksit geri kazanımı ile geri dönüş oranı 8 yıl
civarında olmaktadır (Bellona, 2014).
1121
Şekil 16.29 TO konsantresinden mağnezyum geri kazanımı (Bellona,
2014)
Şekil 16.30 TO konsantresinden klorür ve sodyum hidroksit geri
kazanımı (Bellona, 2014)
1122
16.5.8.3. Kalsiyum Karbonat Geri Kazanımı
Kalsiyum karbonat da bir diğer önemli geri kazanılabilecek üründür.
Satılabilirliği oldukça yüksek bir ürün olup, sıfır sıvı deşarjı yapılan
kıyıdan uzak desalinasyon tesislerindeki geri kazanımı oldukça
yaygındır. İki kademeli TO kullanımında ara yumuşatma ile bu konuda
çeşitli çalışmalar mevcuttur (Bond ve Veerapaneni, 2007; Shih ve diğ.,
2013). Örneğin, Güney Kaliforniya’da yer alan bir desalinasyon tesisi
konsantrenin hacminin minimizasyonu için yeniden geliştirilmiştir ve
kalsiyum karbonat geri kazanımı ile maliyetlerin düşürülmesi amacıyla
tasarım yapılmıştır. Sonuç olarak, toplam sistem geri kazanım değeri
arttırılmış ve konsantrenin bertarafının maliyeti azaltılmıştır. 18927
m3/gün’lük bir debi ve 800 mg/lt kalsiyum konsantrasyonuna sahip bir
konsantre akımından satış fiyatı 30 $/ton olan kalsiyum karbonatın geri
kazanılması ile yıllık yaklaşık 130000 $’lık bir kazanç elde
edilebilmektedir (Bellona, 2014). Geri kazanım akım şeması Şekil
16.31’de verilmektedir.
16.5.8.4. Uranyum ve Lityum Geri Kazanımı
Uranyum ve lityum elementlerinin de konsantreden geri kazanımı
mümkündür. Fakat bu konudaki çalışmaların sayısı azdır. Uranyum,
deniz suyunda yaklaşık 3 g/lt civarındadır. Japonya ve Hindistan,
uranyumun deniz suyundan büyük ölçekte geri kazanımının
uygulanabilirliği üzerine çalışmalar geliştirmektedir. Lityum ise
denizsuyunda yaklaşık 173,5 g/lt civarındadır. Li-iyon pillerin
kullanımının artması lityumun teminini daha önemli hale getirmiştir.
Aslında, lityumun deniz suyundan ekstraksiyonu 40 yıldan beri bahsi
geçen bir konudur. Son zamanlarda yapılan detaylı maliyet çalışmaları
sonucunda lityumun ekstraksiyonunun 16-22 $/kg-Li2CO3 olduğu
görülmüştür (Bellona, 2014).
1123
Şekil 16.31 Konsantreden kalsiyum karbonat geri kazanımı (Bellona,
2014)
16.6. Konsantre Yönetiminde Çevresel Etki Değerlendirme
Konsantre yönetimi ve çevresel etkileri, özellikle desalinasyon tesisleri
için önemli bir çalışma konusudur ve literatürdeki kaynaklar çoğunlukla
desalinasyon tesislerinden çıkan konsantre akımların çevresel etkisi
açısından irdelenmesi yönündedir. Desalinasyon tesislerinden çıkan
atıklar, genel olarak konsantre akımı ve kirlenmeyi önleyen kimyasallar,
ön arıtım kimyasalları ve korozif tuzları içeren geri yıkama suları olarak
karakterize edilirler. Desalinasyon tesisinin yerine göre bu atıklar
1124
okyanuslara ve hassas alanlara deşarj edilebilmekte veya
kanalizasyon/atıksu arıtma tesisi gibi diğer atık kaynakları ile
birleştirilebilmektedir. Konsantre uzaklaştırma, bu atıklar içerisindeki
en önemli ve çözülmesi en zor problemlerden biridir. Konsantre akımı,
deşarj/bertaraf yerine faydalı yönde de değerlendirilebilirler. Örneğin,
önemli minerallerin geri kazanımı mümkün olabilmekte ve çoğu
durumda bu yaklaşım ekonomik olarak gerçekleştirilebilir ve aynı
zamanda atık maliyetlerini düşürücü bir unsurdur. Desalinasyon
tesislerinin tasarımı ve teknoloji seçiminde, silika, mangan, demir,
radyoaktif maddeler veya inorganik kirleticiler gibi suda bulunan
kirletici türleri bazı işletme problemlerine sebep olduğu gibi arıtım ve
konsantre giderimi için metot seçimini ve/veya maliyetini de
etkilemektedir. Su kaynağının kalitesindeki zamanla meydana gelen
değişimler, sudaki tuzluluğu değiştirmekte dolayısıyla arıtım kalitesini,
geri kazanım performansını ve konsantrenin bertarafındaki deşarj
limitlerini değiştirmektedir (WHO, 2007).
Konsantre akımı, desalinasyon için kullanılan membran proseslerinin
giriş suyundaki minerallerin ayırımında yan akım olarak üretilmektedir.
Bu akım, sudan ayırımı sağlanan mineralleri ve suda bulunan diğer
kirleticileri ve membran prosesler öncesinde uygulanan ön arıtımda
kullanılan kimyasal maddeleri içermektedir. Konsantredeki minerallerin
ve kirleticilerin konsantrasyonu desalinasyon tesislerinin geri kazanım
oranına bağlı olarak ham sudan 2-10 kat daha yüksek olabilmektedir.
Eğer ön arıtma uygulanıyor ve koagülant, anti-skalant polimer veya
dezenfektan gibi kimyasallar kulanılıyorsa, bu kimyasalların bir kısmı
veya tamamı tesisteki konsantre akımına ulaşmakta, birikmekte ve bu
akımla beraber deşarj edilmektedir. Konsantrenin miktarı, giriş
suyundaki çözünmüş katıların konsantrasyonuna bağlı olarak tesisin
geri kazanımının bir fonksiyonudur. Genellikle, tuzlu suyla işletilen
desalinasyon tesisleri giriş TÇM değerine göre, %80-90 ve %65-85
arasında geri kazanımlar ile işletilmektedir. Deniz suyu ile işletilen
desalinasyon tesisleri ise %40-65 geri kazanım ile sınırlanmaktadır.
Nanofiltrasyon tesisleri, genellikle iki değerlikli iyonları tutmakta ve bu
tesislerin konsantre akımları daha düşük tuzluluk değerine sahiptir ve
1125
sodyum/klor içeriği daha düşük akımlardır. Deniz suyu desalinasyon
tesislerinin konsantresindeki TÇM seviyesi genellikle 65000-85000
mg/lt seviyelerinde iken tuzlu suyla işletilen tesislerde bu değer 1.500-
25.000 mg/lt seviyelerindedir. Konsantrede partiküllerin miktarı, AKM
ve BOİ konsantrasyonları genellikle 5 mg/lt’nin altındadır. Çünkü bu
bileşenler ön arıtma sistemi ile giderilmektedir. Eğer tesisin ön arıtma
akımı, konsantre ile birlikte deşarj ediliyor ise bu durumda, bulanıklık,
AKM ve BOİ değerini arttırabilmektedir. Eğer asit ve diğer yardımcı
kimyasallar konsantre tarafından tutuluyorsa mineral içeriği ve miktarı
değişmektedir. Mineral kristalleşmesini izleyebilmek için kullanılan
inhibitörler fosfat veya organik polimer içermektedir ve bu maddelerin
konsantrasyonu konsantrede 20-30 mg/lt’ye kadar ulaşmaktadır (WHO,
2007).
Kimyasal eklentilerin veya ham sudaki minerallerin konsantre ile
deşarjının yanı sıra, termal desalinasyon tesislerinde sıcaklık değeri
yüksek konsantre akımının alıcı ortamlara deşarjı da önemli bir çevresel
etki oluşturmakta ve termal kirlilik oluşturmaktadır. Karşılaştırma
yapmak gerekirse, normal bir desalinasyon tesisinin konsantre akımının
sıcaklığı okyanus sıcaklığına yakındır. Fakat termal distilasyonda bu
değer artmakta ve çevredeki enerji dağılımı çok yüksek olmaktadır.
Hem termal hem de kimyasal kirlilik oluşturan konsantre akımlarının
deşarjında kullanılan yöntemler Tablo 16.14’te sunulmuştur. Aynı
tabloda bu yöntemlerin kullanım yüzdeleri de verilmiştir. Bu tablodan
da görülebileceği gibi en çok kullanılan yöntem hiçbir arıtım yapmadan
doğanın özümleme kapasitesi ve seyrelme faktörleri kullanılarak
konsantre akımının direkt yüzeysel sulara veya kanalizasyona deşarj
edilmesidir. Bu yöntemlere ek olarak, konsantre yönetiminde iki yeni
akım dünya çapında kabul görmeye başlamıştır. Bunlar,
Bölgesel konsantre yönetimi ve
Konsantrenin yararlı kullanımıdır.
1126
Tablo 16.14 Konsantre arıtım yöntemleri ve kullanım yüzdeleri (WHO,
2007)
Konsantre arıtım yöntemi Kullanım yüzdesi (%)
Yüzeysel sulara deşarj 45
Kanalizasyona deşarj 42
Derin kuyu injeksiyonu 9
Evaporasyon havuzları 2
Sprey sulama 2
Sıfır sıvı deşarjı 0
16.6.1. Konsantre Deşarjının Çevresel Etkileri
16.6.1.1. Konsantrenin Yüzeysel Sulara Deşarjı
Bu uzaklaştırma yöntemi, desalinasyon konsantresinin okyanus, deniz,
nehir, göl vb. bir yüzeysel suya deşarjını içermektedir. Desalinasyon
tesis konsantresinin yeni bir okyanus koluna deşarj etme çokça tercih
edilmekte ve tüm ölçekteki projeler için uygun olmaktadır. Okyanus
deşarjı aşağıdaki üç metottan biriyle gerçekleştirilmektedir:
Yeni bir deşarj hattı ile direkt deşarj
Atıksu arıtma tesisi çıkışı ile birlikte deşarj
Enerji santralinin termal deşarj hattına deşarj
Yeni Bir Deşarj Hattı ile Denize Direkt Deşarj
Bu yöntemin amacı, tesis konsantresinin çevreye güvenli bir yoldan
deşarjını sağlamaktır. Bunun amacı, sucul organizmaların yaşayabileceği
tuzluluk değerinin artmasına sebep olacak deşarj bölgesinin boyutunu
minimize etmektir. İki temel yaklaşım vardır. Birincisi, gelgit bölgesinin
doğal karışım kapasitesini kullanarak deşarj bölgesinden gelen
konsantrenin karışımını bu akımla hızlandırmaktır. İkincisi ise
konsantrenin bu bölgenin ilerisine deşarj edilmesi ve karışım oranını
arttırmak için difüzörlerin kullanılmasıdır. Gelgit bölgesi, önemli
1127
miktarda türbülans enerjisi taşımakta ve difüzörlerle sağlanan
karışımdan daha iyi bir karışım imkanı sunmaktadır.
Eğer tuz deşarjının kütlesi gelgit zonunun tuzluluk kapasitesini geçerse,
aşırı tuzluluk bu bölgede birikmeye başlar ve sucul hayatın toleransının
üzerinde uzun süreli olarak tuz artışına sebep olabilir. Bunun yanında
gel git bölgesi, genellikle deşarj için uygun bir yerdir. Büyük
desalinasyon tesislerinin difüzör yapıları ve tahliye sistemi tertip
tarzlarının boyutu, kapasitesi ve uzunluğu ile tuzluluk karışımı/taşıma
kapasitesi, hidrodinamik modellemeler ile belirlenebilir ve spesifik
şartlara göre hesaplanabilir (WHO, 2007).
Atıksu Arıtma Tesisi Çıkışı ile Birlikte Deşarj
Bu deşarj yönteminin temel çıkış noktası daha ağır olan yüksek
tuzluluğa sahip konsantrenin daha hafif olan düşük tuzluluğa sahip
atıksu deşarjı ile karıştırmaktır. Konsantrenin hacmine ve iki atık
akımının nasıl bir oranda karışımına bağlı olarak atıksu deşarj
sisteminin boyutları ve bazı kirleticilerin seyrelme oranları
belirlenebilir. Deniz suyundan daha hafif olan atıksu ile birlikte deşarj
etmek bu akımın yol açacağı tuzluluk dağılımını ve okyanus suyu
hacmindeki değişimini etkilemektedir. Şu ana kadar bu yöntem sınırlı
bir uygulama alanı bulmuştur. Çünkü, temel problemler, atıksu arıtma
tesisinin kapasitesini arttırma yönünde gerekli olan maliyet ve iki
akımın karışımından kaynaklanabilecek bütüncül çıkış toksisitesi (WET)
potansiyelidir. Kaliforniya, Santa Barbara’da bulunan El Estero atıksu
arıtma tesisinin çıkışı ile desalinasyon tesisi konsantresinin karışımında
yapılan biyoizlenebilirlik testinde, bu karışımın deniz kestanesi
yumurtalarına karşı bir toksisite gösterdiği tespit edilmiştir.
Gerçekleştirilen paralel testlerde desalinasyon tesisinin konsantresi
atıksu arıtma çıkışıyla karıştırılmamış ve bu akım tek başına deşarj
edilmiştir ve bu testlerde benzer toksik etkiler gözlenmemiştir. Uzun
süreli maruziyetlerde deniz kestaneleri, atıksu ile karıştırılmayan
desalinasyon konsantresinin deşarjıyla artan tuzluluk şartlarına uyum
sağlayabilmektedir. Böylece, bu testlerden elde edilen sonuç, toksik
1128
etkilerde atıksudaki bileşenlerin büyük bir öneme sahip olduğu
söylenebilmektedir (WHO, 2007).
Enerji Santralinin Termal Deşarj Hattına Deşarj
Bu yöntem, temel olarak konsantrenin denize içermektedir. Bu
yöntemde enerji santralinin soğutma suyu deşarjının kapasite olarak
desalinasyon konsantresinden daha büyük olması beklenmektedir.
Kapasitenin yanında soğutma suyunun kalitesi de önemli bir
parametredir. Örneğin eğer soğutma suyu, bakır, nikel veya demir gibi
kirleticilere sahipse bu durumda kullanımı uygun olmayabilir. Bu
yöntemin diğer bir çevresel etkisi de termal deşarjlardır. Güç santralinin
termal deşarjı ortalama okyanus suyundan daha hafiftir ve yüksek
sıcaklık nedeniyledeniz yüzeyinde yüzer niteliktedir. Daha ağır olan
tuzlu deşarj ise hafif olan soğutma suyunu aşağıya doğru çekmekte ve
böylece sıcaklık ve tuzluluk tabakalaşması oluşabilmektedir.
Konsantrenin yüzeysel sulara deşarjının çevresel etkilerini ve
uygulamadaki temel unsurları özetlemek gerekirse (WHO, 2007);
Sıcaklık ve tuzluluk tabakalaşmasına sebep olacak ve oradaki
ekolojik yaşamı tehdit edecek bir bölgenin seçilmemesi
gerekmektedir.
Deşarj bölgesinde yaşayan canlıların tuzluluk tolerans seviyesi,
tipik olarak “ortalama deniz tuzluluğunun %10 artışı ve sucul
yaşamın bu artışa verdiği tepki” olarak ifade edilebilir. Çoğu
deniz canlısının gerçek tuzluluk tolerans değeri bu değerden
daha yüksektir.
Metaller ve radyoaktif iyonların konsantrasyonları zararlı
seviyelere çıkması söz konusudur.
Desalinasyon tesisi konsantresinin içeriği ve alıcı ortam suyunun
arasındaki iyon dengesizliği oluşabilr.
Termal desalinasyon proseslerinin sebep olduğu sıcaklık
artışları mevcuttur.
1129
Deniz dibindeki flora ve faunanın değişimi ve bu değişimi
izlemek amacıyla tuzluluk tolaransı konusunda ayrıntılı
çalışmalar yapmak gerekmektedir.
16.6.1.2. Konsantrenin Kanalizasyona Deşarjı
Konsantrenin en yakın atıksu toplama sistemine deşarjı, konsantre
deşarjında en çok kullanılan ikinci yöntemdir. Bu yöntem, düşük
kapasiteli desalinasyon tesislerinden çıkan konsantrenin büyük
kapasiteli atıksu arıtma tesisi girişine deşarj edilmesidir. Bunun temel
nedeni, yüksek tuzlululuğun atıksu arıtma tesisindeki proseslere
herhangi bir zarar vermesini engellemektir. Yöntemin fizibilitesi, atıksu
toplama sisteminin hidrolik kapasitesine bağlıdır. Genel olarak atıksu
arıtma tesisinin biyolojik reaksiyonları 3000 mg/lt üzerindeki TÇM
değerlerinde inhibe olmaktadır. Bunun yanında, atıksu arıtma tesisi
çıkış suyu tekrar kullanılma potansiyeline sahip ve buna göre
tasarlanırsa, sadece tuzluluk değeri değil, sodyum, klor, bor ve brom gibi
içeriklerin de dikkate alınması gerekmektedir. Bu bileşenler, tekrar
kullanılan suyun kalitesini bozmakta ve özellikle bu sular sulama için
kullanılacaksa ciddi çevresel problemler oluşturmaktadır. Kullanılan
biyolojik arıtma yöntemi ile bu kirleticiler giderilememektedir. Çoğu
bitki, sulama suyunda 1000 mg/lt TÇM’nin üzerindeki değerleri ve 250
mg/lt’nin üzerinde klor değerlerini tolere edememektedir. Atıksu arıtma
tesisinin çıkışında genelde klor değeri 150 mg/lt’den daha düşüktür.
Ancak, desalinasyon tesisinin konsantresinde bu değer 50000 mg/lt’nin
üzerine çıkmaktadır. Basit bir kütle dengesi kurulduğunda eğer çıkış
suyu sulama için kullanılacaksa 38.000 m3/gün kapasiteli bir evsel
atıksu arıtma tesisi 75 m3/gün’ün üzerindeki kapasitede konsantre
kabul edememektedir (WHO, 2007).
1130
16.6.1.3. Derin Kuyu Enjeksiyonu
Bu yöntem, desalinasyon tesisi konsantresinin yeraltındaki akiferlere
kabul edilebilir seviyelerde enjeksiyonunu içermektedir. Başka bir
alternatif olarak da, petrol çıkarmada kullanılan kuyulara
enjeksiyondur. Bu yöntem, genelde küçük ve orta ölçekli deniz suyu
desalinasyon tesislerinde ve tuzlu su desalinasyon tesislerinde kullanma
potansiyeline sahiptir. Yöntemin olası çevresel etkileri ve temel
bileşenler aşağıda özetlenmiştir (WHO, 2007):
Yeterli gözenekliliğe sahip özel koşullarda tanımlanan akiferler
ile sınırlıdır.
Deprem riski taşıyan bölgeler için uygun değildir. Deşarj edilen
akifer ve su temini yapılan akifer arasında bir hidrolik bağlantıya
sebep olabilir. Bu nedenle sismik aktivitelerin bilinmesi gerekir.
Konsantre edilmiş kirleticilerin, eğer temiz su kaynağı olan
akiferle dejar yapılacak alan iyi ayrılmamış ise yeraltısuyunu
kirletme potansiyeli vardır.
Kuyulardan sızma gerçekleşebilir.
Zamanla mineral birikmesi ve kuyunun deşarj kapasitesinin
azalması gibi riskler vardır.
Ek bir konsantre arıtım yöntemi (emniyet) için belirlenmelidir.
16.6.1.4. Buharlaştırma Havuzları
Bu metot, doğal güneş ışığı kullanılarak buharlaşmanın sağlandığı
havuzların kullanılmasını içermektedir. Buharlaştırma havuzları sıfır
deşarj teknolojisidir. Yöntemin olası çevresel etkileri ve temel bileşenler
aşağıda özetlenmiştir (WHO, 2007):
Küçük kapasiteli tesisler için güneş ışığıyla yapılan evaporasyon
daha fizibildir.
Alan ihtiyacı önemli bir tasarım parametresidir.
Kademeli olarak artan alan ihtiyacı olabilir.
1131
Mevsim geçişlerine iklim koşullarına bağımlıdır.
Evaporasyon hızı, havuzdaki katı konsantrasyonu ve tuzluluk
arttıkça azalır.
Sızma riski yüksektir
Havuzun tabanında tuzluluk birikimi sözkonusu olmaktadır.
Bunun zamanla alınarak uygun bir deponi sahasına iletilmesi
gerekmektedir.
Başarılı bir konsantre deşarjı sonrası olumsuz herhangi bir etki
gözlenmeyen deniz ortamı ise Şekil 16.32’de görülebilir.
Şekil 16.32 Perth Desalinasyon Tesisi’nin çevreyi olumsuz etkilemeyen
konsantre deşarj noktasında yüzen balıklar (üstte) ve denizatı (altta)
(WaterReuse, 2015)
1132
16.7. Desalinasyon Tesisleri TO Konsantre Deşarjı Hesaplamaları
Konsantrelerin deniz içerisinde teşkil edilen bir boru hattı ile belirli bir
derinlikten denize deşarjı, yaygın bir uzaklaştırma yöntemidir. Bu
konuda detaylı bilgi, Öztürk ve diğ. (2011) ve Bleninger ve diğ. (2009)
kaynaklarında verilmiş, burada ise bu detaylar özetlenmiştir. Konsantre,
yüksek yoğunlukta tuzluluk içerdiğinden doğrudan alıcı ortama
verildiğinde ortamda yaşayan canlılara zarar verebilmektedir (Şekil
16.33). Bu sebeple yüksek tuzluluk içeren deşarj sularının ve su içinde
oluşan deşarj bulutunun (plume), alıcı ortamdaki canlılara zarar
vermemesi için alıcı ortamda uygun oranda seyreltilerek doğal ortam
tuzluluk değerine olabildiğince yaklaştırılması gereklidir. Bu tip
deşarjlarda, gerekli seyrelmenin sağlanması amacıyla boru hattı ucunda
yeralan ve seyrelmeyi artıran deliklerin bulunduğu difüzörler (yayıcılar)
kullanılırlar (Öztürk ve diğ., 2011).
Şekil 16.33 Yüksek tuzluluktaki suların doğrudan yüzeysel sulara
deşarjı (Bleninger ve diğ. ,2009)
Konsantrenin denize deşarjında konsantre, alıcı ortamı oluşturan
denizsuyundan daha yoğun olması sebebiyle batma eğilimindedir. Bu tip
suların doğrudan yüzeysel sulara deşarjı durumunda deniz tabanı eğimi
ve hidrodinamik şartların etkisi ile, esasen yoğunluğa bağlı olarak dipte
ilerleyen bir akım karakteri gelişecek ve ortamda çok zayıf bir karışım
gözlenecektir. Yoğun deşarjlar üst deniz tabakalarına çıkamayıp yatayda
1133
veya deniz tabanı eğimine tabi olarak derinlere doğru yavaş bir şekilde
harekete geçmektedier. Deşarj edilen bileşenler, derin sularda akıntı
hızının düşük olması nedeniyle etkin bir şekilde seyrelemeden deşarja
yakın bölgede tabanda tutulu kalmaktadır. Bu tip yüksek tuzlulukta
suların yüzeysel sulara deşarjında, yakın alanda deniz tabanındaki
seyrelmesi 1-3 civarında kalmakta, daha derinlere gidilmesi durumunda
bile bu değer ancak 4-6 aralığında gerçekleşmektedir. Yüksek tuzluluğa
sahip atıksu bulutu, sahile yakın ve üzerini kapladığı daha uzak alanda
özellikle hareketli olmayan deniz canlı türlerinin tuzluluk değişimine
karşı olan direncine bağlı olarak yaşamsal bir risk oluşturabilmektedir.
Bu nedenle, bu tip deşarjların risklerini gözönüne alan, deşarj sistemi
tasarımı ve seyrelme hesaplarına ihtiyaç vardır. Proje sahasında
ölçülerek belirlenmiş gerçek oşinografik verilere dayalı sistem tasarımı
ve özel seyrelme hesap yöntemleri kullanılarak yapılan
projelendirmelerle söz konusu risklerin azaltılarak konsantre
deşarjlarının çevresel açıdan sürdürülebilirliği hedeflenmektedir (Şekil
16.34) (Öztürk ve diğ., 2011). 16.35’te ise hesaplamalar için gerekli
verileri toplamak adına gerçekleştirilen bir iz madde testinden görüntü
verilmektedir.
Şekil 16.34a’da görüldüğü üzere, derin deniz deşarjı uygulanması
durumunda kıyıya yakın kesimde çevresel etkilenme söz konusu
olmazken deşarj sonrası daha derin bölgede deniz tabanındaki buluttaki
seyrelme değeri 10-20 ve hatta daha fazlasına ulaşabilmektedir.
Ülkemizde en yüksek tuzluluk Akdenizde binde 35 olarak kabul edilirse,
%50 verimle çalışan bir ters osmoz sisteminde konsantre akımının
deşarjının en kötü şartlarda alıcı ortamda binde 1,5-7,0 aralığında bir
tuzluluk değişimine yol açması beklenmelidir. Konsantre deşarjlarının
olumsuz etkilerinin azaltılması ve çevrenin korunması için yoğun su
deşarjları ile ilgili araştırılmalar son yıllarda giderek daha fazla önem
kazanmaktadır. Konsantrelerin karmaşık seyrelme hesapları, alıcı
ortama ait bir takım kabuller yapılarak basitleştirilebildiği gibi, daha
fazla sayıda parametreyi ve detaylı oşinografik verileri göz önüne alan
bilgisayar paket program ve modüllerle destekli matematik modellerin
kullanımı da kullanılmaktadır (Öztürk ve diğ., 2011).
1134
Şekil 16.34 a) Derin deniz deşarjı boru hattındaki difüzör veya
yükselticiden çıkan akımın davranışı b) Laboratuvar ortamında yoğun
tuzlu su deşarjı deney düzeneği (Bleninger ve diğ., 2009)
Şekil 16.35 Deşarj noktasından belirli uzaklıklardaki noktalarda
seyrelme faktörlerinin hesaplanabilmesi için dalgıçlar tarafından
gerçekleştirilen iz boya testi (Christie ve Bonnelye, 2009)
1135
16.7.1. Konsantre Deşarjlarında Alıcı Ortamda Oluşacak İlk
Seyrelmenin “Yoğun Tuzlu Su Deşarjı Hesaplayıcısı-Ters Osmoz
(TO) Modülü (Brine Discharge Calculator)” ile Hesaplanması
Bu bölümde, Bleninger ve diğ. (2009) tarafından oluşturulan “TO
Spreadsheet Hesaplama Modülü” kullanımından ve esaslarından
bahsedilecektir. Bu hesap modülünün excel dosyasına, ilgili kaynakta
ulaşılabilmektedir. Spreadsheet hesaplama modülü ters osmoz tesisleri
konsantrelerinin deşarjları için kullanılabilir. Hesaplama modülünün
“RO-Seawater Density &Viscosity Calculator” alt modülü ile debi ve deşarj
borusundaki akışkana ait tuzluluk ve sıcaklık vb. değerleri esas alınarak
yoğunluk ve viskozite hesaplanabilmektedir. Alıcı ortam yoğunluk ve
viskozite değerlerinin hesabında kullanılan “RO Seawater Density &
Viscosity Calculator” ekran görüntüsü Şekil 16.36’da verilmiştir.
Şekil 16.36 TO hesap modülünde kullanılan yoğunluk ve vizkozite
hesaplama modülü ekran görüntüsü (Bleninger ve diğ., 2009)
Modül hesaplamalarının ikinci adımında, gerekli deşarj sistemi
geometrisi ve deşarj hızı (Uo), momentum akısı (Mo) ve uzunluk
ölçekleri (lQ ve lM) vb. gibi deşarj karakteristikleri durgun ortam kabulü
1136
ile hesaplanarak kontrol edilmektedir. RO Discharge-calculator modülü
ortalama deniztabanı eğimine, difüzör (yayıcı) ağızından suyun çıkış
açısına ve difüzör sayısına ihtiyaç duymaktadır ve hesaplamalar bir
difüzör deliği esas alınarak yapılmaktadır. Hesaplama modülünde
difüzör çapı, enerjiye dayalı (energetic) deşarj (difüzör deliğinden çıkış
hızı Uo=4-6 m/sn) kabulü yapılarak otomatik olarak hesaplanmakta ve
model kullanıcısı tarafından standart çaplara yuvarlanabilmektedir. TO
modülünde yoğunluksal Froude (F) ve Reynolds (Re) sayısı aşağıdaki
gibi hesaplanmaktadır (Öztürk ve diğ., 2011). Modülde kullanılan veya
bulunan jet tasarımına yönelik difüzör deliği çapı (D), Froude sayısı (F)
ve Reynolds sayısı (Re) değerleri, bu tip deşarjlar için makul kabul
edilen aşağıdaki aralıklar için kontrol edilmelidir.
F =Dg
U
'
o
o
(16.2)
Re=v
DUo (16.3)
Burada,
Difüzör delik çapı (D için uygun aralık: 0,1 m < D < 1,0 m)
Foude sayısı (F > 10)
Reynolds sayısıdır (Re > 4000).
Modülün üçüncü kısmında ise, batma eğilimli jet için Şekil 16.37’de
şematik olarak gösterilen seyrelme (S), maksimum yükselme noktası
(Zmax) ve bu noktanın difüzör deliğine uzaklığı (xmax), jetin deniz
tabanına çarpma noktasının difüzör deliğine uzaklığı (xi) ve önerilen
deşarj derinliği hesaplanarak listelenmektedir. Yoğun su jetinin
maksimum yükselme noktası (Zmax) ve bu noktanın difüzör deliğine olan
uzaklığı (xmax) ile difüzörden belli bir eğimle ortama verilen jetin mevcut
açısı (θ) arasındaki ilişki Şekil 16.38’de verilmektedir. Yoğun su jetinin
açısı (θ) ile jet çarpma noktası uzaklığının (xi) değişimi ise Şekil
1137
16.39’da gösterilmiştir. Jetin açılı olarak yerleştirilen difüzör deliğinden
yüksek çıkış hızları ile alıcı ortama verilmesi sonucu oluşturulan bu tip
jet akımı yörüngesi sayesinde konsantre jeti tuzluluğu daha düşük olan
su kolonu ile daha uzun süre karışım sağlanarak seyrelmekte ve
tuzluluk açısından daha uygun bir deşarj durumu ortaya çıkmaktadır.
Bu sebeple, eğik atışla elde edilecek ilk seyrelmenin değerindeki artış ve
bu sayede azalan jet tuzluluk değeri hareketsiz dip canlılarının
etkilenmemesi açısından çok önemlidir.
Şekil 16.37 TO hesap modülünde esas alınan yoğun su deşarj jetinin
şematik gösterimi (Bleningler ve diğ., 2009)
1138
Şekil 16.38 Maksimum jet yükselme seviyesi ile difüzör jet açısı
arasındaki ilişki grafiği (Öztürk ve diğ., 2011)
1139
Şekil 16.39 Yoğun su jetinin açısı ile jet çarpma noktası uzaklığının değişimi (Öztürk ve diğ., 2011)
1140
16.7.2. Maksimum Yükselme Noktasındaki Jetin Minimum Eksenel
Seyrelmesinin Hesabı
Bleninger ve diğ. (2009) tarafından geliştirilen TO hesaplama
modülünde maksimum yükselme noktasındaki minimum eksenel
seyrelme (S), deşarj jetinin alıcı ortama verilme açısına (θ) bağlı olarak
Şekil 16.40’tan hesaplanabilir. Maksimum yükselme noktasındaki
minimum eksenel seyrelme (S), jet akımı özelliklerine bağlı olarak
denklemlerden bulunan Froude sayısı (F) ve deşarj için seçilen jetin alıcı
ortama verilme açısı (θ) kullanılarak aşağıdaki grafikten
hesaplanabilmektedir. Benzer şekilde farklı deniz tabanı eğimlerinde
jetin deniz tabanına çarpma (etki) noktasındaki seyrelme (Si) ise, jet
akımı özelliklerine bağlı olarak bulunan Froude sayısı (F) ve deşarj için
seçilen jetin alıcı ortama verilme açısı (θ) kullanılarak Şekil 16.41’den
hesaplanabilmektedir.
Şekil 16.40 Maksimum jet yükselme seviyesindeki eksenel seyrelmenin
hesaplanma grafiği (Öztürk ve diğ., 2011)
1141
Şekil 16.41 Deşarj jetinin deniz tabanına çarpma (etki) noktasındaki
seyrelmenin hesap grafiği (Öztürk ve diğ., 2011)
16.7.3. Tuzlu Su Deniz Deşarjında “TO Hesap Modülü” ile
İlk Seyrelmenin Hesabı için Örnek Bir Uygulama
Bu bölümde, Akdeniz bölgesinde kurulacak olan bir Doğalgaz Kombine
Çevrim Santrali tesisinde soğutma kulelerinde kullanılan sıcak dönüş
akımı ile ters osmozla desalinasyon tesisi konsantresi karışımının
denize deşarjından yola çıkarak hesaplama sonuçları özetlenecektir.
Çevresel etkinin belirlenebilmesi açısından konsantre deşarjının bir
boru hattı vasıtasıyla Akdenize verilmesi amacıyla, gerekli deşarj hattı
ve difüzör sistemi tasarımı yapılması gerekmektedir. Hesaplamalar daha
önceki bölümde açıklanan Bleninger ve diğ. (2009) “TO Hesaplama
Modülü” ile yapılmıştır. Tasarım verileri aşağıdaki gibi alınarak TO
modülü çalıştırılmıştır (Öztürk ve diğ., 2011).
1142
Tasarım Verileri
Soğutma sistemi maksimum geri dönüş akımı deşarj debisi,
Qdesal= 4.000 m3/st= 1,11 m3/sn
Soğutma sistemi geri dönüş akımındaki su sıcaklığı, Tdesal,Yaz= 33oC
Soğutma sistemi geri dönüş akımındaki tuzluluk, Saldesal,Yaz= ~50 ppt
Deşarj edilecek yoğun tuzlu su akımının yoğunluğu, desal,Yaz= 1031,55
kg/m3
Deşarj derinliği, Hao= 6 m
Difüzörün orta noktasının sahile uzaklığı, x= 720 m
Difüzör deşarjının açısı, θo= 25o
Difüzör delik çapı, D= 0,20 m
Difüzördeki delik sayısı, n= 6
Difüzör boyu, L= 25 m
Alıcı Ortam Verileri
Yaz mevsimi deniz suyu sıcaklığı, Ta,Yaz= 30oC
Yaz mevsimi deniz suyu tuzluluğu, Sala,Yaz= 38 ppt
Yaz mevsimi deniz suyu yoğunluğu, a,Yaz= 1023,62 kg/m3
Deniz tabanı eğimi, θB= 0,6o
Şekil 16.42’de TO hesap modülünde kullanılan debi ve çıkış akımı
karakteristikleri gösterilmiştir. Bu hesap modülü detaylarına, Bleninger
ve diğ. (2009)’dan ulaşılabilir.
Çıkış akımı karakteristikleri, “RO-Seawater Density & Viscosity
Calculator” hesaplama alt modülü kullanılarak hesaplanmıştır. Alıcı
ortam yoğunluk ve viskozite değerlerinin hesabında kullanılan “RO
Seawater Density & Viscosity Calculator” ekran görüntüsü ise daha önce
verilmiş olan Şekil 16.34’teki gibidir. Modül hesaplamalarının ikinci
adımında, gerekli deşarj sistemi geometrisi ve deşarj hızı (Uo),
momentum flux (Mo) ve uzunluk ölçekleri (LQ ve LM) gibi deşarj
karakteristikleri durgun ortam kabulü ile hesaplanarak kontrol
edilmektedir. RO Discharge-calculator modülü ortalama deniz tabanı
1143
eğimine, difüzör ağızından suyun çıkış açısına ve difüzör sayısına ihtiyaç
duymakta ve hesaplamalar bir difüzör deliği esas alınarak
yapılmaktadır. Modül, difüzör çapını enerjiye dayalı deşarj (difüzör
deliğinden çıkış hızı Uo=4-6 m/sn) kabulü yaparak otomatik olarak
hesaplar ve model kullanıcısı tarafından standart çaplara yuvarlanır. RO
modülünde densimetrik Froude (Fro) ve Reynolds (Reo) sayısı yukarıda
verilen denklemler kullanılarak hesaplanmaktadır. Şekil 16.36’da proje
verileri ile modülün elde ettiği hesaplama ve kontrol sonuçları
gösterilmektedir. Şekilde verilen hesaplama sonuçlarına göre deşarj
deliği çapı (D), Froude sayısı (Fro) ve Reynolds sayısı (Reo), bu tip
deşarjlar için makul kabul edilen aralıklarda kalmaktadır (Öztürk ve
diğ., 2011).
Şekil 16.42 TO hesap modülünde kullanılan debi ve çıkış akımı
karakteristikleri (Bleninger ve diğ., 2009)
1144
D = 0,2 m (0,1 m < D < 1,0 m) uygun
Fro = 47,7 (Fro > 10) uygun
Reo = 1,45 x106 (Reo > 4000) uygun
Tesiste yapılan deniz deşarjı için TO modülünde hesaplanan ve kabul
edilen tasarım kriterlerine göre deniz ortamındaki deşarj jeti geometrisi
ve elde edilecek seyrelme değerleri Şekil 16.43’te ve tüm
hesaplamaların özet görüntüsü ise Şekil 16.44’te verilmektedir.
Buna göre difüzörden 25o’lik açı ile çıkan yoğun tuzlu su jetinin alıcı
ortam yüzeyine en çok yaklaştığı en üst seviyesi (Zmax) = 5,18 m olup
difüzör deliğinden ~13,7 m mesafede (xmax) gerçekleşmektedir. Yoğun
tuzlu su jetinin alıcı ortamda yükselebileceği en üst noktada jet
eksenindeki eksenel ilk seyrelme (Sm), RO modülü tarafından 12,4
olarak hesaplanmaktadır. Aynı noktadaki ortalama seyrelme (So) ise
eksenel seyrelme değerinin yaklaşık 2 katı olarak alınabilmektedir. Bu
durumda, yoğun tuzlu su jetinin maksimum yükselme seviyesinde
oluşacak ortalama ilk seyrelme (So);
So = 2 x 12,4 =24,8 25
olarak bulunur. Yoğunluğunun alıcı ortamdan fazla olması sebebiyle
batma eğiliminde olan jet, sahip olduğu momentum ile ulaştığı bu en üst
seviyeden dibe doğru harekete geçerek yaklaşık 26,6 m sonra çarpma
(impengement) noktasında deniz tabanına temas etmektedir. TO modülü
hesaplamalarında bu noktadaki seyrelme ise Si = 45 olarak bulunmuştur
(Öztürk ve diğ., 2011).
1145
Şekil 16.43 TO hesap modülünde hesaplanan deşarj karakteristikleri
(Bleninger ve diğ., 2009)
1146
Şekil 16.44 TO modülünde hesaplanan ve kabul edilen tasarım
kriterlerine göre deniz ortamındaki deşarj jeti geometrisi ve elde
edilecek seyrelme değerleri (Bleninger ve diğ., 2009)
1147
Şekil 16.45 TO modülünde hesaplanan seyrelme ve diğer tasarım
kriterlerinin özet görüntüsü (Bleninger ve diğ., 2009)
1148
Alıcı Ortamda Deşarj Sonrasında Oluşacak Tuzluluğun
Hesaplanması
Konsantre deşarjı sonrasında deniz ortamındaki tuzluluk artış
miktarının hesaplanmasında güvenli aralıkta kalmak için deşarjdaki
tuzluluğun daha yüksek olacağı yaz dönemi esas alınmıştır. Ayrıca
seyrelme açısından emniyetli tarafta kalmak üzere, çarpma noktasındaki
seyrelme (Si=45) yerine daha az seyrelmenin gerçekleştiği jet
maksimum seviyesindeki ortalama seyrelme (So=25) gözönüne alınarak,
deşarj nedeniyle ilk seyrelme sonrasında oluşacak ortamdaki yeni deniz
tuzluluğu değeri aşağıdaki gibi hesaplanmıştır (Öztürk ve diğ., 2011)
(Bleninger ve diğ., 2009).
Jetin maksimum seviyesindeki
tuzluluk artışı:
1x(Saldesal,Yaz)+(So–1)x Sala,Yaz = Sox
Salyaz
1x(50)+(25–1)x38=25x Salyaz
ifadesinden Salyaz =38,48 ppt
ve ortalama tuzluluk artışı
∆Salyaz =38,48–38,0=0,48ppt
(~%1,3 artış) olarak bulunur.
Çarpma noktasındaki tuzluluk
artışı:
1x(50)+(45–1)x38=45x Salyaz
ifadesinden
Salyaz =38,24 ppt
ve ortalama tuzluluk artışı
∆Salyaz =38,24–38,0=0,24 ppt
(~ % 0,6 artış) olarak bulunur.
16.8. Konsantre Yönetimi İçin Örnek Bir Uygulama
İstanbul Teknik Üniversitesi Prof. Dr. Dincer Topacık Ulusal Membran
Teknolojileri Uyg-Ar Merkezinde yürütülmüş olan TUBİTAK 2510
programı kapsamında “Tekstil Atıksularının Membran Teknolojiler ile
1149
Arıtımı ve Geri Kullanımı ve Membran Konsantrelerinin
Fiziksel/Kimyasal Metotlar ile Uzaklaştırılması” başlığıyla desteklenmiş
olan proje kapsamında tekstil endüstrisi atıksuları için membran
prosesler ile su geri kazanımı ve aynı zamanda konsantre yönetimi
anlayışı geliştirilmiştir (Koyuncu ve diğ., 2017). Proje kapsamında
geliştirilen konsantre yönetim anlayışı aşağıda özetlenmiştir.
Tekstil endüstrisinde membran teknolojilerin uygulanması için ilk
olarak Şekil 16.46’da gösterildiği gibi bir konsantre yönetimi anlayışı
kabul edilmiştir. Bu metodolojinin proje kapsamında yapılan deneysel
ve tekno-ekonomik analiz çalışmaları ile değerlendirilmesi sonucunda
membran konsantresinde arıtılmak istenen parametrelere ve bunların
deşarj değerlerine göre veya sıfır sıvı deşarjı yaklaşımı uygulanacak ise
seçilecek yöntemlerin neler olabileceği ile ilgili bir yönetim anlayışı
oluşturulmuştur. Bu yönetim anlayışı, membran konsantrelerinin
bertarafı veya deşarjı akış şemalarına göre membran proseslerin nasıl
işletilmesi gerektiği yönünde bir yol haritası sunmaktadır. İlk aşamada
kurgulanmış hali ile eğer membran konsantresinin tamamen bertarafı
yapılamayacak ise A işleyişi ile gösterilen akış şemasının sol tarafındaki
gibi membran işletim şekliyle deşarj limitlerine indirilecektir.
Proje sonucunda elde edilen gerçek verilere dayanarak revize edilmiş ve
Şekil 16.47’de gösterilmiş yönetim anlayışında da “konsantrenin direkt
deşarjı” olarak yer almaktadır. Burada membran prosesler ile
arıtılabilirlik çalışmalarında geri kazanım için, yani arıtılacak su miktarı
bakımından bir kısıtlama yok ise konsantredeki bileşenlerin deşarj
limitleri kontrol edilerek bu değerlere göre ekonomik olarak membran
proseslerini işletmek ve konsantreyi alıcı ortama veya kanala deşarj
etmek yolu izlenebilir. Bu durum genelde düşük kapasiteli ve toksik
madde içermeyen atıksuların arıtılabilirliğinde tercih edilebilmektedir.
Burada arıtılabilirliğin ekonomik boyutu, sistemin maliyetini etkileyen
en büyük bileşeni oluşturacaktır. Eğer geri kazanım oranı önemli ise ve
işletme parametresi olarak düşünülecekse bu durumda seçilecek geri
kazanım oranına göre konsantrede birikecek bileşenlerin diğer bir
deyişle geri kazanımı sınırlama potansiyeline sahip bileşenlerin
1150
türlerinin veya konsantrasyonlarının bilinmesi durumunda proje
kapsamında üzerinde çok fazla durulmuş olan “en uygun teknoloji”
seçimi adımı ile sınırlayıcı parametreye özel arıtım teknolojisinin
seçilerek bileşenlerin konsantrasyonlarının azaltılması adımına
geçilmelidir. Bu adımda iki durum söz konusudur. İlk durum “sıfır sıvı
deşarjı (SSD)” yaklaşımının gerçekleşme durumudur ve bu durumda “en
uygun teknoloji”ye ek olarak evaporasyon gibi ek teknolojler ile suyun
ortamdan uzaklaştırılması ve oluşacak kalıntıların atılması söz konusu
olacaktır. SSD için en uygun teknolojideki yöntemlerin verimleri
önemlidir ve maliyeti etkileyen adımlar olacaktır. SSD gerçekleşmeden
sınırlayıcı parametrelerin bertarafı veya giderimi söz konusu olacak ise
bu durumda parametreye özel arıtım teknolojisi seçilmelidir. Bu proje
kapsamında çalışılmış olan tekstil endüstrisi atıksuları için bu
teknolojiler eğer konsantrede sınırlayıcı parametre KOİ ise, yani diğer
parametreler deşarja veya geri kazanıma uygun ama KOİ değeri yüksek
ise, elektrokoagülasyon prosesi ile kosantre giderimi önerilmektedir.
Eğer sınırlayıcı parametre sadece renk ise bu durumda elektrofenton,
tuzluluk ise elektrodiyaliz yöntemleri seçilebilir. Eğer bu üç
parametrede sınırlayıcı parametreler ise bu durumda üç adımlı sistem
olarak tüm teknolojilerin kullanımı gerçekleşecektir. Bu arıtım
teknolojilerin uygulanmasının ardından oluşacak arıtılmış su direkt
deşarj edilebileceği gibi geri kazanım yoluyla faydalı amaçlar içinde
kullanılabilir. Burada geri kazanım suları, tarımsal sulama suyu, yol
sulama suyu veya proses suyu olarak değerlendirilebilir. Geri kazanımın
amacı, bu adımda maliyeti belirleyecek en önemli unsur olacaktır. Diğer
bir deyişle, eğer sınırlayıcı parametre sadece renk ise diğer
parametreler deşarj limitlerini sağlıyor ise ve geri kazanım
uygulanmayacaksa bu durumda sadece elektrofenton yönteminin
uygulanması yeterli olacaktır. Bu durumda konsantre giderimini
elektrodiyaliz adımında kadar ilerletmenin teknolojik veya ekonomik
bir faydası olmayacaktır.
1151
Şekil 16.46 Çalışma öncesi kurgulanmış konsantre yönetimi anlayışı
1152
Şekil 16.47 Proje sonucunda kurgulanan konsantre yönetimi
1153
KAYNAKLAR
Achilli, A., Cath, T.Y., Marchand, E.A., Childress, A.E., (2009). The
forward osmosis membrane bioreactor: a low fouling alternative
to MBR processes, Desalination, 239, 10–21.
Beltrán, J., (1999). Irrigation with saline water: Benefits and
environmental impact. Agricultural Water Management, 40,
183–194.
Bleninger, T., Niepelt, A., Jirka, G., (2009). Desalination Plant
Discharge Calculator. EDS Congress, Baden-Baden, Almanya.
Bond, R., Batchelor, B., Davis, T., Klayman, B., (2011). ZeRO liquid
discharge desalination of brackish water with an innovative
form of Electrodialysis: Electrodialysis Metathesis, Florida Water
Res. J., 36–44.
Bond, R.G. ve Veerapaneni, S., (2007). ZeRO Liquid Discharge for
Inland Desalination, American Water Works Association
Research Foundation, Final Report 3010, Denver, Kolorado.
Brandhuber, P., (2007). Options for inland membrane
concentrate disposal. Water and Wastes Digest.
Butterworth, D.J. ve Davis, T.A., (1989). Method and Apparatus
for Generating Acid and Base Regenerants and the Use Thereof
to Regenerate Ion-exchange Resins, U.S. Patent 4,880,513,
November 14.
Christie, S., ve Bonnélye, V., (2009). Perth, Australia: Two-year
Feed Back on Operation and Environmental Impact, Proc. IDA
World Congress – Atlantis, The Palm – Dubai.
Cob, S.S., Beaupin, C., Hofs, B., Nederlof, M.M., Harmsen, D.J.H.,
Cornelissen, E.R., Zwijnenburg, A., Guner, F.E.G., Witkamp, G.J.,
(2012). Silica and silicate precipitation as limiting factors in
high-recovery reverse osmosis operations, Journal of Membrane
Science, 423–424.
Davis, T.A., (2006). ZeRO discharge seawater desalination:
Integrating the production of freshwater, salt, magnesium, and
bromine, in U.S. Bureau of Reclamation Research Report No.
1112006.
1154
Den, W., ve Wang, C. J. (2008). Removal of silica from brackish
water by electrocoagulation pretreatment to prevent fouling of
reverse osmosis membranes. Separation and Purification
Technology, 59(3), 318-325.
DIBR, (2012). Desalination and Water Purification Research and
Development Program Report No. 155, U.S. Department of the
Interior Bureau of Reclamation.
Di Profio, G., Salehi, S., Curcio, E., Drioli, E.
(2017). Comprehensive Membrane Science and Engineering
(Second Edition), 3, 297-317.
Dialynas, E., Mantzavinos, D., Diamadopoulos, E., (2008).
Advanced treatment of the reverse osmosis concentrate
produced during reclamation of municipal wastewater, Water
Reseach., 42, 4603–4608.
Gabelich, C., Williams, M.D., Rahardianto, A., Franklin, J.C., Cohen,
Y., (2007). High recovery reverse osmosis desalination using
intermediate chemical demineralization, Journal of Membrane
Science, 301, 131–141.
Gibbons, J., Papapetrou, M., Epp, C., (2007). Assessment of EU
policy: Implications for the implementation of autonomous
desalination units powered by renewable resources in the
Mediterranean region, Desalination 220, 422–430.
Hancock, N.T., (2013). High recovery brine treatment using
forward osmosis, in: Proceedings of the Membrane Technology
Conference, American Membrane Technology Association
(AMTA)/American Water Works Association (AWWA), Phoenix,
Arizona, Şubat 25–28.
Janson, A., Adham, S., Benyahia, F., Dores, R., Husain, A., Minier-
Matar, J., (2012). Membrane distillation of high salinity brines
using low grade waste heat, in: Proceedings of the Membrane.
Kenna E.N. ve Zander A.K., (2000). Current Management of
Membrane Plant Concentrate.
Kimes, J.K., (1995). The regulation of concentrate disposal in
Florida, Desalination, 102, 87-92.
1155
Korngold, E., Aronov, L., Daltrophe, N. (2009). Electrodialysis of
brine solutions discharged from an RO plant. Desalination,
242(1-3), 215-227.
Koyuncu, İ., İmer, D., Altınay, A.D, (2017). Tekstil Atıksularının
Membran Teknolojiler ile Arıtımı ve Geri Kullanımı ve Membran
Konsantrelerinin Fiziksel/Kimyasal Metotlar ile
Uzaklaştırılması, TUBİTAK 2510 projesi.
Ladewig, B., ve Asquith, B. (2011). Desalination Concentrate
Management, Springer Science & Business Media, Springer,
İngiltere.
Lattemann, S. ve Höpner, T., (2008). Environmental impact and
impact assessment of seawater desalination. Desalination,
220:1-3, 1-15.
Liu, K., Roddick, F.A., Fan, L., (2012). Impact of salinity and pH on
the UVC/H2O2 treatment of reverse osmosis concentrate
produced from municipal wastewater reclamation, Water
Research, 46, 3229–3239.
Lokiec, F., (2013). Sustaınable Desalınatıon: Envıronmental
Approaches, The International Desalination Association World
Congress on Desalination and Water Reuse 2013 / Tianjin, Çin.
Mace, R.E., Nicot, J.P., Chowdhury, A.H., Dutton, A.R, Kalaswad, S.,
(2005). Please pass the salt. Using oil fields for the disposal of
concentrate from desalination plants, U.S. Department of the
Interior Bureau of Reclamation. Technical Service Center,
Desalination and Water Purification Research and Development
Program Report No. 112.
Macedonio, F., Drioli, E., Gusev, A.A., Bardow, A., Semiat, R.,
Kurihara, M., (2012). Efficient technologies for worldwide clean
water supply, Chem. Eng. Process, 51, 2–17.
Mackey, E.D., (2006). Membrane Residuals Solutions. American
Membrane Technology Association.
Masnoon, S. ve Glucina, K., (2011). Desalination: Brine and
Residual Management, Global Water Research Coalition.
1156
Mickley, M., (2017a). Permitting Practices for Seawater
Concentrate Disposal 2017 MSSC Annual Salinity Summit, “Less
Water, More-Salt…The New Reality, March 2-3, 2017.
Mickley, M., (2008b). Survey of high-recovery and zeRO liquid
discharge technologies for water utilities.
Mickley, M., (2006). Membrane Concentrate Disposal: Practices
and Regulation, Second Edition. U.S. Department of the Interior,
Bureau of Reclamation, Technical Service Center, Water
Treatment Engineering and Research Group.
Mickley, M., (2008a). Treatment of Concentrate. Final Report
No.155, U.S. Department of the Interior, Bureau of Reclamation,
Technical Service Center, Water Treatment Engineering and
Research Group.
Mukhopadhyay, D., (1999). US Patent 5 925 255, Haziran 20.
Nicot, J.P. ve Chowdhury A.H., (2005). Disposal of brackish water
concentrate into depleted oil and gas fields: a Texas study,
Desalination, 18-1, 61-74.
Özturk, İ., (2011). Deniz Deşarjı Tesisler Tasarımı, Su Vafı
Yayınları, İstanbul, Türkiye.
Pérez, G.A., Urtiaga, A.M., Ibáñez, R., Ortiz, I., (2012). State of the
art and review on the treatment technologies of water reverse
osmosis concentrates, Water Res., 46, 267–283.
WHO, (2007). Guidance for the Health and Environmental
Aspects Applicable to Desalination, Public Health and the
Environment World Health Organization, Desalination for Safe
Water Supply, Geneva.
Reahl, E. R., (2006). https://pdfs.semanticscholar.org/5391/
c71537ced99f87e457413e9fb38776dc4abc.pdf 26.12.2017,
26.12.2017.
Reiss, C.R. ve Vergara, B.A., (2003). Demineralization
concentrate management in the St. Johns River water
management district, Florida. In Membrane Technology
Conference Proceedings, Atlanta, Georgia, 2–5 Mart 2003.
American Water Works Association, Denver, Kolorado.
1157
Safrai I. ve Zask A., (2007). Reverse osmosis desalination plants
— marine environmentalist regulator point of view,
Desalination, 220, 72–84.
Sanciolo, P., Ostarcevic, E., Atherton, P., Leslie, G., Fane, T., Cohen,
Y., Payne, M., Gray, S,. (2012). Enhancement of reverse osmosis
water recovery using interstage calcium precipitation,
Desalination, 295, 43–52.
Sethi, S., Zacheis, A., and Juby, G. (2005). State-of-Science and
Emerging and Promising Technologies for Brine Disposal and
Minimization for Reverse Osmosis Desalination. In: AWWA
Annual Conference Proceedings.
Shih, W., Brandon Y., Marshall, M., DeMichele, D. (2013). Chino II
Desalter Concentrate Management Via Innovative Byproduct. in
American Membrane Technology Association. 2013. San
Anotonio, Teksas.
Squire, D., (1997). Disposal of reverse osmosis membrane
concentrate. Desalination, 108-1, 143-147.
Subramani, A. ve Jacangelo, J.G., (2014). Treatment technologies
for reverse osmosis concentrate volume minimization: a review,
Separation and Purification Technology, 122, 472-489.
Subramani, E., Cryer, L., Liu, S., Lehman, R.İ, Ning, J., Jacangelo,
(2012a). Impact of intermediate brine softening on feed water
recovery of reverse osmosis process during treatment of mining
contaminated groundwater, Separation and Purification
Technology, 88.
Subramani, A., DeCarolis, J., Pearce, W., Jacangelo, J. G. (2012b).
Vibratory shear enhanced process (VSEP) for treating brackish
water reverse osmosis concentrate with high silica content.
Desalination, 291, 15-22.
Sultanate of Oman, (2005). Ministerial Decision No: 159/2005,
Promulgating the bylaws to discharge liquid waste in the marine
environment, Ministry of Regional Municipalities, Environment
and Water Resources.
1158
Susanto, H., (2011). Towards practical implementations of
membrane distillation, Chemical Engineering Process, 50, 139–
150.
Tanaka, Y., (2015). Ion Exchange Membranes, Volume 12,
Second Edition: Fundamentals and Applications (Membrane
Science and Technology), Elsevier.
Tang, W. ve Ng, H.Y., (2008). Concentration of brine by forward
osmosis: performance and influence of membrane structure,
Desalination, 224, 143–153.
Tun, C.M. ve Groth, A.M., (2011). Sustainable integrated
membrane contactor process for water reclamation, sodium
sulfate salt and energy recovery from industrial effluent,
Desalination 283,187–192.
<URL>: AMTA, (2006). Membrane residuals solutions,
https://www.amtaorg.com/wp-
content/uploads/AMTA_Fall06.pdf., 26.12.2017.
<URL>: Bellona, (2014), https://watereuse.org/wp-
content/uploads /2014/10/WRRF-10-09-webcast.pdf,
26.12.2017.
<URL>: Bleninger T., ve Jirka G.H. (2010). http://www.ifh.uni
karlsruhe.de/science/envflu/research/brinedis/brinedis-
finalreport.pdf, 26.12.2017.
<URL>: DiNatale, (2009),
http://colowqforum.org/pdfs/membrane-
treatment/documents/RO%20Concentrate%20Disposal.pdf,
25.12.2017.
<URL>: DriBoss, (2011). http://www.driboss.com/why-
evaporate, 26.06.2011.
<URL> : Jenkins, (2012). https://www.waterboards.ca.gov/
water_issues/programs/ocean/desalination/docs/dpr051812.p
df, 12.12.2017.
<URL>: Maliva, (2007). http://www.awwa.org/portals/
0/files/education/conferences/membrane/mtc16/membrane%
20papers/tue06%20papers/02-maliva%20paper.pdf,
26.12.2017.
1159
<URL>: Mickley ve Voutchkov, (2015). Database of Permitting
Practices for Seawater Concentrate Disposal,
https://watereuse.org/watereuse-webcast/database-of-
permitting-for-seawater-concentrate-disposal/, 26.12.2017.
<URL>: Mickley, (2017b). Review of Concentrate Management
Options,
https://texaswater.tamu.edu/readings/desal/concentratedispo
sal.pdf, 23.12.2017.
<URL>: State of Israel-Ministry of the Environment (2002).
http://old.sviva.gov.il/Enviroment/Static/Binaries/Articals/des
alination_policy_1.pdf, 20.12.2017.
<URL>: Tarquin, (2010). https://www.twdb.texas.gov/
innovativewater/desal/projects/elpaso/doc/elpaso_Final_Repo
rt_0310.pdf, 12.12.2017.
<URL>: Tinos, NTUA , Culligan S.A, (2017). Report on the
evaluation of existing methods on brine treatment and disposal
practices, solbrine.uest.gr/uploads/files/Deliverable_1.1.pdf,
06.08.2017, 26.12.2017.
<URL>:USGS,(2017).
https://water.usgs.gov/edu/watercycleevaporation.html,
24.12.2017.
<URL>: WaterReuse, (2015). https://watereuse.org/wp-
content/uploads/2015/10/Seawater_Concentrate_WP.pdf,
22.12.2017.
WERF, (2012). Demonstration of Membrane Zero Liquid
Discharge for Drinking Water Systems, A Literature Review,
Water Environment Research Foundation.
Williams, M.D. ve Pirbazari, M., (2003). Biological Sulfate
Reduction (BSR) for Recovering Reverse Osmosis Brine, Quality
Assurance Project Plan for Contract No. 51539, Desalination
Research and Innovative Partnership (DRIP).
Zhang, Y., Ghyselbrecht, K., Vanherpe, R., Meesschaert, B., Pinoy,
L., van der Bruggen, B., (2012). RO concentrate minimization by
electrodialysis: techno-economic analysis and environmental
concerns, Journal of Environmental Management., 107, 28–36.
1160
Zhou, M., Tan, Q., Wang, Q., Jiao, Y., Oturan, N., Oturan, M.A.,
(2012). Degradation of organics in reverse osmosis concentrate
by electro-Fenton process, J. Hazard. Mater., 215–216, 287–293.
(İfs.u
ni-k
arlsr
uhe.d
e, 20
10)
M
embr
an K
onsa
ntre
Deş
arjın
ın O
lası
Et
kile
rini
n Be
lirle
nmes
i İçi
n La
bora
tuva
r Ö
lçek
li Bi
r Ça
lışm
a Gö
rünt
üsü
(ene
rgyr
ecov
ery.c
om, 2
017)
Te
rs O
smoz
Arı
tma
Sist
emle
rind
e K
ulla
nıla
n En
erji
Geri
Kaz
anım
Cih
azla
rını
n İç
Gör
üntü
sü
1161
BÖLÜM 17
MEMBRAN TEKNOLOJİLERİNDE MALİYET ANALİZİ
İsmail Koyuncu1,2 , Sevde Korkut1,2, Türker Türken1,2 ve Börte Köse-Mutlu2
17.1. Giriş
Membran teknolojisi, geniş kullanım alanı, konvansiyonel metotlara
göre yüksek çıkış suyu kalitesi ve düşük alan ihtiyacı gibi üstünlükleri
sebebi ile her geçen gün daha da popüler hale gelmektedir. Bu bölümde,
öncelikle membran tesisleri bazında maliyet kalemlerinin toplam
maliyet içerisindeki oranlarından bahsedilecektir. Ardından, membran
teknolojilerinin maliyetleri, toplam maliyetler ve maliyet kalemleri
açısından incelenecektir. Membran teknolojilerinin maliyetleri
incelenirken, kullanım amacına göre maliyetler göz önüne alınarak
karşılaştırma yapılmalıdır. Bu bağlamda, membran teknolojiler beş
gruba ayrılarak maliyetleri açısından incelenecek ve mevcut veriler bir
araya getirilip özetlenecektir. Maliyet farklılıkları açısından membran
teknolojisi incelenirken ele alınacak beş ana grup şu şekilde
sıralanabilir: 1) mikrofiltrasyon veya ultrafiltrasyon membranı içeren
ön arıtma tesisleri, 2) kuyu suyu arıtma veya su yumuşatma amaçlı
nanofiltrasyon ve düşük basınçlı ters osmoz tesisleri, 3) desalinasyon
amaçlı membran tesisleri, 4) endüstriyel atıksu arıtılan membran
tesisleri ve 5) membran biyoreaktör tesisleri. Bu sayede, membran
teknolojisi kullanıcı adayları, kullanım amaçları doğrultusunda verilecek
birim arıtma maliyetleri sayesinde fikir sahibi olabilecek ve ilgili
membran tesisinde maliyeti azaltma adına izlenebilecek stratejilerden
haberdar olabilecektir.
1 İnşaat Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, İTÜ 2 Prof. Dr. Dincer Topacık Ulusal Membran Teknolojileri Uyg-Ar Merkezi, İTÜ
1162
17.2. Maliyeti Oluşturan Unsurlar
Bir membran tesisinde maliyetler, ilk yatırım maliyetleri (İYM) ve
işletme ve bakım maliyetleri (İBM) olarak ikiye ayrılmaktadır. İlk
yatırım maliyetleri, direkt ilk yatırım maliyetleri ve dolaylı ilk yatırım
maliyetleri olarak iki ana sınıf altında incelenebilir. Direkt İYM,
projelendirme ve mühendislik, arazi temini ve düzenlemesi, alt yapı
(elektrik, su ve mekanik) düzenlemeleri, ekipman alımları, membran
alımları ve diğerleri olarak sıralanabilir. Dolaylı İYM ise inşaat işleri ve
bilinmeyen giderlerdir. İşletme ve bakım maliyetleri ise enerji, kimyasal,
parça değişimi, membran değişimi, işçilik, bakım ve diğerleri olarak
sınıflandırılabilir. Maliyet kalemlerinin sınıflandırılması görsel olarak
Şekil 17.1’de verilmiştir.
Şekil 17.1 Membran tesislerinde maliyet kalemleri (Akgül, 2006)
1163
Literatür verileri incelendiğinde, membran tesislerinin İYM ve İBM
maliyetlerinin oldukça farklılıklar gösterdiği görülmektedir. Birim
maliyet tahminlerindeki zorluklar ve çeşitli sonuçlar elde edilmesinin
sebepleri, enerji (yakıt veya elektrik) maliyetlerinin ülkeye göre
değişiklik göstermesi, malzeme ve yapılandırma konusundaki birim
ürün maliyetlerinin ve işçilik maliyetlerinin ülkelere göre değişkenlik
göstermesi ve son olarak, besleme suyunun karakteristiğinin (tuzluluk,
bulanıklık vb.) maliyete etkisi sıralanabilir.
17.2.1. İlk Yatırım Maliyetleri (İYM)
İlk yatırım maliyetleri, arazi temini ve düzenlenmesi, projelendirme ve
mühendislik (kimi kaynaklarda danışmanlık olarak geçmektedir), su,
elektrik ve mekanik altyapı işleri, bütün ekipmanlar, membranlar ve
inşaat mühendisliği maliyetlerini kapsamaktadır (Judd, 2017).
Projelendirme ve mühendislik, ülke bazlı olarak değişkenlik
göstermektedir. Literatür incelendiğinde, projelendirme ve
mühendisliğin toplam maliyet içerisindeki yüzdesinin oldukça geniş bir
aralıkta değiştiği ve hatta bazı çalışmalarda maliyet kalemi olarak
hesaba katılmadığı görülmektedir. Arazi temini ve düzenlenmesi, ülkeye
ve hatta şehire ve konuma göre oldukça değişkenlik göstermektedir. Bu
sebeple, örnek maliyetler incelenirken mevcut tesisin maliyet kalemleri
ayrıntılı olarak ayrı ayrı verilmekte ise arazi maliyetlerine dikkat
edilmeli ve ülkemiz ile karşılaştırılmalıdır. Bir diğer seçenek ise birim
arazi maliyetleri benzer şehirlerin örneklerine odaklanmaktır.
Arazi düzenlemesi ise seçilen arazinin tesise uygun bir hale getirilmesi
için hafriyat çalışmalarının veya güçlendirmelerinin yapılmasıdır. İnşaat
mühendisliğinin en maliyetli kalemleri olan hafriyat kalemi de ülke
bazında değişkenlik göstermektedir. Bunun haricindeki inşaat
masrafları, tesis binaları olarak hesaplanmaktadır (Van der Bruggen ve
diğ. 2001).
1164
Mekanik işleri, borulama işleri, pompaj hatlarının ve pompaların
ayarlanmasını içermektedir. Amortisman periyodu 15 yıldır. Elektrik
mühendisliği ise enerjinin iletimi için gerekli kablolama ve
transformatörlerin ayarlanmasını içermekte ve mekanik altyapı gibi
amortisman periyodu 15 yıl olarak kabul edilmektedir.
İlk yatırım, işletme ve bakım maliyetlerinin ortak ve en maliyetli
kalemlerinin ekipman ve membran maliyetleri olduğu söylenebilir.
Ekipmanlar ve membranlar, İYM’ye dahil edilmeli ve işletme sırasında,
bakımı ve onarımı gerçekleştirilmelidir. Ayrıca, kullanım ömürlerini
tamamladıklarında yenilenmelidirler. Membran maliyetleri, ön arıtma,
nanofiltrasyon ve ters osmoz membranları seçimine göre oldukça
farklılık göstermektedir. Membran maliyeti, kullanılacak membranların
alanı ile doğru orantılıdır. Membran alanı, tesis kapasitesi (debisi) ve
besleme suyunun filtrasyonunda gözlenen süzüntü akısına bağlıdır.
Membranların ömrü kullanımlarına göre değişmekte olup 5-10 yıl
olarak öngörülmektedir.
17.2.2. İşletme ve Bakım Maliyetleri (İBM)
Bir membran prosesinin işletmesi ve bakımı genellikle alternatif klasik
proseslerden daha karmaşıktır (Judd, 2017). Dolayısıyla, işletme ve
bakım maliyetleri konvansiyonel tesislere göre yüksek olabilmektedir.
Büyük ölçekli membran kurulumunun işletme maliyeti, enerji ve
kimyasal ihtiyacı, membran yenileme, işçilik ve bakım servisi ve diğer
unsurları (su kaynağı ve atıksu deşarj yükleri) teşkil etmektedir.
İşletme maliyetlerinin en yüksek maliyete sahip kalemleri, enerji
ihtiyacı ve membran değişimidir. Genel olarak, bu iki kalemin de
membranların kullanımının optimize edilmesi ile azaltılabileceği
söylenebilir (Judd, 2017).
Enerji ihtiyacı, büyük ölçüde basınç sürücü kuvvetli membran
kullanımında önemli olmaktadır. Membranlar tıkandıkça süzüntü eldesi
1165
zorlaşmakta ve işletme süresince basınç artmaktadır. Sabit süzüntü akısı
hedeflendiğinde artan basınç sebebiyle enerji sarfiyatları da
artmaktadır. Kullanılan membrana ve besleme suyunun karakteristiğine
göre süzüntü eldesi için gereken birim enerji oldukça değişkendir.
Benzer çalışmalar örnek alınmalı ya da yatırım öncesi laboratuvar ya da
pilot ölçekli çalışmalar yapılarak enerji sarfiyatları ortaya konulmalıdır.
Kimyasal sarfiyatları da membran tesisinin kullanım amacına göre
değişkenlik göstermektedir. Kimyasallar, membranların tıkanmasını
engellemek ya da tıkanan membranların geri dönüştürülebilir
tıkanmalarını azaltmak amacı ile belirli periyotlarda
gerçekleştirilmektedir. Bu kalemin maliyeti de membranların tıkanması
ile doğru orantılı olarak artmaktadır. Ayrıca, membran tesisinin
kullanım amacı doğrultusunda besleme suyunda gerçekleştirilecek bazı
ön arıtma (membran ömrünü arttırmak için) ya da son arıtma
(dezenfeksiyon veya mineralizasyon gerçekleştirmek için) işlemleri de
uygulanabilmektedir. Bu tarz proseslerin mevcut olduğu membran
tesislerinin kimyasal sarfiyatları daha yüksek olmaktadır. Optimizasyon
için ön çalışmalar yapılabilir ya da tesis işletmecisinin tecrübesi
doğrultusunda işletme süresince yapılacak iyileştirmeler ile azaltılabilir.
Membran tesislerinin işçilik ve bakım maliyetleri, diğer kalemler kadar
yüksek maliyetlere sahip olmasalar da önemli kalemlerdir ve hesaba
katılmaları sağlıklı maliyet tahminlerinin yapılabilmesi için önem arz
etmektedir.
17.2.3. Maliyeti Etkileyen Bazı Faktörler
17.2.3.1. Membran Tesislerinde Ön Arıtmanın Maliyete Etkisi
Ön arıtma, özellikle ters osmoz ve nanofiltrasyon sistemlerinde önemli
noktalardan biridir ve sistemlerin performansı için kaçınılmaz bir
yatırımdır. Tipik olarak, ön arıtma ünitesinin maliyeti, besleme suyunun
kalitesine bağlı olarak ilk yatırım maliyetinin %35’ine kadar
1166
çıkabilmektedir. Ön arıtması iyi tasarlanmamış ya da kurulmamış
membran tesislerinde membranlar, tıkanma sebebi ile zaman içerisinde
performanslarını kaybetmeye mahkumdur. Eğer, geri dönüşümlü bir
performans kaybı mevcut ise çeşitli kimyasallar kullanılarak
uygulanacak uygun membran temizleme prosedürleri ile membranlar
ilk baştaki debi ve su kalitesi değerlerine yaklaşabilirler. Fakat, geri
dönüşümsüz bir tıkanma gerçekleşmiş ise bunu geri döndürmek
mümkün olmayabilir. Ön arıtması yeterli olmayan birçok tesiste
kullanılmaz duruma gelen membranlar atılmak durumunda
kalınmaktadır. Bu da membran maliyetlerini arttıracağından yatırımcı
ve/veya işletmeci için hesaba katılmayan bir maliyet kalemi olarak
ortaya çıkacaktır. Bir membran tesisinde, beklenmeyen bir anda
işletmeci tahmin edemediği şekilde ve beklenilenden önce bir membran
yenileme durumu ile karşı karşıya kalmakta ise atıl duruma çıkan
kullanılmış membranda membran otopsisinin yapılması ilerleyen
işletme yıllarında aynı hatalara düşmemek açısından faydalı
olabilmektedir (Detaylı bilgi için Bölüm 18’i inceleyiniz).
Ön arıtmanın en önemli amacı, bulanıklık giderimidir. Spiral sargılı ince
film kompozit membranların kullanıldığı bir membran prosesine
beslenecek sudaki bulanıklığın 1 NTU değerinden az ve SDI değerinin ise
en fazla 3 olması istenmektedir. 1000 m³/gün kapasiteli bir sistemde
kuyu suyu kullanılması durumunda takribi 20 m/st kesit hızı sağlanan
1600 mm çapında bir basınçlı kum filtresi yeterli olabilirken, yüzey suyu
kullanılması durumunda 10 m/st’ten daha düşük kesit hızında ve en az
2500 mm çapında bir kum filtresi kullanılması gerekmektedir. Bu
filtrelerden ikincisi, ilkine oranla yaklaşık %80 daha yüksek maliyetlidir.
Kesit hızı 12 m/st seçilirse, 1600 mm çapındaki filtreye göre %40 daha
yüksek maliyetli olmaktadır. 5000 m³/gün kapasiteli sistemde, 12 m/st
kesit hızlı filtrenin, 20 m/st kesit hızlı bir filtreye oranla maliyeti %60
daha yüksek olmaktadır (Başaran, 2015).
Kuyu suyu arıtımında rastlanan bir diğer problem ise yüksek demir ve
mangan konsantrasyonlarıdır. Çözünmüş manganı okside etmek
amacıyla permanganat kullanılmaktadır. Maliyeti, klora oranla daha
1167
yüksektir ve sadece manganın oksidasyonu söz konusu olduğunda
kullanımı tercih edilmektedir. Hipokloritin ve permanganatın birim
maliyetleri sırası ile 0,35 $/kg ve 2,50 $/kg’dır. İşletme maliyeti
açısından örnek verilmek istenirse, 3 mg/lt mangan içeren bir sudan
mangan gidermek amacıyla kullanılan permanganatın birim maliyeti
yaklaşık 0,015 $/m3’tür. Besleme suyundaki mevcut mangan için kum
filtresinin üst tabakasına antrasit yerleştirilerek mangan için uygun bir
oksidasyon ve tutulma tabakası oluşturulabilir. Antrasit maliyeti yüksek
bir dolgu malzemesidir ve ortalama fiyatı 0,90 $/kg’dır. 2 mg/lt mangan
içeren 5000 m³/gün kapasiteli bir sistemde antrasit maliyeti, yaklaşık
9000 $ civarında olmaktadır (Başaran, 2015).
Membran tesisinin besleme çözeltisinde organik maddeler yüksek
konsantrasyona sahip ise uygulanabilecek en düşük maliyetli sistem,
aktif karbon filtresidir. Tipik olarak, 1000 m³/gün kapasiteli ve 5 dakika
temas süresi sağlanan bir sistemde aktif karbon filtresinin maliyeti, 3
dakika temas süreli aktif karbon filtreye oranla %40 daha fazladır.
Yüzey sularının organik madde içeriği yüksek olduğu için aktif karbon
filtresi yatırımı önemli bir maliyettir. Aktif karbon zamanla tükendiği ve
biyofilm oluşumu gözlenebileceği için genelde 1-2 yıl içerisinde
değiştirilmeleri gerekmektedir. Bu da, aktif karbon için işletme maliyeti
(membran ya da ekipman yenileme gibi) oluşturmaktadır. Yatırımcı, ön
çalışmalar ve besleme suyu karakterizasyonu ile bu tarz bir ön
arıtmanın gerekliliğine karar vermeli ve birim işletme ve bakım (İBM)
maliyeti hesabında dikkate alınmalıdır (Başaran, 2015).
17.2.3.2. Membran Seçiminin Maliyete Etkisi
Membran tesisinin ilk yatırımında ve işletiminde en önemli maliyet
kalemi olan membranların doğru seçimi, maliyetlerin düşürülmesi
açısından oldukça önemlidir. Piyasada yaygın olarak bulunan ve
kullanımı tercih edilen spiral sargılı ince film kompozit membranlar,
tuzlu su (brackish water-BW) ve deniz suyu (sea water –SW) ters osmoz
membranları ile nanofiltrasyon membranları şeklinde sıralanabilir. Bu
1168
üç model membran arasındaki fark besleme suyu tuzluluğuna göre
kullanılabilirlikleri ve giderme verimleridir.
Membran tesisinin tasarımında amaca uygun ön ve ileri arıtma için
membranlarının doğru seçilmesi, İYM ve İBM açısından oldukça
önemlidir. Yanlış membran seçiminin sebebi istenilen özelliklerin ve
kapasitenin üzerinde bir membran seçilmesi ile ilk yatırım maliyeti
lüzumsuz şekilde artmaktadır. Bunun yanı sıra, malzemesi ya da başka
bir teknik özelliği sebebiyle yanlış tercih edilen membran dolayısıyla,
membranlar ile istenilen arıtma verimine ulaşılamayabilir ve membran
değişimine gidilmesi gerekebilmektedir. Ayrıca, membranlar besleme
suyuna ve kapasiteye uygun seçilmediğinde, beklenilenden çabuk
tıkanabilir ve enerji maliyetleri artabilir (Sterlitech, 2017).
17.2.3.3. Besleme Suyu Kalitesinin Maliyete Etkisi
Besleme suyunun tuzluluğunun ve sıcaklığının maliyet üzerinde sistem
tasarımı ve işletme basıncı bakımından çok önemli etkisi
bulunmaktadır. Tuzluluk oranı, membran tipini, membran adedini,
işletme basıncını, borulama malzemesini ve kimyasal tüketimini
etkilemektedir. Suyun tuzluluğu arttıkça sistemin ürün debisi de
azalmaktadır. Örneğin, 1000 m³/gün kapasiteli 500 mg/lt tuzluluktaki
bir kuyu suyu ters osmoz sistemi için gerek duyulan işletme basıncı
yaklaşık 6 bar iken, 2000 mg/lt tuzlulukta gerek duyulan basınç yaklaşık
10 bardır (Başaran, 2015).
Besleme suyu sıcaklığında bir artış, membran boyunca su ve tuz
geçirgenliğini artırmaktadır. Bununla birlikte, çoğu TO tesisi sabit bir
debide çalıştırılmaktadır. Bundan dolayı, sıcaklıktaki bir artış süzüntüde
tuzluluk artışına neden olmaktadır. 1°C'lik bir artış, tuz geçirgenliğini
%3-5 oranında artırabilir (Wilf ve Klinko, 2001). Yüksek besleme suyu
sıcaklıkları bekleniyorsa, süzüntüde yeterince düşük bir TÇM
konsantrasyonu elde etmek için birden fazla kademeye ihtiyaç
duyulabilir. Sıcaklık ise en çok işletme basıncını doğrudan
1169
etkilemektedir. Suyun sıcaklığı arttıkça uygulanması gereken basınç
azalmaktadır. Örneğin, 1000 m³/gün kapasiteli 2000 mg/lt tuzluluktaki
bir ters osmoz sistemine 10°C su sıcaklığında 13 bar basınç uygulanması
gerekirken 25°C su sıcaklığında 10 bar’dan az basınç yeterli olmaktadır.
Bu durum, hem işletme maliyetini hem de daha güçlü pompa
seçiminden dolayı ilk yatırım maliyetini arttırmaktadır (Başaran, 2015).
İşletme basıncı, seçilecek modülün basınç dayanımını da belirlediği için
maliyeti de etkilemektedir. Deniz suyu sistemlerinde 69 bar basınca
dayanıklı modüller seçilmekte ve bu modüller 20-40 bar modüllere
oranla %35 daha pahalı olmaktadır (Başaran, 2015). Yeraltı suyu
kullanıldığında sıcaklık, 0-25°C kabul edilmektedir. Bu yüzden kışın
yapılan kurulumlarda kapasite kaybı olmaktadır. Gerekirse, besleme
basıncını artırılarak, dengelenebilmektedir. Ayrıca, su ihtiyacı genellikle
kışın daha azalmakta ve bu problem çözülmüş olmaktadır. Yazın daha
düşük basınçlarda işletilmektedir. Ancak bu sefer de su ihtiyacı
artmaktadır. Yaz ve kıştaki enerji tüketim farkı sıcaklık sabit alınarak
kapatılabilmektedir (Judd, 2017). Tablo 17.1’de besleme suyu
karakterinin İYM ve İBM üzerine etkisi özetlenmiştir.
Tablo 17.1 Besleme suyunun İYM ve İBM üzerine etkisi (Başaran, 2015)
Durum Birincil etki İYM üzerine
etkisi
İBM
üzerine
etkisi
Su kalitesine
etkisi
Bulanıklık Artarsa basınç
artar
Pompa maliyeti
artar Artar
Arıtılmış su
kalitesi düşer
Sertlik Artarsa basınç
artar
Pompa maliyeti
artar Artar
Arıtılmış su
kalitesi düşer
Tuzluluk Artarsa basınç
artar
Pompa maliyeti
artar Artar
Arıtılmış su
kalitesi düşer
Sıcaklık Artarsa basınç
azalır
Pompa maliyeti
azalır Azalır
Arıtılmış su
kalitesi düşer
Demir/
Mangan
Artarsa basınç
artar
Pompa maliyeti
artar Artar
Arıtılmış su
kalitesi düşer
1170
17.2.4. Maliyet Hesaplamalarında Kullanılan Yaklaşımlar ve
Modeller
Membran tesislerinin ilk yatırım ve işletme maliyetlerinin hesaplanması
için pek çok değişik yaklaşım bulunmaktadır. Matematiksel formüller ile
hesaplanan maliyetler, laboratuvar ölçekli çalışmalar ile
desteklenebileceği gibi çeşitli bilgisayar destekli hesaplama modelleri
kullanılarak da süreç kolaylaştırılabilmekte ve hızlandırılabilmektedir.
Mevcut maliyet tahmini yöntemleri ve yazılım paketleri, tarama,
fizibilite, konsept çalışması veya bütçe, yetki ve kontrol gibi farklı
amaçlar için kullanılabilir ve ± %10 ile %50 arasında değişen bir
doğruluğa sahiptir (Pinto ve Marques, 2017). Su maliyeti tahmin
metodolojileri, öncelikle ana maliyet belirleyicilerini tanımlamalı ve
belirlemelidir. Ardından, herhangi bir tesis için su maliyeti tahmini
doğrultusunda yapılandırılmış ve anlaşılır bir prosedür geliştirmelidir.
Tahminler, fizibilite çalışmalarının geliştirilmesini sağlayan proje,
planlama ve bütçeleme veya alternatif teknolojlerin karşılaştırabilmesi
için geniş bir perspektifte olması gerekmektedir. Bu başlıkta, iki maliyet
modeli hesaplama formülleri ve yaklaşım/kabulleri ile verilecek ve
ardından kullanılabilecek bilgisayar destekli maliyet modellerinden
bahsedilecektir.
17.2.4.1. Verberne Maliyet Modeli
Verberne Maliyet Modeli (VMM), denklemlerin pratik proje verilerine
dayandığı ve basit deneysel sonuçlara dayanan membran su arıtım
sürecinin maliyetinin tahmin edilmesinde kullanıldığı için özellikle ilgi
çekicidir (Ang ve diğ., 2017). Bununla birlikte VMM, membran kirlenme
eğilimini göz önüne almaktadır. Temelde, VMM kullanılarak maliyet
değerlendirmesi, membran filtrasyon işleminin besleme akışı ve işletme
basıncına dayanarak hesaplanmıştır (Sethi ve Wiesner 2000; Bick ve
diğ., 2012). Verberne Maliyet Modeli ile ilgili ayrıntılar aşağıda
sunulmuştur.
1171
İlk Yatırım Maliyetleri
İnşaat yatırımları (Tesis ünitelerinin yer alacağı binaları kapsamaktadır
ve amortisman süresi 30 yıldır):
Cinşaat = 862.QF + 1239n (17.1)
Burada,
QF : Süzüntü akısını (m3/st)
n : Membran modülü sayısını
göstermektedir.
Mekanik mühendislik harcamaları
Pompalar, filtreler ve borulamalar vb. gibi mekanik mühendisliği
maliyetlerini içermektedir. Amortisman süresi 15 yıldır.
Cmek = 3608QF 0,85 + 908n (17.2)
Elektroteknik yatırımlar
Enerji ihtiyacı, kontrol mühendisliği ve tüm elektronik ekipmanların
maliyetlerini içermektedir. Amortisman süresi 15 yıldır.
Celektro = 1,4 x 106 + 54.P.QF (17.3)
Burada,
P : İşletme basıncını (bar)
göstermektedir.
1172
Membran yatırımları
Membran gereksinimlerinin giderilmesi içermektedir. Membranların
ömrü için 5 yıl süre belirlenmiştir
Cmembran = 1000n (17.4)
Toplam yatırım maliyeti ve amortisman bedelleri
Toplam yatırım maliyeti
Ctoplam= Cyatırım = Cinşaat + Cmek + Celektro + Cmembran (17.5)
şeklinde hesaplanabilir.
İşletme ve Bakım Maliyetleri
Amortisman maliyeti
Amortisman hızı ilk yatırım maliyetlerine göre hesaplanmakta ve
yatırımlar lineer olarak amortize edilmektedir.
𝐶𝑎𝑚𝑜𝑟𝑡𝑖𝑠𝑚𝑎𝑛 = 𝐶𝑖𝑛ş𝑎𝑎𝑡
30+ (𝐶𝑚𝑒𝑘 + 𝐶𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜)/15 +
𝐶𝑚𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑛
5
(17.6)
Enerji maliyeti:
Sarfiyat maliyetleri, enerji maliyeti ve kimyasal maliyeti olarak iki ana
bileşende hesaplanır. Enerji maliyeti, 40 Wh/m3 beslenen
suyu/uygulanan basınç (bar) ve elektrik maliyeti ise 0,059 $/kWh
olduğu kabul edilerek,
Cenerji = 40.P.QF x 0,05/1000 x 24 x 365 (17.7)
1173
şeklinde hesaplanabilir.
Kimyasal maliyeti
Birim kimyasal maliyetinin 0,029 $/m3 süzüntü olduğu kabul edilerek
kimyasal maliyeti
Ckimyasal= 0,029 .QF x 24 x 365 (17.8)
şeklinde hesaplanabilir. Toplam sarfiyat maliyeti,
Csarfiyat= Cenerji + Ckimyasal (17.9)
şeklindedir.
Bakım maliyetleri
Bakım maliyetleri ise toplam ilk yatırım maliyetinin %2’si olarak kabul
edilebilir.
Cbakım = 0,02.Cyatırım (17.10)
İşletme maliyetleri
Spesifik işletme maliyetleri, kalite kontrol ve işletme işlemlerini
içermekte ve toplam ilk yatırım maliyetinin %4’ü olarak kabul
edilmektedir. Spesifik yatırım maliyeti
Cspesifik = 0,04.Cyatırım (17.11)
ile hesaplanabilir.
1174
Toplam işletme maliyeti,
Toplam işletme maliyeti,
Cişletmevebakım = Camortisman + Csarfiyat + Cbakım + Cspesifik (17.12)
ifadesi ile hesaplanır.
17.2.4.2. Macedonio Maliyet Modeli
Macedonio ve arkadaşları (Macedonio ve diğ., 2007) tarafından
oluşturulan ekonomik modele göre kullanılan denklemler ise şu
şekildedir:
İlk Yatırım Maliyetleri
Amortisman faktörü:
a=(i.(1+i)n)/(1+i)n-1) (17.13)
Burada,
i : Faiz oranını (%5 kabul edilmiştir)
n : Tesis ömrünü (30 yıl kabul edilmiştir)
göstermektedir.
Yıllık sabit ücretler:
Yıllık sabit ücretler,
Asabit = a x DY
(17.14)
1175
ile hesaplanır.
Burada,
DY : Direkt ilk yatırım maliyetlerini
göstermektedir.
Dolaylı ilk yatırım maliyeti:
Toplam doğrudan ilk yatırım maliyetinin %10’u olarak kabul
edilebilmektedir.
İşletme ve Bakım Maliyetleri
Yıllık enerji maliyeti
Aelektrik = c x w x f x m x 365 (17.15)
ile hesaplanmaktadır. Burada,
c : Elektrik maliyeti (009 $/kW.st kabul edilmiştir)
w : Spesifik elektrik gücü sarfiyatını (kWh/m3)
f : Tesis çalışma verimini (0,9 olarak kabul edilmiştir)
m : Tesis kapasitesini (m3/gün)
göstermektedir.
Yıllık buhar maliyeti:
Abuhar = s x G x f x 365 (17.16)
ile hesaplanmaktadır. Burada,
1176
s : Isıtma amaçlı gerekli olan buhar maliyetini ($/m3)
G : kütlesel debiyi
göstermektedir.
Yıllık kimyasal maliyeti:
Akimyasal = k x f x m x 365
(17.17)
Burada;
k : Spesifik kimyasal maliyeti (0,025 $/m3 kabul edilmiştir, eğer ön
arıtma olarak MF tercih edilir ise bu değer 0,018 $/m3 kabul edilebilir)
göstermektedir.
Yıllık işçilik maliyeti:
Aişçi = Ɣ x f x m x 365 (17.18)
ile hesaplanmaktadır. Burada;
γ : Spesifik işçilik maliyetini (0,05 $/m3 kabul edilmiştir, eğer ön
arıtma olarak MF tercih edilir ise bu değer 0,03 $/m3 kabul edilebilir)
Yıllık tuzlu su (konsantre) bertaraf maliyeti:
Atuzlu su = b x B x 365
(17.19)
ile hesaplanmaktadır. Burada,
b : Spesifik tuzlu su bertaraf maliyeti
(0,0015 $/m3 kabul edilmiştir)
B : Bertaraf edilecek tuzlu su debisini
1177
göstermektedir.
Yıllık bakım ve yedek parçaların maliyeti:
Abakım = p x m x f x 365 (17.20)
ile hesaplanmaktadır. Burada;
p : Spesifik bakım ve parça onarım maliyeti
(0,044 $/m3 kabul edilmiştir)
göstermektedir.
Yıllık membran yenileme maliyeti:
Amembran şeklinde ifade edilir.
Yıllık NaCO3 maliyeti:
ANaCO3 = tuz fiyatı x f x 365
(17.21)
ile hesaplanmaktadır. Burada, tuz fiyatı $/kg olarak seçilen ve kullanılan
tuz kimyasalına göre değişkenlik göstermektedir. (temsili olarak NaNO3
kullanılmıştır).
Toplam yıllık maliyet:
Atoplam = Asabit + Adol + Aelektrik + Abuhar + Akimyasal + Aişçi + Atuzlu su + Abakım
+ Amembran + ANaCO3
ile hesaplanmaktadır. Birim Üretim Maliyeti:
(17.22)
Abirim = Atoplam /(f x m x 365)
(17.23)
ile hesaplanabilir.
1178
Tüm bunlara ek olarak, membran yenileme hızı %10 ve %20 arasında
değişkenlik göstermekte ve tuzluluğun değerine göre değişmektedir.
Pompaj ve enerji geri kazanım sistemi maliyetleri şu şekilde
hesaplanabilir:
Maliyetpompa veya turbin = 0,0151 x Ge x P
Burada,
Ge : Kütlesel debiyi (kg/st) göstermektedir.
(17.24)
Çalışmada, NF/TO membran maliyeti, 30 $/m2 kabul edilmiştir.
17.2.4.3. Bilgisayar Destekli Maliyet Modelleri
WTCost II programı kullanılarak desalinasyon maliyet modelleri
geliştirilmiştir. Temel olarak Microsoft Excel kullanılmaktadır. Bu
bağlamda, Global Water Intelligence (GWI), “Global Water Intelligence
Desaldata.com SWRO Maliyet Tahminci” adlı bir web tabanlı maliyet
modeli yayımlamıştır. Bu çevrimiçi araç, bir deniz suyu ters osmoz
arıtma tesisinin, yani desalinasyon amaçlı TO tesisi, ilk yatırım
maliyetini tahmin etmek için kullanılan tescilli bir modeldir (Huehmer,
2010).
CH2M HILL, CH2M HILL Parametrik Maliyet Tahmini Sistemi veya CPES
olarak bilinen bir model de geliştirilmiştir. Model, bir kütle denge aracı
ve yaklaşık 60 farklı birim işlemden meydana gelmiş parametrik model
serisinden oluşmaktadır. Modellerin işlevselliğinin, karşılaştırması
Tablo 17.2'de verilmektedir. Her üç model de İYM tahminleri
sağlayabilir. Ayrıca, WTCost II ve CPES tarafından GWI SWRO Maliyet
Tahmincisi üzerinden daha fazla işlevsellik sağlanmıştır.
1179
Maliyet tahmin araçlarını karşılaştırmak için plaj kuyuları ve atık
enjeksiyon kuyuları kullanan 30.000 m3/gün deniz suyu desalinasyon
tesislerinin maliyet tahminleri hazırlanmıştır. Tahminden önce WTCost
II ve CPES için maliyet veri tabanları, en son Mühendislik Haberleri
Endeksi endeksleri için güncellenmiştir. Tablo 17.3, elde edilen
sonuçları özetlemektedir. Değerler, metre küp başına 1066 ila 1400 $
arasında değişmiştir (Huehmer, 2010).
17.3. Membran Tesisleri Maliyetleri
Bu alt bölüm, çeşitli kurulu membran tesislerinin maliyetleri baz
alınarak tesislerin ilk yatırım, işletme ve bakım maliyetleri hakkında
bilgi ve fikir verilmesi amacıyla yazılmıştır. Beş ana membran tesisi
yaklaşımı ile İYM, İBM hakkında genel bilgiler ve uygulama örnekleri ile
maliyet kalemlerinin detaylı verileri sunulacaktır. Beş ana membran
tesisi, MF ve UF sistemleri, kuyu suyu arıtımı ve su yumuşatma amaçlı
kurulan NF tesisleri, su eldesi amaçlı kurulan desalinasyon TO tesisleri,
endüstriyel atıksu arıtımı amaçlı NF ve TO tesisleri ve atıksu arıtımında
kullanılan MBR tesisleri şeklinde olabilir.
17.3.1. Milrofiltrasyon (MF) ve Ultrafiltrasyon (UF) Tesislerinin
Maliyetleri
MF/UF sistemleri, nanofiltrasyon ya da ters osmoz membranları
öncesinde bir ön arıtma veya direkt olarak düşük bulanıklı suların
arıtılması amacıyla kurulmuş olabilir. Her ikisinde de maliyetler, sadece
tesisin debisi ve tercih edilen MF ya da UF membranlarına göre
değişmektedir ve birim maliyetler benzerlik göstermektedir.
1180
Tablo 17.2 Bilgisayar destekli maliyet modellerinin karşılaştırılması (Huehmer, 2010)
Model Özellikleri GWI SWRO Maliyet
Tahminci WTCost II CH2M HILL CPES
Tip Parametrik Model Hibrit Parametrik/
Katsayılı (Factored)
Hibrit Parametrik/
Katsayılı (Factored)
Bilgisayar tabanlı Hayır.
Web tabanlı
Evet Evet
Uygulama alanı
Tuzlu su
Deniz suyu
Üçüncül geri kazanım
Hayır
Evet
Hayır
Evet
Evet
Evet
Evet
Evet
Evet
Ayarlanabilir geçirgenlik
kalitesi
Hayır Hayır Evet
Projeksiyondan veri girişi Hayır Evet Evet
Konum ayarlama faktörleri Evet Hayır Evet
Yapılandırılabilir maliyet veri
tabanı Hayır Evet Evet
Değişken ham su kalitesi Evet Evet Evet
Ön ekipman listesi Hayır Hayır Evet
Motor takvimi Hayır Hayır Evet
1181
Tablo 17.2 Bilgisayar destekli maliyet modellerinin karşılaştırılması (Huehmer, 2010)
Model Özellikleri GWI SWRO Maliyet
Tahminci WTCost II CH2M HILL CPES
Tip Parametrik Model Hibrit Parametrik/
Katsayılı (Factored)
Hibrit Parametrik/
Katsayılı (Factored)
Emme / deşarj Evet Evet Evet
Farklı proses dizileri Hayır Evet Evet
Alan tahmini Hayır Hayır Evet
Yatırım maliyeti tahmini Evet Evet Evet
İşletme maliyeti tahmini Hayır Evet Evet
Toplam su maliyeti tahmini Hayır Evet Evet
Halka açık Evet Evet Şahsi kullanım
1182
Tablo 17.3 Çeşitli bilgisayar destekli maliyet modelleri ile elde edilen
sonuçların karşılaştırılması (Huehmer, 2010)
GW I WTCost II
CH2M HILL
CPES
Kapasite 30.000 30.000 30.000
İBM ($) 41.000.000 32.000.000 42.000.000
Birim maliyet
($/m3) 1366 1066 1400
Platform Web tabanlı MS Access
w/VB
MS Excel
w/VB
17.3.1.1. İlk Yatırım Maliyetleri
MF/UF tesislerinin maliyeti, genel olarak ileri arıtmalı membran
sistemlerinin maliyetinden oldukça düşüktür. Günümüzde,
konvansiyonel ön arıtma, hem yüksek alan ihtiyacı sebebi ile hem de
MF/UF ile ön arıtımın maliyetinin her geçen gün azalması ile tercih
edilmemeye başlanmıştır. MF veya UF membran sistemleri için ilk
yatırım maliyetinin hesaplanmasında genelde aşağıdaki ekipmanlar göz
önünde bulundurulmaktadır:
Besleme pompası
Izgaralar
Ön kaba filtre
Membran üniteleri
Geri yıkama üniteleri
Hava üfleyici (Blower)
Kimyasal yıkama (CIP)
Yardımcı ekipmanlar (tanklar, vanalar, cihazlar ve problar)
PLC ve SCADA
Elektrik cihazları
1183
MF/UF membran sistemi maliyeti, özellikle müşteri, tasarımcı ve
ekipman tercihlerine bağlı olarak değişiklik göstermektedir. Bir proje
için maliyetin hesaplanmasında bazen beklenmeyen ilave ekipmanlar,
maliyetin artmasına neden olabilmektedir. Örneğin,
Daha büyük binalar veya daha kompleks binaların yapımı
Daha kompleks kontrol merkezinin kurulumu
Membran arıtma havuzu inşaatında kullanılan betonun maliyeti
Borulama veya havalandırma sistemlerini birleştiren kompleks
membran sistemleri veya daha büyük çaplı kurulum
Membran ünitelerinin yerinde kurulumu
Vinç ekipmanlarının maliyeti
Membran filtrasyonu ekipmanları için genelleştirilmiş maliyetler Şekil
17.2’de gösterilmiştir. Membran ekipmanı maliyeti membran akısının
bir fonksiyonu olduğundan (yüksek akı daha az membran, daha az
modül ve bunlara bağlı olarak daha az ekipman demektir) grafikte
yüksek, orta ve düşük akı olarak üç farklı çizgi sağlanmıştır. Yüksek, orta
veya düşük membran akısı konsepti değerlendirmeye alınan üreticinin
özelliklerine bağlı olarak değişmektedir.
Yüksek akı olarak adlandırılmış eğri, düşük bulanıklık ve toplam organik
karbon değerleri içeren yüksek kaliteli bir su veya TOK değerinin
giderildiği böylece akının arttığı bir ön arıtma uygulanmış su için
uygundur. Bir diğer yandan düşük akı olarak adlandırılmış eğri ise
yüksek bulanıklık/TOK değerleri içeren veya bir geri kazanılacak atıksu
gibi arıtılması zor sular için maliyetleri temsil etmektedir.
Kapasiteye bağlı olarak bir MF/UF membran arıtma tesisi için ekipman
dahil inşaat maliyetleri Şekil 17.3’te verilmiştir. Maliyetler, mütevazı bir
mimariye sahip bina içeren arıtma tesisini kapsamaktadır. Ayrıca,
tesisin gelecekteki büyümeleri için gerekecek altyapı yenileme
ihtiyaçları dikkate alınmamıştır. Sağlanan maliyetler şunları
içermektedir:
1184
Şekil 17.2 Membran ekipman maliyetleri (AWWA, 2005’ten
uyarlanmıştır.)
Proses inşası
Yerleşim yeri işleri (inşaat)
Ekipman montajı (mekanik, elektrik)
Tesisi işletmeye alma ve operatör eğitimleri
Ortak SCADA sistemi
Ham su pompalama
Aşağıdaki kalemler, maliyet hesabına dahil edilmemiştir:
Arazi edinme (satın alma)
Yerleşim yerinin geliştirilmesi (yeni yollar ve elektrik
bağlantılarının yapılması)
Ek yapılar (Yönetim binaları, laboratuvar, bakım binaları gibi)
Ham su depolama
Su alma yapısı
Arıtılmış suyun depolanması
Atık çamur arıtımı ve uzaklaştırılması
Ön arıtma ekipmanı
İsale hattı
1185
Proje yönetimi
Hem endüstriyel sektörde hem de atıksuların arıtılmasında düşük
maliyet nedeniyle MF kullanımı yaygındır. UF’de oldukça tercih edilen
bir ön arıtma membranıdır. Mevcut UF piyasası yaklaşık olarak 200
milyon $/yıl’dır. MF/UF tesisinin İYM maliyeti, debi arttıkça
artmaktadır. Eğer debi, 55-110 m3/gün aralığında ise İYM 100000 $’dan
az olmaktadır. Eğer debi 550-1100 m3/gün arasında ise İYM, 250000 $
ila 450000 $ arasında değişmektedir. Eğer debi 2725 m3/gün’den fazla
ise İYM, 500000 $ ila 1 milyon $ arasında olabilmektedir. 72000 m3/gün
debili bir UF tesisinin ilk yatırım maliyeti yaklaşık 10 milyon $
civarındadır (Samcotech, 2017).
Şekil 17.3 MF/UF membran tesislerinin ekipman dahil maliyetleri
(AWWA, 2005’ten uyarlanmıştır.)
17.3.1.2. İşletme ve Bakım Maliyetleri
İşletme maliyeti, bir membran arıtma tesisinin işletilmesi ile bağlantılı
bütün yıllık giderleri kapsamaktadır. Yıllık işletme maliyetinin içerdiği
gider kalemleri şu şekilde sıralanabilmektedir:
1186
Enerji
Besleme/süzüntü pompası
Geri yıkama pompası
Proses havalandırması
Basınçlı hava
Temizleme çözeltilerinin ısıtılması
Kimyasal
Ön arıtma
Geri yıkama, geri yıkama suyu
Kimyasal yıkama, CIP, CIP çözeltisi, kimyasal yıkama suyu
Membranların değiştirilmesi
Ekipmanların bakımı ve tamiri
Çıkan atıkların uzaklaştırılması
İş gücü
Membran tesislerinde genellikle, iş gücü maliyetleri değerlendirmeye
alınmamaktadır. İş gücü maliyetinin hesaba katıldığı durumlar şu
şekildedir:
Normal sistemlere göre çok daha kompleks ve karmaşık
membran arıtma sistemi olması durumunda
Gerçekten çok fazla arıtma ünitesine sahip bir tesis olması
durumunda
Temizleme ihtiyaçlarında önemli derecede farklılıklar bulunan
durumlarda
Genel olarak, membran arıtma sisteminin işletme maliyeti tahmininin
hazırlanışında ekipman sağlayıcısının verdiği işletme giderleri
tahminleri yerine, bir mühendisin belirli ve net kabuller (pilot tesis
bilgileri ile destekli kabuller, mühendislik tasarım verileri veya diğer
tesislerin işletilmesinden elde edilen veriler) ile işletme maliyeti analizi
yapması tercih edilmektedir. Bu yaklaşım, ekipman sağlayıcıların farklı
kabuller yapmasından kaynaklanabilecek yanlış işletme maliyeti
tahminlerini engellemektedir.
1187
Membran üreticisi tarafından teklif edilen veya proje tarafından talep
edilen garantinin süresi, kapsamı ve kapsamının dışında kalan durumlar
gibi terimler membran modülünün maliyetini etkileyebilmektedirler.
Genel olarak, membran garantisinin projenin maliyetine etki eden dört
adet öğesi vardır:
Garantinin süresi
Garantinin tipi
Membran fiberinin kırılmasını kapsayan ve membran
bütünlüğünün korunması sağlayan garanti
Garanti edilmiş kapasite ve verimlilik için ve geri dönüşsüz
tıkanmaya karşı verilen garanti
Birim toplam UF maliyetleri ise tesis kapasitesinin bir fonksiyonu olarak
Şekil 17.4’te bir MF/UF membranlı arıtma tesisi için işletme ve bakım
maliyetleri verilmektedir. Tesis toplam maliyetinin tesis kapasitesi
arttıkça azaldığı görülmektedir. Bunun ışığında, özellikle büyük ölçekli
tesislerde ön arıtmanın konvansiyonel prosesler yerine membran
prosesler ile gerçekleştirilmesinin daha uygun olduğu yorumu
yapılmaktadır.
Şekil 17.5’te tesis akısının bir fonksiyonu olarak verilmektedir. UF
tesislerinin birim toplam maliyetinin akı ile ilişkisi incelendiğinde, önce
akının artışı ile maliyetin azaldığı fakat daha da yüksek akılarda ise
maliyetin hızla arttığı görülmektedir. Bu sebeple, proje mühendisinin
membran akısını membran malzemesine ve besleme suyunun
özelliklerine göre doğru tahmin etmesi gerekmektedir.
1188
Şekil 17.4 MF/UF sistemlerinin işletme ve bakım maliyetleri (AWWA,
2005’ten uyarlanmıştır.)
Şekil 17.5 Tesis akısının bir foksiyonu olarak UF tesislerinin maliyeti
(Oron ve diğ., 2016’dan uyarlanmıştır)
Membran tesislerinde maliyet azaltımı iki önemli maliyet kaleminin
maliyetinin düşürülmesi ile mümkündür:
1189
Satın alınacak membranın birim alan başına maliyetinin
azalması
İşletme ve bakım maliyetlerinin azaltılması
Yatırımcının birinci hususu gerçekleştirmek adına yapabileceği yegane
eylem, doğru membranın seçimidir. Bu bağlamda, laboratuvar ölçekli
çalışmalar gerçekleştirilmelidir. Bunun dışında, membranların birim
üretim maliyetlerinin azaltılması için pek çok bilimsel çalışma
mevcuttur. Membran maliyetlerinin gelecekte daha da azalacağı
öngörülmektedir. İkinci husus ise işletme ve bakım maliyetlerinin
azaltılmasıdır. Bu bağlamda en genel yaklaşım, enerji ihtiyacını ve
kimyasal sarfiyatını arttıracak işletme problemlerini çözmektir.
17.3.1.3. Uygulama Örnekleri
Toplam maliyetler göz önüne alındığında bir MF tesisinin maliyetlerinin
konvansiyonel sistemlerin maliyetleri ile karşılaştırılması Tablo 17.4’te
verilmektedir.
Tablo 17.4 MF tesisinin maliyet açısından konvansiyonel tesisler ile
karşılaştırılması ($) (Al-Malack, 2003)
Maliyet kalemleri
Çapraz akış MF
Kum filtresi
Koagülasyon + kum filtresi
Koagülasyon + çökeltme
+ kum filtresi
İYM 625.650 294.339 483.685 1.033.535 İBM 59.856 n.d. n.d. 15.931 Kimyasal 12.900 n.d. n.d. 47.911 Membran değişimi
7.998 - - -
Yıllık maliyet
82.044 n.d. n.d. 63.842
Şimdiki değer
225.685 - - 2.440.628
1190
Ön arıtma tesisleri ile ilgili pek çok uygulama örneği bulunmaktadır. Bir
desalinasyon tesisinde konvansiyonel ön arıtmanın ve UF ünitesinin
kullanılması durumunda elde edilen sonuçların ortaya konulduğu
kurulu bir tesis temsili bir örnek olarak sunulacaktır. Çalışma, Kızıl
Deniz (Eilat bölgesi) ve Akdeniz (Aşdoğu bölgesi) bölgesinde
yürütülmüştür (Glueckstern ve Priel, 2003). 90000 m3/gün Eilat
desalinasyon TO tesisinden elde edilen performansa dayanarak
tuzsuzlaştırma ekonomik olarak analiz edilmiştir (Glueckstern, Priel ve
diğ., 2002). Tablo 17.5’te tesisin başlıca tasarım verileri ve ekonomik
parametreleri, kurulacak başka tesislerin sağlıklı karşılaştırma yaparak
verileri değerlendirebilmeleri amacıyla sunulmaktadır. 90000 m3/gün
deniz suyu TO tesisine yapılan toplam yatırımın konvansiyonel medya
filtrasyonunun kullanıldığı durum için yaklaşık 64,4 milyon $ ve UF ön
arıtmasını kullanan tesis için 67,3 milyon $ olduğu tahmin edilmektedir
(Tablo 17.6-Tablo 17.8).
Tanımlanan ekonomik parametrelerden hesaplanan birim su maliyeti,
UF ön arıtma prosesiyle birlikte yaklaşık 0,0052 $/m3'tür. Yaklaşık
0,019 $/m3'lük sabit bakım ve onarım maliyeti, enerji ve kimyasal
maliyetlerden oluşan biraz daha düşük değişken bakım ve onarım
maliyetiyle kısmen telafi edilmiştir. UF sistemi benzeri spesifik enerjiyi
çok düşük maliyetle (yaklaşık % 44) kimyasal tüketmektedir.
(Glueckstern ve Priel, 2003).
1191
Tablo 17.5 Bir deniz suyu TO tesisi ön arıtımının karşılaştırmalı
ekonomik analizde kullanılan temel tasarım verileri ve ekonomik
parametreler (Glueckstern ve Priel, 2003)
Parametre Birim Konvansiyonel
Filtrasyon UF
Tasarım parametreleri
Deniz suyu katı içeriği -
TDS, mg/lt
40.000 40.000
Deniz suyu sıcaklığı,
- aralık
- ortalama
0C
16 – 30
22
16 – 30
22
Filtrasyon hızı, UF akısı m3/m2.st,
lt/m2.st
8 97
Su kayıpları % 4,4 8,1
TO ürün geri kazanımı % 45 50
TO membran akısı lt/m2.st 13,5 15,5
SWRO tesis kapasitesi m3/gün 90.000 90.000
Ünite sayısı 8 7
Ünite kapasitesi m3/gün 11.250 12.857
Kimyasal maliyetleri $/m3 0,0482 0,0270
Enerji tüketimi kWh/m3 3,57 3,56
Ekonomik parametreler
Sabit harcamalar % 10 10
Elektrik fiyatı $/kWh 0,045 0,045
Tesis sigortası % 0,300 0,300
Geliştirme ve gelecek
projeksiyonu için TO&UF
membran değişimleri
%/yıl
14.300
10.000
14.300
10.000
1192
Tablo 17.6 Maliyetler (Glueckstern ve Priel, 2003)
Ön arıtma tipi Konvansiyonel UF
İlk yatırım, Bin $
Altyapı 15500 15000
Ön arıtma sistemi
-Medya filtrasyonu/UF (mem.
hariç)
12200
-UF membranları 9000 4400
Toplam Ön arıtma Sistemi 9000 16600
TO sistemi
-TO sistemi membranlar hariç 35700 32000
-TO membranları 4200 3700
Toplam TO sistemi 39900 35700
Toplam membranlar hariç 60200 59200
UF & TO membranları 4200 8100
-Toplam membranlar dahil 64400 67300
Sistem kapasitesi, m3/gün 90000 90000
Yıllık üretim, M m3/yıl 30,0 30,0
Belirli harcamalar,
$/m3.gün
Belirli harcamalar, $/m3.yıl
716
2,15
748
2,25
Yatırım
Membranlar dahil iken %10’u 6440 6730
%0,3’ü sigorta 193 202
Toplam yatırım maliyeti 6633 6932
Sabit B&O maliyeti
-22 oper. için işçi (40000
$/yıl)
880 880
-Yedek parça ve işletme
materyalleri
602 592
-Membran yenileme@
%14,3/yıl
601 1,158
-Aşırı yük @ %5 104 132
Toplam sabit B&O maliyeti 2187 2762
1193
Tablo 17.6 (Devamı) Maliyetler (Glueckstern ve Priel, 2003)
Ön arıtma tipi Konvansiyonel UF
Değişken B&O maliyeti
-Enerji (0,045 $/kWh) 4814 4808
-Kimyasallar 1445 80
-Aşırı yük (%5) 313 281
Toplam değişken B&O
maliyeti
6571 5898
Toplam 15391 15591
Tablo 17.7 UF ile konvansiyonel medya filtrasyonun karşılaştırmalı
yatırım maliyetleri (Glueckstern ve Priel, 2003)
Filtrasyo
n metodu
Konvansiyonel
ön arıtma UF ön arıtma
UF veya
Konvansiyonel
Birim Milyo
n $
$/m3.gü
n
Milyo
n $
$/m3.gü
n
Milyo
n $
$/m3.gü
n
Altyapı 15,5 172 15,0 167 -0,5 -%3,2
Ön arıtma 9,0 100 16,6 184 7,6 +%84,4
TO sistemi 39,9 443 35,7 397 -4,2 -%10,5
Toplam
yatırım 64,4 716 67,3 748 4,1 +%4,5
Tablo 17.8 UF filtrasyon ile konvansiyonel medya filtrasyonun
karşılaştırmalı birim su maliyetleri (1000 $/yıl) (Glueckstern ve Priel,
2003)
Filtrasyon metodu Konvansiyonel UF Yatırım maliyeti 6630 6932 Sabit B&O maliyeti 2187 2762
%5 işletme aşırı yükünü kapsayan değişken işletme maliyeti
-Enerji 4814 4808 -Kimyasal maliyeti 1445 809 -Toplam değişken maliyet 6571 5898 Toplam 15391 15591
1194
Tablo 17.9’da, üç değişik membran üretici firmanın membranlarının
boyutlandırdığı 20000 m3/gün kapasiteli bir tesisin maliyet analizi
verilmiştir. Bu maliyet analizi sonucuna göre, en düşük ilk yatırım
maliyetini teklif eden B tedarikçisi işletme maliyetleri oldukça yüksek
bulunduğu için seçilmemiştir.
Konvansiyonel arıtma maliyetleri içerisinde maliyet karşılaştırması
yapılan Betteraz içme suyu arıtma tesisinde, membran sistemleri ile
pilot ölçekli çalışma gerçekleştirilmiş ve maliyet analizi yapılmıştır
(Pianta ve diğ., 2000). Maliyet analizinin hesabında membran fiyatları,
konsantre arıtımı, pompalar, vanalar, otomasyon ve mühendislik
(toplam maliyetin %12’si) giderleri hesaplamalara katılmıştır. Membran
ekipmanları ise toplam maliyetin %65-75’ini oluşturmaktadır. Membran
sistemleri (MF/UF) spesifik maliyetler açısından konvansiyonel
sistemlerle karşılaştırıldığı zaman, ilk yatırım açısından membran
sistemlerin maliyetinin hemen hemen aynı olduğu, bazı durumlarda
daha ucuz olduğu hesaplanmıştır.
İşletme ve bakım maliyetlerini, enerji, membran değişimi, kimyasallar,
çamur deşarjı, tesis bakımı ve onarımı oluşturmaktadır. Şekil 17.6’da
Betteraz için işletme ve bakım maliyetleri verilmiştir. Betteraz için UF
sisteminin işletme maliyeti, 11,5 cEuro/m3 olmaktadır. Kompakt
tasarımı ve otomasyonu nedeniyle membran tesislerinin enerji
ihtiyaçlarının konvansiyonel sistemlerden daha az olduğu rapor
edilmiştir.
UF sisteminin işletme maliyetinin belirlendiği bir diğer tesiste,
(Almanya’da) maksimum su arıtma kapasitesi 140 m3/st olan bir UF
tesisi işletim maliyeti 11,9 cEuro/m3 olarak bulunmuştur (Tablo 17.10).
Bu değerin içerisinde ilk yatırım bedeli de dahildir. Buna göre, sistem
işletme maliyeti 4,9 cEuro/m3 olmaktadır.
1195
Tablo 17.9 Yedek membran üniteli bir tesisin maliyet değerlendirilmesi (20000 m3/gün net kapasite, 25000
m3/gün brüt kapasite)
A Tedarikçisi B Tedarikçisi C Tedarikçisi
Yatırımın
Amortismanı
Ekipmanların yatırım maliyeti ($) 2.274.000 2.161.500 3.075.000
Yıl 20 20 20
Faiz oranı 6,0 6,0 6,0
Yıllık ödeme ($/yıl) 198.258 188.449 268.093
İşletme
maliyetleri
Besleme pompası gücü ($/yıl) 38.617 37.485 57.000
Geri yıkama pompası ($/yıl) 1535 18.559 0
Kirli su pompalaması ($/yıl) 2111 5805 2100
Hava kompresörü ($/yıl) 6298 1000 15.200
Klor ve tiyosülfat ($/yıl) 14.827 41.580 197.000
Kostik ($/yıl) 193 513 4600
Asit ($/yıl) 2260 21566 6500
Membran değişimi ($/yıl) 143.343 131.040 63.000
Toplam işletme maliyeti ($/yıl) 209.184 257.548 345.400
Özet
Amorti edilmiş yıllık toplam maliyet
($/yıl)
198.258 188.449 268.093
İşletme maliyeti ($/yıl) 209.184 257.548 345.400
Yıllık yatırım ve işletme maliyeti 407.442 445.997 613.493
Yatırım ve işletme maliyeti ($/m3) 0,057 0,063 0,086
1196
Şekil 17.6 Betteraz için farklı membran sistemlerinin işletme ve bakım
maliyetleri (Tesisin kapasitesi: 27 m3/st) (Pianta ve diğ., 2000).
Tablo 17.10 Detaylı maliyet analizi (Pianta ve diğ., 2000)
Gider Açıklama €/m3
Amortisman Pompa ve borular 0,070
Enerji 0,05 kWh/m3, 0,09 €/kWh 0,004
İşçilik 0,5 st/iş günü 0,012
Kimyasallar HCl, NaOH 0,004
Membran değişimi 75 €/m2, 7 yıl 0,025
Geri yıkama suyu %6, ham su maliyeti 0,14 €/m3 0,004
Toplam maliyet 0,119
Şekil 17.7 ve 17.8’de Betteraz ve Cornol’da bulunan konvansiyonel ve
membran sistemleri maliyet açısından karşılaştırılmıştır. Şekillerden
görüldüğü gibi konvansiyonel sistem ile UF sisteminin toplam maliyeti
(ilk yatırım + işletme maliyeti) birbirine yakındır. UF sistemlerine toz
aktif karbon ilave edildiğinde UF sisteminin maliyeti artmaktadır.
Betteraz için konvansiyonel içme suyu arıtma tesisinin işletme maliyeti,
8,0 cEuro/m3 iken, UF sisteminin işletme maliyeti, 11,5 cEuro/m3
olmaktadır. UF sisteminin işletme maliyeti, konvansiyonel sistem
1197
maliyetinden, % 30 daha fazla olmaktadır. Cornol UF tesisinin işletme
maliyeti ise yaklaşık olarak 12,5 cEuro/m3 bulunmuştur.
Şekil 17.7 Betteraz tesisine ait konvansiyonel ve membran arıtma
sistemlerinin maliyet açısından karşılaştırılması (27 m3/st) (Pianta ve
diğ., 2000)
Şekil 17.8 Cornol tesisine ait konvansiyonel ve membran arıtma
sistemlerinin maliyet açısından karşılaştırılması (30 m3/st) (Pianta ve
diğ., 2000)
1198
17.3.2. Kuyu Suyu Arıtımı ve Su Yumuşatma İçin Nanofiltrasyon
(NF) ve Ters Osmoz (TO) Tesislerinin Maliyetleri
Düşük basınçlı NF/TO membran tesisleri çoğunlukla kuyu suyu arıtımı
ve su yumuşatma tesislerinde kullanılmaktadırlar. Tipik bir kuyu suyu
arıtımı NF tesisi akım şemasına örnek, Şekil 17.9’da verilmektedir. Sarı
şekiller, enerji ihtiyacı olan ana üniteleri işaret ederken, turuncu oklar
ise kimyasal sarfiyatının yüksek olduğu üniteleri göstermektedir.
Şekil 17.9 NF/TO tesisi akım şemasında enerji ihtiyacı ve kimyasal
sarfiyatına sebep olacak ünitelerin gösterimi (Sobhani ve diğ., 2012’den
uyarlanmıştır)
17.3.2.1. İlk Yatırım Maliyetleri
NF/TO tesislerinin birim ilk yatırım maliyetleri, tesisinin kapasitesi
arttıkça azalmaktadır. İYM, küçük tesisler için 660 $/m3.gün iken büyük
tesisler için bu değer 265 $/m3.gün seviyelerine inmektedir (Bergman.,
1995).
1199
Arı (2009) çalışmasında membran sistemli arıtma tesislerinin ilk
yatırım maliyetini oluşturan ana değerler aşağıdaki gibi kabul edilmiş ve
bu kabullere yönelik açıklamalar aşağıda verilmiştir:
Arazi temini
Projelerin hazırlanması
İnşaat işleri
Kullanılan ekipmanlar
Elektrik işleri
Mekanik işler
Ön arıtma
Arıtma tesisin kurulacağı arazinin bedeli için kesin bir tutar
belirlenemeyip bölgeye göre çok büyük farklılıklar gösterdiğinden ilk
yatırım maliyetine dahil edilmemiştir. Türkiye’de büyük kapasiteli
arıtma tesislerinin projeleri ihaleyi yapan kurum tarafından hazırlandığı
için projelerin hazırlanmasında kesin bir bedel belirlemek oldukça
güçtür. Çok büyük farklılıklar gösterdiğinden proje bedeli ilk yatırım
maliyetine dahil edilmemiştir.
Tesisin kurulacağı alan düz bir zemin gibi kabul edilerek hafriyat
maliyeti yok sayılarak hesaplanmıştır. İnşaat işleri, beton, inşaat demiri,
kalıp, işçilik ve bina içi ince işleri kapsamaktadır. Arıtma binası,
membran sistemi besleyen beton bir depo, bina içi ve dışı kanallar,
drenaj hatları ve tesis içi yollar düşünülerek belirlenmiştir. Bütün bu
değerler göz önüne alındığında inşaat işleri, sistemin kapasitesine göre
toplam maliyetin yaklaşık % 10’luk kısmını oluşturmaktadır.
Membran prosesli arıtma tesisin ilk yatırım maliyetine etki eden en
büyük etmen kullanılan ekipmanların maliyetidir. Sistemde kullanılan
ekipmanlar şunlardır:
Membranlar
Membran kılıfları
Membran kılıf şaseleri
1200
Kartuş filtreler
Kartuş filtre kılıfı
Sistem besleme pompaları
Yüksek basınç pompaları
Frekans konvertör
Kimyasal dozaj pompaları
Kimyasal dozaj tankları
Kimyasal yıkama ünitesi
Manometreler
Ürün suyu ve konsantre debimetresi
Ham su ve ürün suyu iletkenlik ölçer
Elektrik işleri kapsamında olan ve maliyete etki eden kalemler ilk
yatırım maliyetinin % 8’lik bir kısmını oluşturduğu kabul edilerek
aşağıda verilmiştir.
Elektrik panoları
Pano içi şalt malzemeler
Scada ve PLC
Aydınlatma
Kablolar
Kablo tavaları
Sistem içi borulamalar, bağlantılar, dirsekler, vanalar ve sökme parçaları
mekanik işler kapsamında maliyete dahil edilmiştir. İlk yatırım
maliyetinin %8–11’lik bir kısmını oluşturduğu kabul edilmiştir.
Oldukça hassas olan membranların tıkanmasını önlemek için ham suyun
fiziksel ve kimyasal özelliklerine göre farklı tipte ön arıtma sistemlerine
ihtiyaç vardır. Kum filtre, mekanik filtre, çöktürme tankları gibi
konvansiyonel ön arıtma sistemleriyle ve özellikle SDI değeri yüksek
olan suların yine bir membran proses olan ultrafiltrasyonla, ters osmoz
ve nanofiltrasyon membranlarının korunması hedeflenmiş ve
1201
maliyetleri çıkarılmıştır. Bu çalışmada farklı ham su kaynaklarının farklı
yöntemlerle ön arıtılması sonucu maliyetleri analiz edilmiştir.
Kum filtre tankları 100000 m³/gün ve daha büyük kapasiteli sistemler
için beton olarak tasarlanmıştır. Daha küçük kapasitelerde ise karbon
çelik ve epoksi boyalı olarak maliyetleri hesaplanmıştır. Filtre
malzemesi, çakıl kum ve antrasit olarak tasarım yapılmıştır. Kum filtre
sistemini oluşturan birimler aşağıdakilerdir
Kum filtre tankı
Kum filtre ters yıkama pompaları
Filtre medyası
Nozullar
Çelik tanklar için pnömatik tahrikli vanalar
Betonarme tanklar için kanal kapakları ve elektrikli vanalar
PLC
Kum filtre borulaması
Mekanik filtreli membran proses sistemlerinde 100 mikronluk otomatik
temizlemeli mekanik filtre dikkate alınmıştır.
Ultrafiltrasyonla ön arıtmanın ilk yatırım maliyetini;
UF modülleri
Modül şaseleri
Besleme pompası
Ters yıkama pompası
Kimyasal dozlama pompası
Kimyasal dozlama tankları
Vanalar
Ölçüm enstrümanları (debi, pH ve sıcaklık)
oluşturmaktadır. Tüm bu kabuller doğrultusunda, kapasiteye göre
NF/TO membran tesislerinin ilk yatırım maliyeti değerlerinin tuzluluğa
1202
bağlı olarak değişimi Türkiye şartları için Şekil 17.10’da verilmiştir (Arı,
2009).
Şekil 17.10 Kapasiteye göre NF/TO membran tesislerinin ilk yatırım
maliyeti değerlerinin tuzluluğa bağlı olarak değişimi (Arı, 2009)
Arı (2009) tarafından yapılan tüm bu hesaplamalar değerlendirilmiş ve
kuyu suların arıtımının ilk yatırım maliyetleri için aşağıdaki ifade
geliştirilmiştir.
Burada,
M : İlk Yatırım Maliyetini ($/m³)
Q : Debiyi (m³/gün)
a : Katsayıyı
b : Katsayıyı
M kuyusuyu
= a x Q b (17.26)
1203
ifade etmektedir. Denklemdeki a ve b katsayıları hesaplanmış ve Tablo
17.11’de verilmiştir.
17.3.2.2. İşletme ve Bakım Maliyetleri
Toplam su üretim maliyetini oluşturan, en az ilk yatırım maliyeti kadar
önemli olan diğer bir değer ise işletme ve bakım maliyetidir. Ülkemizde
ve dünyada bir çok yatırım ne yazıkki işletme giderleri önemsenmeden
yapıldığından daha sonra karşılanamayacak boyuttaki bu giderler
yüzünden çürümeye bırakılmıştır. Oldukça pahalı bir teknoloji olan
membran prosesli içme suyu arıtma tesislerinin de aynı kaderi
paylaşmaması için işletme maliyetlerinin önceden tespitinin yapılması
gerekmektedir (Arı, 2009).
Membran prosesli arıtma tesislerinde işletme maliyetini oluşturan
değerleri sürekli tüketimler ve değiştirilen ürünler olarak iki kısımda
incelenmektedir. Sürekli tüketimler, elektrik enerjisi ve kimyasallardır.
Aşağıda Arı (2009) çalışmasında yapılan bazı işletme ve bakıma yönelik
kabuller verilmiştir:
Elektrik enerjisi tüketimi: Tedaş’ın verilerinden faydalanılarak
enerji birim fiyatı 0,09 $/kw olarak alınmıştır.
Kimyasal Tüketimleri: Tasarımda kullanılan ham suyun
karakteristik özelliklerine göre kullanılan kimyasal miktarları ve
çeşitleri farklılıklar gösterebilir. Maliyet hesapları yapılırken
Tablo 17.12’deki fiyatlar baz alınmıştır.
1204
Tablo 17.11 Kuyu suyundan içme ve kullanma suyu üretiminde farklı tasarımların maliyet denklemi katsayıları
İşletme Maliyeti İlk Yatırım Maliyeti Toplam Üretim Maliyeti
a b a b a b
TDS 1000 – TO – KUM FİLTRE 0,109 -0,045 0,105 -0,060 0,213 -0,052
TDS 1000 – NF – KUM FİLTRE 0,994 -0,037 0,111 -0,055 0,210 -0,046
TDS 1000 – TO – MEK. FİLTRE - - 0,094 -0,047 - -
TDS 1000 – TO – K.F – 200 ppm ÇIKIŞ 0,094 -0,045 - - - -
TDS 1000 – TO – K.F – 300 ppm ÇIKIŞ 0,082 -0,045 - - - -
TDS 1000 – TO – K.F – 400 ppm ÇIKIŞ 0,070 -0,045 - - - -
TDS 1000 – TO – KUYU POMPALI 0,196 -0,074 0,121 -0,066 0,322 -0,072
TDS 2000 – TO – KUM FİLTRE 0,105 -0,033 0,104 -0,053 0,208 -0,042
TDS 2000 – TO – MEK. FİLTRELİ - - 0,092 -0,039 - -
TDS 2000 – TO – K.F – 200 ppm ÇIKIŞ 0,102 -0,033 - - - -
TDS 2000 – TO – K.F – 300 ppm ÇIKIŞ 0,096 -0,033 - - - -
TDS 2000 – TO – K.F – 400 ppm ÇIKIŞ 0,091 -0,033 - - - -
TDS 5000 – TO – KUM FİLTRE 0,279 -0,070 0,116 -0,059 0,395 -0,066
TDS 5000 – TO – MEK. FİLTRELİ - - 0,102 -0,043 - -
TDS 5000 – TO – K.F – 200 ppm ÇIKIŞ 0,274 -0,070 - - - -
TDS 5000 – TO – K.F – 300 ppm ÇIKIŞ 0,027 -0,070 - - - -
TDS 5000 – TO – K.F – 400 ppm ÇIKIŞ 0,265 -0,070 - - - -
TDS 10000 – TO – KUM FİLTRE 0,250 -0,038 0,123 -0,059 0,371 -0,044
1205
Tablo 17.11 (Devamı) Kuyu suyundan içme ve kullanma suyu üretiminde farklı tasarımların maliyet denklemi
katsayıları
İşletme Maliyeti İlk Yatırım Maliyeti Toplam Üretim Maliyeti
a b a b a b
TDS 10000 – TO – MEK. FİLTRELİ - - 0,108 -0,043 - -
TDS 10000 – TO – K.F – 200 ppm
ÇIKIŞ 0,249 -0,038 - - - -
TDS 10000 – TO – K.F – 300 ppm
ÇIKIŞ 0,247 -0,038 - - - -
TDS 10000 – TO – K.F – 400 ppm
ÇIKIŞ 0,245 -0,038 - - - -
1206
Tablo 17.12 Kimyasal madde birim fiyatları (Arı, 2009)
Kimyasal Madde Maliyet
Antiskalant 5 $ / kg
Hidroklorik Asit (% 33’lük) 0,5 $ / kg
SMBS 1,2 $ / kg
Kostik ( % 33’lük) 0, 35 $ / kg
Sodyum Hipoklorit (% 14’lük) 0 ,2 $ / kg
FeCl3 0,3 $ / kg
Membran proseslerde kullanılan kimyasal maddeler şunlardır:
Antiskalant: RO ve NF membranlarında çökelek önleyici
kimyasal olarak kullanılmaktadır.
Sodyum Metabisülfit: Suda serbest halde bulunan klor RO ve NF
membranlarının yapısını bozmaktadır. SMBS, ham sudaki
serbest kloru bağlayarak membranların bozunmamasını
sağlamaktadır.
Klor: Ön arıtmadaki biyolojik kirlenmenin önüne geçmek ve UF
membranlarının kimyasal yıkama evresinde kullanılmaktadır.
Kostik : UF membranlarının kimyasal yıkamasında ve membran
prosesin sonunda pH ayarı yapmak için kullanılmaktadır.
Hidroklorik Asit: UF membranlarının kimyasal yıkamasında ve
bazı durumlarda ham suyun membranlarına girmesinden önce
dozlanarak pH’nın istenen değere düşürülmesinde
kullanılmaktadır.
Bütün bu kimyasalların tüketim miktarlar, her tasarımda farklılık
göstermektedir. Membran proseslerde periyodik olarak değişimi kabul
edilen ürünler, membranlar ve kartuş filtrelerdir. Kartuş filtrelerin
işletme sırasında her 6 ayda bir değiştirildiği düşünülmüştür. Ham su
kalitesine bağlı olarak bu değer, 1-2 haftaya kadar inebilmektedir.
Membranların değişim süresi farklı ham su karakterine ve ön arıtmanın
verimliliğiyle doğru orantılı olarak tasarımda farklılıklar
göstermektedir. Örneğin SDI değeri yüksek olan yüzeysel ham su
1207
kaynağının konvansiyonel sistemle ön arıtma tasarımında membran
ömrü 3 yıl, aynı suyun UF ile ön arıtmasında 5 yıl olarak seçilmiştir.
NF tesislerinin İBM dağılımı Şekil 17.11’de verilmektedir. İBM’nin
maliyet kalemleri arasındaki dağılım, kaynaklara ve kurulu tesis
örnekleri verilerine bakıldığında değişiklik gösterdiği görülmektedir.
Fakat, yüksek enerji giderleri ilk dikkat çeken husustur. Enerji ve işçilik
gibi en maliyetli kalemlerin ardından kimyasal giderleri gelmektedir.
Enerji maliyetleri yüksek basınçla işletilen NF ünitelerinden
kaynaklanırken, yüksek kimyasal maliyetleri ise bu tarz tesislerde kuyu
suyunda yapılması gereken kimyasal ön arıtma işlemleri ve su
yumuşatmada yer alması gereken son aşama kimyasal işlemlerden
kaynaklanmaktadır. Membran değişim maliyetleri ve bakım maliyetleri
%10’luk bir pay ile diğer kalemleri takip etmektedir.
Şekil 17.11 NF tesislerinin işletme ve bakım maliyetlerinin dağılımı (Bergman
ve diğ., 1995; Costa ve Pinho, 2006; Van der Bruggen ve diğ., 2001’den
uyarlanmıştır)
İşletme maliyetleri, küçük tesisler için 0,45 $/m3 iken, büyük tesislerde
bu değer 0,11 $/m3 seviyelerine inmektedir. Toplam NF ile su arıtma
maliyetleri değişik kaynaklarda 0,26-0,30 $/m3 olarak belirtilmiştir ve
1208
bu değer konvansiyonel su arıtma maliyetinin (0,30 $/m3) altında
olabilmektedir. İşletme ve bakım maliyetleri de tesis kapasitesi ile ters
orantılıdır. Kapasite arttığında maliyetler de hızla azalmaktadır. Arı
(2009) tarafından hazırlanan ve farklı ham su tuz
konsantrasyonlarındaki işletme ve bakım maliyeti değerleri, Şekil
17.12’de gösterilmiştir.
Şekil 17.12 Farklı ham su tuz konsantrasyonlarındaki işletme ve bakım
maliyeti değerleri (Arı, 2009)
Birim işletme maliyetlerini oluşturan değerler NF/TO sistemlerinde
oransal olarak farklılıklar göstermektedir. Şekil 17.13’de 1000 ppm
TDS’te kuyu suyunun ön arıtmanın kum filtre ile olduğu, 100000
m³/gün kapasiteli membran sisteminin maliyetini oluşturan değerlerin
oransal dağılımı verilmiştir. Şekil 17.14’de aynı sisteme derin kuyu
pompalarının ilave edilmesi durumundaki işletme maliyetinin oransal
dağılımı verilmiştir. Kuyu suyu kaynaklı sistemlerin maliyetlerine derin
kuyu pompalarının ilave edilmesiyle enerji maliyet oranı daha da ön
plana çıkmaktadır. Şekil 17.15’de 15 NTU 100000 m³/gün kapasiteli
yüzeysel su kaynağının ters osmozla arıtılmasında ön arıtmanın
konvansiyonel yöntemlerle olduğu, Şekil 17.16’da ise ön arıtmanın
1209
ultrafiltrasyonla olduğu hallerdeki maliyet dağılımları verilmiştir. UF’nin
yüksek bulanıklık değerindeki yüzeysel sularda kullanılması membran
yenileme maliyetinin oranını düşürürken, enerji tüketimini oranını
arttırmaktadır. Şekil 17.17’de ise kostik-soda uygulamasının NF
tesisinin yerine tercih edilmesi ile daha maliyetli sonuçlar elde edildiği
görülmüştür.
Şekil 17.13 Ön arıtmalı derin kuyu pompasız kuyu suyu ters osmoz
sistemlerinin ilk yatırım ve işletme maliyeti oranları, işletme maliyeti
bileşenleri (Arı, 2009)
1210
Şekil 17.14 Ön arıtmalı derin kuyu pompalı kuyu suyu ters osmoz
sistemlerinin ilk yatırım ve işletme maliyeti oranları, işletme maliyeti
bileşenleri (Arı, 2009)
1211
Şekil 17.15 Konvansiyonel ön arıtmalı yüzeysel su ters osmoz
sistemlerinin ilk yatırım ve işletme maliyeti oranları, işletme maliyeti
bileşenleri (Arı, 2009)
1212
Şekil 17.16 Ultrafiltrasyon ile ön arıtmalı yüzeysel su ters osmoz
sistemlerinin ilk yatırım ve işletme maliyeti oranları, işletme maliyeti
bileşenleri (Arı, 2009)
1213
Şekil 17.17 İBM’nin tesis kapasitesi ile değişimi (Shahmansouri ve
Bellona, 2015)
17.3.2.3. Uygulama Örnekleri
Bu bölümde, genel ve yaygın bir akım şemasına sahip bir kuyu suyu
arıtma tesisinin maliyetleri incelenmiştir. Tesis Kaliforniya’da yer
almaktadır. Ön arıtma, membranın tıkanmasını önlemek ve kirlenmeyi
azaltmak için antiskalant ve asit ilavesi içermektedir. Bunu, membran
besleme pompalarını ve NF membranlarını korumak için kartuş filtreleri
(gözenek çapı 10 mm) takip etmektedir. NF ünitesi, yaklaşık 700 kPa
basınçta 110 kW dereceli üç bağımsız besleme pompasına sahip üç NF
arıtma ünitesini (Derin akifer arıtma sistemi, DAAS) içermektedir.
Ayrıca tesiste su geri kazanımını artırmak için ikinci kademe bir NF
ünitesi de (Konsantre arıtma sistemi, KAS) yer almaktadır. Tablo
17.13’te İYM değerleri verilmektedir.
1214
Tablo 17.13 Nanofiltrasyon ile renkli yeraltı sularının arıtılmasında
İYM maliyetleri ($) (Sobhani ve diğ., 2012)
Ünite Maliyet
Arazi kiralama (20 yıl) 6.000.000
NF Arıtma Sistemi (DAAS) 4.570.000
Konsantre Arıtma Sistemi (KAS)(2. Kademe NF) 1.250.000
Toplam yatırım maliyeti (arazi dahil) 25.050.000
NF prosesinin işletim maliyetleri Tablo 17.14’de verilmektedir. İşletme
maliyetleri, kimyasallar, elektrik enerjisi, konsantre bertarafı, işçilik
maliyeti ve dezenfeksiyon ünitelerini içermektedir. Diğer işletme
maliyetleri nispeten önemsiz bulunduğundan çalışmada dikkate
alınmamıştır. Konsantre akımı, kanalizasyona tahliye edilerek
gerçekleştirilmiştir. Tablo 17.15’de ise Dünya’da kurulu başlıca kuyu
suyu arıtma tesislerinin maliyet değerleri verilmiştir.
Tablo 17.14 NF tesisinin İBM maliyetleri (Sobhani ve diğ., 2012)
Maliyet kalemi Birim Ortalama
Elektrik enerjisia kWh/1000 m3 847,7
Kimyasallar $/1000 m3 12,3
Bakım ve Onarım $/1000 m3 4,7
Konsantre bertarafıb $/1000 m3 26,1
İşçilik maliyeti $/1000 m3 21,2
Dezenfeksiyon $/1000 m3 4,1
Toplam $/1000 m3 355,7
aElektrik kullanımı (kWh/1000 m3) her yıl için 1 kWh fiyatına dayanılarak
hesaplanmıştır. bKonsantre bertaraf maliyeti KAS işletme maliyetinin düşüşünden etkilenmiştir.
1215
Tablo 17.15 Kuyu suyu arıtımına uygulama örnekleri
Yer Su kaynağı/
Sistem
Kapasite
(m3/gün) Yatırım maliyeti
İşletme
maliyeti Yıl Kaynak
ABD-Florida Acı su
NF
3800
56.700 17,4 Milyon $
0.91
$/m3
0,15
$/m3
1996 Bergman, (1996)
Almanya Önarıtılmış
yeraltı suyu 20.000 25 Milyon $
0,27
$/m3 2002
Ghaffour ve diğ.,
(2013)
Türkiye -
Ankara
Yeraltı suyu
NF 28.800 12 Milyon TL - 2007 eBelediye, (2017)
Türkiye -
Samsun
Kızılırmak
UF + RO 39.744 14,5 Milyon TL
0,13
TL/m3 2008 Su ve Çevre, (2017)
Türkiye –
Kırıkkale
Kızılırmak
UF + RO 90.000 18 Milyon TL
0,13
TL/m3 2015 Başaran, (2015)
1216
17.3.3. Desalinasyon Amaçlı Ters Osmoz Tesislerinin Maliyetleri
Desalinasyon amaçlı ters osmoz tesisleri, özellikle temiz ve kullanılabilir
yüzeysel su kaynaklarının az olduğu ülkelerde içme suyu temini
amacıyla oldukça sık kullanılmaktadır. Kullanılan besleme suyu
karakterinin kuyu sularından daha zorlu olması, düşük basınçlı NF/TO
tesislerine göre çok daha yüksek basınçlarda işletilmesi gereken TO
tesislerini zorunlu kılmaktadır. Bu sebeple, TO tesislerinin ilk yatırım,
işletme ve bakım maliyetleri düşük basınçlı NF/TO tesislerine göre daha
yüksektir ve maliyet kalemlerinin toplam maliyetler içerisindeki
dağılımları değişiktir. Yaygın olarak tercih edilen bir desalinasyon TO
tesisi akım şeması Şekil 17.18’de verilmiştir.
Şekil 17.18 Desalinasyon prosesinin genel özellikleri (Pinto ve
Marques, 2017'den uyarlanmıştır)
17.3.3.1. İlk Yatırım Maliyetleri
İlk yatırım maliyetini direkt etkileyen unsurlar, arazi uygulamaları, su
alma yapısı, ön arıtma, TO sistem ekipmanları, son arıtma, konsantre
bertarafı, katı ve sıvı atıkların yönetimi, elektrik sistemleri kurulumu,
1217
yardımcı ekipmanlar, yapı işleri, devreye alma-kabul testleri olarak
sıralanmaktadır. Dolaylı maliyetler ise yüklenici kârı, nakliye, işçi
maliyeti, sigorta, geçici yapılar, saha denetimi, mühendislik ve yasal
ücretler ve ön görülemeyen giderler olarak sınıflandırılmıştır (El-
Dessouky ve Ettouney, 2002). Şekil 17.19’da deniz suyu ters osmoz
desalinasyon prosesi için (SWRO) yatırım maliyeti bileşenleri
verilmiştir. Şekil 17.19’da görüldüğü üzere ilk yatırım maliyetinde en
fazla giderler TO ekipmanları, ön arıtma ve diğer giderler olarak
gerçekleşmektedir. Diğer giderlerdeki belirsizliklerin ilk yatırım
maliyetleri üzerinde önemli etkileri bulunmaktadır. Bu giderler
bölgeden bölgeye, projenin türüne (yap-işlet-devret modeli veya özel
sektör su temini projeleri), iletim ve depolama gibi ihtiyaçlara göre
farklılık göstermektedir. TO tesislerinin ilk yatırım maliyetleri 0,64-6,16
Milyon $/1000 m3/gün arasında değişkenlik göstermektedir. TO ile
desalinasyonun toplam maliyetleri, 1977 yılından 2000 yılına
gelindiğinde 4,5 $/m3’ten 1,5 $/m3 seviyelerine gerilemiştir (Judd,
2017). Bu azalmanın başlıca sebebi, enerji maliyetlerinin çeşitli
yaklaşımlarla azaltılmasıdır. Günümüzde bu değer 0,5 $/m3‘e kadar
düşmüştür. (Sanz, 2012).
Şekil 17.19 SWRO yatırım maliyeti giderleri bileşenleri (Voutchkov,
2008)
1218
Şekil 17.20’de tesis kapasitesi ile ilk yatırım maliyetlerinin ilişkisi
verilmiştir. Toplam ilk yatırım maliyetleri tesis kapasitesi ile artarken
(Şekil 17.20), birim ilk yatırım maliyetleri tesis kapasitesinin artışı ile
azalmaktadır (Şekil 17.21). Her iki şekilde de deniz suyu arıtımı yapılan
bir tesisin İYM’nin, tuzlu su arıtımı yapan bir tesisin İYM’sinden daha
yüksek olduğu görülmektedir.
Şekil 17.20 Desalinasyon tesislerinin ilk yatırım maliyetleri (Fritzmann
ve diğ., 2007)
Şekil 17.21 Desalinasyon tesislerinin birim ilk yatırım maliyetleri
(Ghaffour ve diğ., 2013)
1219
Tablo 17.16’de ise dünyada kurulu başlıca desalinasyon TO tesislerinin
İYM değerleri verilmektedir. İYM değerlerinin 200-1400 Milyon $
arasında değiştiği görülmektedir. Bu tarz tesislerin İYM’nin yüksek
olması beklenilen bir durumdur. Fakat bu tesislerin su kıtlığı yaşanan
ülkelerde gerekliliği tartışılamaz durumdadır. Dolayısı ile ilgili tesislerin
tasarımı uzman tarafından etraflıca düşünülerek yapılmalı ve yerli
ürünlerin kullanımı vb. gibi seçenekler ile İYM maliyetleri azaltılmaya
çalışılmalıdır. Deniz suyu TO membran tesislerinin ilk yatırım maliyeti
değerlerinin farklı denizlerdeki tuzluluğa bağlı olarak değişimi Türkiye
şartları için Şekil 17.22’de verilmiştir (Arı, 2009).
Şekil 17.22 Denizlerimizde, kapasiteye bağlı olarak birim ilk yatırım
maliyetleri
TO desalinasyon tesislerinin ilk yatırım ve işletme maliyetlerinin en
önemli bileşeni konsantre yönetimidir. Dolayısı ile konsantre yönetimi
de, tesisin plan ve proje aşamasında düşünülmeli ve çeşitli
alternatiflerden coğrafyaya en uygun olanı seçilmelidir. En basit
yönetim modelinden sıfır sıvı deşarjı tercihine gidildikçe maliyet
artmakta ve 1000 m3/gün için 0,03 Milyon $’dan 7,5 Milyon $’a
çıkmaktadır (Voutchkov, 2017).
1220
Tablo 17.16 TO tesislerinin İYM ve İBM maliyetleri (Pinto ve Marques, 2017)
Tesis Adı Ülke Kurulum
Yılı
Mevcut
Kapasitesi
(m3/gün)
İ Y M ($) Birim YM
($/m3/gün)
Üretim M
($ /m3)
Askelon İsrail 2005 326.000 212.000.000 650,31 0,70
Tuas Singapur 2005 136.800 200.000.000 1462 0,78
Perth Avustralya 2006 144.000 300.000.000 2083,3 1,17
Palmachim İsrail 2007 120.000 100.000.000 833,31 0,80
Hamma Cezayir 2007 200.000 250.000.000 1250 -
Tampa Bay Florida 2007 95.000 158.000.000 1663,2 0,53
Hadera İsrail 2009 347.000 425.000.000 1224,8 0,65
Barselona İspanya 2009 200.000 288.000.000 1440 0,75
Kwinana Avustralya 2009 140.000 387.000.000 2764,3 2,21
Sydney Avustralya 2010 250.000 933.000.000 3732 1,44
1221
Tablo 17.16 (Devamı) TO tesislerinin İYM ve İBM maliyetleri (Pinto ve Marques, 2017)
Tesis Adı Ülke Kurulum
Yılı
Mevcut
Kapasitesi
(m3/gün)
İ Y M ($) Birim YM
($/m3/gün)
Üretim M
($ /m3)
İstanbul-
Avşa Türkiye 2010 4.000 4,400,000 - 0,40
Minjur Hindistan 2010 100.000 140.000.000 1400 1,03
Sorek İsrail 2013 624.000 400.000.000 641,03 0,52
Ashdod İsrail 2013 274.000 375.000.000 1368,6 0,60
1222
17.3.3.2. İşletme ve Bakım Maliyetleri
Desalinasyon proseslerinde İBM’yi oluşturan kalemlerin toplam İBM
içerisindeki dağılımı Şekil 17.23’de verilmektedir. Şekilden
görülebileceği gibi bu tarz tesislerde en büyük maliyete sahip kalem,
enerji sarfiyatlarıdır. Bunun sebebi, ters osmoz membranlarının NF
membranlarına nazaran çok daha yüksek basınçlarda işletilmesidir.
Kimyasal giderleri de NF tesislerine göre daha az paya sahip iken,
membran değiştirme maliyetleri de bir miktar daha yüksektir. TO
tesislerinin İBM’deki en büyük maliyet kalemi olan enerji maliyetlerini,
sırası ile membran değişim maliyetleri (%13-25) ve kimyasal
sarfiyatları (%8-15) takip etmektedir (Tablo 17.17). Membranların
kullanım ömrü genellikle 5-7 yıl olmakla birlikte, kimyasal temizlemenin
sık ve düzgün yapılması ile 10 yıla kadar çıkarılabilmektedir (Jamil ve
diğ., 2017; Voutchkov, 2012; Ruiz-García ve Ruiz-Saavedra, 2015). TO
tesislerinin toplam maliyetleri 0,5 $/m3 iken, alternatifi olan
buharlaştırma ile desalinasyon prosesinin maliyetleri 0,8-11 $/m3
aralığındadır. Eğer, konsantre yönetimi ile enerji geri kazanımı optimize
edilirse TO maliyetleri daha da düşecektir. Enerji geri kazanımı olmayan
tesislerde spesifik enerji ihtiyacı 8,1 kWst/m3 iken enerji geri
kazanımıyla bu değer 3,7-4 kWst/m3 civarına düşmektedir (Judd, 2017).
Tablo 17.17 TO tesislerinde enerji maliyetlerinin değişimine (ΔEM)
sebebiyet veren işletme parametreleri (Judd, 2017)
Eylem ΔEM (%)
Tuz konsantrasyonundaki %10’luk bir azalış ile -7,8
Enerji geri kazanımındaki %10’luk bir artış ile -3,5
Basınç kayıplarındaki %10’luk bir azalış ile -0,4
Membran geçirgenliğindeki %10’luk bir azalış
ile 0,2
1223
Şekil 17.23 Desalinasyon tesislerinin İBM dağılımı (Akgül ve diğ., 2008;
Wittholz ve diğ., 2008)
Şekil 17.24’te görüldüğü üzere yıllara göre üretim maliyetleri
düşmüştür. Bunun en önemli etkisi, yukarıda bahsedilen şartlara ek
olarak %30-40 geri kazanım üniteleri ile enerji tasarrufunun
sağlanmasıdır. Bu durum maliyetlere yansımıştır. Fiyat aralığının ise
ağırlıklı olarak 0,50-1,50 $/m3 aralığında gruplandığı görülmektedir.
Şekil 17.25’te grafik üzerinde kırmızı ok ile gösterilen noktada maliyet
düşüşünün yavaşladığını göstermektedir. Bu nokta yaklaşık 10.000
m3/gün’e tekabül etmektedir. Bu grafikten elde edilen verilere göre
10.000 m3/gün’den daha yüksek değerlerdeki tesislerin işletme maliyeti
açısından daha ekonomik olacağı öngörülmektedir (Başaran, 2015).
1224
Şekil 17.24 Yıllara göre birim işletme maliyeti değişimi (Shatat, 2013)
Şekil 17.25 Kapasite bazında işletme maliyetleri (Başaran, 2015)
1225
Türkiye’deki denizlerden içme suyu elde etmenin işletme, ilk yatırım ve
toplam üretim maliyetleri hedeflenen sistem kapasiteleri için Denklem
17.27 ile hesaplanabilmektedir.
M = a x Q (17.27)
Burada,
M : İşletme, ilk yatırım, toplam üretim maliyetini ($/m³)
Q : Debiyi (m³/gün)
a : Katsayıyı
b : Katsayıyı
ifade etmektedir. Bu formüldeki a ve b parametreleri, işletme, ilk yatırım
ve toplam üretim maliyeti için değerler, Tablo 17.18’te verilmiştir.
Ayrıca, Akdeniz, Marmara ve Karadeniz için verilen işletme maliyeti
değerleri Şekil 17.26-17.28’de verilmiştir. Buna göre, tuzluluk arttıkça,
işletme maliyeti içerisinde enerji maliyeti oranı artmaktadır.
denizsuyu
b
1226
Tablo 17.18 Denizlerden içme ve kullanma suyu üretiminde farklı tasarımların maliyet denklemi katsayıları
İşletme Maliyeti İlk Yatırım Maliyeti Toplam Üretim Maliyeti
a b a b a b
AKDENİZ - 15,6 lt/m²/st 0,435 -0,006 0,268 -0,028 0,701 -0,013
AKDENİZ - 13,3 lt/m²/st 0,427 -0,007 0,263 -0,018 0,690 -0,011
AKDENİZ - 11,7 lt/m²/st 0,421 -0,006 0,294 -0,019 0,714 -0,011
MARMARA - 15,6 lt/m²/st 0,347 -0,009 0,247 -0,023 0,593 -0,015
MARMARA - 13,3 lt/m²/st 0,339 -0,008 0,290 -0,031 0,627 -0,018
MARMARA - 11,7 lt/m²/st 0,320 -0,003 0,304 -0,031 0,621 -0,016
KARADENİZ - 15,6 lt/m²/st 0,270 -0,003 0,244 -0,034 0,511 -0,016
KARADENİZ - 13,3 lt/m²/st 0,267 -0,004 0,267 -0,030 0,525 -0,015
KARADENİZ - 11,7 lt/m²/st 0,265 -0,004 0,286 -0,035 0,548 -0,018
1227
Şekil 17.26 Akdeniz’den ters osmoz sistemiyle içme ve kullanma suyu
üretmenin ilk yatırım ve işletme maliyeti oranları, işletme maliyeti
bileşenleri (Arı, 2009)
1228
Şekil 17.27 Marmara’dan ters osmoz sistemiyle içme ve kullanma suyu
üretmenin ilk yatırım ve işletme maliyeti oranları, işletme maliyeti
bileşenleri (Arı, 2009)
1229
Şekil 17.28 Karadeniz’den ters osmoz sistemiyle içme ve kullanma suyu
üretmenin ilk yatırım ve işletme maliyeti oranları, işletme maliyeti
bileşenleri (Arı, 2009)
17.3.3.3. Uygulama Örnekleri
Dünyada hali hazırda kurulu pek çok ve değişik kapasitelere sahip TO
tesisi bulunmaktadır. Tesislerin çoğalması ve kurulumları üzerinden
yıllar geçmesi, örnek alınacak pek çok verinin literatürde yer almasını
sağlamıştır. Tablo 17.19’te mevcut tesisler ile elde edilen birim su
maliyetleri özet olarak verilmektedir. Bu değerler zamana göre
çizdirilmiş ve zamana göre lineer olarak azalan bir su üretim maliyeti
elde edilmiştir (Şekil 17.29).
1230
Birim toplam maliyetleri etkileyen faktörlerden biri kullanılan enerji
kaynağıdır. Tablo 17.20’te ise farklı enerji kaynakları ile elde edilen
birim toplam maliyetler verilmiştir (Başaran, 2015).
Şekil 17.29 Deniz suyu üretim maliyetinin zamana bağlı olarak değişimi
Literatürde rapor edilen deniz suyu arıtma amaçlı kurulan TO
tesislerinin maliyetleri arasındaki mevcut uyumsuzlukların pek çok
sebebi olabilir. Bu uyumsuzluklar, proses işletme farklılıklarından (akı
değerleri seçimi, geri kazanım oranı ve işletme basınçlarından), bölgesel
olarak farklılık gösteren membran değişiminden (3-5 yıllar arasında,
membran değişimi maliyeti 0,15-0,81 $/m3 (Avlonitis, 2003; El-
Dessouky ve Ettouney, 2002), ülkeden ülkeye değişen enerji
fiyatlarından, tesis işletmesindeki bölgesel deneyimlerden, devletlerin
koymuş olduğu çevresel kriterlere bağlı olarak konsantre bertarafındaki
maliyet farklılıklarından, besleme suyunun temin metodundan ve
fiziksel-kimyasal özelliğinden (tuzluluk arttıkça maliyet artmaktadır),
tesis yaşından (eski teknolojiye sahip tesislerdeki yüksek maliyet),
amortisman bedellerinde etkili olan tesis ömründen (20 ila 30 yıl
arasında değişmektedir), faiz (ülkeden ülkeye değişiklik
göstermektedir) oranlarından ve yedek parça-bakım ve onarımının
0
0,5
1
1,5
2
2,5
1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015
Bir
im S
u Ü
reti
m M
ali
ye
ti,
$/
m3
Zaman
1231
yaygın olduğu merkezlere olan mesafeden dolayı daha pahalı hizmet
alımından kaynaklanmaktadır.
Tablo 17.19 Enerji kaynağı türüne göre deniz suyu arıtan TO
tesislerinin birim su üretim maliyetleri (Başaran, 2015)
Enerji kaynağı türü Üretim maliyeti
($/m3) Kaynak
Konvansiyonel 0,50-3,50 Gude ve diğ., (2010)
Konvansiyonel 0,46-3,50 Shatat ve diğ., (2013)
Konvansiyonel 0,35-2,70 Zotalis ve diğ., (2014)
Rüzgar enerjisi 7,00-9,00 Gude ve diğ., (2010)
Rüzgar enerjisi 1,30-6,50 Shatat ve diğ., (2013)
Rüzgar enerjisi 1,00-5,00 Zotalis ve diğ., (2014)
Güneş enerjisi 4,00-11,00 Gude ve diğ., (2010)
Güneş enerjisi 2,14-9,00 Shatat ve diğ., (2013)
Güneş enerjisi 3,14-9,00 Zotalis ve diğ., (2014)
Nükleer 0,79-1,21 Faibish ve diğ., (2003)
1232
Tablo 17.20 TO tesisleri örnekleri ve birim su maliyetleri
Yer Yıl Su
kaynağı
Enerji kaynağı
Kapasite
(m3/gün)
Son
kullanım
Giderim
kalitesi
Su
maliyeti
($/m3)
Kaynak
İspanya- Golden 1989 Deniz
Suyu
Konvansiyonel
3500
İçme
suyu 1,94 Arı, (2009)
Suudi Arabistan-
Cidde 1989
Deniz
Suyu
Konvansiyonel
23,000
İçme
suyu 1,31 Arı, (2009)
Bahreyn - Ad Dur 1990 Deniz
Suyu
Konvansiyonel
45,000
İçme
suyu Orta 1,30 Arı, (2009)
İspanya -Lanzarote
III 1991
Konvansiyonel
20,000
İçme
suyu Yüksek 1,62 Veza, (2001)
ABD - California 1992 Konvansiyonel
25,000
İçme
suyu 1,51 Arı, (2009)
Kıbrıs - Dhekelia 1997 Deniz
suyu
Konvansiyonel
40,000
İçme
suyu Orta 1,41
Marangou ve
Savvides,
(2001)
İspanya- Mallorca 1998 Deniz
suyu
Konvansiyonel
42000
56,400
İçme
suyu
1,03
1,00
Del Castillo,
(2004)
İsrail - Eilat 1998 Deniz
suyu
Konvansiyonel
10,000
İçme
suyu 0,72 Arı, (2009)
1233
Tablo 17.20 (Devamı) TO tesisleri örnekleri ve birim su maliyetleri
Yer Yıl Su
kaynağı
Enerji kaynağı
Kapasite
(m3/gün)
Son
kullanım
Giderim
kalitesi
Su
maliyeti
($/m3)
Kaynak
Mısır 2000 Acı su Güneş
13,250
İçme
suyu Düşük 5,20
Ahmad ve
Schmid, (2002)
Kıbrıs - Larnac 2001 Deniz
Suyu
Konvansiyonel
56,000
İçme
suyu 0,83 Arı, (2009)
Libya 2002 Deniz
Suyu
Dizel
7000
İçme
suyu Düşük 1,61
El-Mudir ve diğ.,
(2004)
Suudi Arabistan 2002 Deniz
Suyu
Dizel
30.000
İçme
suyu Düşük 1,24
Hafez ve El-
Manharawy,
(2003)
İspanya -
Carboneras 2002
Deniz
Suyu
Konvansiyonel
120.000 Sulama Yüksek 0,76 Huehmer, (2010)
Kıbrıs 2002 Deniz
Suyu
Konvansiyonel
50.000
İçme
suyu Düşük 1,15
Hafez ve El-
Manharawy,
(2003)
Tunus 2002 Deniz
Suyu
Dizel
10.000
İçme
suyu Düşük 1,57
Hafez ve El-
Manharawy,
(2003)
1234
Tablo 17.20 (Devamı) TO tesisleri örnekleri ve birim su maliyetleri
Yer Yıl Su
kaynağı
Enerji kaynağı
Kapasite
(m3/gün)
Son
kullanım
Giderim
kalitesi
Su
maliyeti
($/m3)
Kaynak
ABD-Florida 2003 Deniz
Suyu
Konvansiyonel
94.600
İçme
suyu Yüksek 0,55 Arı, (2009)
Japonya - Fukuoka 2005 Deniz
Suyu
Konvansiyonel
50.000
İçme
suyu Yüksek 2,26 Huehmer, (2010)
ABD- Lasara 2005 Acı su Konvansiyonel
4.500
İçme
suyu Yüksek 0,45
Arroyo ve Shirazi,
(2012)
Fas 2006 Deniz
Suyu
Rüzgar
1.200
İçme
suyu Düşük
0,99–
1,29
Rizzuti ve diğ.,
(2007)
Umman - Sur 2007 Deniz
Suyu
Konvansiyonel
İçme
suyu Düşük 1,39 Huehmer, (2010)
ABD - Inland
Empire 2007 Acı su
Konvansiyonel
27.000
İçme
suyu Yüksek 0,73 NRC, (2008)
Hindistan - Chennai 2007 Deniz
Suyu
Konvansiyonel
100.000
İçme
suyu Düşük 1,27 Huehmer, (2010)
Cezayir - Tenes 2008 Deniz
Suyu
Konvansiyonel
İçme
suyu Düşük 0,91
Ghaffour ve diğ.,
(2013)
Singapur - Tuas 2008 Deniz
Suyu
Konvansiyonel
İçme
suyu Yüksek 0,64 Huehmer, (2010)
1235
Tablo 17.20 (Devamı) TO tesisleri örnekleri ve birim su maliyetleri
Yer Yıl Su
kaynağı
Enerji kaynağı
Kapasite
(m3/gün)
Son
kullanım
Giderim
kalitesi
Su
maliyeti
($/m3)
Kaynak
ABD-Florida 2003 Deniz
Suyu
Konvansiyonel
94.600
İçme
suyu Yüksek 0,55 Arı, (2009)
ABD - Doolittle 2008 Acı su Konvansiyonel
13.250
İçme
suyu Yüksek 0,31
Arroyo ve Shirazi,
(2012)
Cezayir- Mactaa 2008 Deniz
Suyu
Konvansiyonel
500.000
İçme
suyu Düşük 0,62
Buonomenna,
(2013)
İsrail - Hadera 2010 Deniz
Suyu
Konvansiyonel
347.900
İçme
suyu Orta 0,69
Ghaffour ve diğ.,
(2013)
Türkiye - İstanbul-
Avşa 2010
Deniz
suyu
Konvansiyonel
4.000
İçme
suyu Yüksek 0,40 Koyuncu, (2012)
1236
17.3.4. Endüstriyel Atıksu Arıtma Tesislerinin Maliyetleri
Membran prosesler, kuyu suyunun ve/veya deniz suyunun arıtılarak
içme suyu eldesinin yanı sıra atıksuların ileri derece arıtılarak alıcı
ortamlara desarjı ya da çeşitli amaçlar doğrultusunda tekrar kullanımı
için de kullanılmaktadır. Bu bölümde, endüstriyel atıksu arıtımı için
kurulan çeşitli membran tesislerinden elde edilen maliyet verimleri
verilerek potansiyel kullanıcıların aydınlatılması hedeflenmiştir.
Membran teknolojileri, gıda, metal, tekstil vb. gibi pek çok çeşitli
endüstrinin atıksularının arıtılması için kullanılmaktadır. Örnek olarak,
metal son işlem endüstrisi için kullanılan bir membran tesisinin temsili
akım şeması Şekil 17.30’da verilmektedir.
Şekil 17.30 UF-TO Membran tesisinin akım şeması (Petrinic ve diğ.,
2015)
1237
17.3.4.1. İlk Yatırım Maliyetleri
Endüstriyel atıksu arıtan tesislerin kentsel atıksu arıtma tesislerinden
başlıca farkları, tüm atıksuların toplanıp bir arada arıtılması yerine
endüstri bazında kurulu tesislerin kurulumunun mecburiyeti (OSB
bazında AAT’ye sahip endüstriler hariç), daha düşük debilere sahip
olması ve çok değişik karakterde ve genellikle zor karakteristikte
atıksuların arıtıldığı proseslerin gerekliliğidir.
Endüstri bazında arıtma prosesleri değişkenlik göstermektedir, bunun
yanı sıra özellikle çoğu endüstriyel atıksuyun biyolojik arıtılabilirliği
düşüktür. Bu da kullanılan proseslerin endüstriye ve hatta bazen tesise
özgü olmasına ve çeşitli limit tasarım ve işletme değerleri ile
kurulmalarına sebep olmaktadır.
Endüstriyel atıksuların arıtıldığı membran tesislerinde, atıksuyun
karakterine göre asidik, bazik, yüksek sıcaklık vb. özelliklere dayanıklı
borulama, tank ve membran seçimi gerekebilmektedir. Bölümün
başlarında da belirtildiği üzere İYM, projelendirme, arazi, altyapı,
ekipman, membranlar ve inşaat kalemlerini içermektedir.
Proje/mühendislik ve arazi maliyetleri birim kapasite başına
karşılaştırıldığında kentsel atıksu arıtma tesisinden bir fark
göstermemektedir. Mekanik ve kimyasal dayanıklığı yüksek borulama
ve altyapı ünitelerinin malzemelerinin birim fiyatı, olağan ürünlerin
birim fiyatından yüksek olmaktadır. Ekipman olarak özellikle
pompaların fiyatları daha yüksek olacaktır.
Membranların doğru seçilmesi endüstriyel atıksu arıtımında kilit nokta
olarak tanımlanabilir. Yanlış malzemeye sahip membranlar ile ilgili
atıksuyun arıtımında istenilen verimlere kesinlikle ulaşılamayacaktır ve
kimyasal dayanımı düşük bir membran ile çalışılmakta ise membran
ömrünün de beklenilenden çok daha kısa olduğu görülecektir. Bu
sebeple, düşük pH’larda özellikle metal giderimi vb. amaçlı kullanılmak
üzere üretilen ince film kaplamalı membranların yüksek birim fiyatları
1238
da endüstriyel atıksuların arıtıldığı membran tesislerin İYM’ni
arttırmaktadır.
17.3.4.2. İşletme ve Bakım Maliyetleri
İşletme ve bakım maliyetleri söz konusu olduğunda ilk incelenmesi
gereken maliyet kalemi, enerji sarfiyatıdır. Endüstriyel atıksuların
karakterine bağlı olarak membran tesislerinde süzüntü akıları düşük
olabilir. Bu sebeple, yüksek giderim verimleri ve/veya optimum akı
değerlerinin elde edilebilmesi için nispeten daha yüksek işletme
basınçlarında çalışmalıdır. Bu da İBM değerlerini arttırmaktadır.
Ekipman ve membran değişimi ve ekstra kimyasal sarfiyatları da
endüstriyel atıksuların arıtıldığı membran tesislerinin İBM değerlerini
arttırmaktadır.
17.3.4.3. Uygulama Örnekleri
Tablo 17.21’de mevcut tesisler ile elde edilen birim su maliyetleri özet
olarak verilmektedir.
1239
Tablo 17.21 Dünyada kurulu bazı endüstriyel atıksu arıtma tesisleri su üretim maliyetleri
Yer Yıl Su kaynağı/
Sistem
Enerji
kaynağı/
Kapasite
(m3/gün)
Son
kullanım
Giderim
kalitesi
Su
maliyeti
(US $/m3)
Kaynak
İngiltere 2003 Deri
UF
Konvansiyonel
23
Tuzlu su
geri
kazanımı
Yüksek 1,83 Scholz ve Lucas,
(2003)
İngiltere 2003 Deri
MF
Konvansiyonel
23
Kireç ve
sülfit geri
kazanımı
Yüksek 3,60 Scholz ve Lucas,
(2003)
İngiltere 2003 Bitkisel tabaklama
MF
Konvansiyonel
24
Tekrar
kullanım Yüksek 2,36
Scholz ve Lucas,
(2003)
Türkiye -
İstanbul 2004
Tekstil
NF
Pilot
200
Tekrar
kullanım Yüksek 0,70
Koyuncu ve diğ.,
(2004)
Hindistan 2007 Tekstil
RO Konvansiyonel
Geri
dönüşüm Orta 0,90
Ranganathan ve
diğ., (2007)
Hindistan 2011 Bitkisel tabaklama
RO Konvansiyonel
Geri
dönüşüm Orta 1,13
Ranganathan ve
Kabadgi, (2011)
İtalya 2015 Tekstil Konvansiyonel Geri
dönüşüm Yüksek 0,97
Petrinic ve diğ.,
(2015)
Slovenya 2015
Metal kaplama
atıksuyu
UF-RO
Konvansiyonel
30,000
Geri
dönüşüm Yüksek 1,49
Ioannou-Ttofa
ve diğ., (2017)
1240
17.3.5. Membran Biyoreaktör Tesislerinin Maliyetleri
Membran biyoreaktör (MBR) tesisleri, membran proseslerin
kullanılması ile ileri atıksu arıtımında kullanılmak amacı ile kurulan ve
konvansiyonel aktif çamur sistemlerine güçlü bir alternatif olarak
ortaya çıkmış tesislerdir. Önceki bölümlerde de bahsedildiği üzere MBR
teknolojisinin tesislerde tercih edilmesinin pek çok üstünlüğü
bulunmaktadır. Yatırımcıların ve proje firmalarının MBR tesisi
kurmaktan kaçınmalarının tek sebebi, yıllardır süre gelen yüksek
maliyetler düşüncesidir. Bu bölümde, MBR teknolojisinin ilk yatırım ve
işletme ve bakım maliyetlerinden bahsedilmesinin ardından uygulama
örnekleri kısmında özellikle konvansiyonel aktif çamur ile
maliyetlerinin karşılaştırıldığı çalışmalardan söz edilecektir. MBR
teknolojisi kullanan bir tesisin genel akım şemasına bir örnek Şekil
17.31’de verilmektedir.
Şekil 17.31 MBR tesisine örnek akım şeması (Almes-eko, 2017)
1241
17.3.5.1. İlk Yatırım Maliyetleri
MBR’ler özellikle arazi fiyatlarının yüksek olduğu ve sıkı desarj limitleri
sebebiyle ileri derecede nütrient gideriminin yapılmasının şart olduğu
durumlarda konvansiyonel aktif çamur sistemlerinin yerine tercih
edilmektedir. Yıllık net değer olarak bakıldığında MBR maliyetleri,
konvansiyonel aktif çamur tesislerinin maliyetleri ile kıyaslamada
üstünlük sağladığını ortaya koymaktadır. Bu bakış açısının
yaygınlaşması ile yıllar içerisinde MBR tesislerinin sayısı gün geçtikçe
artmaktadır. MBR’deki membran maliyetleri 1990’lardan günümüze
azalmış ve 400 $/m2’den 20-40 $/m2’ye kadar inmiştir (Kennedy ve
Churchouse, 2005). 20.000 m3/gün kapasitesi olan bir MBR tesisinin ilk
yatırım maliyeti, 0,35-0,68 Milyon $/1.000 m3/gün aralığında
değişmektedir. Tercih edilen arıtma akım şemasına göre İYM, 2,6 Milyon
$/1.000 m3/gün seviyelerine kadar çıkabilmektedir (Judd, 2017).
Şekil 17.32’de İYM maliyetleri (mor renk ve düz çizgi ile ifade edilen) ve
İBM maliyetleri tesislerin kapasitesinin bir fonksiyonu olarak
verilmektedir. İYM, tesisin kapasitesinin artması ile artmaktadır. Batık
MBR sistemlerinde kullanılan membranların fiyatlarında da son yıllarda
önemli bir düşüş meydana gelmiştir. Membran maliyetleri, sipariş
miktarına, taşıma yöntemine, coğrafi bölgeye, pazar durumuna ve
üreticinin pazar stratejisine göre değişiklik göstermektedir. Büyük
ölçekli MBR projeleri için taşıma ve vergi hariç membran fiyatları, Kuzey
Amerika’da çelik çerçeve dahil 40-60 $/m2 iken Avrupa’da 50-70 $/m2
civarındadır (Yoon, 2006).
17.3.5.2. İşletme ve Bakım Maliyetleri
MBR tesislerinin işletme ve bakım maliyetleri de ilk tercih edilmeye
başladığı yıllarda nispeten yüksek iken günümüzde oldukça düşmüştür.
Bir MBR tesisin İBM maliyetlerinin kalemlerinin pasta grafik
içerisindeki dağılımı Şekil 17.33’de verilmektedir. Şekilden de
görülebileceği üzere enerji maliyetleri, işletme ve bakım maliyetlerinin
1242
en maliyetli kalemidir. Bunun sebebi süzüntü pompalarının kullanımı ve
membran ve aktif çamur havalandırmasının konvansiyonel sistemlerde
olmaması ve/veya daha az olmasıdır.
Şekil 17.32 MBR tesislerinin İYM ve İBM verileri (2015 yılı fiyatlarına
uyarlanmıştır, McAdam ve Judd (2006)
Şekil 17.34’de ise enerji sarfiyatı kaleminin kendi içerisindeki dağılımı
görülmektedir. Membran temizlenmesinin de hava ile işletme sırasında
yapılması önemli bir enerji gideridir. Bu sebeple, MBR’lerde tesisin
optimum akı değerinde işletilmesi ve membran biyotıkanmasını
engelleyecek yaklaşımların işletimin en başından beri benimsenmesi
gerekmektedir. Tablo 17.22’de ise çeşitli yaklaşımların enerji sarfiyatı
üzerindeki etkilerinden bahsedilmektedir. Nordkanal tesis
işletilmesinde m3 arıtılan su başına maliyet 0,30 $ civarındadır
(Engelhardt ve Lindner, 2006). Şekil 17.35’te ise çeşitli membran
ömürleri için İBM’nin akının bir fonksiyonu olarak değişimi
verilmektedir. Bu grafikten de anlaşıldığı üzere tasarımdaki işletme
akısı arttıkça birim İBM değerinde ciddi bir düşüş gözlenmektedir. Daha
1243
uzun ömürlü membran tercihi ile de birim İBM değerini azaltmak
mümkündür.
Şekil 17.33 MBR tesislerinin İBM dağılımları (Engelhardt ve Lindner,
2006; McAdam ve Judd, 2006)
Şekil 17.34 MBR tesislerinin enerji sarfiyatı kalemlerinin dağılımı
(Engelhardt ve Lindner, 2006; McAdam ve Judd, 2006)
Enerji %60
İşçilik %20
Kimyasal %13
Bakım %7
Fiziksel membran temizleme
%38 Süzüntü pompası
%22
Aktif ç. havalandırm
a %21
Besleme pompası
%11
1244
Şekil 17.35 Çeşitli membran ömürleri için İBM’nin akının bir
fonksiyonu olarak değişimi (TheMBRsite, 2017)
Tablo 17.22 MBR’lerde enerji maliyetlerinin değişimine (ΔEM)
sebebiyet veren işletme parametreleri (Judd, 2017)
Eylem ΔEM (%)
Süzüntü akısındaki %20’lik bir artış ile -6,5
Havalandırma ihtiyacındaki %20’lik bir azalış ile -5,0
Membranın kullanım ömrünündeki %20’lik bir artış ile -2,3
Membran geçirgenliğindeki %20’lik bir azalış ile 0,3
MBR’lerde İBM hesaplanması diğer membran tesislerinin İBM
hesabından farklıdır. Bu bölümde, MBR tesisinin İBM hesaplanması
adımları ve formülleri ile anlatılacaktır (TheMBRsite, 2017). İBM
hesabında ilk adım aktif çamur prosesisinin maliyetlerinin
hesaplanmasıdır. Aktif çamur prosesinin ana parametreleri Tablo
17.23’de, işletim parametreleri ise Tablo 17.24’da verilmektedir.
1245
Tablo 17.23 MBR’lerde İBM hesabında kullanılacak aktif çamur prosesi
parametreleri (TheMBRsite, 2017)
Parametre Sembol Birim Değer
Giderilen KOİ ΔSCOD mg/lt 1000
Giderilen TKN ΔSTKN mg/lt 50
Biyokütlenin KOİ içeriği λCOD
kgKOİ/kg
AKM 1,1
Biyokütlenin TKN içeriği λTKN
kgTKN/
kgAKM 0,095
Gerçek çamur verimi Yobs
kgAKM/
kgKOİ 0,35
Havanın yoğunluğu ρA G hava/m3 1230
Havadaki oksijen
konsantrasyonu C’A
G O2/g
hava 0,21
Birim derinlik başına standart
oksijen transfer verimi SOTE m-1 0,045
Havalandırma tankının derinliği y M 5
Blower enerji eşitliği sabiti K - 6,5
Blower giriş basıncı PA,in Pa 106.000
Blower çıkış basıncı PA,out Pa 156.000
Kütle transferi düzeltme faktörü,
katılar α - 0,5
Kütle transferi düzeltme faktörü,
tuzluluk β - 0,95
Kütle transferi düzeltme faktörü,
sıcaklık γ - 1
1246
Tablo 17.24 MBR’lerde İBM hesabında kullanılacak membran işletim
parametreleri (TheMBRsite, 2017)
Parametre Semb
ol
Birim Değer
Net akı (18 lt/m2.sa kabul
edilmiştir) J m/st 0,018
Membran alanı başına spesifik
havalandırma ihtiyacı SADm
Nm3/(st.m2)
0,25
Havalandırma için spesifik enerji
ihtiyacı E’A,m kWh/m3 0,0222
Süzüntü eldesi için spesifik enerji
ihtiyacı EL,m kWh/m3 0,015
Membran ömrü (8 yıl kabul
edilmiştir) t st 70.000
Çamur pompalama için enerji
(güç/akım)
EL,
çamur kWh/m3 0,02
Geri devir oranı R - 4
Elektrik maliyeti LE $/kWh 0,12
Membran maliyeti LM $/m2 80
Kimyasal maliyeti, %10-15
hipoklorit ve %50 sitrik asit LC $/m3 0,008
İBM hesaplama adımları:
1. KOİ ve TKN giderimleri dolayısıyla oksijen ihtiyacı (g/m3 O2):
DO2 = ΔSCOD(1 - λCOD x Yobs - 1,71λTKN x Yobs ) + 1,71ΔSTKN —
2,86ΔSNitrat
(17.28)
2. Havalandırma ihtiyacı (Nm3 hava/m3):
QA/QF = SADbio = DO2/(ρA x C’A x SOTE x y x α x β x γ)
(17.29)
3. Spesifik havalandırma enerji ihtiyacı (Ws/Nm3):
1247
E’A = k x PA,in x ((PA,out/PA,in)0,283) - 1) (17.30)
4. Biyolojik prosesin havalandırması için spesifik enerji ihtiyacı (EA,bio)
kWh/m3 arıtılmış su biriminde yazılmak istenir ise,
EA,bio = E’A x SADbio (17.31)
Sayılar ile örnek işlem gerçekleştirilir ise,
1) DO2 = 1000(1-1,1 x 0,35-1,71 x 0,095 x 0,35)+1,71 x 59-2,86 x 8 = 621
g/m3
2) SADbio = 621/(1230 x 0,21 x 0,045 x 5 x 0,5 x 0,95 x 1) = 22,5 Nm3/m3
3) E’A,bio = 6,5 x 106.000 x ((156/106)0,283-1)) = 80.000 Ws/Nm3
4) E’A,bio =2,5 x 80.000=1,8 x 106 Ws/m3=1,8 x 106/(1000 x 3600) = 0,5
kWh/m3
Ardından membran reaktörün enerji ihtiyaçlarını hesaplamak
gerekmektedir. Eğer membranlar daldırılmış ise aşağıdaki adımlar ile
devam edilir. Buradaki havalandırma için spesifik enerji ihtiyacı (E’A,m),
EA,bio ile eşit kabul edilebilir (Difüzörler aynı derinlikte ise).
EA,bio = 80.000/(3600 x 1000) = 0,0222 kWh/m3
İBM = LE(E’A,m x SADm/J+EL,çamur x R+EL,m+EA,bio)+LM/(J x
t)+LC+Lw+LL
(17.32)
İBM=0,12 x (0,022 x 0,25/0,018+0,02 x 4+0,015+0,5)+80/(0,018 x
70000)+0,008 İBM=0,12 $/m3
Eğer membran modülü ayrı bir tankta ise ve yan akım modeli geçerli
olarak yatay olarak yerleşmiş ise enerji ihtiyacı Bernoulli Denklemi
yardımı ile hesaplanır.
Em = [H+ΔP/(ρg)+ν2/(2g)] x ρg/(εtot x θ) (17.33)
1248
Burada,
H : Statik yükseklik = 2 m
ΔP : Uygulama basıncı = 350.000 Pa (3,5 bar)
g : 9,81 m/s2
ρ : 1000 kg/m3
ν : 3,5 m/sn
εtot : %55
θ : çevrim için
dir. Çevrim, burada süzüntü kanallarından geçen konsantrenin oranını
ifade etmektedir. Bu ifade, membran modülünün karakteristiği
kullanılarak ortaya konulabilir. Özellikle, membran alanı ve net kesit
alanı bilgileri kullanılabilir (TheMBRsite, 2017).
Membran alanı, A = 33 m2
Akı, J = 150 lt/m2.st
Süzüntü debisi = 4,95 m3/st
Tüp çapı = 0,2 m
Dolayısı ile bir tüpün kesit alanı:
Aka = 3,141 x 0,22/4 = 0,0314 m2
Eğer bu alanın % 85’i net olarak kullanılabilen kesit alanı olarak kabul
edilebilir ise
Aka,net = 0,85 x 0,03141 = 0,0267 m2
Konsantre debisi, çapraz akış hızı (ν) ile ilişkilidir.
QR = Aka,net x ν = 0,0267*3,5*3600 = 336 m3/st
1249
Modül başına süzüntü debisi akı ve membran modülünün alanı ile
ilişkilidir.
QP = J x A = 150 x 33/10000 = 4,95 m3/st
Eğer 8 adet tüp bulunmakta ise toplam geri kazanım,
Θ = 8 x 4,95/336 = 0,118 ya da %12
Dolayısıyla,
SEDm = [2+350.000/(1000*9,81) + 3,52/(2 x 9,81)] x 1000 x 9,81/(0,55 x
0,12) SEDm =1,6 kWh/m3
İBM = LE(EL,m +EA,bio)+LM/(J x t) + LC + LW + LL
İBM = 0,12 x (1,6+0,5)+80/0,018 x 70000)+0,008
İBM = 0,32 $/m3
Literatürdeki pek çok çalışmada MBR tesislerinin İBM değerleri
hesaplanmıştır ve debi ile aşağıdaki gibi bir ilişki ortaya konulmuştur
(TheMBRsite, 2017):
İBM= -0,0509 x lnQ+0,664 (Q=m3/gün) (17.34)
17.3.5.3. Uygulama Örnekleri
MBR’ler ile ilgilenen tüm araştırmacıların, potansiyel kullanıcıların en
çok merak ettiği husus MBR ile konvansiyonel aktif çamur sisteminin
maliyetlerinin kıyaslandığında elde edilen sonuçtur. Bu bağlamda,
değişik kabuller doğrultusunda bu iki alternatifin maliyetlerinin
karşılaştırıldığı bir çalışma incelenmiştir. MBR ile konvansiyonel aktif
çamur sisteminin ilk yatırım ve işletme maliyetlerinin karşılaştırıldığı
bir çalışmada (Young ve diğ., 2013), Tablo 17.25’de verilen 7 farklı
senaryo için hesaplamalar yapılmıştır. Atıksu karakterizasyonu
1250
literatürde orta kuvvetli atıksu için verilmiş standart değerler olup
tasarım debisi 18.927 m3/gün alınmıştır (Metcalf & Eddy, 2003).
Her iki alternatif için 6 mm mekanik kaba filtre, kum tutucu, aktif çamur
havuzu, katı madde ayrımı için son çöktürme havuzu veya membran
tankı ve çıkışta UV sistemi maliyete dahil edilmiştir. Aynı zamanda 2
mm ince ızgara MBR sistemine dahil edilmiştir.
Tablo 17.25 MBR ve konvansiyonel aktif çamur alternatifleri için
değerlendirilen senaryolar (Young ve diğ., 2013).
No Senaryo Çıkış suyu (mgL)
BOİ/TAKM/TN/TP
Ay
boyunca
en düşük
sıcaklık
(oC)
Saatlik
pik
debi
faktörü
1 Herhangi bir TN ve
TP limiti yok ise 20/20 12 2
2 TP limiti yok ise 20/20/10 12 2
3 Genel kullanımdaki
ENR, BNG prosesi 10/10/10/0,2 12 2
4 Ön çökeltim 10/10/10/0,2 12 2
5 Sıcak hava 10/10/10/0,2 25 2
6 Yüksek pik akımlar 10/10/10/0,2 12 4
7 Sıkı TP limitleri 10/10/10/0,1 12 2
Bütün alternatifler için proses boyutlandırması, Metcalf & Eddy, inc.
(2003) ve Water Environmental Federation Manual of Practice No 8
(2010)’de verilen standart yöntemler ile yapılmıştır. Her alternatif için
ihtiyaç duyulan alan için maliyet varsayımı yapılmıştır. Yıllık işletme ve
bakım maliyetleri için personel ücreti, elektrik ihtiyacı, kimyasal
kullanımı, ekipmanların bakımı ve difüzör değişimleri hesaba
katılmıştır. Hesaplamalar sonucunda maliyet analizlerinin özeti Şekil
17.36-38’de verilmektedir.
1251
Şekil 17.36 Tüm alternatifler için İYM karşılaştırmaları (Young ve diğ.,
2013)
Şekil 17.37 Tüm alternatifler için İBM karşılaştırmaları (Young ve diğ.,
2013)
1252
Şekil 17.38 Tüm alternatifler için toplam toplam maliyet
karşılaştırılmaları (Young ve diğ., 2013)
Senaryo 1 için TN ve TP için herhangi bir çıkış limiti olmadığı
durumlarda MBR, %22 daha fazla maliyetlidir. Senaryo 2 için çıkış
TN<10 mg/lt, TP için çıkış limitinin olmadığı durumlarda MBR ilk
yatırım maliyeti %15 daha fazladır. Senaryo 3 (Standart Senaryo) için
ise çıkış TN limit<10 mg/lt, TP limit<0,2 mg/lt olması durumunda MBR
ilk yatırım maliyeti %13 daha düşüktür. Senaryo 4’te ise standart
sisteme ön çöktürme havuzu eklendiğinde MBR maliyeti %8 daha az
olmalıdır. Senaryo 5’te standart senaryo (Senaryo 3)’e göre daha sıcak
iklimlerde MBR ilk yatırım maliyeti % 8 daha düşüktür. Senaryo 6 için,
saatlik pik debinin 2 saat değil de 4 saat olduğu durumda MBR maliyeti
%5 daha düşüktür. Senaryo 7 için TP için düşük çıkış limitlerinde (<0,1
mg/L) MBR ilk yatırım maliyeti %18 daha düşüktür (Young ve diğ.,
2013).
Standart koşullar için (Senaryo 3) İBM’ler özetlenmek istenir ise MBR
sistemlerinde klasik sistemlere göre işçilik maliyeti daha düşüktür. MBR
sistemlerinde enerji maliyeti az farkla daha yüksektir. MBR
sistemlerinde geri yıkama ve membran temizliği için özel kimyasallar
gerekmektedir. UV dezenfeksiyon maliyeti MBR sistemlerinin çıkış
bulanıklık değerinin daha düşük olmasından dolayı düşük olmaktadır
(Young ve diğ., 2013).
1253
Toplam maliyetler incelendiğinde ise Senaryo 1 ve 2 için üçüncül
arıtmanın gerekli olmadığı ve konvansiyonel aktif çamur sistemlerinin
toplam ömür maliyeti MBR sistemlerine göre daha düşük olduğu
söylenebilir. Senaryo 3 (Standart koşullar için)’te konvansiyonel aktif
çamur sistemi için üçüncül arıtma gerekmektedir. Fakat MBR toplam
ömür maliyeti daha düşüktür. Senaryo 4 ve 5 için ise MBR toplam ömür
maliyeti konvansiyonel aktif çamur sistemlerine göre daha düşüktür.
Senaryo 6’da MBR toplam ömür maliyeti konvansiyonel aktif çamur
sistemlerine göre az farkla daha yüksektir. Son olarak Senaryo 7 için
konvansiyonel aktif çamur sistemleri için üçüncül arıtma olarak
membran filtrasyonu gerekmektedir ve bu senaryo MBR sistemleri için
en uygun senaryodur (Young ve diğ., 2013).
Kısaca özetlemek gerekir ise MBR sistemlerinde daha yüksek işletme ve
bakım maliyetleri olmasına rağmen toplam maliyet olarak
konvansiyonel aktif çamur sistemi daha yüksek kalmıştır. Aynı zamanda
konvansiyonel aktif çamur sistemi sonrası ileri arıtım adımı eklendiği
durumlarda MBR sistemlerinin en uygun alternatif olduğu görülmüştür.
Bir diğer önemli MBR tesisi örneği ise Varsselveld MBR tesisidir. Bu
tesiste ilk yıl membranlar daimi olarak havalandırılmaktayken, daha
sonraki yıllarda kesikli havalandırmaya geçilmiştir. Aynı zamanda
işletmedeki membran tank sayısı kontrol edilerek giriş debisi devreye
almadan itibaren optimize edilmiştir. Sonuç olarak, enerji tüketimi %20
oranında azaltılabilmiştir (Van Bentem, 2010). Şekil 17.39’da yıllar
bazında Varsseveld MBR tesisinin enerji tüketim miktarları verilmiştir.
MBR sistemindeki optimizasyon başarılı bir şekilde yapılırsa enerji
tüketimi kum filtreli konvansiyonel aktif çamur sistemine benzer
olmaktadır (Van Bentem, 2010). Varsseveld MBR tesisinde 0,65
kWh/m3 enerji tüketimine aşağıdaki adımlar izlenerek ulaşılmıştır:
Özellikle daha yüksek proses sıcaklıklarında membran tank
havalandırma kapasitesinin azaltılmasıyla
1254
İşletmede olmayan membran tankları için besleme pompası
çalışma zamanının azaltılmasıyla
Daha yüksek proses sıcaklıklarında optimum akı değerinin
artışıyla.
Şekil 17.39 Varsselveld MBR tesisinin enerji tüketimi (Van Bentem,
2010)
Tablo 17.26’da 3 tesisten alınan maliyet bilgileri derlenmiştir.
İşletme ve bakım maliyetlerini azaltmak, işletme problemlerin takibi ve
çözümü ile mümkündür. Tıkalı difüzör ve tıkalı membranların
tıkanıklığının giderilmesi gerekmektedir. Difüzörler uygun seviyede
değil ise düzensizlik görülmekte ve blower değiştirilebilir ya da en
baştan seviye ayarlaması yapılabilir. Aktif çamurun karakteristiğinde
olumsuzluklar var ise işletmeye uygun çamur özelliklerine getirilmesi
için gerekli müdahaleler yapılmalıdır.
1255
Tablo 17.26 Membran biyoreaktörlerin maliyet kalemleri
Kapasite
(m3/gün)
Birim
İYM
($/m3)
Birim
İBM
($/m3)
Amaç Kaynak
100 - 0,374
Kullanma
suyu geri
kazanımı
Verrecht ve diğ.,
(2011)
1000 513,08 0,295
Hastane
atıksuyu
arıtımı
Liu ve diğ., (2010)
20851 5.450.398 0,095 Evsel atıksu
arıtımı
Verrecht ve diğ.,
(2010)
KAYNAKLAR
A.W.W.A. (2005). Microfiltration and Ultrafiltration Membranes
for Drinking Water: M53, American Water Works Association.
Ahmad, G. E. ve Schmid, J., (2002). Feasibility study of brackish
water desalination in the Egyptian deserts and rural regions
using PV systems. Energy Conversion and Management, 43,(18),
2641-2649.
Akgül, D. Ö., (2006). Türkiye'de ters osmoz ve nanofiltrasyon
sistemleri ile içme ve kullanma suyu üretiminin maliyet analizi.,
Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi.
Akgül, D., Çakmakcı, M., Kayaalp, N., Koyuncu, İ., (2008). Cost
analysis of seawater desalination with reverse osmosis in
Turkey, Desalination, 220, 1-3, 123-131.
Al-Malack, M.H., (2003). Technical and economic aspects of
crossflow microfiltration, Desalination, 155, 89-94.
Almes-eko, (2017). http://www.almes-eko.hr/mb-
reactor/process-data
Ang, W., Nordin, D., Mohammad, A., Benamor, A., Hilal, N.,
(2017). Effect of membrane performance including fouling on
1256
cost optimization in brackish water desalination process,
Chemical Engineering Research and Design, 117, 401-413
Arı, P. H., (2009). Türkiye’de İçme Suyu Amaçlı Büyük Kapasiteli
Membran Sistemlerinin Maliyet Analizi, Fen Bilimleri Enstitüsü.
Arroyo, J. Ve Shirazi, S., (2012). Cost of brackish groundwater
desalination in Texas. Texas Water Development Board.
September
Aslan, M., (2016). Membran Teknolojileri, Çevre ve Şehircilik
Bakanlığı, 78-80
Avlonitis, S. A., Kouroumbas, K., Vlachakis, N., (2003). Energy
consumption and membrane replacement cost for seawater RO
desalination plants. Desalination, 157, (1), 151-158.
Başaran, Y., (2015). Türkiye'de Deniz Suyundan İçme Suyu
Üretiminin Maliyet Değerlendirmesi, Uzmanlık Tezi, Orman ve
Su İşleri Bakanlığı
Bergman, R. A., (1995). Membrane softening versus lime
softening in Florida: a cost comparison
update, Desalination, 102, (1), 11-24.
Bergman, R. A., (1996). Cost of membrane softening in Florida.
American Water Works Association, Journal, 88, (5), 32.
Bick, A., Gillerman, L., Manor, Y., Oron, G., (2012). Economic
Assessment of an Integrated Membrane System for Secondary
Effluent Polishing for Unrestricted Reuse, Water, 4, (1), 219.
Buonomenna, M. G., (2013). Membrane processes for a
sustainable industrial growth, RSC advances, 3, (17), 5694-5740.
Costa, A. R., de Pinho, M. N., (2006). Performance and cost
estimation of nanofiltration for surface water treatment in
drinking water production. Desalination, 196, (1), 55-65.
Del Castillo, J., (2004). Desalination costs at the Spanish
Mediterranean Coast, The Bahia de Palma, Mallorca Case.
International Conference on Desalination Costing, Limassol.
El-Dessouky, H. T., Ettouney, H. M., (2002). Fundamentals of salt
water desalination, Elsevier
1257
El-Mudir, W., El-Bousiffi, M., Al-Hengari, S., (2004). Performance
evaluation of a small size TVC desalination plant, Desalination
165(Supplement C), 269-279.
Engelhardt, N., Lindner, W., (2006). Experiences with the world’s
largest municipal waste water treatment plant using membrane
technology, Water Practice and Technology, 1, (4).
Faibish, R. S., Konishi, T., (2003). Nuclear desalination: a viable
option for producing freshwater, Desalination, 157, (1), 241-
252.
Fritzmann, C., Löwenberg, J., Wintgens, T., Melin, T., (2007).
State-of-the-art of reverse osmosis desalination, Desalination,
216, 1-3, 1-76.
Ghaffour, N., Missimer, T. M., Amy, G. L., (2013). Technical review
and evaluation of the economics of water desalination: Current
and future challenges for better water supply sustainability,
Desalination, 309, 197-207.
Glueckstern, P. ve Priel, M., (2003). Comparative cost of UF vs
conventional pretreatment for SWRO systems, International
Desalination and Water Reuse Quarterly, 13, (1), 34-39.
Glueckstern, P., Priel, M., Wilf, M., (2002). Field evaluation of
capillary UF technology as a pretreatment for large seawater RO
systems, Desalination, 147, (1), 55-62.
Gude, V. G., Nirmalakhandan, N., Deng, S., (2010). Renewable and
sustainable approaches for desalination. Ren. and Sust. Energy
Rev. 14, (9), 2641-2654.
Hafez, A., El-Manharawy, S., (2003). Economics of seawater RO
desalination in the Red Sea region, Egypt. Part 1. A case study,
Desalination 153, (1), 335-347.
Huehmer, R. P., (2010). Detailed estimation of desalination
system cost using computerized cost projection tools.
Proceedings of the 12th annual conference, Desalination-Visions
for the Future.
Ioannou-Ttofa, L., Michael-Kordatou, I., Fattas, S. C., Eusebio, A.,
Ribeiro, B., Rusan, M., Amer, A. R. B., Zuraiqi, S., Waismand, M.,
Linder, C., Wiesman, Z., Gilron, J., Fatta-Kassinos, D., (2017).
1258
Treatment efficiency and economic feasibility of biological
oxidation, membrane filtration and separation processes, and
advanced oxidation for the purification and valorization of olive
mill wastewater, Water Research, 114, (Ek C), 1-13.
Jamil, M.A., Qureshi, B.A., Zubair, S.M., (2017). Exergo-economic
analysis of a seawater reverse osmosis desalination plant with
various retrofit options., Desalination, 401, 88-98.
Judd, S. J. (2017). Membrane technology costs and me, Water
Research, 122, 1-9.
Kennedy, S., Churchouse, S., (2005). Progress in membrane
bioreactors: new advances, Proceedings of Water and
Wastewater Europe Conference, Milan.
Koyuncu, İ. (2012). Membranlı Su Arıtma Teknolojileri, Çevresel
Etkileri, Teknolojik Karşılaştırmalar Sunumu. Ulusal Membran
Teknolojileri Araştırma Merkezi.
Koyuncu, İ., Topacık, D., Yüksel, E., (2004). Reuse of reactive
dyehouse wastewater by nanofiltration: process water quality
and economical implications, Separation and Purification
Technology, 36, (1), 77-85.
Liu, Q., Zhou, Y., Chen, L., Zheng, X., (2010). Application of MBR
for hospital wastewater treatment in China, Desalination, 250,
(2), 605-608.
Macedonio, F., Curcio, E., Drioli, E., (2007). Integrated membrane
systems for seawater desalination: energetic and exergetic
analysis, economic evaluation, experimental study, Desalination,
203, (1), 260-276.
Marangou, V. S., Savvides, K., (2001). First desalination plant in
Cyprus — product water aggresivity and corrosion control,
Desalination, 138, (1), 251-258.
McAdam, E. J., Judd, S. J., (2006). A review of membrane
bioreactor potential for nitrate removal from drinking
water, Desalination, 196, 1-3, 135-148.
Metcalf & Eddy Inc, (2003). G. Tchobanoglous, F.L. Burton, H.D.
Stensel, Wastewater Engineering: Treatment and Reuse,
(4.basım), McGraw-Hill, London.
1259
NRC, (2008). Desalination: A National Perspective, National
Academies Press.
Petrinic, I., Korenak, J., Povodnik, D., Hélix-Nielsen, C., (2015). A
feasibility study of ultrafiltration/reverse osmosis (UF/RO)-
based wastewater treatment and reuse in the metal finishing
industry, Journal of Cleaner Production, 101, 292-300.
Pianta, R., Boller, M., Urfer, D., Chappaz, A., Gmünder, A., (2000).
Costs of conventional vs. membrane treatment for karstic spring
water, Desalination, 131, 245-255.
Pinto, F. S., Marques, R. C., (2017). Desalination projects
economic feasibility: A standardization of cost determinants.
Renewable and Sustainable Energy Reviews, 78, 904-915.
Ranganathan, K., Karunagaran, K. D., Sharma, C., (2007).
Recycling of wastewaters of textile dyeing industries using
advanced treatment technology and cost analysis—Case studies.
Resources, Conservation and Recycling, 50, (3), 306-318.
Ranganathan, K., Kabadgi, S. D., (2011). Studies on feasibility of
reverse osmosis (membrane) technology for treatment of
tannery wastewater, Journal of Environmental Protection, 2,
(01), 37.
Rizzuti, L., Ettouney, H. M., Cipollina, A., (2007). Solar
desalination for the 21st century: a review of modern
technologies and researches on desalination coupled to
renewable energies, Springer Science & Business Media.
Ruiz-García, A., Ruiz-Saavedra, E., (2015). 80,000h operational
experience and performance analysis of a brackish water
reverse osmosis desalination plant. assessment of membrane
replacement cost, Desalination, 375, 81-88.
Sanz, M.A., (2012). Energy as motor of seawater reverse osmosis
desalination development. In: WEX 2012 (The Water and Energy
Exchange), Lisbon.
Scholz, W., Lucas, M., (2003). Techno-economic evaluation of
membrane filtration for the recovery and re-use of tanning
chemicals, Water Research 37, (8), 1859-1867.
1260
Sethi, S., Wiesner, M. R., (2000). Cost modeling and estimation of
crossflow membrane filtration processes, Environmental
engineering science 17, (2), 61-79.
Shahmansouri, A., Bellona, C. (2015). Nanofiltration technology
in water treatment and reuse: applications and costs, Water
Science and Technology, 71,(3), 309-319.
Shatat, M., Worall, M., Riffat, S. (2013). Opportunities for solar
water desalination worldwide, Sustainable cities and society, 9,
67-80.
Sobhani, R., McVicker, R., Spangenberg, C., Rosso, D., (2012).
Process analysis and economics of drinking water production
from coastal aquifers containing chromophoric dissolved
organic matter and bromide using nanofiltration and ozonation,
J. of Environmental Management, 93, (1), 209-217.
Van Bentem, A. G. N., Nijman, N., Schyns, P. F. T., Petri, C. P.,
(2010). MBR Varsseveld: 5 years of operational
experience, Water Practice and Technology, 5, (1).
Van der Bruggen, B., Everaert, K., Wilms, D., Vandecasteele, C.,
(2001). Application of nanofiltration for removal of pesticides,
nitrate and hardness from ground water: rejection properties
and economic evaluation, Journal of Membrane Science, 193, (2),
239-248.
Verrecht, B., James, C., Germain, E., Birks, R., Barugh, A., Pearce,
P., Judd, S., (2011). Economical evaluation and operating
experiences of a small-scale MBR for nonpotable reuse, Journal
of Environmental Engineering, 138, (5), 594-600.
Verrecht, B., Maere, T., Nopens, I., Brepols, C., Judd, S., (2010).
The cost of a large-scale hollow fibre MBR, Water Research, 44,
(18), 5274-5283.
Veza, J. M., (2001). Desalination in the Canary Islands: an update,
Desalination, 133, (3), 259-270.
Voutchkov, N., (2008). Planning for carbon-neutral desalination
in Carlsbad, California. Environmental Engineer: Applied
Research and Practice, 6, 1-11.
1261
Voutchkov, N., (2012). Desalination Cost Trends, from Cost
Estimating of SWRO Desalination Plants, MEDRC, Muscat.
Voutchkov, (2017). http://slideplayer.com/slide/9237810/
Wilf, M., Klinko, K., (2001). Optimization of seawater RO systems
design, Desalination, 138, (1-3), 299-306.
Wittholz, M. K., O'Neill, B. K., Colby, C. B., Lewis, D., (2008).
Estimating the cost of desalination plants using a cost database,
Desalination, 229:1-3, 10-20.
Yoon, S. H., Collins, J. H., (2006). A novel flux enhancing method
for membrane bioreactor (MBR) process using
polymer, Desalination, 191, (1-3), 52-61.
Young, T., Smoot, S., Peeters, J., Côté, P. (2013). When does
building an MBR make sense? How variations of local
construction and operating cost parameters impact overall
project economics, Proceedings of the Water Environment
Federation, 8, 6354-6365.
Zotalis, K., Dialynas, E. G., Mamassis, N., Angelakis, A. N., (2014).
Desalination technologies: Hellenic experience, Water 6, (5),
1134-1150.
<URL> Samcotech, (2017). https://www.samcotech.com/cost-
wastewater-treatment-system/.15.12.2017
<URL> Sterlitech, (2017). https://www.sterlitech.com/1812-
sanitary-elements.html.15.12.2017
<URL> Su ve Çevre, (2017). http://www.suvecevre.com/
?pid=22248
<URL> TheMBRsite, (2017). http://www.thembrsite.com/
features/mbr-opex-theory-running-costs/, 15.12.2017
<URL>: eBelediye, (2017). https://www.ebelediye.info/
haberler/kordal-koseoglu-polatli-belediyesi-icme-suyu-aritma-
tesisi-bir-belediyemizde-gerceklestirilen-ilk-me.15.12.2017
1262
Ülkemizde Membran Otopsisi hizmeti ilk defa MEM-TEK tarafından verilmeye başlanmıştır.
Membran Otopsisi İşleminde Elde Edilmiş Bir SEM-EDS Elementel Haritalama Görüntüsü
1263
BÖLÜM 18
MEMBRAN TEKNOLOJİLERİNDE İŞLETME VE BAKIM
İsmail Koyuncu1,2, Türker Türken1,2, Serkan Güçlü1,2 ve Recep Kaya1,2
Bu bölümde, mikrofiltrasyon, ultrafiltrasyon, nanofiltrasyon, ters osmoz
ve membran biyoreaktör proseslerindeki işletme ve bakım ile modül
sağlamlık testleri ve membran otopsisi hakkında detaylı bilgiler
verilmiştir.
18.1. Mikrofiltrasyon ve Ultrafiltrasyon Sistemlerinde İşletme ve
Bakım
Mikrofiltrasyon (MF) ve Ultrafiltrasyon (UF) sistemleri basınç sürücülü
filtrasyon sistemleridir. MF/UF teknolojisi su içerisindeki mikrobiyal
kirleticileri ve partikülleri uzaklaştırmak için kullanılmaktadır. Ancak
iyonları ve küçük molekülleri uzaklaştırmak için yeterli sistemler
değillerdir. Proseste basınç sürücü kuvveti kullanıldığı gibi bazen vakum
ile çalışan tipleri de vardır. MF ve UF modülleri tübüler, içi boşluklu
fiber, düz çerçeve ve spiral sargılı olarak tasarlanabilirler. İçi boşluklu
fiber tipdeki membran modülleri en yaygın ticari membranlardır. MF ve
UF modüller için servis süreleri 3 ile 5 yıl arasında değişmektedir (Dow,
2007).
İçi boşluklu fiber modüller dıştan içe ve içten dışa olmak üzere farklı
kullanım şekilleri vardır. Şekil 18.1’de dıştan içe çalışan bir UF modül
için çalışma örneği verilmiştir.
1 İnşaat Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, İTÜ 2 Prof. Dr. Dincer Topacık Ulusal Membran Teknolojileri Uyg-Ar Merkezi, İTÜ
1264
Dıştan içe konfigürasyonda çalışan MF ve UF modülleri besleme suyu
kalitesi bakımından daha esnektirler. Aynı zamanda hava ile yüzey
sıyırma da kullanılabilmektedir (Dow, 2007). İçten dışa çalışan sistemler
ise daha çok su kalitesinin nispeten daha iyi olduğu sularda (içme suyu
arıtımı) kullanılmaktadır. Dik olarak sistemlere yerleştirilen UF
modüllerinin tüp tasarımı partiküllerin hava ile kolaylıkla
uzaklaştırılmasına olanak sağlamaktadır. Bu durum aynı zamanda geri
yıkamada kullanılan su miktarını da düşürmektedir. MF modülleri daha
çok ön arıtma amaçlı kullanılmaktadır. UF modüller ise desalinasyon
sistemlerinde ön arıtma, yüzeysel su ve atıksu arıtımında
kullanılabilmektedir. MF membranlarının akı değerleri besleme suyu
kalitesine bağlı olarak 60 ile 150 lt/m2.st arasında kabul
edilebilmektedir. UF modüllerinde ise tasarım akısı 50-120 lt/m2.st
arasında kabul edilebilmektedir. MF/UF prosesleri için işletme detayları
aşağıda verilmiştir.
Besleme
Süzüntü
Konsantre
Hava
Şekil 18.1 UF Modül çalışma prensibi akım şeması (GEN UF, 2017)
1265
18.1.1. MF/UF Prosesinin İşletilmesi
UF modülleri için tipik işletme koşulları Tablo 18.1’de verilmiştir.
MF/UF sisteminde işletme koşullarının değişememesi ve stabil ürün
suyu elde edilmesi için farklı işletme modları kullanılmaktadır. Aynı
şekilde işletme koşullarının değişmemesi için belirli periyotlarda
kimyasal geri yıkamalar kullanılmaktadır. Kimyasal yıkamalarda geçerli
olan işletme koşulları için detaylar yine bu bölümde verilmiştir.
Tablo 18.1 UF sistemleri için tipik işletme koşulları (GEN UF, 2017)
İşletme Şartları Birim
Maksimum Besleme Basıncı 6-8 bar
Maksimum İşletme Basıncı (TMP) 2-3 bar
İşletme Akısı 40-120 lt/m2.st
Sıcaklık 1-40 oC
İşletme pH aralığı 2-11
NaOCl, Maksimum konsantrasyon 2000 ppm
MF/UF sistemlerinde filtrasyon, geri yıkama, kimyasal geri yıkama ve
yerinde kimyasal yıkama olmak üzere farklı işletme adımları vardır. Her
bir işletme adımı için detaylar aşağıda verilmiştir.
18.1.2. Filtrasyon Adımı
MF/UF sistemlerinin normal işletme adımları filtrasyon ve geri yıkama
olarak iki adımda gerçekleştirilmektedir. Sistem devreye alınmadan
önce her defasında hızlı yıkama adımı gerçekleştirilmelidir. Bu yıkama
adımı membran yüzeyinde bulunan kalıntı kimyasal ve partikülleri
uzaklaştırılmak için uygulanmaktadır. Hızlı yıkama modu için işletme
şeması Şekil 18.2’de verilmiştir. Hızlı yıkamada ortalama süre 30 sn
olarak kabul edilmekte ve su atık hattına verilmektedir.
1266
Hızlı yıkama sonrası modül tekrar normal işletme moduna alınarak
filtrasyon başlanmaktadır. İşletme döngüsü 20-60 dakika boyunca
devam etmektedir. Şekil 18.3’de filtrasyon modu için şematik gösterim
verilmiştir. Normal işletme döngüsü tamamlandığında geri yıkama
adımına geçilmektedir. İşletme boyunca dik akışlı filtrasyon
uygulandığında besleme suyunun %100’ü ürüne dönüştürülmektedir.
Şekil 18.2 Hızlı yıkama adımı akım şeması (GEN UF, 2017)
1267
Şekil 18.3 Filtrasyon modu akım şeması (GEN UF, 2017)
18.1.3. Geri Yıkama Adımı
Geri yıkama süzüntü suyunun bellirli bir debide süzüntü tarafından
membranlara tekrar beslenmesi temeline dayanmaktadır. Bu adım
işletme süresince otomatik olarak gerçekleştirilmektedir. Genellikle 20-
30 sn aralığına ayarlanmaktadır. Geri yıkama debisi için üretici firma
verileri dikkate alınmalıdır. Kullanılan modül tipine göre hava sıyırma
adımı da eklenebilir. Geri yıkama adımında öncelikle modül içerisindeki
su boşaltılır (Şekil 18.4a). Sonraki adımda modüle süzüntü suyu
beslenerek membranların içinden dışına doğru geçmesi sağlanır. İlk
adımda modül üst tarafından drene edilir (Şekil 18.4b-c).
1268
a)
b)
Şekil 18.4 Geri yıkama adımı şematik gösterimi (GEN UF, 2017)
1269
c)
Şekil 18.4 (Devamı) Geri yıkama adımı şematik gösterimi (GEN UF,
2017)
18.1.4. Kimyasal Destekli Geri Yıkama (CEB)
Geri yıkamanın kimyasal çözelti ile birlikte yapılması kimyasal geri
yıkama adımı olarak adlandırılmaktadır. CEB yıkamanın sıklığı besleme
suyunun kalitesine bağlı olarak değişmektedir. Yüksek kalitedeki
besleme suları için CEB yıkamaya gerek kalmayabilir. Otomatik olarak
işletilir. Ancak sıklığı işletme esnasında alınan tecrübe ile ayarlanabilir.
CEB işlemi asidik veya bazik olmak üzere farklı şekillerde uygulanabilir.
Bazik yıkamada, oksidantların da kullanılması yaygındır. CEB işleminde
kimyasalların yüzeyde kirlilikleri uzaklaştırabilmesi için belli bir süre
beklenmesi gerekmektedir. Bu süre 5 ile 20 dakika arasında değişiklik
göstermektedir. Asidik ve bazik yıkamalar çakıştığı zaman, her kimyasal
geri yıkama arasında bir filtrasyon adımının uygulanması
1270
gerekmektedir. Her kimyasal yıkamadan sonra asidik ve bazik yıkama
için şematik gösterim Şekil 18.5’te verilmiştir.
18.1.5. Yerinde Kimyasal Yıkama Adımı (CIP)
Yerinde kimyasal yıkama zaman içerisinde tıkanan membranların eski
performasnlarına geri döndürülebilmesi için yapılan kimyasal yıkama
çeşididir. Kimyasal çözelti ayrı bir tankta hazırlanarak modül içerisinde
sirküle edilir. Besleme suyunun kalitesine bağlı olarak 1 ile 3 ay
arasındaki periyotlarda değişiklik göstermektedir. CIP prosedüründen
önce geri yıkama prosedürü yürütülmektedir. Geri yıkama adımı 3 ile 8
arasında tekrarlarla gerçekleştirilmektedir. Membran modül
içerisindeki kalıntı su boşaltılarak CIP prosedürüne hazır hale
getirilmektedir. CIP kimyasal çözeltisi membranların dışından 30 dakika
boyunca sirküle edilmektedir. Yıkamanın verimi artırılabilmesi için
çözelti 40 oC’ye kadar ısıtılmaktadır. Kimyasal çözelti için 60 dakikalık
bir emme süresi beklenmektedir. Bu süre sonunda 30 dakika modül ile
kimyasal tankı arasında sirkülasyon gerçekleştirilmektedir. Sirkülasyon
tamamlandıktan sonra modül boşaltılarak konsantre kimyasal
uzaklaştırılmaktadır. Geri yıkama ve flaş yıkama adımları sonrasında
modül devreye alınarak filtrasyon gerçekleştirilmektedir. CIP adımları
alkali ve asidik çözeltilerle farklı adımlarda gerçekleştirilmektedir ve
her yıkama sonrasında araya filtrasyon adımı eklenmektedir. CIP işlemi
için şematik gösterim Şekil 18.6’da verilmiştir.
1271
a)
b)
Şekil 18.5 CEB akım şeması(GEN UF, 2017)
1272
.
Şekil 18.6 UF modüller için CIP yıkama şematik gösterim (GEN UF,
2017)
18.1.6. MF/UF Sistemlerinin İşletme Parametreleri
MF/UF sistemleri işletilirken belirli parametreler takip edilerek
işletilmelidir. Tablo 18.2’de UF sistemlerinde kullanılan tipik işletme
parametreleri ve kimyasal yıkamalarda kullanılan kimyasal
konsantrasyonları verilmiştir. İşletme adımları otomasyon sistemlerine
bağlı olarak belirli döngüler takip edilerek ayarlanmalıdırlar. Planlı bir
işletme membran ömrünün uzatılmasına ve sistem amortisman
süresinin kısaltılmasını sağlamaktadır. Bu nedenle işletme boyunca
üretici firma tarafından verilen işletme parametrelerine uyulması
gerekmektedir.
1273
Tablo 18.2 UF sistemleri için işletme parametreleri
Geri Yıkama Sıklığı Her 40 dk 'da 1 defa
Geri Yıkama Süresi 40-120 sn
Geri Yıkama Akısı 100-150 lt/m2.st
Hava
Sıyırma
Maximum Giriş
Basıncı
3 bar
Her Modül için hava
miktarı
10-15 m3/st
Süre 20-60 sn
CEB
Sıklık İhtiyaç durumunda
Süre Geri yıkama+5-20 dk bekleme
Yıkama Çözeltisi % 0,1 HCL, % 2 Citric, % 2 Oxalic
% 0,1 NaOCl, % 0,02 NaOH
CIP
Sıklık TMP 1 bar'ı geçtiğinde
Süre 120 dk
Temizleme Çözeltisi % 0,2 HCl, % 2 Sitrik, % 0,1
NaOH+%0,2 NaOCl
Her modül için debi 1,5 m3/st
Sıcaklık 10-40 oC
18.1.7. Modül Sağlamlık Testleri
18.1.7.1. Düşük Başınçlı Modüllerde Kaçak Testleri
Genel olarak, modül testlerinin amacı, filtrelenmiş su kalitesinin
doğrulanması, modül uygunluğun gösterilmesi ve ekipman/filtrasyon
problemlerinin tespit edilmesini içermektedir. Modül testlerinin farklı
membran tedarikçileri için ortak bir standart prosedürü olması
açısından, ASTM (American Society for Testing and Materials)’nin bir alt
komitesi tarafından “Su Filtrasyonunda Membran Sistemlerinin
Sağlamlık Testi İçin Standart Prosedür” (Standard Practice for Integrity
Testing of Water Filtration Membrane Systems) (ASTM - D6908-03)
1274
tasarlanmıştır. Uygulamalardan bağımsız olarak tüm membranlara
uygulanabilen test yöntemleri şunlardır:
Basınç sönümlenme testi (Pressure decay test - PDT),
Vakum sönümlenme testi, çözünebilir boya testi (Vacuum decay
test - VDT, Soluble dye test - SDT)
Toplam organik karbon izleme testi (Total organic carbon
monitoring test - TOCMT) (Guo ve diğ., 2010)
İçme suyu uygulamalarında kullanılan filtrasyon modüllerinde patojen
bakteri giderme verimi, log giderim verimi (Log removal value –LRV)
cinsinden ölçülmektedir. LRV, Denklem 18.1’de gösterilmektedir
(Bennett, 2008).
𝐿𝑅𝑉 = log10 (𝐶𝑓
𝐶𝑝) (18.1)
Burada Cf, besleme çözeltisinde bulunan patojenlerin konsantrasyonu ve
Cp, süzüntü suyundaki patajenlerin konsantrasyonudur. LRV, belirli bir
partikül boyutu veya partikül boyutu dağılımı ile ilgilidir. Membran
hasarları olduğunda, bir sıvı sızıntısının giderim verimine etkisi
denklem 18.2 ile hesaplanabilir (Giglia ve Krishnan, 2008):
∆𝐿𝑅𝑉 = 𝐿𝑅𝑉₁ − log10 (𝐶𝑓𝑉𝑡
𝐶𝑝𝑉𝑝 + 𝐶𝑓𝑉𝑑) (18.2)
Burada, LRV1, membranların bozulmamış bölümünün LRV'si, Vp
membranın bozulmamış kısmı boyunca geçen besleme hacmi, Vd
membrandaki hasarın içinden geçen besleme hacmi ve VT membrandan
geçen toplam besleme hacmidir. Burada, kusurun kabul edilen patolojik
bakteri türlerini gidermediği varsayılmaktadır.
1275
Basınç Sönümlenme Testi (PDT)
PDT, modül ve membranların sağlamlık denetimi için güvenilir bir
yöntemdir. Ancak, sürekli olarak çalıştırılamaz. PDT sızıntıları ve
membran kaçaklarını saptamak için çok hassas bir yöntem olarak
kullanılmaktadır. Adham ve Jacangelo (1995), 22000'den fazla içi
boşluklu fiberin bulunduğu bir membran modülünde sadece bir
membran lümen duvarında 0.6 mm iç çaplı bir hasara bağlı olarak,
önemli bir basınç kaybının PDT yöntemiyle saptanabildiğini bildirmiştir
(Adham ve Jacangelo, 1995). Johnson (1998), bu yöntemin bir
milyondan fazla içi boşluklu fiber membran içeren modülde tek bir kırık
membranı algılayabildiğini tespit etmiştir (Johnson, 1998). PDT,
membran modülündeki ve membranlar üzerindeki hasarları, besleme
suyu kalitesinden bağımsız olarak ve süzüntü kalitesinin izlenmesine
dayanmadan, 4.5 – 5 log Giardia veya Cryptosporidium giderme verimi
seviyesinde bulabilmektedir (Guo ve diğ., 2010).
PDT, en yaygın olarak MF ve UF modüllerinin yerinde test edilmesi için
kullanılmaktadır. Basınç sönümlenme testi membranın her iki tarafına
basınç uygulayarak gerçekleştirilebilir. Sistemdeki tüm membranın
tamamen ıslanması için, test yapılmadan önce sistem normal basınçta
çalıştırılmalıdır. Testte kullanılan adımlar kısaca şu şekilde sıralanabilir:
Modül içerisindeki sıvı boşaltılır.
Membranların akış yönü atmosfere açık olacak şekilde
düzenlenir. Bu durum, difüze olan havanın ters basınca sebep
olmadan serbest kalmasını sağlar.
Hava basıncı, uygulanacak test basıncına kadar yükseltilir ve
modül içerisinde hapsedilir. Membranlardaki küçük
gözeneklerin zarar görmemesi için test basıncının aşılmamasına
dikkat etmek gerekmektedir.
Bu basınç maksimum test basıncı olarak kaydedilir.
Basıncın dengelenmesine izin verdikten sonra başlangıç basıncı
Pi olarak kaydedilir ve kronometre başlatılır.
1276
En az 2 dakika sonra, son basınç, Pf ve basıncın Pi'den Pf'ye (t)
düşmesi için geçen süre kaydedilir.
Basınç düşüşü yavaşsa, daha doğru bir sonuç elde etmek için
zaman periyodu uzatılabilir.
Elde edilen bu veriler denklem 18.3’te yerine yazılarak Basınç
Sönümlenme Oranı (Presuure Decay Rate – PDR) hesabı yapılır
(ASTM, 2015):
𝑃𝐷𝑅ö𝑙çü𝑙𝑒𝑛 =𝑃𝑖 − 𝑃𝑓
t (18.3)
Burada:
PDRölçülen : Ölçülen basınç sönümlenme oranını, kPa/dk
Pi : Basınç dengelendikten sonra okunan basıncı, kPa
Pf : Son okunan basıncı, kPa
T : Pi ‘den Pf ‘ye kadar geçen süreyi (dk)
göstermektedir. PDR testi, membran duvarından difüzyonun yanı sıra,
hasar görmüş membranlar veya contalar yoluyla oluşan sızıntıların
belirlenmesine yardımcı olmaktadır. Difüze olarak membrandan geçen
hava akımının modül sağlamlığıyla ilgisi yoktur. Bu nedenle diffüzif
akışın ölçülen akıştan çıkarılmasıyla difüzif olmayan basınç
sönümlenme oranı daha doğru bir şekilde elde edilebilmektedir. Testin
pratik uygulaması için, klasik bir yaklaşım yaparak ve bütün basınç
düşüşünün tamamen sızıntılarla ilgili olduğunu varsayarak da yeterli
doğrulukta sonuç elde edilebilmektedir (PDRdifüzyon = 0 kabul edilir)
(ASTM, 2015). Şekil 18.7’de farklı test yöntemlerinin birbirlerine göre
karşılaştırılması verilmiştir.
1277
Şekil 18.7 Farklı test yöntemlerinin birbirlerine göre karşılaştırılması
(Johnson, 1998)
18.1.8 Mikrofiltrasyon ve Ultrafiltrasyon Sistemleri İşletme ve
Bakım Kılavuzu
Kullanma talimatnamesi sistemin kullanıcıları için hazırlanmaktadır ve
sistemi güvenli bir şekilde nasıl çalıştırılıp, idame ettirilebileceğini
gösteren bilgiler içermektedir. Sistem ham su parametrelerinde
belirtilen su ile çalıştırılmalı ve belirtilen çalışma değerleri
sağlanmalıdır. Sistem çalışma düzenine uygun işlemiyorsa
çalıştırılmamalı ve arızalar derhal kontrol edilmelidir. Sadece bu
talimatnameleri okumuş ve anlamış kişiler bu sistemi kullanmakla
yetkili olmalıdırlar. Sistemin işletilmesi esnasında güvenlik tedbirlerine
riayet edilmelidir.
18.1.8.1. Sistem Hakkında Uyarı ve Önlemler
Asit, kostik, klor vb. kimyasal maddeler ile çalışırken çok dikkatli
olunmalıdır. Kimyasal maddelerin dolumu ve boşaltılması, ilgili ekipman
ve boru devrelerinin tamir ve bakımı veya bu aksamlara herhangi bir
1278
müdahale sırasında muhakkak suretle gözlük, eldiven, çizme, tulum vb.
tüm koruyucu malzemelerin kullanılması ihmal edilmemelidir.
Kimyasalların göz, deri ve giysilerle temas etmesine izin verilmemeli,
buharı solunmamalıdır. Uygun havalandırma sistemi ve refakatçi bir
personel olmaksızın kimyasal buharına maruz kalan tanka veya kapalı
bir alana kesinlikle girilmemelidir.
Su tesisinin vardiya defteri tutulmalıdır. Günlük 3 vardiyayı kapsayan Su
Arıtma Tesisi Raporu her gün tanzim edilmelidir. Vardiya ekipleri bu
defteri imzalayarak teslim almalı ve teslim etmelidir. Vardiya defterine
tesisin işletmeğe alınmasını takiben çizelgedeki değerler saat başı tespit
edilip, kaydedilmelidir. Vardiya esnasında giderilemeyen arızalar
vardiya defterine kaydedilip, ilgili teknik amirine bildirilmelidir.
Tesisin işletilmesi sırasında giriş ham su kalitesinde meydana
gelebilecek değişikliklerin, tesisin kapasitesine tesir edeceği ve MF/UF
performansını doğrudan etkileyeceği unutulmamalıdır. Bu nedenle
tesisin giriş suyu kalitesi sürekli takip edilmelidir. Kış aylarında kostik
depo tankının bulunduğu mahalde muhakkak surette ısıtma yapılmalı,
kostik sıcaklığının 10 oC’nin altına inmemesi için gerekli önlemler
alınmalıdır. Aksi halde kostik donacaktır.
Pompalar kesinlikle kuru çalıştırılmamalıdır. Tüm vanaların selenoid
bobinleri ve aktüatörleri sık sık kontrol edilmelidir. Her hangi bir
arızaya sebep vermeden gerekirse yenilenmelidir. Çözelti hazırlanırken
kimyasala su ilave edilmemelidir. Her zaman suya kimyasal ilave
edilmelidir. Herhangi bir patlamaya veya benzeri tepkimelere sebebiyet
vermemek için, kimyasal suya çok yavaş ve az miktarda ilave
edilmelidir. Kimyasal seviyeleri düzenli kontrol edilmeli, kimyasal tankı
%20 seviyesine düşünce mutlaka ilgili kimyasal ilave edilmelidir.
Sistemde kullanılan kimyasallar birbiri ile karıştırılmamalıdır.
Zehirlenme riski olabilir. Kullanma kılavuzundaki belirtilen hususlardan
farklı bir işletme veya bakım çalışması yürütülmemelidir.
1279
Sistem devredeyken sistem giriş ve çıkış vanaları asla kapatılmamalıdır.
Sistemin alçak basınç ve yüksek basınç şalterinin set noktaları
değiştirilmemelidir. Basıncı bilinmeyen ya da basınçlı olan hiçbir hat ya
da ekipman sökülmemelidir.
Sistemin elektrik beslemesi 3 faz 380 ± 10 V olmalıdır. Gerilim
değişiklikleri periyodik olarak kontrol edilmelidir. Faz değişimi ya da
voltaj düşümü ile ilgili hususlara karşı gerekli önlem alınmalıdır.
Elektrik enerjisi olan ekipman ve enstrümanlar üzerinde çalışma
yapmadan önce enerji kesilmeli ve kontrol kalemi veya avometre ile
enerjinin gelmediği doğrulanmalıdır. Yangın söndürme işlemi esnasında
pano içerisine su atılmamalı, ana enerji devresi kesilmeli ve kuru tozlu
yangın söndürücü kullanılmalıdır.
Sistemi besleyecek elektrik hattı topraklı olmalıdır. Bulunulan bölgenin
gereklerine göre sistemde kullanılmayan parçalar atılmalıdır. Muadil
kullanım ya da modifikasyonlar yalnızca üretici firma garanti verdikten
sonra kullanılabilir. Bu aynı zamanda kontrol sistemi içinde geçerlidir.
Orijinal parçaların kullanımı hem garantinin devam etmesine hem de
güvenliğin korunmasına yardımcı olacaktır. Yaralanma ne kadar hafif
görünürse görünsün mutlaka doktor veya hemşire çağrılmalıdır.
Eğer kimyasal yutulmuşsa ve hastanın şuuru yerindeyse hastanın ağzı
bol miktarda su ile yıkanmalıdır. Hastanın dilinin öne doğru durumda
olması sağlanmalı ve solunumun düzenliliği kontrol edilmelidir. Hasta
istifra etmeye çalıştırılmamalıdır. Hastanın şuuru yerinde değilse
ağızdan bir şey verilmemelidir.
Gözle temas halinde, göz bölgesi en az 15 dakika süreyle bol miktarda su
ile yıkanmalıdır. Şok durumu varsa sıkı giysiler gevşetilmeli ve ayaklar
yerden 25–30 cm yüksekliğe (kalp seviyesi) kaldırılmalıdır. Kimyasalın
buharı soluduğu takdirde hasta hemen temiz havaya çıkarılmalıdır.
Hastanın solunumunun durması durumunda suni teneffüs
uygulanmalıdır. Kimyasal bulaşmış tüm elbiseler çıkarılmalıdır.
Hastanın vücudunun etkilenmiş bölgeleri bol miktar su ile en az 15
dakika yıkanmalıdır. Yanma durumunda yanık bölgelere yağ veya
1280
merhem uygulanmamalıdır. Alev yanığı varsa ve sentetik giysiler deriye
yapışmışsa çıkarılmamalıdır. Yaş ve ısıya maruz kalmış giysiler
çıkarılmalıdır.
Elektrik çarpması durumunda elektrik akımı şalterden kesilmeli ya da
kazazedenin çıplak kablo ile teması iletken olmayan bir cisimle
kesilmelidir. Kaza ortamında hemen ilk yardım sağlanmalı, kazazedede
bilinç kaybı yanık veya düşmeye bağlı kırık varsa ayağa kaldırılmadan
nakli sağlanmalıdır.
18.1.8.2. Mikrofiltrasyon ve Ultrafiltrasyon Sistemi Hakkında
Teknik Veriler ve Önemli Bilgiler
Test ve kalite kontrollerinden geçtikten sonra paketlenip sevk edilen
MF/UF sisteminin hasar görmesini önlemek için aşağıdaki önerileri
dikkate alınmalıdır.
Membranların susuz kalmasından kaçınılmalıdır:
Modüllerin uzun süre kullanılmadıkları durumlarda susuz kalıp
kurumaları kaçınılmazdır. Bu durumda membranların susuz
kalmasından dolayı gözeneklerinde gözle görülemeyecek
hasarlar meydana gelebilir ve bu tip hasarların tamiri mümkün
olmamaktadır.
Donmaya neden olabilecek aşırı soğuk ortamlardan
kaçınılmalıdır: MF/UF sistemi nakliye, depolama ve işletme
esnasında donmaya karşı korunmalıdır. Membranların
donmasından dolayı fiber yapısında bozulmalar meydana
gelebilir ve bu bozulmalar tamir edilemeyecek hasarlar olabilir.
Güneş ışığı ve UV kaynaklarından koruma: MF/UF sistemi
uzun süreli olarak doğrudan güneş ışığına ve UV kaynaklarına
maruz bırakılmamalıdırlar.
Ani sıcaklık değişimlerinden koruma: Ani sıcaklık
değişimlerinden kaçınılmalıdır. Kabul edilebilir sıcaklık
1281
değişimi maks. 1°C/dakika olmalıdır. MF/UF sisteminin güvenle
işletilebileceği çalışma sıcaklık aralığı 0°C ile 40°C arasındadır.
Organik solventlerden ve konsantre asitten koruma:
Membranların ve/veya modüllerin polar organik solventler,
klorlu solventler ve konsantre asitlerle temasından
kaçınılmalıdır.
Aşındırıcı ve keskin maddelerden koruma: Membranlar
ve/veya modüller, metal talaşı, kum vb aşındırıcı ve keskin
maddelerden korunmalıdır. Bu tip maddeler membranlarda
tamir edilemez hasarlara neden olabilir.
Silikon veya silikon içeren kayganlaştırıcı maddelerden
koruma: Silikon içeren kayganlaştırıcılar/kimyasallar,
membranlar ve/veya modüllerin yüzeyinde giderilmesi
mümkün olmayan tıkanıklıklara neden olabilmektedir. O-ring
ve contaların kayganlaştırılmasında sadece gliserin
kullanılabilir.
Nakliye esnasında oluşabilecek hasarlardan koruma:
MF/UF sistemin nakliye esnasında düşürülmesi veya dış
kuvvetlere maruz kalması modüllerin dış kabının veya kolektör
borularının kırılmasına neden olabilir. Modüllerin hasar
görmesini engellemek için modüller son derece hassas bir
şekilde kaldırılmalıdır.
Ani sıcaklık değişimlerinin genleşmeye neden olması: Ani
sıcaklık değişimleri MF/UF kolektörleri ve bağlantı
noktalarında genleşmeye neden olabilir. Bu olumsuz durumu
ortadan kaldırmak için uygun boyutlu bir genleşme
kompansatörü kullanılması tavsiye edilmektedir.
18.1.8.3. Uygun Depolama ve Nakliye Koşulları
Tüm MF/UF modülleri tam koruma sağlayan özel karton kutular ile
paketlenip sevk edilmektedir. Her bir modül öncelikle plastik torbalar
ile paketlenmekte, daha sonra ayrı ayrı kutulara yerleştirilmektedir.
Modüllerin uç uca konularak yerleştirilmesi tavsiye edilmemektedir.
1282
Nakliye esnasında sabitleme yapabilmek için karton kutular birbirine
bağlanabilir. Modüller, kuru, iyi havalandırılan, sıcaklık kaynaklarından
uzakta, direkt güneş ışıklarına maruz kalmayacak şekilde muhafaza
edilmelidir. Depolama sıcaklığı 4°C ile 35°C arasında olabilir. Dondurucu
soğuktan kaynaklanabilecek hasarlara karşı modüller koruma altına
alınmalıdır.
Tüm modüller sevk edilmeden önce fiber kırıklarına karşı sağlamlık
testi ile test edilirler. Modüllerin susuz kalıp kurumasını ve içerisinde
oluşabilecek mikrobiyolojik kirliliği önlemek için modüllerin içerisine
içme suyu kalitesinde su/gliserin/ sodyum bisülfit çözeltisi
(74,25:25:0,75 wt%) doldurulmalıdır.
Orijinal paketindeki modüller 12 ay’a kadar 4°C ile 35°C arasındaki
sıcaklıkta depolanabilir. Bu sürenin sonunda membran ve/veya
modüller içerisindeki çözelti yenilenmelidir. Yeni çözeltinin
hazırlanmasında TO veya demineralizasyon ürün suyu kullanılması
gerekmektedir. Kullanılacak suyun ilgili içme suyu standartlarını
sağlaması gerekmektedir. Modüller tekrar depolanmadan önce
bağlantıları plastik ile izole edilmelidir. 3 ay’a kadar yeni çözelti ile
depolanabilir. Süre sonunda tekrar aynı işlem uygulanmalıdır.
18.1.8.4. Devreye Alma ve İşletme Prosedürü
MF/UF sistemini işletmeye almadan önce aşağıdaki hususlara dikkat
edilmelidir:
• Sistem kurulumu ile ilgili tüm işlerin tamamlandığından ve
MF/UF montajının doğru yapıldığından emin olunmalıdır.
• Sistemin kurulumunda, MF/UF sistemi boru hatlarında ölü
noktaların olmaması önemlidir. Özellikle ürün suyu hattında ölü
hat noktaların olmasından kaçınılmalıdır. Ölü hatlar içerisinde
bakteriyolojik kirlilik üreme riski yüksektir.
1283
• MF/UF sistemini besleyen hatların yağlı ve aşındırıcı
maddelerden temizlendiğinden emin olun. Bu tip maddeler,
MF/UF sistemi içerisine girerek modüllere tamiri mümkün
olmayan hasarlar verebilir.
• Tüm MF/UF bağlantı parçalarının herhangi bir mekanik strese
maruz kalmadan montajının yapılması gerekmektedir. Oluşacak
yükün tüm parçalara eşit dağıtılması gerekmektedir (Kasıntısız
montaj yapılmalıdır).
• Hava atma vanalarının doğru çalıştığından ve havanın
sistemden tamamen atıldığından emin olunmalıdır.
• PLC kontrol sisteminin doğru programlandığından ve su
darbelerine neden olmayacak şekilde vanaları eksiksiz kontrol
ettiğinden emin olunmalıdır.
Tüm bu kontrolleri yaptıktan sonra lütfen dezenfeksiyon prosedürünü
uygulanmalıdır. Dezenfeksiyon işlemi tamamlandıktan sonra sistemi
devreye alıp kullanabilirsiniz.
18.1.8.5. Koruyucu Çözeltinin MF/UF Membranlarından
Temizlenmesi Prosedürü
Yeni modüllerin kurumasını ve mikrobiyolojik kirliliği önlemek için
modüllerin içerisine içme suyu kalitesinde su/gliserin/sodyum bisülfit
çözeltisi 874,25:25:0,75 %wt) doldurulmaktadır. Sistem devreye
alınmadan önce aşağıdaki şekilde modül içerisindeki bu çözelti
membran gözeneklerinden temizlenmelidir:
Ürün suyu tankı tamamen boşaltılıp içerisindeki kirleticiler
temizlenmelidir.
Filtrasyon modu, modülleri filtrasyon modunda 50 lt/m2.st akı
değerinde en az 20 dakika çalıştırılmalıdır. (Besleme hattından
kaynaklanabilecek ve modüllerde hasara neden olabilecek su
darbelerinin oluşmasını önlemek için modüller yavaşça
doldurulmalıdır). Filtrasyon hattı üzerinde hiçbir vananın kapalı
1284
olmadığından emin olunmalıdır. Modüllerin üretim hattından
elde edilen su, ürün suyu tankına doldurulmadan önce deşarj
edilmelidir.
Yıkama modunda sistem, 80-100 lt/m2.st akı değerinde en az 10
dakika sistem çalıştırılmalıdır.
Filtrasyon modunda sistem, 80 lt/m2.st akı değerinde en az 15
dakika çalıştırılmalıdır. Filtrasyon hattı üzerinde hiçbir vananın
kapalı olmadığından emin olunmalıdır. Modüllerin üretim
hattından elde edilen su, ürün suyu tankına doldurulmadan önce
deşarj edilmelidir.
Ürün suyu tankının tamamen boşaltılıp içerisindeki yabancı
maddelerin ve tortuların temizlendiğinden emin olunmalıdır.
Ürün suyu tankı tekrar doldurulmalıdır.
Ters yıkama modunda, 150-250 lt/m2.st akı değerinde en az 60
saniye çalıştırılmalıdır. Ters yıkama işlemini ürün suyu tankı
tamamen boşalıncaya kadar devam edilebilir.
Filtrasyon modunda sistem 80-100 lt/m2.st akı değerinde en az
15 dakika çalıştırılmalıdır. Filtrasyon hattı üzerinde hiçbir
vananın kapalı olmadığından emin olunmalıdır.
Ters yıkama modu var ise sistem, üstten ters yıkama modunda
150-200 lt/m2.st akı değerinde en az 60 saniye çalıştırılmalıdır.
İşlemi ürün suyu tankı tamamen boşalıncaya kadar devam
ettirebilirsiniz.
Üstten filtrasyon modu var ise sistem, 80-100 lt/m2.st akı
değerinde ürün suyu deposu tamamen dolduruluncaya kadar
çalıştırılmalıdır.
18.1.8.6. MF/UF Sisteminin Dezenfeksiyon İşleminin Yapılması
Modüllerin içerisindeki çözeltinin temizlenmesi ve su ile doldurulması
prosedüründen sonra, tüm sistem dezenfekte edilmelidir. Gerekli
görülmesi durumunda dezenfeksiyon işlemi birkaç defa
tekrarlanmalıdır.
1285
Dezenfeksiyon kimyasalı olarak %12-15’lik sodyum hipoklorit
kullanılmalıdır. Kullanılan kimyasallar ile ilgili oluşabilecek zararlı
etkilerinden korunmak için aşağıdaki hususlara dikkat edilmelidir:
Dezenfeksiyon işleminin doğru yapılabilmesi için 100 mg/lt aktif
klor çözeltisi ile sistemdeki tüm boruları, vanaları, numune
musluklarını gibi diğer ekipmanları ve ürün suyu tankını
aşağıdaki talimatları takip edilerek dezenfekte edilmelidir:
o Ürün suyu tankı hacmine göre hesaplanan miktarda serbest
klor tanka dökülmelidir.
o Alttan ters yıkama modunda 150 lt/m2.st akıdeğerinde en az
30 saniye ters yıkama yapılarak filtrasyon hattının
dezenfeksiyonu sağlanmalıdır. Alternatif olarak sistem CEB
modunda çalıştırılıp 100 mg/lt serbest klor olacak şekilde
klor dozajı yapılmalıdır.
o Üstten ters yıkama modunda (mevcut ise) 150 lt/m2.st akı
değerinde en az 30 saniye ters yıkama yapılarak filtrasyon
hattının dezenfeksiyonu sağlanmalıdır. Alternatif olarak
sistem CEB modunda çalıştırılıp 100 mg/lt serbest klor
olacak şekilde klor dozajı yapılabilir.
o Filtrasyon borusu üzerinde bulunan tüm numune alma
vanaları ve diğer vanalar açılıp, dezenfekte edilmeleri
sağlanmalıdır.
Ham su hattındaki tüm vanaların kapalı olduğundan emin
olunmalıdır.
NaOCl çözeltisinin etkileşim süresini tamamlaması için en az 30
dakika beklenilmelidir. Eğer serbest klor miktarı 5 mg/lt’nin
altına düşerse klor dozajı tekrar yapılıp, yeni klor eklenmelidir.
Ters yıkama modunda 150-250 lt/m2.st akı değerinde en az 60
saniye sistem çalıştırılmalıdır.
Filtrasyon modunda sistem, 80-100 lt/m2.st akı değerinde en az
10 dakika çalıştırılmalıdır.
Ters yıkama modunda sistem, 150-250 lt/m2.st akı değerinde en
az 60 saniye çalıştırılmalıdır.
1286
Filtrasyon modunda sistem, 80-100 lt/m2.st akı değerinde ürün
suyu deposu doluncaya kadar çalıştırılmalıdır.
Ürün suyu tankı tamamen boşaltılmalıdır (Tortu vb
kalmadığından emin olunmalıdır).
Filtrasyon modunda sistem, 80-100 lt/m2.st akı değerinde en az
10 dakika veya ürün suyu deposu doluncaya kadar
çalıştırılmalıdır.
Ürün suyu tankı tamamen boşaltılmalıdır (Tortu vb
kalmadığından emin olunmalıdır).
Filtrasyon modunda sistem normal tasarım parametrelerine
göre çalıştırılmalıdır.
Ürün suyu hattından mikrobiyolojik analiz için numuneler
alınılmalıdır. Eğer sonuçlar tatmin edici çıkmaz ise 1-12
adımlarının tekrarlanması gerekmektedir.
18.1.8.7. Uygun İşletme Şartları
Tüm MF/UF Sistemleri aşağıda belirtilen şartlara uygun olarak
işletilmelidir:
Ön filtrasyon, < 300 mikron olmalıdır. Ham su içerisinde
modüllere zarar verebilecek yabancı maddeler olması ihtimaline
karşın 300 mikron filtrasyon hassasiyetine sahip hassas filtre
MF/UF sistemi öncesinde kullanılmalıdır.
Membranlara zarar verebilecek, plastik, metal talaşı, kum vb gibi
partiküllerin membranlara ulaşması önlenmelidir.
Ön filtrasyonu yapılmış ham suyun MF/UF sistemine girmeden
önce kalitesi gözlenerek kayıt altına alınmalıdır. Bu kayıtların
tutulması, olası ham su değişikliklerinin membranlara etkisini
değerlendirmede önemlidir.
Müsaade edilen çalışma sıcaklık aralığı 0 °C ile 40 °C arasındadır.
Sıcaklık değişimleri maksimum 1°C/dakika olmalıdır.
Ham suda müsaade edilen pH değerleri:
o İşletme esnasında: 3 – 10
1287
o Kimyasallı yıkama esnasında: 1 – 13
Fe, Mn, CaCO3 gibi maddelerin işletme şartlarından kaynaklı
olarak membrana gelip çökelmesi önlenmelidir.
Oluşabilecek tüm hava ve su darbeleri önlenmelidir.
Dezenfeksiyon ve yıkama kimyasalları aşağıda verilmiştir:
o NaOCl (Aktif olarak) maks. 200 mg/lt (ppm) veya 200.000
ppm-saat
o H2O2 maks. konsantrasyon 500 mg/lt
o NaOH maks. pH 13
o HCl, H2SO4, sitrik asit min. pH 1
Kabul edilebilir fark basınç değerleri (TMP) aşağıda verilmiştir:
o Filtrasyon esnasında maks 1,5 bar
o Ters yıkama esnasında maks 30 bar
o Hava ile sağlamlık testi esnasında maks 1,0 bar hava basıncı
Membranların belirtilen şartlar dışında maksimum limitlerdeki
sıcaklık, pH, kimyasal konsantrasyonları ve basınç değerinde
çalıştırılmaları veya kimyasal yıkama yapılması membranların
ömrünün kısalmasına ve/veya tamamen kullanılamaz hale
gelmesine neden olabilir. Kabul edilen membran fark basınç
değerleri membranların stabil çalışması için limitleri
göstermemektedir. Membran yüzeyinde oluşabilecek çökelme
tabakalarının önlenmesi ile membranların daha uzun ömürlü
olmaları sağlanabilir. MF/UF membranın patlama (infilak)
basıncı 10 bar’ın üzerindedir.
Modüllerin ve membranların, kimyasal veya fiziksel bozulmasına
neden olabilecek yağ, gres veya diğer maddelerin (organik veya
inorganik menşeili) membrana gelmesi önlenmelidir. Membran
veya modülün polar, organik çözeltiler, klorlu çözeltiler ve
konsantre asit ile teması önlenmelidir. Yukarıdaki sebeplerden
dolayı meydana gelen modül veya membran arızaları yüklenici
garantisi altına girmemektedir.
MF/UF öncesi koagülant eklenmesi: Ham su içerisinde bulunma
ihtimali olan DOC = Çözünmüş organik karbon (tipine ve
konsantrasyonuna bağlı olarak) giderimi için suya koagülant
dozajı yapılabilir (FeCl3, Al2(SO4)3, polialüminyumklorid).
1288
Koagülantlar ile membranın performansı artabilir ve
performansı sabitlenebilir. Ayrıca ürün suyundaki DOC ve fosfat
miktarı düşürülebilir.
Ham su sıcaklığına bağlı olarak, koagülant maddenin
membranlara girmeden önce işlevini tamamlaması için
gerekecek etkileşim süresi belirlenmeli ve buna uygun bir sistem
tasarımı yapılmalıdır. Koagülant, maddenin membranlara ve
ürün suyuna ulaşması istenilen bir durum değildir. Bu sebeple
gerekli temas süresi sağlanmalıdır. Flokülasyon amacı ile
kullanılan polielektrolitler vb. organik yapılı flokülantlar
membranların üzerinde temizlenemeyen tıkanıklıklara neden
olabilir. Bu konuda dikkatli olunmalıdır.
Sızdırmazlık Testi: MF/UF sistemini genel kontrolleri arasında
tüm sökülebilen parçaların (flanş, vanalar, vb) ve modüller
üzerindeki kelepçelerin, viktolik kaplinlerin, o-ring ve contaların
sızdırmazlığının kontrol edilmesi gerekmektedir.
Sıvı kaçağı yaşanması, özellikle korozif sıvıların, ekipmanlar
üzerinde korozyona neden olabilir.
Sıvı kaçağı olması durumunda, kaçağın meydana geldiği yerin
sızdırmazlığı sağlanmalı ve kirleticinin temas ettiği bölgeler
tuzsuz su ile temizlenmeli, kurutulmalıdır.
18.1.8.8. İşletme Koşullarının Kayıt Altına Alınması
İşletme koşullarının kayıt altına alınması garanti hakkının elde edilmesi
için zorunludur. Sistemin devreye alınmasından itibaren tüm işletme
şartları, çalışma süresi, sistemin işletilmesinde kullanılan işletme
modları ve bu modların süreleri kayıt altına alınmalıdır.
Membranların işletme şartlarının kayıt altına alınmasının amacı,
sistemin kontrolü, optimizasyonunun yapılması ve garanti onayı için
önemlidir ve bu gibi durumlarda eskiye ait kayıtların da incelenmesi
doğru müdahalelerin yapılması için gereklidir. Aşağıda kayıt altına
alınacak hususlar belirtilmiştir:
1289
pH-değeri ve sıcaklık değeri (Direkt olarak MF/UF sistemi
girişindeki değerler).
MF/UF öncesinde koagülasyon dozajı yapılıyor ise koagülantın
konsantrasyonu, temas süresi, çeşidi ( tipi, üreticisi).
MF/UF öncesindeki bulanıklık ve askıda katı madde değeri.
Filtrasyon esnasında MF/UF üretim debi değeri.
Filtrasyon esnasında MF/UF membran fark basınç değeri (TMP)
ve giriş – çıkış noktalarındaki basınç değeri (Besleme/Üretim).
Ters yıkama esnasında MF/UF üretim debisi.
Ters yıkama esnasında MF/UF membrane fark basınç değeri
(TMP) ve giriş – çıkış noktalarındaki basınç değerleri.
Ters yıkamada asit veya kostik kullanılması durumunda, MF/UF
girişindeki pH değeri ve sıcaklık değeri.
Kullanılan kimyasallar:
o Dezenfeksiyon kimyasalları (Tipi, konsantrasyonu, üreticisi,
temas süresi, pH değeri)
o Ters Yıkama kimyasalları (Tipi, konsantrasyonu, üreticisi,
temas süresi, pH değeri)
Modüllerde hasar meydana gelmesi durumunda, modülün
MF/UF’deki pozisyonu ve seri numarası belirtilmelidir.
Maksimum izin verilen işletme basıncının (Teknik
dökümanlarda belirtilen) aşılmadığının onaylanması için her bir
MF/UF’nin giriş ve çıkışında yerleştirilmesi mecburi olan
maksimum basınç indikatörlü analog basınç göstergesi seri
numarası ve kayıtları ibraz edilmelidir.
Yukarıda belirtilen verilerin kayıtları veri toplama ve kayıt cihazları ile
toplanıp kanıtlanmalıdır (İşletme protokolü). Kayıtlar en az 3 saniyede
bir kez alınmalıdır (Filtrasyon esnasında en az 3 dakikada bir kez
alınması yeterlidir). Bu sayede işletme modu değişimlerinde pompaların
ve vanaların pozisyonlarının değişiminin etkileri kayıt altına alınabilir.
Membranların optimizasyonu için bu kayıtlar mümkün olduğunda kısa
aralıklarla tutulmalıdır.
1290
18.1.8.9. Kısa ve Uzun Süreli Duruşlarda Alınması Gereken
Önlemler
Membranlar ilk kullanımdan sonra her zaman ıslak olarak tutulmak
zorundadır. Sistemi durdurduğunuzda veya membranları depolama
ihtiyacınız olduğunda membranlarda mikrobiyolojik kirlilik oluşmaması
için ıslak membranlar biyosit/dezenfeksiyon çözeltisi ile
temizlenmelidir. Farklı süreler için uygulanacak değişik prosedürler
takip edilmelidir.
24 saate kadar olan duruşlarda sistem, minimum 230 lt/m2.st akı
değerinde 60 saniye ters yıkama yaptırılması yeterli olacaktır. Ek bir
işleme ihtiyaç duyulmamaktadır.
24 saatten daha uzun süreli duruşlarda, günlük olarak en az 50 lt/m2 .st
akı değerinde ve en az 10 dakika sistem çalıştırılmalıdır. En az 230
lt/m2st akı değerinde ve 2 mg/lt aktif klor içeren NaOCl çözeltisi ile en
az 60 saniye ters yıkama yaptırılmalıdır. Modüllerin tamamına klorun
ulaşması için gerekli hacmin iki katı su ile ters yıkama işlemi iki kez
tekrar edilmelidir.
7 günden daha uzun süreli duruşlarda, dezenfeksiyon işlemlerini
uygulamadan önce membranların üzerinde birikmeye ve tabaka
oluşmasına neden olabilecek tüm organik ve inorganik kirleticilerden
temizlenmesi gerekmektedir. Yıkama prosedüründen sonra
membranlara %0.75’lik sodyum metabisülfit çözeltisi ters yıkama
modlarında dozlanmalıdır. Bu işlem esnasında minimum MF/UF ürün
suyu kalitesinde su kullanılmalıdır. Sodyum metabisülfit çözeltisi
membranın içerisinde tutulmalı ve her 4 haftada bir çözelti
yenilenmelidir.
Tüm bu şartlarda modüller su dolu olarak tutulmalıdır. Kullanılmış
modüller depolanmadan önce temizlenmelidir. Temizlenen modüller
sistemden çıkartılıp içerisine TO ürün suyu/gliserin/sodyum bisülfit
çözeltisi (74,25:25:0,75 wt%) doldurulmalı ve daha sonra bağlantıları
1291
plastik ile kapatılıp izole edilmelidir. Tercihen TO ve demineralize
sistemi ürün suyu kalitesindeki su ile bu çözelti hazırlanmalıdır. Bu
işlemden sonra modül bağlantıları kapatılmalı ve plastik ile izole
edilmelidir ve modüller içerisindeki çözelti 3 ay’da bir değiştirilmelidir.
18.1.8.10. Bakım
Güvenlik bilgileri aşağıda verilmiştir:
Tüm bakımlar kalifiye personel tarafından yapılmalıdır.
Tüm bakım işlemleri esnasında sistemin kapalı olması ve
yanlışlıkla açılmasının önlenmesi için gerekli tüm tedbirler
alınmalıdır.
Tüm bakım işlemleri esnasında sistemin ana güç beslemesinin
kapalı olması ve yanlışlıkla açılmasının önlenmesi için gerekli
tüm tedbirler alınmalıdır.
Koruyucu giysiler mutlaka giyilmelidir.
Bakım sonrası tüm bakım ekipmanları uygun yerde ve uygun
şekilde depolanmalıdır.
Genel bilgiler aşağıda verilmiştir:
Problemsiz işletim için, bakımlar belirli periyodik zamanlarda
yapılmalı ve yapılan tüm işlemler kayıt altına alınmalıdır.
Tüm veriler sistem operatörünün kendisi tarafından alınmalıdır.
Bakım sözleşmesi imzalanması, sistemin tüm sorumluluğunun
firma tarafından üzerine alınmasını sağlayacaktır.
Kontrol çizelgeleri sisteme yakın bir yerde muhafaza edilmeli ve
sürekli olarak veriler alınmalıdır. Bu sayede sistemde
oluşabilecek en küçük arızalar anında tespit edilebilecek ve
sistemin diğer parçalarına zarar vermeden sorun
giderilebilecektir.
1292
18.1.8.11. Periyodik Bakımlar
Sistemdeki bakım zamanı gelmiş olan şartların çoğu mevcut alarm
mekanizmaları tarafından algılanacaktır. Ancak alarm durumunun
gerçekleşmesi, daha ani ve külfetli müdahaleleri gerektireceğinden,
alarmın gerçekleşmesini beklemeden aşağıda özetlenen hususların rutin
olarak kontrol edilmesi faydalı olacaktır. Yapılan bakım uygulamaları ile
ilgili bir form hazırlanarak kayıt tutulması ve yapılan bakımlarla ilgili
notların bu formda saklanması tavsiye edilmektedir. Sık karşılaşılan
problemler ve bunların önüne geçilmesi için yapılması gereken bakım
çalışmaları bu form yardımıyla daha kolayca belirlenebilir.
Günlük bakımda dikkat edilecek hususlar:
• Tesisteki statik ve dinamik elemanları kontrol edilmelidir.
• Herhangi bir su kaçağı olup olmadığı kontrol edilmeli ve varsa
kaçakları giderilmelidir. Giderilmeyen kaçak ve arızalar, vardiya
defterine yazılmalıdır.
• Dozaj pompalarının emme ve basma yaptığı kontrol edilmelidir.
• Pompaların çektiği akımları ölçerek etiket değeri ile
karşılaştırılmalıdır.
• Ürün suyu debisi ve basınçları kontrol edilmelidir.
• Sistemde ilgili yerlerde bulunan manometreler üzerinden
basınçlar kontrol edilmelidir.
• MF/UF cihazı giriş sıcaklığı ve pH’sı kontrol edilmelidir.
• Kimyasal sarfiyatlar kontrol edilmelidir.
Haftalık bakımda dikkat edilecek hususlar:
• Günlük bakımdaki işlemler tekrar edilmelidir.
• Rekor, nipel, manşon bağlantıları kontrol edilmelidir. Varsa
sızıntıları ve kaçakları giderilmelidir.
• İlgili kimyasal tanklarına harcanan miktarda kimyasal
eklenmelidir.
1293
• Kimyasal depolama tanklarının içlerinin temiz olduğu kontrol
edilmelidir.
Aylık bakımda dikkat edilecek hususlar:
• Günlük ve haftalık bakımdaki işlemler tekrar edilmelidir.
• Elektrik panellerine basınçlı hava tutarak temizlenmelidir.
• Analizörleri kalibre edilmelidir.
• Dozaj pompaları, emme ve basma filtreleri, çek vanalar kontrol
edilmeli ve temizlenmelidir.
Senelik bakımda dikkat edilecek hususlar:
• Haftalık ve aylık bakımdaki işlemleri tekrar edilmelidir.
• Elektrik kumanda aksamı ve cihazları kontrol ederek
temizlenmelidir.
• Vardiya defterine kayıtlı kusur ve arızalı parçalar
yenilenmelidir.
• Genel temizlik ve boya işleri yapılmalıdır.
• Boyalı yüzeylerin boyası gerekirse yenilenmelidir.
• Ekipmanların sabitlenmesi ve seviye hizalaması, ekipman
imalatçıların talimatları doğrultusunda kontrol edilmelidir. Bu
işlem özelliklle pompa ve elektrik motorları için yapılmalıdır.
• Basınçlı borularda 5 yılda bir onaylı kuruluşlar tarafından
tahribatsız muayene (NDT) yapılmalıdır. Tahribatsız muayene
çeşitlerinden birkaçı röntgen, ultrasonik test, manyetik parçacık
testidir.
18.2. Nanofiltrasyon (NF) ve Ters Osmoz (TO) Sistemlerinin
İşletilmesi
Nanofiltrasyon (NF) ve ters osmoz (TO) sistemlerinin ne kadar iyi
çalıştığını anlamak için uygun veriyi almak, uygun analitik teknikleri
kullanmak, toplanan verileri yorumlamak, NF/TO sistemini korumak
1294
için bakım yapmak ve ön arıtma sistemlerini uygun ve çalışır şekilde
tasarlamak gerekmektedir. Bu bölüm hem toplanması gereken verileri
hem de bu verileri nasıl yorumlayacaklarını, NF/TO ve ön arıtma
sistemlerinin iyi performans göstermesini sağlamaya yardımcı olacak
bir koruyucu bakım çizelgesini kapsamaktadır.
İyon değişimi gibi "geleneksel" deiyonizasyon teknolojilerinin
performansı iyi bilinmektedir. Bununla birlikte, NF/TO sisteminde,
operatör ve mühendislerin bu teknolojiyle ilgili uzun bir geçmişi yoktur
ve birçokları, deneyimle gelen performans anlayışından yoksundur. Bir
NF/TO sisteminin izlenmesi basit değildir. Gözlenen performans, her
zaman, gerçekte, membran sisteminde neler olduğunu göstermeyebilir.
Bu bölümde bir NF/TO sisteminin işletilmesinde dikkat edilecek
hususlardan bahsedilmiştir.
18.2.1. Veri Analizi
Tablo 18.3'de listelenen parametreler, gözlenen ürün akışını doğrudan
etkilemekte ve bir NF/TO membranından geçen tuz geçişini
gözlemektedir. Membran performansını etkileyen ek faktörler,
membranın kirlenme derecesi ve çökelme oluşumunu içermektedir. Bu
faktörler, sıcaklık, konsantrasyon ve basıncın yaptığı gibi gözlenen ürün
akışını ve gözlenen tuz geçişini doğrudan etkilemektedir. Çalışma
koşulları sürekli değiştiği için ürün akışını başka zamanlarda alınan
ürün akışları ile karşılaştırmak mümkün değildir.
18.2.2. Koruyucu Bakım
Koruyucu bakım, NF/TO operasyonları için kritik öneme sahiptir. Tıpkı
NF/TO ön arıtmasının ek maliyet gerektirdiği gibi, personel için ek
zaman ve kimyasal maliyeti gerektirebilmektedir. Ancak uzun vadede,
koruyucu bakım kendisi için daha uzun membran ömrü de dâhil olmak
üzere NF/TO işletmeleri için maliyeti azaltmaktadır. Başarılı bir NF/TO
1295
operasyonu ciddi şekilde koruyucu bakım gerektirmektedir. Bu nedenle
KB düzenli olarak yapılacak şekilde planlanmalıdır.
Tablo 18.3 Yazılımı için gereken tipik giriş verileri programları
Giriş Verisi Ham Su Besleme Süzüntü Giderim
Gün ve Zaman x
Akı x x
Basınç x x
İletkenlik x x x
Bulanıklık x x
Redox Potansiyeli x
Kil yoğunluk indeksi (SDI) x x
Tablo 18.4, genel bakım için önerilen bir koruyucu bakım programını
listelemektedir.
Tablo 18.4 Genel koruyucu bakım - zaman çizelgesi (Arza, Nalco, Ecolab
Şirketi Anne'den uyarlanmıştır)
Koruyucu bakım unsurları
Gü
nlü
k
Ha
fta
lık
Ay
lık
Dö
ne
mli
k
Günlük kayıtlar x
Normalleştirme x x*
SDI x x*
Su analizi (besleme, süzüntü ve giderme verimi) x
Kütle dengesi x
5 mikron ön filtre kontrolü x**
Kritik sensörlerin kontrolü ve kalibresi x
Sensörlerin kontrolü ve kalibresi x
Ön arıtma kontrolü ( Fiziksel işlemler) x
Kimyasal besleme pompası kontrolü x
Pompa bakımı (hepsi) x
Membran temizliği x
* Devreye alma ve sistem dengesinden sonra, **İki haftada bir
1296
Tablo 18.4'de listelenen görevler, sistem performansı açısından kritik
öneme sahiptir ve membran temizlemeleri de dâhil olmak üzere toplam
işletme maliyetlerini minimuma indirmektedir. Aşağıda koruyucu bakım
için yapılması gerekenlerle ilgili daha detaylı bilgi verilmiştir:
Günlük veriler: Veri toplamak belki de koruyucu bakımın en
temel yönüdür. Veriler olmadan problemin koşullarını
belirlemenin yolu yoktur.
SDI: Kil yoğunluk indeksi testleri, çalışmaya başladıktan sonra
günlük olarak yapılmalıdır. Ancak sistem dengeye ulaştığında
haftalık okumalar yapılabilir. Besleme suyu bir yüzey kaynağı ise
hava koşullarından (örneğin yoğun yağışlar) kaynaklanan
değişiklikleri yakalamak için SDI'nın günlük olarak alınması
gerekebileceğini unutmamak gerekmektedir.
Kütle dengesi: Kütle dengesi, kirleticilerin membranlar üzerine
birikip, bırakılmadığını belirlemek için bir NF/TO sisteminde
sorun giderme için etkili bir yoldur. Bu şekilde yüzeyde birikme
olup olmadığı ile ilgili olarak bilgi sahibi olunabilir.
Kartuş filtrelerin kontrolü: Kartuş ön filtreleri "iki haftada bir
basınç düşmesi için kontrol edilmeli ve düzgün bir şekilde
yerleştirildiğinden emin olunmalıdır. Yüksek basınç düşüşü,
filtrelerin değiştirilmesi gerektiğini göstermektedir. Filtrelerin
düzgün oturmaması, partiküllerin filtreleri atlayarak
membranların kirlenmesini veya aşınmasını (ve tahrip
edilmesini) sağlamaktadır.
Kritik sensörlerin temizlenmesi ve kalibre edilmesi: Kritik
araçlar, TO besleme suyunun kabul edilebilir olup olmadığından
emin olmak için kullanılan ORP ve pH sensörlerini içermektedir.
Tüm sensörlerin temizlenmesi ve kalibre edilmesi: Cihazlar
düzenli olarak kalibre edilmelidir. Yanlış sensör okumaları TO
sisteminin nasıl çalıştığına dair yanlış bir resim sunacaktır.
Kimyasal besleme pompalarının kalibre edilmesi: Gerekli
kimyasal dozajın beslendiğinden emin olmak için kimyasal
besleme sistemleri düzenli olarak kalibre edilmelidir.
1297
Ön arıtma ünitesi işlemlerinin kontrol edilmesi: Filtrelerin,
yumuşatıcıların, tankların ve diğer ön arıtma sistemlerinin
bütünlüğü kontrol edilmelidir. Her birinin performansı da
değerlendirilmeli ve gerektiğinde değişiklikler yapılmalıdır.
Membran temizliği: TO membranları normalleştirilmiş
performansa göre temizlenmelidir. Ön arıtma sistemi yeterli ise
temizleme her üç aydan daha sık yapılmamalıdır.
18.2.3. Kapalı İken (Çevrimdışı) (Off-Line) İşletme
NF/TO sistemi kapalıyken yapılacak işlemler bu bölümde verilmiştir. Bir
NF/TO sisteminin iyi çalışmasını sağlamak için kapalı iken işletme ve
bakım prosedürü, sürekli çalışma hali kadar önemlidir. Bu bölümde
kapsanan çevrimdışı işlemler, sistemin yıkanması ve membran
temizlemedir.
18.2.3.1. Sistemin Hızlı (Flush) Yıkaması
Sistem hızlı yıkamaları, genellikle bir NF/TO sistemi çevrimdışı
olduğunda, çevrimiçi olduğunda ve bekleme modunda olduğunda
kullanılmaktadır. Çevrimdışı ve bekleme halindeki yıkamalarının amacı,
membranın yüksek konsantrasyonlarda besleme/konsantre tarafındaki
birikmiş türlerinden arındırmak veya çalışma süresince membran
üzerine yerleşmiş olabilecek malzemeleri karıştırmak ve onları
yıkamaktır. Yıkama suyu genellikle atık hattından gönderilmektedir.
Basınç kabının konsantre ucundaki membranların hasar görmesini
(delaminasyon) önlemek için besleme hattını açık tutmak yıkama
sırasında önemlidir. Delaminasyon, geçirgenlik basıncının membran
besleme tarafının basıncından daha yüksek olduğunda ortaya
çıkmaktadır. Kirlenme koşullarında, besleme tarafındaki basınç düşüşü,
"temiz" koşullar altında bir 6 modül basınçlı kap için 1.5-2 bardan
önemli derecede daha yüksek olabilir. Bu gibi durumlarda,
delaminasyon meydana gelebilmektedir.
1298
18.2.3.2. Membran Yıkama Prosedürleri
Membran temizliği membran işlemlerinin en önemli özelliklerinden
biridir. NF/TO sisteminin ön işleme ve hidrolik tasarımının ne kadar iyi
olmasına bakılmaksızın, membranlar sonunda bozulmakta ve/veya
tıkanmaktadır. Membranları kirlilikten uzak tutmak için zamanında ve
etkili bir temizlik gerekmektedir ve böylece daha uzun temizleme
aralıkları ve daha uzun membran ömürleri elde edilebilmektedir. Bu
durumda, maliyet tasarrufu sağlanmaktadır.
Membranlarda, süzüntü debisinin % 10-15 oranında azalması veya
basıncın % 10-15 arasında artması halinde kimyasal yıkama yapılması
gerekmektedir. İdeal yöntem ise performans değişimi % 10 olduğunda
kimyasal yıkama programı yapılmalı % 15’e ulaşınca kimyasal yıkama
yapılmalıdır. Kimyasal yıkama için çok uzun süre beklenmesi geri
döndürülemez tıkanmaya neden olabilmektedir. Şekil 18.8’de süzüntü
debisindeki düşüşün % 15’den büyük olması durumunda kimyasal
yıkamanın verimini gösteren bir karşılaştırma grafiği verilmiştir. İyi bir
ön arıtmaya sahip membran filtrelerin senede 4 defa yıkama yapılması
beklenmektedir. Su kalitesine bağlı olarak daha da az olabilir. Genellikle
membranlar tuz tutunumundaki düşüşten kaynaklı yıkamaya
alınmamaktadır. Bu durum daha çok mekanik problemlerden
kaynaklanmaktadır. Ancak membran üzerine çökelmeden kaynaklı tuz
tutunumunda düşüş yaşandığında yıkama için ilk gösterge süzüntü
debisidir.
Membran yüzeyinde biriken kirleticilerin uzaklaştırılması için
uygulanacak kimyasal yıkama prosedürleri aşağıda sıralanmıştır:
Kimyasal çözeltinin hazırlanması: Eğer kimyasal çözelti sıvı
formda ise sadece pH ayarı yapmak yeterli olacaktır. Çözelti toz
halinde ise karıştırma gerekmektedir.
NF/TO modüllerine çözeltinin beslenmesi: NF/TO
sistemlerinde her bir kademenin kimyasal olarak yıkanması
önemlidir. İlk kademede oluşan kirleticilerin ikinci kadmeye
1299
taşınmaması gerekmektedir. Çözelti her bir basınç kabı için 0,7
ile 1,14 m3/st arasında ilk beslemesi yapılmalıdır (Beardsley,
2008). 8 basınç kabından oluşan tek bir kademeye beslenen
çözelti 9 m3/st’den daha fazla debide olmamalıdır.
Kimyasal çözeltinin sirkülasyonu: Çözeltinin membran
modüllere ilk beslemesi yapıldıktan sonra sirkülasyon oranı her
bir basınç kabı için 9 m3/st civarında olmalıdır. Sirkülasyon
yapılırken süzüntü oluşmaması için mümkün olduğu kadar
düşük basınçta sirkülasyon yapılmalıdır. Çözelti renginin
değişimi gözlendiğinde çözelti değiştirilmelidir. Sirkülasyon her
bir yıkama için 40 ile 60 dakika boyunca sürdürülmelidir.
Membranlar içinde bekletme süresi: Kimyasal çözeltinin
membran yüzeyindeki çökeltileri temizleyebilmesi ve çözeltinin
biyofilme etki edebilmesi için çözelti basınç kabı içerisinde
bekletilir. Bu süre içerisinde çözeltinin membran tarafından
emilmesi sağlanır. Çoğu durumda 1 saatlik bekleme süresi
yeterli olmaktadır. İnorganik çökeltilerin uzaklaştırılması için
bir gece beklemekte uygulanan yöntemler arasındadır. Uzun
bekleme sürelerinde çözelti belli sürelerde sirkülasyon oranının
% 10’u kadar sirküle edilir ve sıcaklığın sabit kalması sağlanır.
Verimli bir yıkama için gerekli pH ayarlamaları ve sıcaklık
önerileri üretici firma tarafından sağlanmaktadır.
Yüksek debili sirkülasyon: Çözelti bekleme süresi sonrasında
her 8 inç’lik basınç kabı için 9 m3/st - 12 m3/st civarında sirküle
edilmelidir. Daha yüksek sirkülasyon basınç düşüşlerine neden
olabilir. 6 elementli 8 inç’lik basınç kabı için sirkülasyon oranı 12
m3/st değerini geçmemelidir.
Flaş yıkama: Membranlar kimyasal yıkama sonrası şebeke suyu
veya ters osmoz süzüntü suyu ile hızlı yıkama yapılmalıdır.
Minimum hızlı yıkama sıcaklığı 20 oC olmalıdır.
Kimyasal yıkama verimini etki eden faktörler ise aşağıda sıralanmıştır:
Kullanılan kimyasal formülasyonu ve çeşidi kimyasal yıkamanın
verimini değiştirmektedir. Yıkama kimyasallarının
1300
konsantrasyonu da önemli parametrelerden biridir (Ailin ve
Elimelech., 2004).
Yıkama kimyasalları daha yüksek sıcaklıklarda membran
yüzeyindeki kirleticilere daha hızlı ve etkili şekilde etki
etmektedir. Bu durum yıkama verimini artırmaktadır.
Yıkama çözeltisinin pH değerinin ekstrem koşullarda olması
membranların yıkanmasındaki verimi artırmaktadır. Ancak
sıcaklık ve pH‘daki sınırlamalara uyularak membranların veya
modüllerin zarar görmesi engellenmelidir (Beardsley, 2008).
Sirkülasyon hızı membranlardaki kirleticilerin uzaklaştırılması
için kimyasal çözeltinin etkinliğini artırmaktadır. Daha yüksek
sirkülasyon oranları genellikle membran yüzeyinden
uzaklaştırılması zor inorganik çökeltilerin uzaklaştırılması için
kullanılmaktadır.
Yıkamanın toplam başarısını artırmak için çözelti membran
modüller içerisinde yeteri sürelerde bekletilmelidir. Yeterli
bekleme süresi çözeltinin çökelti tabakalarına etki etmesini
sağlayacaktır. 2 kademeli bir TO sisteminin kimyasal yıkaması
minimum 10-12 saat olarak programlanmalıdır.
1301
Şekil 18.8 Zamanında yapılan yıkamalar ile zaman aşımına uğramış
yıkamalar arasındaki performans karşılaştırması (Kucera, 2015)
Bazı üretici firmaların kimyasal yıkama için tercih ettikleri kimyasallar
ve konsantrasyonları Tablo 18.5’te verilmiştir.
18.2.4. Yüksek Basınçlı Modüllerde Sağlamlık Testleri
18.2.4.1. Vakum Sönümlenme Testi (Vacuum decay test - VDT)
VDT membranın her iki tarafında hava verilmesi ile gerçekleştirilir.
Sistemdeki tüm membranın tamamen ıslanması için, test yapılmadan
önce sistem normal basınçta çalıştırılmalıdır.
1302
Tablo 18.5 Kimyasal yıkamalarda tercih edilen kimyasallar ve
konsantrasyonları (Beardsley, 2008; Hydranautics, 2003)
Kirletici Dow-FilmTec Hydranautics*
Sülfat çökelmesi % 0,1 kostik, pH 12, 30 oC
% 2 sodyum tripolifosfat
(TPP) pH 10, 40 oC
Karbonat
çökelmesi
% 0,2 hidroklorik asit,
pH 2, 30 oC
% 0,5 hidro klorik asit, pH
2,5, 45 oC
Silika çökelmesi % 0,1 kostik, pH 12, 35 oC
% 0,1 Kostik, pH 11,5, 35 oC
Demir
çökelmesi
% 1 sodyum sülfat, pH
5, 30 oC
% 1 sodyum fosfat, pH
11,5, 35 oC
Organik
tıkanma
% 0,1 kostik, pH 12, 30 oC,
Sonrasında % 0,2
hidroklorik asit pH 2,
45 oC
% 0,1 kostik + % 0,03
sodyum dodesiylsülfat
(SDS), pH 11,5 35 oC
Biyofilm % 0,1 kostik pH12, 30 oC
% 0,1 kostik + % 0,03
sodyum dodesiylsülfat
(SDS), pH 11,5 35 oC
*Sadece CPA membranları için
VDT, NF/TO modüllerini ve sistemleri test etmek için yaygın olarak
kullanılır. VDT testindeki adımlar şunlardır:
Membranın besleme tarafındaki sıvı boşaltılır ve atmosfere açık
kalmasına izin verilir.
Bir veya daha fazla membran modülüne bağlı süzüntü
manifolduna, vakum basıncı göstergesi, izolasyon vanası,
vakumda bükülmeyecek bir su tutucu ve bir vakum pompası
bağlanır (Şekil 18.9).
Süzüntü başlığına bir başka yalıtım vanası (B) eklenmesi,
membran sisteminin çalışmasını bozmadan ekipmanın kolay
bağlantısını sağlar.
1303
A ve B izolasyon vanaları açılır ve basınç göstergesi sabit bir
vakum gösterene kadar modülün süzüntü tarafının boşaltılması
için vakum pompası çalıştırılır. Bu işlem sırasında çıkan su tuzlu
su tutucuda toplanır.
Daha sonra izolasyon vanası (A) kapatılır. Kronometre çalıştırılır
ve ilk vakum kaydedilir (Pi).
Belirlenen süre sonunda (60 sn tipik olarak seçilebilir, 120, 180
veya 300 sn daha hassas bir test oluşturacaktır), nihai basınç (Pf)
ve süre (t) kaydedilir.
Test basıncı, Şekil 18.10’da verilen grafiğe göre seçilmektedir.
Membranın yüzey temas açısına göre seçilecek vakum test
basıncı test süresince uygulanmaktadır. Şekil 18.10, test basıncı
ve hasarlı gözenek çapı arasındaki ilişkiyi göstermektedir.
Vakum sönümlenme oranı, Denklem 18.4 ile hesaplanmaktadır
(ASTM, 2015):
𝑉𝐷𝑅ö𝑙çü𝑙𝑒𝑛 =𝑃𝑓 − 𝑃𝑖
𝑡 (18.4)
Burada,
VDRölçülen : Ölçülen vakum sönümlenme oranını, kPa/dk
Pi : Vakum dengelendikten sonra okunan basıncı, kPa
Pf : Son okunan vakum değerini, kPa
t : Pi ‘den Pf ‘ye kadar geçen süreyi, dakika
ifade etmektedir.
1304
Şekil 18.9 Vakum sönümlenme testi – VDT akım şeması
Şekil 18.10 Test basıncı ve modül içerisindeki kusurlu alan boyutu
arasındaki ilişki
Vakum basıncı, genellikle saptanmak istenen minimum hasarlı gözenek
çapından veya tutulması gereken partiküllerden daha küçük olacak
şekilde seçilir. Hidrofilik membranlar için düşük bir basınç kullanılabilir.
0123456789
10
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Eşd
eğer
ku
sur
bo
yutu
(m
ikro
met
re)
Test Basıncı (kPa)
cosƟ=1
1305
Örneğin, temas açısı 60 derece ise (polipropilen, polisülfon veya PVDF
için) 3 µm büyüklüğünde deliklerin 50 kPa'lık bir test basıncında
saptanabileceğini gösterir. Daha büyük bir kusur için, örneğin içi
boşluklu fiber bir membran modülündeki kırık fiberlerin tespiti gibi,
daha da düşük bir test basıncı kullanılabilir (ASTM, 2015).
18.2.4.2. Kabarcık Noktası Testi (Bubble Point Test)
Kabarcık noktası testi, membranın kabarcıklanma noktası basıncını
belirlemek için tasarlanmış bir testtir. Teorik olarak, kabarcık noktası
basıncı, membran içindeki hataların varlığı ile azalmaktadır. Bir
kabarcık noktası testi yapıldığında, test edilecek modül önce raftan
çıkarılır. Modülün iç kısmındaki kalan sıvı boşaltılır ve basınçlandırılır.
Membran yüzeyleri eşit şekilde ıslanmalıdır. Seyreltilmiş çözelti,
modülün ucundaki membran fiberlerinin açık uçlarına uygulanır.
Kabarcık noktası basıncına ulaştığında, sıvı bir veya daha fazla geçiş
yolundan dışarı atılır ve hava akışına yol açar. Sonuç olarak, çözeltide
sürekli bir kabarcık akışı görülmelidir. Böylece, çözeltide kuvvetli
kabarcıkların oluşumu spesifik olarak sızıntıya sebep olan fiberlerin
yerini bulmak için izlenebilir (Guo ve diğ., 2010).
18.2.5. NF/TO Sistemi İle İlgili Sıkça Sorulan Sorular
Aşağıda NF/TO sistemleri ile ilgili olarak sorulan nazı sorular ve
cevapları verilmiştir:
İleri osmoz (İO) ile ters osmoz(TO) arasında ne fark vardır?
İleri osmoz, suyun membrandan geçmesi için membranın iki tarafındaki
osmotik basınç farkına ihtiyaç duymaktadır. Ters osmoz prosesinde ise
bu sürücü kuvvet hidrolik basınçtır. İO’da, membranın süzüntü tarafında
bir çekme çözeltisi bulunur. Böylece besleme tarafındaki su osmotik
basınç farkından dolayı bu yöne doğru çekilir. Daha sonra bu çekme
1306
çözeltisi suyu geri kazanmak için arıtılır (membran distilasyonu ya da
TO ile olabilir) ve çekme çözeltisi tekrardan kullanılır (Kucera, 2015).
SDI ve bulanıklık arasında nasıl bir ilişki bulunur?
Kil yoğunluk indeksi (SDI) ve bulanıklık arasında zayıf bir bağ vardır.
Genel olarak, besleme suyunun bulanıklığı ne kadar yüksekse, SDI’da
yüksek olmaktadır. Bununla birlikte, tersi her zaman doğru değildir.
Düşük bulanıklık (<1 NTU) halen yüksek SDI'ye (>5) karşılık gelebilir.
Özellikle nihai kaynak yüzeysel su olduğunda, besleme kaynağı olarak
içme suyu kullanıldığında gözönüne alınması önemlidir. Şehirlerdeki
sular genellikle 1 NTU’dan küçük bulanıklığa sahiptirler ama sıklıkla SDI
değerleri 5’ten büyük olabilir. Bu nedenle, şehir su kaynaklarına TO’nun
ön arıtımı olarak multimedya filtreleri yerleştirmek çoğu zaman
gereklidir (Kucera, 2015).
NF/TO membranları ne zaman temizlenmelidir?
NF/TO membranlarının temizlenmesi genel olarak, normalleştirilmiş
süzüntü akısına ya da basınç düşüşüne göre yapılmaktadır.
Normalleştirilmiş süzüntü akısı %10-15 arası düştüğünde ya da basınç
düşüşü başlangıca göre %10-15 arttığında, temizleme zamanı gelmiştir
denilebilir. Membranların temizlenmesi için uzun zaman beklemek bazı
kalıcı tıkanmalara neden olacaktır. Çok sık temizlemek (temizleme
zamanı gelmeden) membran ömrünü kısaltır çünkü temizleme şartları
(pH ve sıcaklık) ve kimyasallar membrana zarar verir. Bu nedenle,
performansa bakmaktan ziyade bir takvim çizelgesine dayanarak
yapılan temizlik önerilmez, zira kaçınılmaz olarak membranlar ya çok
sık temizlecek ya da yeterince sık temizlenmeyecektir (Kucera, 2015).
Bir NF/TO sisteminin temizlenmesi ne kadar zaman alır?
Tipik bir 2 kademeli NF/TO membran dizininin temizlenmesi,
temizleme kimyasal çözeltilerinin ısıtılma süresine bağlı olarak 10-12
saat kadar sürebilir. Uzun bir sıvıda bekletme süresi gerekiyorsa,
1307
bekletme süresi de dahil olmak üzere 24 saate kadar sürebilir. Bir
membran dizininin her kademesi, diğerinden bağımsız olarak
temizlenmelidir ve böylece bir kademeyi tıkayan ya da kirleten
maddeler diğerini kirletmez, bu nedenle tüm sistemi temizlemek bir
veya iki gün sürebilir (Kucera, 2015).
Düşük pH ve yüksek pH’lı temizlik prosedüründen hangisi önce
yapılmalıdır?
Yüksek pH temizlemesinin önce yapılması önerilir. Asit temizleyicileri
genelde silis, organik maddeler ve membranlardaki biyofilm ile
reaksiyona girerek bu kirlenme ve çökelek oluşumu problemlerini daha
da kötü hale getirmektedir. Asit temizleme işlemi, membranda yalnızca
kalsiyum karbonat veya demir oksitlerin bulunduğu biliniyorsa ve
biyolojik kirlenme mevcut değilse, önce kullanılmalıdır (Kucera, 2015).
Temizlik işlemi başlangıç performansını geri getirmezse ne
yapılmalıdır?
Performansın başlangıcın yüzde birkaçında dönmesi kabul edilebilir.
Bununla birlikte, performans % 2-3'ten daha düşük bir seviyeye düşerse
ek temizlik önerilir. Tablo 18.5’de spesifik kirleticiler ve çökelti
oluşturucular için temizleme çözeltileri verilmiştir. Bu ilave temizleme
çözeltileri performansı iyileştirmezse, saha dışı temizlik önerilmektedir.
Saha dışı temizlik hizmetleri sağlayıcıları çeşitli temizlik çözeltilerine
erişebilir ve etkili olanı bulmak için farklı varyasyonlar deneyebilirler.
Saha dışı temizlik etki etmezse, kirlenme, çökelek oluşumu veya
membranın bozunma sorunu muhtemelen geri döndürülemez
boyuttadır. Ön arıtma sistemlerindeki gelişmeler ve normalleştirilmiş
veriler temizleme gerektiğini belirttiğinde temizleme uygulanması,
gelecekteki geri dönüşsüz tıkanmaları ya da membran bozunmalarını
azaltacaktır.
1308
Membran temizleme sırasında oluşan süzüntü ile ne yapılmalıdır?
Temizleme prosesi sırasında NF/TO sistemi süzüntü oluşmayacak kadar
düşük basınçta çalıştırılmalıdır. Eğer süzüntü oluşuyorsa, yüksek basınç,
temizleme çözeltisini ve kirleticileri membrandan geçmeye zorlar. Böyle
bir durumda, basınç düşürülmeli (debiyi koruyarak) ve süzüntü
temizleme tankına geri gönderilmelidir.
Membranları temizledikten sonra süzüntü iletkenliği neden
yüksek olur?
Membranlar yüksek bir pH’da temizlendikten sonra süzüntü iletkenliği
tipik olarak daha yüksek olur. Temizleme esnasında kullanılan yüksek
pH, membran polimerini gevşetir ve böylece çözünmüş katıları daha
geçirgen hale getirir. Bu geçici bir durumdur, iletkenlik birkaç saat ila
birkaç gün arasında nominal değere dönmelidir. Tersi durum, düşük
pH’lı temizleme için geçerlidir. Membran düşük pH’da temizlendikten
sonra süzüntü iletkenliği nominalden düşük olacaktır (Kucera, 2015).
NF/TO membranlarını doğrudan dezenfekte etmek için hangi
kimyasallar kullanılabilir?
Membranlardaki canlıları direkt yok etmek için DBNPA (2,2-dibromo-3-
nitrilo-propionamide) oksitleme yapmayan iyi bir biyosittir. Temiz
membranlar için, haftada 2-3 kez 30 dakika boyunca 30-50 ppm’lik
dozların uygulanması tavsiye edilir. Daha şiddetli tıkanmalar için,
haftada 2-3 kez 60 dakika boyunca 100 ppm’lik doz uygulanabilir.
Alternatif olarak, DBNPA yaklaşık 2-3 ppm'de sürekli olarak
beslenebilir. Şu da bilinmelidir ki, biyolojik tıkanma kontrolden
çıktığında, DBNPA'nın çalışması çok zor olacaktır. Çünkü oksitleyici
değildir ve biofilme nüfuz edemez. DBNPA, en iyi şekilde önleyici olarak
kullanılır. İzotiyazolon (isothiazolone), DBNPA'ya kıyasla daha uzun bir
temas zamanı gerektirdiğinden temizleyici olarak kullanılabilir.
İzotiazolon ile temizleme işleminde, membranla temas süresinin en az 4
saat olması gerekir. İzotiazolon da sürekli bir şekilde beslenebilir
1309
(Majerle, 2014) ve membranı mikrobiyal büyümeden korumak için
mükemmel bir yöntemdir. İzotiyazolonun önerilen kullanma yöntemleri
doğrudan yöntem ve temizleme sonrası yöntemidir (Majerle, 2014):
Doğrudan yöntem:
Maksimum giderim için membran, 100 ppm'lik izotiyazolonun
bir hafta süreyle sürekli olarak beslenmesiyle işletilir.
Bir hafta süre ile doz 10 ppm’e düşürülür.
Doz tekrar 3-5 ppm'lik bir bakım dozajına düşürülür. Mikrobiyal
popülasyon, dozajın büyümeyi kontrol edecek kadar yüksek
olduğundan emin olmak için bakım süresince dikkatle
izlenmelidir.
Temizleme sonrası yöntemi:
Bakterileri gidermek için membranlar iyice temizlenir. Standart
temizleyiciler ve DBNPA kullanılır.
1 hafta boyunca 5 ppm civarında İzotiazolon beslemesi yapılır.
Biyolojik aktivitenin dikkatli bir şekilde izlenmesi şartı ile doz
yaklaşık 1-3 ppm'lik bir bakım dozuna düşürülür.
Bir NF/TO sistemi kurulduktan sonra nasıl başlatılır?
Bir NF/TO sisteminin başlatılması, özellikle de yeni membranlar
takıldığında, suyun ani dalgalanmasından dolayı membran modüllerinin
ezilmesini önlemek için dikkatli bir şekilde yapılmalıdır. Öncelikle,
herhangi bir şey başlatılmadan önce, ekipman satıcısı tarafından
sağlanan başlatma prosedürleri tamamen okunmalı ve anlaşılmalıdır.
Ardından membranlara ani dalgalanmalardan gelebilecek zararı
önlemek için, konsantrasyon ve süzüntü vanaları ilk çalıştırma sırasında
tamamen açık olmalıdır. Konsantre vanası kapalı haldeyken ve istenen
geri kazanım elde edilince açmak gibi bir uygulama ile NF/TO sistemi
hiçbir zaman çalıştırılmamalıdır. NF/TO besleme pompası, yavaşça
başlatılmalı, basıncı belli bir bir oranda arttırmalı ve bu artış saniyede
1310
0,7 bardan fazla olmamalıdır. Değişken frekanslı bir sürücü
kullanılıyorsa, yavaşça başlatılacak şekilde ayarlanabilir. Sürücü bu
şekilde değilse ve bir santrifüj pompa kullanılıyorsa, konsantre vanası,
basıncın kabul edilebilir bir oranda arttığından emin olunarak, arzu
edilen geri kazanım ve besleme basıncına ulaşılana kadar yavaşça
açılmalı ve yavaşça kapatılmalıdır (Kucera, 2015).
NF/TO membranları için bir raf ömrü var mıdır?
Raf ömrü, membranın depolandığı zamanki durumuna bağlıdır. Orijinal
açılmamış torbalarında saklanan yeni membranlar yaklaşık 1 yıl raf
ömrüne sahiptir (Beardsley, 2008; Epple, 2008). Membran garantileri
tipik olarak sistemin devreye alınmasında veya sevkiyattan bir yıl sonra
(hangisi önce gelirse) başlar (Beardsley, 2008). Fabrikadan
nakledilmeden önce ıslak olarak test edilen membranlar, biyolojik
büyüme ve pH açısından her üç ayda bir kontrol edilmelidir. Biyolojik
aktivite bulunursa (koruyucu çözelti berrak değildir), altı ay
depolandıktan sonra veya koruyucu çözelti pH değeri 3'ün altına
düştüğünde, modüller aşağıda tarif edildiği gibi taze koruyucu çözeltide
muhafaza edilmelidir. Islak olarak test edilmemiş membranlar ("kuru"
membranlar) düzenli olarak biyolojik büyüme açısından kontrol
edilmelidir. Eğer büyüme görülürse, aşağıda anlatıldığı gibi bir koruyucu
çözelti içine batırılmalıdır.
Kullanılmış membranlar membran kabından çıkarılabilir ve saklanabilir.
Depolama öncesi temizlenmelidirler. Basınç kabından çıkarıldıktan
sonra, her membran modülü, NF/TO süzüntüsü gibi deiyonize su ile
karıştırılmış % 1'lik bir kobaltsız aktif sodyum metabisülfit çözeltisi
içine batırılmalıdır. Daha fazla dezenfeksiyon ve koruma için, 72 saatten
fazla süredir faaliyet gösteren membranlar için formaldehitin % 0,2 ile
% 0,3'lük bir çözeltiye batırılmasını önermektedir (Toray, 2004).
Formaldehitte depolamanın kalıcı akı kaybına neden olabileceği
belirtilmektedir. Formaldehit insanlar için zehirlidir ve bu nedenle gıda
ile ilgili uygulamalar için önerilmez. Sodyum metabisülfit dışındaki
koruyucuları kullanmadan önce membran üreticisine danışılmalıdır.
1311
Modüller bir saat boyunca dikey bir pozisyonda çözeltiye batırılmalıdır.
Batırma işleminden sonra, modülün üzerindeki çözeltinin bir süre
damlayarak uzaklaşmasına izin verilmeli, ardından oksijen bariyerli
plastik bir torbaya koyulmalıdır. Modüldeki nem yeterli olduğundan
torbayı koruyucu çözelti ile doldurmaya gerek yoktur. Bu yöntemle
modüller altı ay boyunca depolanabilir. Depolanan membranlar,
biyolojik büyüme ve pH için her üç ayda bir kontrol edilmelidir.
Biyolojik aktivite bulunursa, altı ay depolandıktan sonra veya koruyucu
çözeltinin pH değeri 3'ün altına düşerse, modüller taze koruyucu bir
çözeltiye daldırılmalı ve yeni bir oksijen bariyerli torbaya alınmalıdır.
Membranlar, tekrardan sisteme dönmeden önce yüksek pH'lı bir
çözeltide temizlenmelidir.
Membran modülleri daima doğrudan güneş ışığının olmadığı serin,
karanlık bir yerde saklanmalı ve donmaya karşı korunmalıdır. Islak
olarak test edilen membranlar, sodyum metabisülfit koruyucu çözeltinin
donmasını önlemek için yaklaşık 5 °C'den daha düşük bir sıcaklıkta
depolanmamalıdır. Kuru membranlar donma sıcaklıklarından
etkilenmeyecektir (Bir kez ıslandıktan sonra membranın kurumasına
izin verilmemesi gerektiği unutulmamalıdır çünkü geri dönüşsüz akı
kayıpları meydana gelebilir.).
Bir NF/TO besleme suyu analizinde hangi maddeler analiz
edilmelidir?
Tablo 18.6’da verilen maddeler NF/TO besleme suyu analizi için
önerilmektedir. Bu aynı türler, NF/TO membranları için bir kütle
dengesinin kurulabilmesi için süzüntü ve konsantre için olan analizlere
de dahil edilebilir. Bazı durumlarda, katyonların filtrelenmiş ve toplam
analizleri yararlıdır. Ancak diğer durumlarda, toplam bir analiz
yeterlidir. Tipik olarak, demir, mangan, florür ve silika içeren sular için
hem toplam hem de filtrelenmiş analizlerden yararlanır (Kucera, 2015).
1312
Tablo 18.6 NF/TO analizlerinde test edilmesi önerilen parametreler
Katyonlar* Anyonlar Alkanite Diğer
Yerinde
yapılan
testler
Alüminyum Klor Bikarbonat Orto-fosfat pH
Baryum Flor Karbonat Uzaklaştırılamayan
organik
bileşikler(TOK)
Kil
yoğunluk
indeksi
Bor Nitrit Gerçek renk
Kalsiyum Nitrat İletkenlik
Demir Sülfat Toplam çözünmüş
katılar
Mağnezyum Toplam askıda
katılar
Mangan Bulanıklık
Fosfor Silika**
Sodyum
Stronsiyum *Bazı durumlarda, filtre edilmiş ve toplam katyon analizleri önemlidir.
**Reaktif ve toplam silika bazı zamanlarda önemli olabilmektedir.
18.3. Membran Biyoreaktör (MBR) Sistemlerinde İşletme ve Bakım
18.3.1.Ön Arıtma
MBR sistemlerinde kararlı işletme performansı elde edilebilmesi için ön
arıtmanın iyi düzeyde yapılması gerekmektedir. Membran modülleri
özellikle saç, plastik ve fiberli metaryallerden korunmalıdır. Bu nedenle
sistemde kaba ve ince ızgaralara ek olarak perfore eleklerde bulunması
gerekmektedir. Tipik bir ön arıtma akışı aşağıdaki maddelerde
verilmektedir:
6-10 mm aralığında mekanik temizlemeli bir kaba filtre
Kum ve çakıl gibi malzemeleri almak için kum tutucu
1313
1-2 mm açıklığa sahip perfore malzemeden imal edilmiş ince bir
elek
Operatörler özellikle ön arıtma sistemlerinin doğru şekilde
çalışmasından sorumludurlar. Izgara temizleme mekanizmaları
periyodik olarak bakımı yapılarak sistemin devamlılığı sağlanmalıdır.
Kum tutucuların altında biriken çakılların sıyrılması için kullanılan
mekanik aksamın bakımları aksatılmamalıdır.
Atıksu arıtma prosesinde herhangi bir kimyasal eklenti (polimer,
koagülant, köpük önleyicileri) yapılması durumunda, membranlar için
kullanımının uygun olup olmadığı teyit edilmelidir. Ham atıksu
içerisinde bulunan yağ ve gres konsantrasyonu emüilsüfiye kısım için
150 mg/lt , biyolojik olarak parçalanmayan ve serbest yağ formunda
bulunan kısım için ise 10 mg/lt’yi geçmemesi gerekmektedir. Eğer
gerekliyse ön arıtma bu açıdan modifiye edilmelidir (KOCH, 2015).
18.3.2. Biyolojik Proses
18.3.2.1. Anoksik Bölge
Anoksik bölge temel olarak denitrifikasyon prosesinin gerçekleşmesi
için kullanılmaktadır. Oksijenin yokluğunda biyokütle organik
maddeleri bağlı oksijeni (NO3) kullanarak oksitler. Anoksik koşulların
salanabilmesi için bu bölgede oksijen konsantrasyonu 0-0,5 ppm
aralığında olması gerekmektedir. En doğru izleme ise ORP ile yapılabilir.
Anoksik bölgede ölçülen ORP değerinin +- 50 mV olması gerekmektedir.
18.3.2.2. Aerobik Bölge
Aerobik bölge karbon gideriminin ve nitrifikasyonun gerçekleştiği
kısımdır. Bu bölgede çözünmüş oksijen konsantrasyonunun 2-4 mg/lt
aralığında olması istenmektedir. Bu nedenle blower kapasitesi ve
1314
difüzörlerin veriminin yeterli seviyede olması önem arz etmektedir.
İşletme boyunca difüzörlerin sağlamlığı, blowerların uygun kapasitede
çalışmaları aerobik havuzun stabil çalışmasını etkilemektedir. Aerobik
havuzdaki çamur yaşının MBR sistemleri için 20 gün civarında tutulması
tavsiye edilmektedir. Ancak sıcak havalarda 12 gün’lük çamur yaşı
değerinde dahi aynı verimde sistem işletilebilmektedir. Tank
içerisindeki AKM konsantrasyonu optimum koşullarda 10000 mg/lt’de
olması yeterli olacaktır. Havalandırma havuzu içerisindeki biyokütle
cazibe ile veya pompalanmak suretiyle membran tankına
aktarılabilmektedir. Membran tankındaki biyokütle ise havalandırma
havuzuna geri gönderilerek sabit AKM değeri elde edilmeye
çalışılmaktadır.
18.3.2.3. Membran Filtrasyon Ünitesi
Genellikle ayrı bir membran tankına yerleştirilen membranlar bir
pompa ile vakum oluşturularak suyun membranlardan geçmesi
sağlanmaktadır. Temiz su membrandan geçerken biyokütle havuz
içerisinde kalmaktadır. Bu nedenle aerobik bölgeye geri devir yapılması
gerekmektedir. Membran tankında aerobik havuz gibi doğrudan oksijen
kontrolü yapılmamaktadır. Membran yüzeyinde yeteri kadar kesme
kuvveti oluşturabilmek için verilen hava miktarı membran tankındaki
oksijen seviyesini 4-6 mg/lt düzeylerine çıkarmaktadır. Membran
tankındaki AKM konsantrasyonunu sabit tutmak için yapılan geri devir
bu nedenle aerobik havuza yapılması gerekmektedir. Membran
tankından anoksik bölgeye yapılan geri devir anoksik koşulları
bozacağından dolayı geri devrin aerobik bölmeye yapılması
önerilmektedir.
18.3.3. İşletme Modlarının Ayarlanması
Genelde üreticiden üretici değişiklik gösteren filtrasyon dönügüsü,
filtrasyon ile rahatlama (bekleme) veya süzüntü ile geri yıkama arasında
1315
geçen zamandır. Bazı üreticiler periyodik bakım yıkamasının da
döngüler içerisine dâhil edilmesini önermektedir. Şekil 18.11’de MBR
işletme modlarının şematik görüntüsü verilmiştir.
Şekil 18.11 MBR sistemlerinde işletme modları
Filtrasyon modunda sistem debi kontrolü giriş debisinin ölçümü,
membran veya biyolojik tankdaki su seviyesi veya dengeleme
havuzundaki su seviyesine göre kontrol edilmektedir. Süzüntü debisi bir
pompa aracılığıyla kontrol edilmektedir. Yer çekimi prensibi ile çalışan
sistemlerde ise PLC tarafından açılıp kapanan vanalar vasıtasıyla
süzüntü debisi kontrol edilmektedir. Genellikle, maksimum süzüntü
debisi değeri TMP ile sınırlandırılmaktadır. Bu şekilde membranların
yüksek TMP ile zarar görmesi engellenmeye çalışılmaktadır. Genellikle
MBR sistemlerinde TMP değerinin 600 mbar’ı geçmemesi
istenmektedir.
Rahatlatma (bekleme) modunda filtrasyon tamamen durdurulur.
Membranların hava ile yüzeylerinin sıyrılması için havalandırmaya
devam edilir. 10-30 saniye süre için her 15 dakika da bir defa
membranların yüzeyinde biriken kek tabakası uzaklaştırılmaya çalışılır.
Bu şekilde bir sonraki filtrasyon döngüsünde TMP değerinin stabil
tutulması için rahatlama modu kullanılır.
Geri yıkama ve kimyasal geri yıkmada süzüntü hattından membranlara
süzüntü pompalanır. Temiz su içten dışa doğru çıkarak membran
yüzeyinde bulunan kek tabakası uzaklaştırılır. Aynı hat üzerine kimyasal
dozaj da eklenerek kimyasal geri yıkama işlemi gerçekleştirilir. Geri
yıkama yine filtrasyon döngüsü içerisinde yer almaktadır. Rahatlatma ve
1316
filtrasyon adımları sonrasında uygulanması gereken bu adım ile yine
TMP değeri işletme boyunca sabit tutulmaya çalışılmaktadır.
18.3.4. Havalandırma Sisteminin Ayarlanması
MBR sistemlerinde membranların yüzeyinde biriken kek tabakasını
kontrol altında tutabilmek için hava kullanılmaktadır. Havalandırmanın
miktarı sıklığı ve periyodunun, sistem işletilmeye başlanması ile birlikte
optimize edilmesi gerekmektedir. Genel itibariyle sabit veya kesikli
havalandırma kullanılmaktadır. Kesikli havalandırma sistemlerinde
havalandırma belirli bir süre kapatılır, daha sonra havalandırma aktive
edilerek belirli periyotta havalandırma yapılır. Düşük akıda çalışan
sistemlerde maksimum hava miktarında en fazla 90 sn bekleme olacak
şekilde havalandırma ayarlanabilir. Yüksek akıda çalışan sistemlerde ise
membranlara verilecek spesifik hava miktarı minimum tutularak en
fazla 20 sn havalandırma kesilir. Havalandırma süresi maksimum 120
sn civarında tutulabilir.
Sabit havalandırma sistemlerinde ise membran için üreticinin belirttiği
spesifik hava miktarında sürekli havalandırma yapılmaktadır. MBR
sistemlerinin işletilmesinde dikkat edilmesi gereken nokta ise
havalandırma yapılmadan filtrasyona başlanmamalıdır. Hava olmadan
yapılacak filtrasyonda TMP hızla artarak membranların tıkanmasına
neden olacaktır.
18.3.5. Membran Tankının İzlenmesi ve Otomasyon
Sistemin bir otomasyon programı ile izlenmesi, potansiyel problemlerin
belirlenmesi, havalandırma sisteminde ve membranlardaki tıkanma
problemlerinin operatör tarafından fark edilmesini sağlamaktadır.
Membran tankının izlenmesi için uygulanacak otomasyon da önemli
noktalar aşağıdaki gibi sıralanabilir:
1317
Blower sistemi basma hattında en az 0-600 mbar basınç
transmitteri bulunması gerekmektedir. Opsiyonel olarak hava
debimetresi de hat üzerine eklenebilir.
Hava basıncının trendi SCADA üzerinde izlenebilmelidir.
Normal koşullar altında hava basıncı, 270-280 mbar’a ek olarak
membranların üzerindeki su seviyesi olacaktır. Uyarı alarmı
toplam hava basıncının 50-100 mbar fazlası olacak şekilde
ayarlanmalıdır.
Havalandırma sistemindeki basınçta meydana gelecek bir artış
havalandırıcılarda meydana gelen bir tıkanıklığı göstermektedir.
Bu nedenle nedeni hemen araştırılmalı ve gerekli önlemler
alınmalıdır.
18.3.6. Membranların Havalandırılması
MBR sistemlerinin işletilmesinde operatör eğitimi ve doğru izleme
yapılması kritik faktörlerdir. Birçok durumda problemin nedeninin
bulunması kolaydır. Blower kapasitelerinin yeterli olmasına rağmen
yetersiz havalandırmanın 4 ana nedeni bulunmaktadır:
Verimsiz çalışan ön arıtmadan kaynaklı modülde meydana gelen
tıkanıklıklar
Membranların havalandırılmadan filtrasyon yapılması veya
yetersiz hava verilmesi
Membranların sabit olarak havalandırılması ve aeratörlerin
temizlenmemesi
Sıcaktan kaynaklı havalandırma vanalarında kaçakların
meydana gelmesi
Bahsedilen bütün bu nedenlerden dolayı havalandırma sistemi
tıkanacak ve membranların yetersiz havalandırılmasına neden olacaktır.
1318
18.3.7. Membranların Temizlenmesi
Membranların kullanımına bağlı olarak zamanla yüzeylerinde biyofilm
ve çökeltiler oluşmaktadır. Biyofilm tabakasının kalınlığı arttıkça
membranların giderim verimi artacak ancak akı olarak performanslarını
kaybederek TMP değerleri yükselecektir. Aynı zamanda inorganik
çökeltilerden dolayı membran yüzeyinde meydana gelecek tabakada
aynı şekilde TMP değerlerinin artmasına neden olacaktır. Bu durumda
tıkanmanın tipine bağlı olarak NaOCl veya sitrik asitle yıkamaya gerek
olacaktır. Kullanılan kimyasallar, yıkama sıklığı ve yıkama tipleri
hakkındaki bilgiler aşağıda verilmiştir.
18.3.7.1. Temizleme Kimyasalları
Membran yıkanması işleminde NaOCl membran yüzeyinden biyofilm
tabaksının ve organik maddelerin uzaklaştırılması için kullanılır. Sitrik
asit ise membran yüzeyinde çökelti oluşturan metal tuzları, demir,
kalsiyum tuzlarının uzaklaştırılması için kullanılır.
Asit yıkamada sitrik asite ek olarak hidroklorik asit (HCl) ve oksalik
asitte kullanılabilir. Tablo 18.7’de yıkama tipleri ve kimyasallar için
kullanılan tipik konsantrasyonlar verilmiştir.
18.3.7.2. Yıkama Sıklığı
MBR sistemlerinde yıkama sıklığı birçok faktöre bağlı olarak değişkenlik
göstermektedir. Bu faktörler:
İşletme sıcaklığı
Atıksu tipi
Ön arıtma verimi
Suyun partiküler dağılımı
Biyolojik arıtmanın tamamlanma miktarı
1319
Süzüntü akısı değeri
Atıksuyun çökelme eğilimi
Membranların yeni veya eski oluşu
Normal işletme koşullarında membran yüzeyi çözünmeyen organikler,
tuz çökeltileri ve biyokütle ile tıkanmaya başlayacaktır. Yüzeydeki bu
birikme yetersiz havalandırma ve düzensiz geri yıkama ile membran
performansının azalmasına neden olacaktır. Aynı zamanda prosesdeki
sıcaklık düşüşlerinden kaynaklanan akı azalması da not edilmelidir.
Ancak bu durum membran tıkanmasının göstergesi değildir.
Yıllar içinde araştırmacıların yaptığı çalışmalarda düşük NaOCl
konsantrasyonunda (125-250 mg/lt) günlük kimyasal yıkamanın
yapılması önerilmektedir. Haftada 1 veya 2 defa ise asit yıkama
önerilmektedir. Yıkama sıklıkları ve konsantrasyonları ile alakalı
değerler Tablo18.7’da özetlenmiştir.
Günlük yapılan bakım yıkamaları ile membranların geçirgenlikleri sabit
tutulamaz. Geçirgenlik zamanla azalma eğilimde olacaktır. Bu nedenle
üreticiler yılda 1 veya 2 defa olmak üzere kurtarma yıkaması
yapılmasını önermektedir. İlk kurtarma yıkaması kış aylarından önce su
sıcaklığının hala yüksek olduğu dönemde (Ekim-Kasım ayı) yapılmalıdır.
Bu yıkama, soğuk dönemde MBR sisteminin daha esnek çalışabilmesini
sağlayacaktır. İkinci yıkama ise bahar aylarında yapılması
önerilmektedir. Yaz aylarında atıksuyun sıcaklığının yüksek olması
bakım yıkamalarının etkisini artıracaktır.
18.3.7.3. Yıkama Tipleri
Membran performansının sabit tutulabilmesi için aşağıda sıralanan 4
farklı temizleme yöntemi vardır:
Süzüntü ile geri yıkama yapılarak mekanik temizleme
Membranların havalandırma ile mekanik temizlenmesi
1320
Bakım yıkamaları ile kimyasal temizlik
Kurtarma yıkamaları ile kimyasal temizlik
Tablo 18.7 Standart işletme şartları için kimyasal yıkama
Kimyasal Fonksiyonu Hedef
Değer Akı Süre
Bakım Yıkaması (CEB)
Sodyum
Hipoklorit, %
12
Organik
temizlem
e ve
biyofilm
giderme
125 mg/lt
pH 8-10,5 6
lt/m2.s
t
30 dakika,
günlük,
havalandırmas
ız
Sitrik Asit, %
50
İnorganik
tıkanma
ve
çökelme
giderme
pH 2-3
min. 1000
mg/L
(pH ayarlaması
için HCl
gerekmektedir.
)
6
lt/m2.s
t
30 dakika
haftada 1 veya
12 haftada 1
havalandırmas
ız
Kurtarma Yıkaması (CIP)
Sodyum
Hipoklorit, %
12
Organik
temizlem
e ve
biyofilm
giderme
500-2500
mg/lt
pH 8-11
1) 15 oC<T<25 oC
2) 25 oC<T<40 oC
1) 8-16 saat
2) 4-8 saat
kesikli
havalandırma
Sitrik Asit, %
50
İnorganik
tıkanma
ve
çökelme
giderme
pH 2-3
min. 1000
mg/lt
1) 15 oC<T<25 oC
2) 25 oC<T<40 oC
1) 6-12 saat
2) 4-8 saat
kesikli
havalandırma
1321
Membran kullanım ömrünün ve performansının maksimize edilmesi için
yıkama programlarına uyulmalıdır. Her yıkama sonrası değerler kayıt
edilerek zaman içerisinde yapılan yıkamaların verimleri hakkında bilgi
sahibi olunmalıdır. Sistemi işleten operatörler sistemin çalıştığı bölge
şartlarına uygun olarak yıkama sürelerini ve sıklıklarını optimize
etmmelidirler. Bu açıdan yıkama öncesi ve sonrası verilerin kayıt
edilmesi önem sistemin sağlıklı işletilmesin açısından önemlidir.
18.3.7.4. Geri Yıkama
Geri yıkama prosedürü süzüntünün bir depoda toplanması ve
membranlara süzüntü hattından tekrar pompalanması esasına
dayanmaktadır. Geri yıkama membranlara içten dışa doğru
uygulanmaktadır. Temel kural düşük basınçta yüksek debili su
gönderilmesi esasına dayanmaktadır. Geri yıkamalarda kullanılan akı
değeri 15-30 lt/m2.st arasında değişiklik gösterebilir. Süzüntü suyu
membranların içinden dışa doğru geçerken gözeneklerin açılmasına ve
membran yüzeyinde biriken kek tabakasının uzaklaştırılmasını sağlar.
Minimum 15 sn uygulanması gerekmektedir. Geri yıkama sistem verimi
için önemli bir parametredir. Sistemde üretilen suyun tekrar geri
beslenmesinden dolayı üretilen suda kayıp yaşanmakta ve üretilen su
bakımından arıtma verimi düşüş göstermektedir. Bu verim, % 75
değerinin altına düşmemelidir. Geri yıkama ayarlarında yapılan
herhangi bir değişiklik kayıt altına alınmalıdır.
18.3.7.5. Bakım Temizlemesi
Bakım temizlemesi prosedürü süzüntü suyu içerisine kimyasal dozajı
yapılarak belli konsantrasyonda kimyasallı geri yıkama yapılması
esasına dayanmaktadır. Düzenli olarak uygulanan bakım temizlemesi ile
MBR sistemleri daha yüksek akılarda çalıştırılabilir ve kurtarma
yıkamaları arasındaki süre artırılarak membran ömrü uzatılabilir.
Kimyasal geri yıkama 20-45 dakika arasında değişiklik göstermektedir.
1322
Bakım temizlemesi için uygulanacak periyodik kimyasal yıkamaların
programı aşağıdaki şekilde sıralanabilir:
İlk kimyasal: NaOCl (varsayılan) veya Sitrik Asit
İkinci kimyasal: Sitrik asit (varsayılan) veya NaOCl
Dozlama zamanının ayarlanması
Durulama süresi
Bakım yıkaması debisinin ayarlanması
Yıkamanın periyodu
18.3.7.6. Kurtarma Temizlemesi
Belli bir zaman sonrasında, otomatik geri yıkama, membran
havalandırması ve bakım yıkamaları yetersiz gelecektir. Aynı zamanda
maksimum TMP değerine (0,4-0,6 bar) ulaşılmasından dolayı sistemin
işletilmesi mümkün olmayacaktır. Bu nedenle kurtarma temizlemesi
için kimyasal yıkama yapılması gerekmektedir. İki tip kurtarma
prosedürü vardır. Bu yöntemler, sodyum hipoklorit ve sitrik asit
içerisinde bekletmedir. Bakım yıkamasında olduğu gibi organik
maddelerin uzaklaştırılması için NaOCl kullanılır. Metal tuzlarının ve
membran yüzeyindeki çökelmenin uzaklaştırılması için asit kullanılır.
Önerilen prosedür toplam 12-24 saat arasında süren sitrik asit
içerisinde beklemeyi takip eden sodyum hipokloritte bekletmedir.
Sıcaklık bekletme süresi bakımından oldukça önemlidir.
Hipoklorit yıkaması için hazırlanacak çözelti minimum 1000 mg/lt
konsantrasyonunda olmalıdır. Çözelti içerisinde bekletilen membran
modüller devreye alındıktan sonra en az 5 dakika boyunca 20 lt/m2.st
değerinde geri yıkama yapılmalıdır (GEN MBR, 2017).
Sitrik asit yıkaması yapıldığında ise minimum çözelti kosantrasyonu
2000 mg/lt’dir. Genelde, hipoklorit sonrasında uygulanan bu yıkama ile
membran yüzeyindeki çökeltiler uzaklaştırılmaktadır.
1323
18.4. Membran Otopsisi
Eski Yunanca’da kendi manasındaki “auto” ve görme manasındaki “psi”
kelimelerinden türetilen otopsi, kimyasal ve fiziksel incelemelerle
gerçekleştirilen tanısal amaçlı bir incelemedir. Ölümlerin sebeplerinin
araştırılmasından aşina olduğumuz otopsi işlemi membran filtreleri ve
sistemleri için de benzer bir amaçla kullanılmaktadır. Kullanım ömrünü
doldurmuş, çeşitli sebeplerden kullanılamaz hale gelmiş veya olağan
performansından düşük performans gösteren membran filtrelerde bu
karşılaşılan problemlerin sebebini belirlemek için kimyasal ve fiziksel
analizler uygulanması ve tanı konulmasına membran otopsisi
denmektedir.
Tablo 18.8’de yaygın kirleticilerin membran performansı üzerine
olumsuz etkileri verilmiştir. Bu etkiler gözlendiğinde ve tesis işletilemez
hale geldiğinde problemin belirlenmesi için otopsi işleminin
uygulanması faydalı olacaktır.
18.4.1. Membran Otopsisinin Faydaları
Membran otopsisi ile tıkanmış, kimyasal bileşeni bozulmuş, fiziksel
hasara uğramış, filtrasyon görevini iyi bir şekilde yerine getiremeyen,
ömrünü tamamlamış veya tam performanslı çalışmayan bir membran
alınıp incelenerek bu problemleri oluşturan koşullar belirlenmektedir.
Membranda tıkanma problemi varsa tıkanma problemine sebep olan
kirleticiler belirlenip karşılaşılan problemin kaynağı bulunabilmektedir.
Karşılaşılan probleme göre daha iyi önarıtma uygulanması sağlanabilir
ve böylece hem membran performansı arttırılıp hem de membranların
ömrü uzatılabilir. Örneğin membranların tıkanma probleminin
kaynağının silika kirliliği olduğu belirlendiğinde uygun antiskalant
kullanımı ile bu problem önlenebilir.
1324
Tablo 18.8 Yaygın kirleticilerin membran performansı üzerine etkileri
(Dudley, 2007).
Kirletici Tipi Tuz Geçişi Basınç Değişimi Ürün Akısı
Kalsiyum ve
inorganik
tuzlar
% 10-25 artış % 10 -40 artış % 10’dan az
azalma
Metal oksitler
hidroksitler
> 2 kat hızlı
düşüş
> 2 kat hızlı
yükselme
% 20-40 artış
Kolloidler > 2 kat
kademeli
düşüş
> 2 kat kademeli
düşüş
%50 kademeli
azalma
Organik
Maddeler
Artış ya da
azalma
Küçük artış %50’den fazla
azalma
Biyotıkanma > 2 kat hızlı
düşüş
> 2 kat hızlı
yükselme
%50’den fazla
artış
Bazen uygun ön arıtma olsa bile membranlar yine tıkanabilmektedir. Bu
tıkanma kimyasal yıkamanın etkili olmaması kaynaklı olabilir.
Membran üzerindeki baskın olan kirletici tipi belirlendikten sonra en
uygun kimyasal yıkama prosedürü belirlenebilir. Kirlenmiş
membranlardan birer parça alınarak temizleme kimyasalları uygulanıp
en uygun yıkama kombinasyonları belirlenebilir.
Membran sistemlerinde operatör kaynaklı problemler
görülebilmektedir ve membran otopsisi sadece su kimyası ile ilgili
problemleri değil insan kaynaklı problemleri de ortaya
çıkarabilmektedir. Bunlardan en çok karşılaşılanı tıkanan
membranlardaki basınç düşüşü sebebiyle membranların ve modüllerin
zarar görmesidir. Membranların kimyasal yıkaması zamanında
yapılmayıp, gereken akıyı sağlamak için basınç arttırılırsa hem
kirleticiler temizlenmeye karşı dirençli bir tabaka oluşturmakta hem de
fiziksel hasarlar ortaya çıkarmaktadır. Bu tarz hatalar da membran
otopsisi ile belirlenebilir ve böylece operatör hataları minimuma
indirilebilir.
1325
Membran otopsi uygulandıktan sonra ilgili şartlara daha uygun olan bir
membran seçilebilir. Örneğin içten dışa çalışan içi boşluklu fiber
membranlar çok tıkanıyorsa dıştan içe çalışan konfigürasyonlu
membranlar tavsiye edilebilir. Membran otopsisi sadece problemli
membranlara uygulanmak zorunda değildir. Ömrünü normal sürelerde
tamamlayan bir membran alınıp üzerindeki kirleticiler ve etkilenen
özellikler belirlenerek bir sonraki işletme döneminde daha iyi bir proses
yönetimi sağlanabilir. Böylece hem membran ömrü daha da uzatılmış
hem de daha kaliteli bir su elde sağlanmış olur.
18.4.2. Membran Otopsisinde Uygulanan İşlemler
Membran otopsi prosedüründe uygulanan adımlar sırasıyla aşağıda
verilmiştir.
Temsil edici membran ve modüllerin seçimi
Elementlerin kesilerek parçalara ayrılması ve numune alınması
Alınan numunelerin analiz edilmesi
Analiz sonuçlarının değerlendirilmesi
Öncelikle tesiste problemi temsil eden membran ve modüller seçilir.
Seçilen modüller uygun bir şekilde kesilerek içerisinde bulunan
membranlar çıkarılır. Membranlar çıkarılırken minimum
kontaminasyon olmasına dikkat edilmelidir. Özellikle modül kesme
esnasında oluşan parçacıklar ve tozlar membranlara bulaşabilmektedir.
Çıkarılan membranlardan numune alınarak otopsinin analiz kısmına
geçilir. Otopsi de uygulanan prosedürler Şekil 18.12’de verilmiştir.
1326
Şekil 18.12 Membran otopsisinde uygulanan işlemler
Modülün kesilmesi ve numune alınması: Membrana zarar
vermeden ve dış kontaminasyonu engelleyerek profesyonel bir
şekilde gerçekleştirilmelidir. Bu aşamada modül bağlantı
yerlerinden kesilir, dışındaki koruyucu malzemeler çıkarılır ve
membran numuneleri alınır.
Gözle yapılan muayeneler: Bu aşamada modül ve membran
üzerinde genelde alışık olmadık, beklenmedik durumlar aranır.
Membranda defo veya hata var mı? Membranın veya modülün
yapısında bozulmalar var mı? Eğer varsa konsantre çıkışının
contası ve sızdırmazlık parçaları kaçaklar, dağılmalar veya
fiziksel bozulmaların olup olmadığının belirlenebilmesi için iyice
incelenmelidir. Dış kabuk ve bağlantı parçalarının üretim veya
işletme sonucu bir zarar görüp görmediğine bakmak
gerekmektedir.
Mikrobiyal Analizler: Tüm poliamid membranlar eğer okside
edici olmayan bir biyositle temizlenmezlerse belirli bir miktar
biyofilm oluşmasına uygun zemin sağlarlar. Membran üzerinde
bakteri sayımı veya konfokal lazer mikroskop ile inceleme
yapılarak bu durum araştırılmaktadır.
Boya ve Fujiwara Testi: Boya testi membran yüzeyindeki
hasarların tespiti için uygulanır. Boya testinde membranın
katlarına ayrılması, yırtılması, delinmesi ve aşınması gibi fiziksel
1327
hasarlar incelenir. Prosedür tam ölçek veya lab ölçekli
gerçekleştirilebilir. Fujiwara testi, TFC poliamid membranların
aktif yüzeylerinin klor, brom veya iyot gibi oksitleyici halojenler
tarafından zarar görüp görmediğini belirlemek için uygulanır.
SEM ve EDS: SEM ile bir materyalin yüzeyinin morfolojik
özellikleri incelenebilmektedir. Partikül boyutunun, şeklinin,
dokusunun ve topografisinin analizi için kullanılır. EDS (energy
dispersive spectroscope) ise malzemeden çıkan karaktersistik X
ışınlarını ölçer ve madde hakkında bilgi verir.
Performans Testi: Kullanılmış membran ile kullanılmamış
membranın aynı koşullarda test edilmesi membranın
performans azalmasının belirlenmesi için iyi bir karşılaştırma
imkanı sunmaktadır.
Çökelek Analizi: Membran üzerinde biriken çökelek ekstrakte
edilir ve ICP tekniği ile analiz edilir. Bu teknikle sodyum,
magnezyum, alüminyum, fosfor, sülfür, potasyum, kalsiyum,
demir, çelik, bor, baryum, kadmiyum, bakır, mangan, kurşun,
silikon ve çinko gibi maddeler ölçülebilmektedir. Birim alan
başına biriken inorganik madde miktarı tayin edilierek tıkanma
ile ilgili önemli bilgiler elde edilir.
FTIR Analizi: Membran üzerinde biriken protein, karbonhidrat
ve polisakkarit gibi maddelerin gözlenmesine imkan
vermektedir.
18.4.3. Ülkemizde Membran Otopsisi Değerlendirmesi
MEM-TEK’in 2012 yılından bu yana ülkemizde kullanılmış membralar
üzerinde gerçekleştirdiği onlarca otopsi analizinde en çok karşılaştığı
problem silika ve demir kirlenmesi olmuştur. Özellikle antiskalant
kullanılmaması veya yanlış antiskalant seçimi bu problemlere davetiye
çıkarmaktadır. Karşılaşılan bir diğer önemli problem membran
yüzeyindeki aktif tabakanın oksitlenip özelliğini yitirmesidir. Özellikle
suda bulunan serbest klor SBMS ile inhibe edilmezse bu durumun
olması kaçınılmazdır. NF/TO seviyesindeki membranlarda ön arıtma
1328
yetersizliğine bağlı mikrobiyolojik tıkanma vakaları ile de karşılaşılmış
olup, MF/UF seviyesindeki membranlarda ağırlıkla bu mikrobiyolojik
tıkanma vakasına rastlanmıştır. Otopsilerden çıkan bir diğer dikkate
değer sonuçta işletme hatalarıdır. Çoğu operatör işletme bilgisi
yetersizliğinden membranları verimli bir şekilde kullanamamaktadır.
Özellikle ürün suyu akısının her düşüşünde besleme basıncının
arttırılması ve çok yüksek seviyelere çıkarılması hem kirleticinin kalıcı
olmasına hem de modülde kırılma ve delinme gibi fiziksel hasarlara yol
açmaktadır. Membran akısı, basıncı, kimyasal yıkama aralıkları prosese
uygun bir algoritma ile anlık değerlendirilmeli ve uygulanmalıdır.
18.4.4. Membran Otopsisi Uygulama Örnekleri
Şekil 18.13’de bir spiral sargılı modül üzerinde boylamasına çatlaklar
görülmektedir. Kirleticiler membran üzerinde biriktikçe ekstra bir
bariyer tabakası oluşturmaktadır. Bu ek bariyer ise istenilen akının
sağlanabilmesi için daha yüksek sürücü basıncı gerekmesine yol
açmaktadır. Buda daha yüksek işletme basınçlarına sebep olmaktadır.
Eğer etkin kimyasal yıkama yapılmazsa, artan basınç ile beraber bu
tabaka sıkışarak giderilemez hale gelmektedir. Bu kirletici tabakalar ise
çapraz akışa olan direncin artışına sebebiyet vermektedir. Artan direnç
basınç düşmelerine sebep vererek basınç kabının giriş ve çıkışı arasında
bir basınç farkı oluşturmaktadır. Bu basınç düşmesi membran modülü
tarafından absorbe edilip membran modülü üzerinde eksenel bir basınç
kuvvetine çevrilmektedir. Basınç düşmesi yeterince yüksek olursa
membran modülüne bu şekilde zarar verir. Örneğin 14 bar basıncında
işletilen, 6 modül içeren bir basınç kabında 1,7 bar değerinde bir basınç
düşmesi, basınç kabı içerisinde bulunan en sondaki modülde 79,3 bar’lık
bir eksenel yük oluşturmaktadır (Kucera, 2010). Silika ile kirlenen ve
tıkanan bir membrana ait görüntüler ise Şekil 18.14’de verilmiştir. Sol
alt tarafta membranın yüzey SEM görüntüsü verilirken diğer kutularda
membran yüzeyinde bulunan Si ve O elementlerinden alınan sinyallerin
yoğunluk haritası verilmiştir. Sinyallerin yoğun görüldüğü yerler ile SEM
1329
görüntüsü birleştirildiğinde membran üzerinde bulunan tıkanma etkisi
yapan parçaların silika temelli oldukları anlaşılmaktadır.
Şekil 18.13 Modül üzerinde bulunan çatlaklar (MEM-TEK Kütüphanesi)
Fujiwara testi TFC poliamid membranların aktif yüzeylerinin klor, brom
veya iyot gibi oksitleyici halojenler tarafından zarar görüp görmediğini
belirlemek için uygulanmaktadır. Bu test tipik olarak biyokirlenme
engelleme için ön arıtmada kullanılan veya temizleme çözeltisinin
parçası olan serbest klorun verdiği hasarı tanımlamak için
kullanılmaktadır. Oksidatif hasarlar genelde transmembran
basınçlarında büyük değişiklik olmadan ürün suyundaki beklenmedik
iletkenlik yükselmeleri gerçekleştiğinde farkına varılmaktadır.
Membrandaki oksidatif hasar piridin tabakasındaki pembe renk
dönüşümü ile anlaşılmaktadır (Antony, 2010). Şekil 18.15’de Fujiwara
testi uygulanmış bir membrana ait görüntüler verilmiştir. Sol tarafta
bulunan numune şişesinde pembe renk görünümü membranın
oksitlendiğini göstermektedir. Sağ tarafta bulunan kullanılmamış bir
poliamid membrana ait test numunesinde renk değişimi olmadığı
görülmektedir.
1330
Şekil 18.14 Silika ile kirlenmiş bir membrana ait EDS haritalaması
(MEM-TEK Kütüphanesi)
Şekil 18.15 Fujiwara testi uygulanmış numunelere ait görüntüler (Sol
tarafta oksitlenmiş membran numunesi, sağ tarafta kullanılmamış
membran numunesine ait görüntüler bulunmaktadır.) (MEM-TEK
Kütüphanesi)
1331
KAYNAKLAR
Adham, S. S. ve Jacangelo, J. G., (1995). Low Pressure
Membranes: Assessing Integrity, (C).
Antony, A., Fudianto, R., Cox,S., Leslie, G., (2010). Assessing the
oxidative degradation of polyamide reverse osmosis membrane-
Accelerated ageing with hypochlorite exposure, Journal of
Membrane Science, 347, 159–164.
ASTM-D6908-03 (2015). Standard Practice for Integrity Testing
of Water Filtration Membrane Systems 1. ASTM 14 (Reapproved
2010), 1–14. doi:10.1520/D6908-06R10.2.
Ailin, L., ve Elimelech, M., (2004). Organic Fouling and Chemical
Cleaning of Nanofiltration Membranes: Measurements and
Mechanisms, Environmental Science & Technology, 38: 17.
Beardsley, S., (2008). Dow Chemical Company, personal
communication, September.
Bennett, A., (2008). Drinking water: Pathogen removal from
water - technologies and techniques, Filtration and Separation,
45:10, 14–16.
Dow (2007). FilmTec Reverse Osmosis Technical Manual, Dow
Liquid Separations, form no. 609-00071-0705, 2007.
Dudley, L.Y., (2007). Membrane Fouling and Autopsy, Dutch
Membrane and Filtration Society.
Epple, M., (2008). Toray Membrane USA, personal
communication, December 5, 2008.
KOCH (2015). Operation and maıntenance manual, September
2015.
GEN MBR (2017). Operatör El kitabı, Memsis Çevre Teknolojileri
Ar-Ge Ltd. Şti., Haziran 2017.
GEN UF (2017). Operatör El Kitabı, Memsis Çevre Teknolojileri
Ar-Ge Ltd. Şti., Eylül 2017.
Giglia, S. ve Krishnan, M., (2008). High sensitivity binary gas
integrity test for membrane filters, Journal of Membrane Science,
323:1, 60–66.
1332
Guo, H., Wyart, Y., Perot, J., Nauleau, F., Moulin, P., (2010). Low-
pressure membrane integrity tests for drinking water treatment:
A review, Water Research, 44(1), 41-57.
Hydranautics (2003). Foulants and Cleaning Procedures for
Composite Polyamide RO Membrane Elements (ESPA, ESNA,
CPA, LFC, and SWC), Technical Service Bulletin, TSB107.
Johnson, W. T., (1998). Predicting log removal performance of
membrane systems using in-situ integrity testing. Filtration and
Separation, 35:1, 26–29.
Kucera, J., (2010). Reverse Osmosis Design, Processes, and
Applications for Engineers, Wiley Co. ISBN 978-0-470-61 8431.
Kucera, J., (2015). Reverse Osmosis: Industrial Processes and
Applications, Wiley.
Majerle, R., (2014). Personal communication. July 10, 2014.
Toray (2004). "Storage and Preservation;' Service Bulletin RSU-
600.
Kirlenmiş Bir Spiral Sargılı Ters Osmoz Modülü Görüntüsü
Membranlar Kullanılarak Enerji Üretimine Dair İlk Düşünceler ve Çizimleri
1333
BÖLÜM 19
MEMBRAN TEKNOLOJİLERİNİN ENERJİ UYGULAMALARI
İsmail Koyuncu1,2, Mehmet Emin Paşaoğlu1,2, Ergin Taşkan3 ve Halil
Hasar2,3
Basınç geciktirmeli osmoz (PRO) ve mikrobiyal yakıt hücreleri ile enerji
üretimi üzerinde son dönemlerde çok çalışma yapılmaktadır.
Yenilenebilir enerji kaynakları arasında bulunan bu enerji kaynakları
üzerindeki çalışmalar, ağırlıklı olarak bu proseslerin daha fizibil hale
getirilmesi üzerinde yoğunlaşmıştır. Bu bölümde hem basınç
geciktirmeli osmoz (PRO) hem de mikrobiyal yakıt hücreleri konusunda
detaylı bir değerlendirme yapılmış, membran teknolojilerinin enerji
uygulamaları ile ilgili olarak bilgi verilmiştir.
19.1. Basınç Geciktirmeli Osmoz (PRO) Prosesi
Osmoz olayı ilk olarak 1748 yılında Abbe Nollet tarafından
araştırılmıştır. O zamanlarda deneylerde kullanmış olduğu membranlar
hayvanlardan ve bitkilerden oluşmaktaydı. İlk sentetik yarı geçirgen
membran, bakır ferrosiyanidin jelatinimisi filminden Traube tarafından
hazırlanmıştır. Ancak, sentetik membran üretiminde kırılma noktası,
1963 yılında Loeb ve Sourirajan tarafından asimetrik selüloz asetat
membran üretimi ile olmuştur. Bu olay membran bilimi için bir dönüm
noktası olmuş ve bir çok çalışmanın önünü açmıştır. 1970’lerin
başlarında Cadotte tarafından kompozit poliamid membranların patenti
alınmıştır.
1 İnşaat Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, İTÜ 2 Prof. Dr. Dincer Topacık Ulusal Membran Teknolojileri Uyg-Ar Merkezi, İTÜ 3 Mühendislik Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Fırat Üniversitesi
1334
Arayüz polimerizasyonu (IP) ile bir destek tabaka üzerine çok ince bir
seçici tabaka oluşturulmasıyla mükemmel bir yapı oluşturulmuştur. O
yıllardan itibaren osmotik membran üretimi alanında çok çalışmalar
yapılmıştır. 1976 yılında Sidney Loeb isimli bilim adamı yenilikçi basınç
geciktirmeli osmoz uygulamasını ortaya çıkarmıştır. O yıllardaki petrol
fiyatlarının düşük olmasından dolayı bu teknolojinin geliştirilmesi için
çok fazla çalışılmamıştır. Ancak, 1980’lerde SINTEF firmasından Dr.
Thor Thorsen ve Dr. Torleif Holt, Norveç’te basınç geciktirmeli osmoz’un
teorik potansiyelini araştırmaya başlamıştır. 1997 yılında bir Norveç
firması olan Statkarft ile birlikte proje geliştirmeye başlamışlar ve 2009
yılında dünyanın ilk basınç geciktirmeli osmoz (PRO) pilot tesisi
kurulmuştur (Lise ve Hagg, 2013).
Sürekli fosil yakıt kullanımına bağımlılık iklim değişikliklerine uzun
vadeli etkiler bırakmaktadır. Fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltmak
için yenilenebilir ve sürdürülebilir enerji kaynakları araştırılmalıdır.
Günümüzde en gelişmiş yenilenebilir enerji kaynaklarını güneş,
biyokütle, jeotermal ve su kuvvetleri’dir. Yenilenebilir ve sürdürülebilir
potansiyel başka enerji kaynağı ise suyu tuzdan arındırma ya da tatlı su
ile tuzlu suyun karışımdan enerji açığa çıkarmaktır. Tatlı su ile tuzlu
suların karıştırılmasından enerji eldesine basınç geciktirmeli osmoz
(PRO) adı verilmektedir (Vitousek ve diğ., 1997; Naylor, 1996).
Basınç geciktirmeli osmoz (PRO) iki su kaynağı arasındaki tuzluluk
farkından oluşan basınç ve sonucunda enerji üretimi esasına göre
çalışmaktadır. Osmotik basınç yarı geçirgen bir membrana beslenen
deniz suyunun tatlı suyu membranın diğer tarafına çekmesiyle
sağlanmaktadır. Osmoz sürücülü prosesler, membran yönüne hidrolik
basınç varlığına ve uygulanan hidrolik basıncın konumuna bağlı olarak
üç farklı modda incelenebilir (Şekil 19.1). Doğal olarak oluşan osmoz,
suyun düşük konsantrasyonlu besleme tarafı yoluyla yüksek
konsantrasyonlu çekme tarafına taşınmasına neden olan ileri osmoz
(İO) sürücü kuvvetine sahiptir (Şekil 19.1a). Membran yönüne bağlı
olarak iki farklı işletme mümkündür:
1335
Besleme çözeltisi moduna bakan bir aktif tabaka (AL-FS modu
veya İO modu olarak adlandırılır)
Çekme çözeltisi moduna bakan bir aktif tabaka durumudur (AL-
DS modu veya PRO modu)
AL-FS modu, AL-DS moduna kıyasla daha düşük bir su akısına sahip
olmasına rağmen, membran kirlenmesinden daha az etkilenen ileri
osmoz (İO) proseslerinde daha yaygın olarak kullanılmaktadır. Yakın
zamanda performansı daha da artırmak için besleme tarafındaki
basıncın uygulandığı basınç destekli osmoz (PAO) ya da basınçlı ileri
osmoz (PİO) ya da basınç-yardımlı İO (PAİO) olarak da adlandırılan bir
çalışma fikri ortaya çıkmıştır. (Şekil 19.2b). 0’dan 10 bar’a kadar değişen
az tuzlu kısma uygulanan bir basınç, su transferini artırırken enerji
tüketiminde değişimlere neden olmaktadır. Bu prosese basınç destekli
osmoz adı verilmektedir. Bununla birlikte bu iki durumun tersi olarak
PRO işlemi sırasında çekme çözeltisi tarafına, besleme ve çekme
çözeltileri arasındaki osmotik basınç farkından daha düşük basınç
uygulanmaktadır (Şekil 19.3c). Bu proses ise basınç geciktirmeli osmoz
olarak adlandırılmaktadır.
PRO prosesinde, seyrelmiş olan çekme çözeltisi daha büyük bir
hacim/basınçla birlikte türbini çevirerek elektrik üretimi yapmaktadır.
Şekil 19.1 Osmotik-sürücülü proseslerin şematik gösterimi a) İleri
Osmoz (İO) b) Basınç Destekli Osmoz (PAO) ve c) Basınç Geciktirmeli
Osmoz (PRO) (Kim ve diğ., 2015)
1336
Şekil 19.2 Statkraft firmasına ait PRO tesisinin şematik çizimi
(Skilhagen ve diğ., 2008)
Şekil 19.2’de Norveç’li Statkraft firmasına ait PRO tesisinin şematik
çizimi görülmektedir (Kim ve diğ., 2015). Bu tesisin 2009 yılında
kurulmasının ardından PRO teknolojisi uluslararası ilgiyi üzerine
toplamış ve Statkraft bu alandaki teknolojik gelişmelere devam etmiştir.
Dünya’nın ilk PRO pilot tesisinin kurulmasındaki elektrik üretim hedefi
10 W/m2 elektrik üretimidir. Burada, nehirler besleme çözeltisi ve deniz
suyu ise çekme çözeltisi olarak kullanılmıştır. 2000 m2 efektif alanı
bulunan spiral sargılı membran modülleri 10-15 bar hidrolik basınç
altında çalışmak üzere tasarlanmıştır. Ancak, uzun süreli yapılan
çalışmalarda 3 W/m2 enerji yoğunluğu elde edilebilmiştir. Maalesef,
PRO sistemini ekonomik olarak fizibil güç yoğunluğu olan 5 W/m2
değerinden daha az üretim olduğundan dolayı Statkraft firması 2009
yılında başlatmış olduğu bu pilot çalışmasını, 2012 sonlarında
sonlandırmıştır. Eğer bu proje başarışı olunabilmiş olsaydı, tesis
kapasitesinin 2MW’a çıkarılması planları bulunmaktaydı ve bu
planlarda iptal edilmiştir (Kim ve diğ., 2015).
PRO sistemleri tertip tarzı bazında açık döngü ya da kapalı döngü olarak
sınıflandırılmaktadır. Açık döngü sistemlerde sürücü kuvvet güneş
enerjisi olup, yenilenebilir enerji nispeten az tuzlu suların daha fazla
miktarda tuz içeren sularla karışmasından oluşmaktadır. Şekil 19.3’de
deniz ve nehir ağızlarındaki tuzlu su ile tatlı suyun karışmasında güneş
tarafından suyun buharlaşması için harcanan enerjinin nasıl geri
kazanıldığını göstermektedir (Aaberg, 2003). Bu enerji, Dünya’daki tüm
akarsu ve nehirlerin 225 m yüksekliğindeki bir şelaleden aşağıya
1337
düşerken oluştuduğu ya da 22,4 atm basınç oluşturabilecek deniz suyu
su sütununa eşdeğerdir. Deniz suyu ve nehir ağzındaki tatlı suların
karışmasından elde edilebilecek enerji miktarının global olarak yıllık
2000 TWh olduğu tahmin edilmektedir (Norman, 1974). Bununla
birlikte tüm yenilenebilir enerji kaynaklarının yıllık enerji üretimi
10.000 TWh’e yaklaşmaktadır.
Şekil 19.3 PRO kullanılarak deniz ve nehir ağızlarındaki tuzlu su ile tatlı
suyun karışmasında güneş tarafından suyun buharlaşması için harcanan
enerjinin geri kazanımı (U.S. Energy Information Administration, 2017)
Diğer taraftan kapalı döngü sistemler düşük ısı derecelerini mekanik
enerjiye çevirmek için tasarlanmaktadır. Şekil 19.4’te bu tertip tarzı
yenilenebilir enerjiyi tam olarak temsil etmese de, düşük ısı ortamında
bu tip sistemler için sürdürülebilir bir enerji kaynağı olabilmektedir
(Loeb, 1975).
1338
Şekil 19.4 Isı enerjisi geri devirli kapalı döngü PRO sistemi (Loeb, 1975)
Basınç geciktirmeli osmoz (PRO), ters osmoz (TO) sistemlerinin tersi bir
proses olarak görülebilmektedir. Ters osmoz (TO) hidrolik basıncı
kullanırken basınç geciktirmeli osmoz (PRO) deniz suyunun osmotik
basıncını kullanmaktadır. Ters osmoz ile benzerliği yüzünden PRO
membranları ve modüllerinin geliştirilmesinde, öncelikle ters osmoz
için üretilen membranlar kullanılmıştır (Sourirajan, 1970).
Şekil 19.5’de PRO ile deniz suyu ters osmoz sistemlerindeki enerjinin
nasıl düşürülebileceğine yönelik bir akım şeması verilmiştir. Buna göre
TO, PRO ile daha seyreltik bir hale getirilmiş bir deniz suyunu arıtmakta
ve böylelikle, enerji gideri düşmektedir. Ayrıca, konsantre hattı
üzerinden gelen TO konsantresi, PRO ile seyreltilmekte ve böylelikle
seyreltilmiş TO konsantre akımı denize tekrar verilmektedir.
1339
Şekil 19.5 Deniz suyu TO sistemlerinin enerji maliyetinin PRO sistemi
ile düşürülmesi (Achilli ve Childress, 2010)
19.1.1. PRO Çalışmalarının Tarihçesi
Tatlı su ile tuzlu suyun karıştırılmasından enerji elde edilmesi konsepti
ilk olarak 1954 yılında Pattle tarafından “Nature” dergisinde
yayınlanmıştır (Pattle, 1954). Pattle, V hacmindeki saf solvent
karışımlarının daha büyük hacimli π osmotik basıncına sahip bir çözelti
ile karıştırılınca πV’ye eşit olan serbest enerji salındığını ve osmotik
kuvvetlerin ve seçici geçirgen membranların kullanılmasıyla tatlı su ve
tuzlu suların karıştırılması neticesinde enerji elde edilebileceği
yorumunu getirmiştir (Achilli ve Childress, 2010).
1973 yılındaki petrol krizi neticesinde petrol fiyatlarında Şekil 19.6’da
görüldüğü gibi sıçrama olmuş ve PRO yeniden gündeme gelmiştir
(Hakes, 2000). 1973 yılından sonra PRO hakkında çok sayıda teknik ve
ekonomik fizibilite çalışmaları yapılmıştır. 1997 yılındaki ilk Kyoto
toplantısında PRO araştırmaları üzerine tekrardan yoğunlaşılmıştır.
PRO konusunda yapılan yayınlar, 2008 yılındaki petrol fiyatlarının
fırlaması ile birlikte yeniden artmıştır (Achilli ve Childress, 2010).
Norman (1974) tarafından ilk osmotik tuzsuzlaştırıcı enerji çevirici
diyagramını ortaya çıkarılmıştır. Bu diyagramda, tatlı su (daha yüksek
kimyasal potansiyele sahip) yarı geçirgen membran içerisinden geçerek
basınçlandırılmış deniz suyu (daha düşük kimyasal potansiyel)
1340
çevrimine girmektedir. Kolonda yükselerek taşan sular su değirmenini
çevirmekte ve bir jeneratörü beslemektedir. Su değirmeni tertip tarzı
basit bir şekilde su sütununun basıncının kullanıldığı bir tertip tarzıdır.
Bu görsel diyagram suyun kimyasal potansiyelinin efektif olarak nasıl
hidrostatik potansiyele dönüştürüldüğünü göstermektedir (Şekil 19.7).
Şekil 19.6 Isı enerjisi geri devirli kapalı döngü PRO sistemi
(Achilli ve Childress, 2010)
Bu çalışmadan 1 yıl sonra Loeb ve Norman osmotik sürücülü membran
prosesler kullanılarak suların tuzlanmasını açıklayan basınç geciktirmeli
osmoz (PRO) terimini ortaya koymuştur (Loeb, 1975). Loeb ve Norman
(1975) tarafından ilk PRO deneyine ait sonuçlar yayınlanmıştır. Bu
çalışmada içi boşluklu fiber deniz suyu ters osmoz membranları mini
geçirici içerisinde test edilmiştir. Basınçlandırılmış tuzlu su içi boşluklu
fiber membran demetinin dış kısmından ve tatlı suda iç kısmından
geçirilmiştir. Bu çalışma, Mehta ve Loeb (1978) tarafından yapılan
sonraki çalışmalara ışık tutmuştur. Bu çalışmalar PRO konseptini
kanıtlanış ayrıca, tuzluluğu yüksek çekme çözeltisi kullanılarak 1.56-
3.27 W/m2 arasında enerji eldesine imkân vermiştir. Ancak, elde edilen
bu enerji değerleri tahmin edilen değerlerden çok olmaktadır. İçsel
konsantrasyon polarizasyonu (ICP)’nun su geçişi ve PRO ile enerji
1341
üretimi üzerinde kuvvetli bir negatif etkiye sahip olduğu ortaya
çıkmıştır (Mehta ve Loeb, 1978). PRO için diğer bir yaklaşım da 1975
yılında Loeb tarafından patenti alınan kapalı devre osmotik ısı
motorudur (Loeb, 1975). Bu osmotik ısı motorunun anlamı, ısı enerjisini
osmoz mühendisliğinde kullanmak üzere mekanik enerjiye
çevirmesidir. Bir osmotik ısı motorunda çalışılan akışkan, (Örneğin su)
yarı geçirgen bir membran içerisinden basınçlandırılmış çekme çözeltisi
(Örneğin NaCI çözeltisi) içerisine geçmektedir. Çekme çözeltisi
hacminde artış meydana gelmekte ve akış enerji üretmek üzere
doğrudan türbine gönderilmektedir. Daha sonra çekme çözeltisi termal
prosesler kullanılarak çalışılan akışkandan ayrılmaktadır. Bu sayede
osmotik ısı motoru, osmotik basıncı kullanarak mekanik işi ısı enerjisine
dönüştürmektedir (Achilli ve Childress, 2010).
Şekil 19.7 Norman, 1974 tarafından tasarlanan şematik PRO sistemi
(Achilli ve Childress, 2010)
1342
1980’lerde PRO konusundaki araştırmalar yaygınlaşmış ve 4 farklı
araştırma grubu yayınlar yapmıştır (Lee ve diğ., 1981; Jellinek ve
Masuda, 1981; Mehta, 1982; Vigo ve Uliana, 1986). 1981 yılında
PRO’dan elde edilen enerjinin yararlı kullanımı üzerine teorik ve pratik
çalışmalar gerçekleştirmiştir (Jellinek ve Masuda, 1981). Bu çalışmaların
sonucunda 1,6 W/m2 güç yoğunluğuna ulaşılabilmiştir. Lee ve diğ.
(1981) tarafından yapılan PRO performansını tahmin edebilmek adına
ileri osmoz (İO) ve ters osmoz (TO) deneylerinden yararlanarak
referans bir PRO performans modeli geliştirmiştir. Bu modelde
öngörülen su akıları ve güç yoğunluğu, içsel konsantrasyon
polarizasyonu (ICP)’nu da dikkate alarak tahminlerde bulunmaktadır.
Lee ve diğ. (1981) tarafından PRO sistemlerinde su taşınımını
tanımlamak için kullanılan genel denklem, denklem 19.1’de
belirtilmiştir.
Jw = A(Δπ−ΔP) (19.1)
Burada,
Jw : Su akısını
A : Su permeabilite katsayısını
Δπ : Osmotik basınç farkını
ΔP : Hidrolik basınç farkını
göstermektedir. PRO’da güç yoğunluğu üretilen su akısına ve
membrandaki hidrolik basınç farkına eşittir.
W = JwΔP = A(Δπ−ΔP)ΔP (19.2)
Jw ve W, ΔP’nin bir fonkisyonu olarak Lee ve diğ. (1981)’den uyarlanarak
Şekil 19.8’de gösterilmiştir.
(19.2) nolu denklemin türevi ΔP’ye göre alındığında ,ΔP = Δπ/2 olduğu
durumda W maksimum (Wmax)’a ulaşmaktadır. Bu değer (19.2) nolu
denklemde ΔP yerine koyulduğunda denklem 19.3 elde edilmektedir:
1343
𝑊𝑚𝑎𝑥 = 𝐴(𝛥𝜋)2
4 (19.3)
PRO bölgesi (ΔP < Δπ) ve Wmax Şekil 19.8’de gösterilmektedir. Şekil
19.8’de ayrıca, ileri osmoz (İO) ( ΔP = 0), akı geri dönüş noktası (ΔP =
Δπ) ve ters osmoz (ΔP > Δπ) noktası gösterilmektedir.
Şekil 19.8 ΔP uygulanan basınç fonksiyonuna bağlı olarak Akı (Jw) ve
güç yoğunluğu (W) (Lee ve diğ., 1981)
Lee ve diğ. (1981), membran ara yüzeyi civarında oluşan ve osmotik
basınç farkına önemli ölçüde etki eden konsantrasyon polarizasyonu
olayı üzerine çalışmalarda bulunmuştur. Suyun membrandan geçişi
neticesinde besleme ve süzüntü tarafındaki seyreltik çözeltiler
membran yüzeyinde katıların birikimine neden olmaktadır. Çünkü,
PRO’da kullanılan membranlar genel olarak asimetrik membranlar olup
konsantrasyon polarizasyonu dış taraftan (yoğun tabaka) ve destek
tabaka tarafından etki etmektedir (Şekil 19.9). Hem iç ve hem de dış
taraftan etkili konsantrasyon polarizasyonu, membranda efektif osmotik
basıncı azaltmaktadır. Ancak, içsel konsantrasyon polarizasyonu Achilli
ve Childress (2010) tarafından yapılan yeni bir çalışma sonucunda
düşünüldüğünden daha büyük etkiye sahip olduğunu ortaya
koymaktadır. Dıştan etkili konsantrasyon polarizasyonunu dikkate
1344
almadan Lee ve diğ. tarafından içsel konsantrasyon polarizasyonu
üzerinde etkili PRO uygulamaları için su akısı modeli geliştirilmiştir
(denklem 19.4) (Achilli ve Childress, 2010).
Şekil 19.9 Basınç geciktirmeli osmoz (PRO)’da konsantrasyon
polarizasyonu ve ters tuz akısı (𝐶𝐷,𝑏 ve 𝐶𝐹,𝑏sırasıyla çekme çözeltisi ve
besleme çözeltilerinin konsantrasyonlarını göstermektedir. 𝐶𝐷,𝑚 aktif
tabaka yüzeyindeki konsantrasyon ve 𝐶𝐹,𝑚 ise aktif tabaka ve destek
tabakası arasındaki konsantrasyondur) (Kim ve diğ., 2015)
Jw = A [𝜋𝐷
1−𝐶𝐹𝐶𝐷
𝑒𝑥𝑝(𝐽𝑊𝐾)
1+𝐵
𝐽𝑊[𝑒𝑥𝑝(𝐽𝑊𝐾)−1]
− ∆𝑃] (19.4)
Burada:
1345
πD : Çekme çözelti tarafındaki osmotik basıncı
(Örneğin deniz suyu)
CF : Besleme çözeltisi tarafındaki tuz konsantrasyonunu
(Örneğin tatlı su)
CD : Çekme çözeltisi tarafındaki tuz konsantrasyonunu
B : Membrandaki tuz permeabilite katsayısını
göstermektedir.
Gözenekli destek tabakasındaki çözelti difüzyon çözelti direnci (K)
denklem 19.5’de olduğu gibi tanımlanmıştır:
K=𝑡𝜏
𝐷𝜀 (19.5)
Destek tabakasında t, τ, ve ε sırasıyla kalınlığı, kıvrımlılığı (turtousity)
ve poroziteyi, D ise çekme çözeltisi tarafındaki difüyon kaysayısını
tanımlamaktadır. tτ/ ε terimi genellikle membran yapısal parametresi
olan (S) ile tanımlanmaktadır. K ise su akısına içsel konsantrasyon
polarizasyonu etkisinin belirlenmesinde kullanılmaktadır. Denklem 19.4
yerine, denklem 19.2 koyulduğunda, güç yoğunluğu denklemi 19.6’daki
gibi elde edilmektedir:
W = JwΔP = A[𝜋𝐷
1−𝐶𝐹𝐶𝐷
𝑒𝑥𝑝(𝐽𝑊𝐾)
1+𝐵
𝐽𝑊[𝑒𝑥𝑝(𝐽𝑊𝐾)−1]
− ∆𝑃] ∆𝑃 (19.6)
Loeb ve diğ. (1990) yılında çok sayıda PRO tesis tertip tarzları için
karşılaştırmalı mekanik etkinlik çalışması yürütmüştür. Yapılan
karşılaştırmalı mekanik etkinlik araştırması sonucunda alternatif akımlı
PRO tesisinin daha yüksek enerji etkinliğine sahip olduğu ancak, yaygın
kullanılan PRO ekipmanlarına nazaran ek olarak iki adet basınç tankı
ihtiyacı olduğu belirtilmiştir (Achilli ve Childress, 2010). Aynı yıl
içerisinde (Reali ve diğ., 1990) tarafından gözenekli destek tabakası
olarak anizotropik membranlar PRO şartları altında nümerik teknikler
kullanılarak tuz konsantrasyonu profilleri hesaplanmıştır. Bu çalışma
1346
membran karakteristiğinin (su geçirgenlik katsayısı (A), tuz geçirgenlik
katsayısı (B), destek tabakası kalınlığı (t), ve efektif tuz difüzyonu (D)),
membrandaki su ve tuz geçirgenliğine etkisini dikkat çekmiştir.
2000’li yıllarda (Loeb, 2001; Loeb, 2002) tarafından Great Salt Lake’te
PRO uygulamasının bölgede uygulanabilirlik araştırması yapılmıştır ve
elektrik enerjisinin 0.15 USD/kWh olarak üretilebileceği bulunmuştur.
2002 yılında Loeb orijinal olarak ters osmoz uygulamalarında
kullanılmak üzere geliştirilen basınç değiştiricilerin PRO sistemleri için
etkinliğini anlatan bir makale yayınlamıştır. Basınç değiştiricileri PRO
tesis tasarımında çok büyük önem arz eden parazitik güç tüketimini
önemli ölçüde azaltmaktadır. Aynı tertip tarzı Norveç Ulusal Enerji
şirketi (Statkraft) tarafından ilk prototip inşasında kullanılmıştır
(Skilhagen ve diğ., 2008).
Birçok araştırma grupları yakın zamandaki PRO tarihinde yerlerini
almıştır. Statkraft ve Foundation for Scientific and Industrial Research at
the Norwegian Institute of Technology (SINTEF), PRO‘nun bölgesel ve
küresel potansiyeline dikkat çekmek üzere iki adet yayın yapmıştır
(Aaberg, 2003; Thorsen ve Holt, 2005). Bu çalışma 2010 yıllarına doğru
gelindiğinde PRO’nun gelişmesi açısından daha kayda değer çalışmalar
yapılması konusunda öncü olmuştur. Aynı zamanda, (Seppälä ve Assad,
2003; Seppälä ve Lampinen, 1999) tarafından modellemeden deneylere
ve sistem tertip tarzları kadar çeşitli çalışmalar yayınlanmıştır. Seppälä
ve Lampinen (1999) içsel konsantrasyon polarizasyonu teorisinin
osmotik ve hidrostatik basınca karşılık su ve katı taşınımıyla doğrusal
olmadığını ortaya çıkarmıştır (Lee ve diğ., 1981; Loeb ve diğ., 1997).
Seppälä ve Lampinen (2004), osmotik membrandan su ve katı geçişini
tanımlamak için iki katsayılı lineer denklemi ortaya atmış ve deneysel
olarak kanıtlamıştır. Günümüzde içsel konsantrasyon polarizasyonunun
osmotik sürücülü membran proseslerde su akısını düşürdüğü yaygın
olarak kabul edilmektedir.
Osmotik ısı motorunun ilk kez patentinin alınmasının üzerinden 30 yıl
geçmiş olmasına rağmen, McGinnes ve diğ. (2007) tarafından bu
1347
konsept yeniden canlandırılmıştır. McGinnes ve diğ. (2007) düşük
maliyetli atık ısıdan düşük kademeli ısı kullanımı fikrini ortaya atmıştır.
McGinnes ve diğ. (2007) tarafından ayrıca amonyum karbondioksit bazlı
yenilikçi bir termolitik çekme çözeltisinin sistemin enerji etkinliğini
artıracağını iddia etmiştir. Yapılan çalışma sonuçları işletme koşullarına
bağlı olarak güç yoğunluğunun 250 W/m2 ulaşabildiği ve ayrıca Carnot
verimine göre %16’lık termal etkinliğe sahip olduğunu ortaya
çıkarmıştır (McGinnes ve diğ., 2007).
2000’li yılların sonlarına gelindiğinde deneysel ve teorik PRO çalışmalar,
Achilli ve diğ. (2009), Lee ve diğ. (1981) tarafından geliştirilen modeli,
dış konsantrasyon polarizasyonunu da ekleyerek daha da genişletmiştir.
Deneysel su akısı ve güç yoğunluğu sonuçları bir düz plaka selüloz
triasetat ileri osmoz (İO) membranı kullanılarak özel tasarlanan bir
sistem içerisinde test edilmiştir.
Model sonuçlarının deneylerle uyumlu olduğu ve güç yoğunluklarının 5
W/m2 değerini aştığı görülmüştür. Güç yoğunluğu değerinin içsel
konsantrasyon polarizasyonu ile birlikte önemli ölçüde azaldığı tespit
edilmiştir. Membran karakteristiklerinin güç yoğunluğu üzerine
etkilerinin değerlendirilebilmesi amacıyla hassasiyet analizleri
yapılmıştır. Eğer geliştirilen bir PRO membranı bir nanofiltrasyon
membranı (düşük tuz akılı) kadar permeabiliteye ve günümüzde
kullanılan membranların 1/10’u kalınlığında olduğu takdirde 30 W/m2
güç yoğunluğuna ulaşılabilmektedir (Achilli ve Childress, 2010).
2000’li yılların sonlarına doğru ayrıca Statkraft ve SINTEF firmaları
ticari olmayan PRO membranları kullanarak yaptıkları deneysel
çalışmaların reklamını yapmaya başlamışlardır (Skilhagen ve diğ., 2008;
Gerstandt ve diğ., 2008). Ayrıca, PRO’yu Norveç enerji piyasasında daha
kar payı yüksek bir hale getirmek amacıyla membranlardaki güç
yoğunluğunun en az 4-6 W/m2 olması gerektiğini savunmuşlardır
(Gerstandt ve diğ., 2008).
1348
19.1.2 PRO Membranlarındaki Gelişmeler
PRO membranlarının ilk aşamasında PRO proseslerine uygun
membranlar olmamasından kaynaklı olarak ters osmoz (RO)
membranları kullanılmıştır. Yine de, RO membranları kalın destek
tabakası nedeniyle PRO prosesleri için uygun değildir. Çünkü yoğun
biçimde içsel konsantrasyon polarizasyonuna maruz kalmaktadır (Lee
ve diğ., 1981). 2000’li yıllarda membran teknolojisindeki hızlı
gelişmelerin ardından tuzluluk gradyan enerjisi (SGE)’ne odaklanılmış
ve PRO için özel tasarlanmış membranların üretimi aktif bir şekilde
gerçekleştirilmiştir. PRO membranlarındaki son gelişmeler düz-plaka ve
içi boşluklu fiber membranlar olmaküzere iki farklı tertip tarzı ile
incelenebilir (Kim ve diğ., 2015).
19.1.2.1 Düz-Plaka Membranlar
PRO uygulamalarını yansıtan, yüksek tuz tutunumu ve yüksek su
geçirgenliği, PRO membranlarındaki gelişmelerin kilit parametreleridir.
2000’li yılların başlarına kadar, düz tabaka membranlar üzerinde
yapılan araştırmalar ağırlıklı olarak iki malzemeye odaklanmıştır.
Bunlar, 1960’larda Loeb tarafından geliştirilen selüloz asetat (CA)
membranları ve Hydration Technology Innovation (HTI) tarafından
geliştirilen Selüloz Triasetat membralarıdır. 2010 yılının başından
itibaren ise ince film kompozit (TFC) tabakadan (bir poliamid (PA) aktif
katman ve oldukça gözenekli destek tabakasından) oluşan düz-plaka
membranlar ve CTA membranlar üzerinde yoğun bir şekilde
çalışılmıştır. CTA ticari membrana kıyasla PRO performansı üzerindeki
üstünlüklerinden dolayı aktif olarak geliştirilmektedir. CTA
membranlarına kıyasla TFC membranları, ince film PA seçici
katmanlarından dolayı nispeten daha yüksek tuz tutma oranına sahip
olurken, buna karşılık daha düşük bir içsel konsantrasyon polarizasyonu
(ICP)’na sahiptirler ve bu da destek tabakasında daha yüksek gözeneklik
nedeniyle daha yüksek su akısına imkan vermektedir (Yip ve diğ., 2011;
Han ve diğ., 2013; Zhang ve diğ., 2013; Cui ve diğ., 2014; Song ve diğ.,
1349
2013; Bui ve McCutcheon, 2014; Tian ve diğ., 2015; Kim ve diğ., 2015).
Tablo 19.1’de düz-plaka membranların özellikleri verilmiştir.
19.1.2.2 İnce Boşluklu Fiber Membranlar
İnce boşluklu fiber membranlar yüksek paketleme yoğunluğu, düşük
ayak izi ve ölçeklendirme kolaylığı nedeniyle gerçek uygulamalar
açısından düz-plaka membranlara kıyasla daha cazip görülmektedir
(Chou ve diğ.., 2012). Bununla birlikte, düz-plaka membranlardan farklı
olarak ince film kompozit içi boşluklu membranlar, bir kumaş desteği
olmaksızın dayanabilecek yüksek bir mekanik mukavemet
gerektirmektedir. Bu membranlar, PRO prosesleri için daha da
geliştirilmiş ve optimize edilmelidir. PRO uygulamaları için özel
tasarlanmış içi boşluklu fiberlerin üretimi, 2012 yılında Singapur’daki
araştırma ekipleri tarafından gerçekleştirilmiştir. PRO içi boşluklu fiber
membranlarındaki önemli çalışmalar Tablo 19.2’de gösterilmiştir (Kim
ve diğ.., 2015).
19.1.3. PRO’nun Kısıtları ve Tavsiye Edilen Çözümler
Son yüzyıldan itibaren, nanomalzemeler teknolojik ve endüstriyel
gelişme üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Çevresel uygulamalarda ve
özellikle su arıtma proseslerinde önemli yenilikler getirilmiştir. Deniz
suyunun tuzsuzlaştırılması ve tuzluluk gradyanından enerji üretimi
sürdürülebilir bir kaynak olarak görülmektedir (Logan ve Elimelech,
2012, Tamburini ve diğ., 2016). Bu yenilenebilir enerji, membran
işlemlerine dayalı uygun bir teknoloji ile mevcut elektrik akımına
dönüştürülebilir (Tamburini ve diğ., 2015). Basınç geciktirmeli
osmoz’da düşük tuzluluğa sahip besleme çözeltisinden gelen su bir
osmotik membrandan basınçlı bir yüksek tuzluluğa sahip çekme
çözeltisine nüfuz eder ve böylece doğal olarak basınçlı akışın basınç
enerjisini artırmaktadır (Bir hidro türbin içerisinde elektrik akımına
dönüştürülebilir) (Achilli ve Childress, 2010).
1350
Tablo 19.1 PRO Düz-Plaka membranlardaki gelişmeler (Kim ve diğ., 2015)
Adı
Malzeme
Aktif/ Destek
Tabakası
Çekme
Çözeltisi
Besleme
Çözeltisi Basınç (Bar)
Güç Yoğunluğu
(W/m2)
PA-PSf TFC PA/PSf düz-
plaka 0,5 M NaCl 40 mM NaCl 12 10,0
PA-PI TFC PA/PI düz-plaka 1,0 M NaCl Deiyonize Su 15 12
PAN-TFC PA/PDA kaplı
PAN düz-plaka 3,5 wt % NaCl Deiyonize Su 10 2,6
TFC-PRO Modifiye PA ile
SDS/PI düz-
plaka
1,0 M NaCl Deiyonize Su 22 18,09
TNC-PRO PA/modifiye
PAN nanofiber
1,06 M NaCl
(Deniz suyu
konsantresi)
80 mM NaCl
(Sentetik Kuyu
Suyu)
15,2 15,2
TNC-PRO PA/modifiye
PAN
nanofiber
1,06 M NaCl
(Deniz suyu
konsantresi)
0,9 mM NaCl
(Sentetik Nehir
Suyu)
15,2 21,3
PAN-mTFC (RO
yapıda)
PA/PAN
nanofiber 0,5 M NaCl Deiyonize Su 10,3 8
PAN-pTFC
(NF-yapıda)
PA/PAN
nanofiber 0,5 M NaCl Deiyonize Su 8,6 6,2
1351
Tablo 19.1 (Devamı) PRO Düz-Plaka membranlardaki gelişmeler (Kim ve diğ., 2015)
Adı
Malzeme
Aktif/ Destek
Tabakası
Çekme
Çözeltisi
Besleme
Çözeltisi Basınç (Bar)
Güç Yoğunluğu
(W/m2)
TFC-PRO PA/CNTs-PEI
Kompozit
nanofiber
1,0 M NaCl Deiyonize Su 16,9 17,3
TFN-PRO PA/CNTs-PES 0,5 M NaCl Deiyonize Su 6 1,65
PSf: polisülfon, CNTs: Karbon nanotüpler; PI: P84 kopoliamit (Matrimid®5218), PDA: Polydopami, SDS: Sodyum dodesil sülfat
1352
Tablo 19.2 PRO içi boşluklu fiber membranlarındaki önemli çalışmalar (Kim ve diğ., 2015)
Adı
Malzeme
Aktif/Destek
Tabakası
Seçici
Tabaka
Çekme
Çözeltisi
Besleme
Çözeltisi
Basınç
(Bar)
Güç
Yoğunluğu
(W/m2)
Referans
PES-
TFC
PA/PES Lümen
tarafı
1,0 M NaCl 10 mM NaCl 8,4 11,0 Chou ve diğ.,
(2012)
PES-
TFC
PA/PES Lümen
tarafı
1,0 M NaCl 40 mM NaCl
(Atıksu
Konsantresi)
9,0 10,6 Chou ve diğ.,
(2012)
TFC-
PEI
PA/PEI Lümen
tarafı
1,0 M NaCl 10 mM NaCl 15,1 20,9 Chou ve diğ.,
(2013)
TFC-
PEI
PA/PEI Lümen
tarafı
1,0 M NaCl 10 mM NaCl 15,1 18,7 Chou ve diğ.,
(2013)
PBI-
PAN
PBI-POSS/
PAN
Dış taraf 1,0 M NaCl 10 mM NaCl 7,0 2,5 Fu ve diğ.,
(2013)
TFC-PI PA/PI Dış taraf 1,0 M NaCl Deiyonize Su 20,0 7,6 (=13.7
(1))
Sun ve diğ.,
(2013)
TFC-PI PA/PI Lümen
tarafı
1,0 M NaCl 10 mM NaCl 15,0 14,4 Han ve Chung.,
(2014)
TFC-PI PA/PI Lümen
tarafı
1,0 M NaCl 40 mM NaCl 15,0 10,6 Han ve Chung,
(2014)
1353
Tablo 19.2 (Devamı) PRO içi boşluklu fiber membranlarındaki önemli çalışmalar (Kim ve diğ., 2015)
Adı
Malzeme
Aktif/Destek
Tabakası
Seçici
Tabaka
Çekme
Çözeltisi
Besleme
Çözeltisi
Basınç
(Bar)
Güç
Yoğunluğu
(W/m2)
Referans
FC-PI PA/PI Lümen
tarafı
1,0 M
Na-Fe-Ca
Deiyonize
Su
12,0 16,2 Han ve
Chung,
(2014)
TFC-P84 PA/P84 Lümen
tarafı
1,0 M NaCl Deiyonize
Su
21,0 12,0 Ingole ve
diğ., (2014)
PDA-TFC PA/PDA-PES Dış taraf 0,6 M NaCl Deiyonize
Su
7,0 3,0 Ingole ve
diğ., (2014)
PDA-TFC PA-TBP/
PDA-PES
Dış taraf 0,6 M NaCl Deiyonize
Su
8,0 3,9 Ingole ve
diğ., (2014)
PES-TFC PA/PES Lümen
tarafı
1,0 M NaCl Deiyonize
Su
20,0 24,3 Zhang ve
diğ., (2014)
PES-TFC PA/PES Dış taraf 0,6 M NaCl Deiyonize
Su
6,0 1,6 Ingole ve
diğ., (2014)
PSf: polisülfon, CNTs: Karbon nanotüpler; PI: P84 kopoliamit(Matrimid®5218), PDA: Polydopamin, SDS: Sodyum dodesil
sülfat; (1) İçi boşluklu fiberdeki güç yoğunlukları iç seçici tabakayı (lümen tarafı) göstermektedir.
1354
Basınç sürücülü prosesler gibi PRO’da konsantrasyon polarizasyonu,
ters tuz akısı, ve diğer faktörlerden dolayı su akısında ve membran
dayanımında düşüş meydana gelmektedir.
19.1.3.1. Membran Tıkanması
Membran tıkanması, askıda ve kolloidal maddelerin ya da biyolojik
büyüme (biyotıkanma) nedeniyle konvektif ve difüzif taşınmaya neden
olmaktadır. Meydana gelen tıkanma tabakası toplam kütle transfer
direncini artırarak, performansın önemli ölçüde düşmesine neden
olmaktadır. Buna ek olarak, membran tıkanması membranda basınç
kayıplarına neden olurken, giderim verimini düşürmektedir (Fritzmann
ve diğ., 2007).
PRO membranların tıkanması üzerine ilk çalışma (She ve diğ., 2013)
tarafından yapılmıştır. Araştırmalara göre, iki değerlikli tuz iyonları
membran tıkanmasında önemli rol oynamaktadır. Aslında, kalsiyum
(Ca) ve mağnezyum (Mg)’un çekme çözeltisi tarafından besleme tarafına
difüzyonu tıkanmayı artırmaktadır. Çünkü bu iyonlar organik
tıkayıcılarla reaksiyona girerek tıkanmayı artırmaktadır. Çekme
çözeltisi konsantrasyonu tuz difüzyonunun artmasına neden
olduğundan, membran tıkanması meydana gelmektedir. Bu bağlamda
(She ve diğ., 2013) tarafından belirtilen ters osmoz’daki “kritik akı”
kavramı PRO için de “kritik çekme çözeltisi konsantrasyonu” olarak
kullanılabilmektedir.
Thelin ve diğ. (2013) tarafından yapılan bir çalışmada, doğal organik
madde birikmeye karşılık akı düşmüş ve tatlı sudaki doğal organik
madde konsantrasyonundan bağımsız hale gelmiştir. Ayrıca, birikmiş
doğal organik madde yüklemesinin bir fonksiyonu olarak akının düşme
hızının membran tipine bağlı olduğu belirtilmiştir. İyonik şiddetin
tıkanma üzerine etkileri olmasına rağmen, farklı tipteki membranlar için
tıkanma rejimi farklılıkları üzerine iyonik şiddetin etkisi tam olarak
açıklanamamaktadır (Touati ve Tadeo, 2017).
1355
Thelin ve diğ. (2013) tarafından PRO membranlarının karakteristikleri
ile doğal organik madde ile tıkanma eğilimi arasında güçlü bir
korelasyon olduğu bildirilmektedir. Bu problemin giderilmesi amacıyla
araştırmacılar besleme çözeltisi ön arıtımındaki tıkanma potansiyelinin
azaltılması, membran tıkanmasının önüne geçilebilmesi amacıyla
yapısal özelliklerin geliştirilmesi üzerine çalışmalarda
bulunmaktadırlar. Bu çalışmalara ek olarak, besleme çözeltisi tarafına
geçiş isteğinin azaltılması, tıkanmanın önüne geçmek için geri ve
kimyasal yıkamayı geliştirmek gibi çalışmalarda yapılmaktadır. Bunu
açıklayan şema Şekil 19.10’de gösterilmiştir (Touati ve Tadeo, 2017).
Şekil 19.10 PRO membranı yüzeyindeki doğal organik madde
tarafından oluşturulan kek tabakası (Touati ve Tadeo, 2017a)
Yip ve Elimelech (2013) tarafından yapılan bir çalışmada ise doğal
organik maddeler (DOM)’in PRO membranlarındaki tıkanma ve geri
yıkama performanslarına etkilerini araştırmıştır. Çalışma sonucunda
DOM’in gözenekli tabakadan geçerek aktif-tabaka arayüzeyinde
tıkanmalara neden olduğuna kanaat getirilmiştir. Burada, iki kek
tabakası oluşabilmektedir. Bunlar, destek tabakası yüzeyinde ve aktif-
gözenekli arayüzeydedir. Sonuçlar incelendiğinde DOM’in
1356
membranların hidrolik dirençlerinde çok fazla artışa neden olduğu ve
bu artışın PRO membranlarındaki su geçirgenliğinde büyük düşüşlere
neden olduğu görülmüştür. Geri yıkama çalışmalarına bakıldığında ise
aktif-gözenekli tabakası üzerinde biriken DOM’ler tamamen
temizlenebildiği için başlangıç membranına kıyasla bir kısım geçirgenlik
geri kazanılabilmektedir. Bu ifadenin şematik gösterimi Şekil 19.11’da
gösterilmiştir (Touati ve Tadeo, 2017).
Şekil 19.11 PRO membranı yüzeyindeki doğal organik madde
tarafından oluşturulan kek tabakası (Touati ve Tadeo, 2017a)
19.1.3.2 Membranlarda Çökelme
Membranlarda çökelme, besleme çözeltisi tarafındaki inorganik
bileşiklerin aşırı doygunluğu sonucunda meydana gelmektedir. Tuzların
aşırı doygunluğu membran yüzeyinde çökelmelere neden olmakta ve
membrandan kütle transferini engelleyen ince bir tabaka
oluşturmaktadır (Fritzmann ve diğ., 2007). PRO membranlarındaki
çökelmeler günümüzde tam anlamıyla detaylı çalışmalara sahip
değillerdir. Zhang ve diğ. (2014) tarafından yapılan bir çalışmada PRO
membranlarındaki basınç azalması üzerine, membranda çökelmeyi
incelemiştir. Yapılan çalışma sonucunda membran çökelmesinde
başlatıcı iyonların (Örneğin Ca2+ ve SO42-) çökelme oluşumunu
tetiklediği ve bunun sonucunda da çekme çözeltisi tarafındaki iyonların
1357
besleme çözeltisi tarafına taşınımı ile ters tuz akısı meydana
gelmektedir. Bunun sonucu olarak artan işletme basınçları ters tuz
difüzyonunda artışa neden olduğundan çökelme riski artış
göstermektedir. Zhang ve diğ. (2014) tarafından yapılan çalışmada
gözenekli tabakada çökelme meydana geldiğinde, bu tıkanma besleme
tabakasından ya da çekme çözeltisi difüzyonundan oluşabildiği ortaya
konulmuştur. Eğer, besleme çözeltisi aşırı doymuş ise içsel
konsantrasyona ek olarak dışsal çökelme de meydana gelmektedir. Buna
çözüm olarak araştırmacılar, membran yerleşiminin aktif tabakanın
besleme çözeltisi tarafında olmasının çökelme başlatıcılarının
konsantrasyonunu düşürebildiğini belirtmektedirler. Bununla birlikte,
güç yoğunluğunun ve toplam performansın nasıl etkileneceği hakkında
kesin bir sonuç bulunmamaktadır. Buna ek olarak, ters tuz
difüzyonunun kontrolünde PRO membranlarının gösterebildiği iyi
mekanik dayanım çökelme riskini artıracaktır (Touati ve Tadeo, 2017).
19.1.3.3 Konsantrasyon Polarizasyonu
Daha önce de bahsedildiği üzere, PRO proseslerindeki konsantrasyon
polarizasyonu performans üzerine çok büyük etkiye sahiptir. Su akısı ve
güç yoğunluğunun üzerine etkilerin araştırılması hakkında çok sayıda
çalışma mevcuttur. Bu çalışmalar sonucunda konsantrasyon
polarizasyonunun hidrodinamiklere, membran yerleşimine, membran
tasarımına ve işletme şartlarına (sıcaklık, basınç, çözelti
konsantrasyonları, çözelti kompozisyonu vb.) bağlı olduğu bildirilmiştir.
İçsel konsantrasyon polarizasyonu (ICP) genellikle, dışsal
konsantrasyon polarizasyonu (ECP)’dan daha şiddetlidir. İçsel
konsantrasyon polarizasyonunun etkisinin azaltılabilmesi için mümkün
olduğunca ince destek tabakasına sahip membranlar üretilmelidir.
Dışsal konsantrasyon polarizasyonunun etkisi çapraz-akış hızının ve
işletme sıcaklığının artırılması ile çözülebilmektedir (Touati ve Tadeo,
2017).
1358
19.1.3.4. Membran Deformasyonu
PRO proseslerindeki performans kayıplarının en önemli nedenleri
hidrolik basınç kaynaklı membran deformasyonlarıdır. Membran
deformasyonları üzerine yapılan bazı çalışmalar, yüksek basınçlar
altında bazı membranlardaki çökmeleri ortaya çıkarmaktadır (She ve
diğ., 2012). Büyük açılım boyutuna sahip boşluk oluşturucu malzemeler
kullanılarak, membran deformasyonları azaltılabilir (Touati ve Tadeo,
2017).
19.1.4. PRO’nun Enerji Maliyeti
Teorik olarak PRO okyanuslardan elde edilen enerjilerin değişik
formlarıyla kıyaslanabilecek bir yenilenebilen enerji kaynağıdır.
Tuzluluk gradyan enerjisi (SGE) okyanus kaynaklı enerjilere (gel-git
enerjisine) benzer bir enerji kaynağıdır (Skilhagen, 2012). Aslında,
yeterli sabit besleme ve çekme çözeltisinin sürekli sağlanabilmesi
durumunda osmotik enerji tesisleri yıllık 8000 saatten fazla kesintisiz
olarak çalıştırılabilmektedir (24 st/gün, 7 gün/hafta) (Sharif ve diğ.,
2014). Deneysel sonuçlar olarak ise laboratuvar ölçeğinde iyi
performans gösteren bir teknik olduğu görülmektedir. Ancak, tam
ölçekli PRO enerji santrallerinin maliyet perspektifi tam olarak netliğe
ulaşmış değildir. Bunun nedeni tahmini maliyetlerin hesaplanabilmesi
açısından büyük tesislerin olmamasıdır. Bu nedenle, maliyet
projeksiyonları mevcut bilgilere ve anahtar teknolojilerdeki gelişmeler
üzerine tahminlerle yapılabilmektedir. Anahtar bileşenler
membranların yatırım, işletme ve bakım maliyetleri (proje süresinde
membranların yenilenmesini de içermektedir), ön arıtmalar ve suyun
pompalanmasıdır. PRO membranlarının ticari maliyetleri diğer
membranlardan üç kat daha fazla olduğundan dolayı membranların
toplam yatırım maliyetinin %30’u olduğu tahmin edilmektedir
(Kempener ve Neumann, 2014). Diğer bir çalışmada ise giriş ve çıkış
yapılarının, ön arıtma tesislerinin ve membranların tamamının toplam
1359
maliyetin %75’ine denk geldiğini ortaya koymuştur (Touati ve Tadeo,
2017; Linares ve diğ., 2014).
Günümüzde membranların ticari değeri yüksek olduğundan, PRO
prosesinin ömrü bundan etkilenmektedir. Membranların fiyatlarının
yanında, performanslarının ve dayanıklılığının da dikkate alınması
gerekmektedir. Bu proses için düşük dayanıklılığa ve performansa sahip
ucuz membranlar kazanç sağlamayacaktır. Achilli ve Childress (2010),
membranlardaki dayanımın 10 yıl mertebesine ulaştırılabilmesi halinde,
1 yıl dayanım gösteren membranlardan 10 katı katar daha fazla kar elde
edilebileceğini göstermiştir (Touati ve Tadeo, 2017).
Enerji üretimini etkileyen diğer bir önemli faktör ise enerji tesisi
kapasitesidir. Kleiterp 25 MW ve 200 MW kapasitelere sahip
Hollanda’da bulunan iki tesisin 2.4 W/m2 enerji yoğunluğuna sahip
membranların kullanıldığı durumdaki yatırım ve enerji maliyetlerini
analiz incelemiştir. İncelemeler sonucunda, 25 MW Tuzluluk Gradyan
Enerji’sine sahip tesisin birim enerjisi 1.21 $/kWh iken, 200 MW
Tuzluluk Gradyan Enerji’sine sahip tesisin 1.0 $/kWh olduğu sonucuna
ulaşmıştır (Kleiterp, 2012).
Yapılan birçok çalışmada enerji üretiminin doğal kaynaklardan
etkilendiğini ortaya koymaktadır. Örneğin, Tanioka ve diğ. (2012)
tarafından yapılan bir çalışmada tatlı suyu kullanılması ya da konsantre
tuzlu su kullanılması halinde 0.16 € /kWh, Dinger ve diğ. (2012)
tarafından yapılan çalışmada ise tatlı su ve deniz suyu kullanılması
halinde 0.18 $/kWh bir maliyet ortaya çıkmıştır (Touati ve Tadeo,
2017).
19.1.5. Pilot Ölçekli PRO Çalışmaları
Önceki bölümlerde de bahsedildiği üzere ters osmoz teknolojisi dünya
çapında sürdürülebilir enerji kaynağı sağlamak ve su kıtlıklarını çözmek
adına yaygın olarak kullanılmaktadır. Şekil 19.12’ye bakıldığında en
1360
büyük kapasiteli 20 ters osmoz tesisinin kapasitesi görülmektedir.
Burada değinilmesi gereken konu ise ters osmoz teknolojisinin belirgin
bir eğilim göstererek artış sağlamasıdır. Teknolojik gelişmelerin artış
göstermesiyle birlikte 2000’li yıllardan sonraki pilot ölçekli denemeleri
son yıllarda daha da büyüyerek günde 100.000 m3 su üretme
kapasitesine sahip arıtma tesislerine ulaşmıştır. Ancak, bununla birlikte
artan su problemleri neticesinde 1.000.000 m3/gün’den daha büyük
tesislere yakın gelecekte ihtiyaç duyulacaktır. Küçük tesislere kıyasla
mega tesislerdeki optimum tasarım ve ünitelerin efektif seçilmesi büyük
farklar oluşturmaktadır (Kurihara ve Hanakawa, 2013; Kurihara ve diğ.,
2015; Kishizawa, 2015). Bu kapsamda yapılan çalışmalardan biri olan
FIRST (Funding Program for World-Leading Innovative R&D on Science
and Technology) programı kapsamında Japonya’da 2010 yılında “Mega-
ton Water System” adlı bir proje başlatılmıştır.
Şekil 19.12 Deniz suyu ters osmoz ve atıksu geri kazanımı ters osmoz
tesisleri (Kurihara ve diğ., 2016)
1361
Bu projenin amacı mega tesislerin ihtiyacı olan doğa dostu ön arıtma,
düşük basınçlı çok kademeli ters osmoz sistemleri, düşük basınçlı deniz
suyu ters osmoz (SWRO) membranları, yüksek verimlilikte enerji geri
kazanım cihazı (ERD), yüksek basınca dayanıklı reçine borulardır
(Kurihara ve diğ., 2016). Burada, sadece düşük basınçlı deniz suyu ters
osmoz (SWRO) membranlardan bahsedilecektir.
Deniz suyu ters osmoz (SWRO) sistemleri daha düşük maliyet ve enerji
gereksinimi gösterdiği için su kıtlığını çözmek için gelecek vadeden
proseslerdir. Ancak, SWRO tesislerinden deşarj edilen konsantre
tuzluluk bazen çevresel problemlere neden olabilmektedir. Özellikle
mega boyutlu SWRO tesisleri daha düşük maliyetlere ve enerji
tüketimlerine sahiptirler. “Mega-ton Water System” projesinde PRO,
konsantre tuzluluk ile tatlı suyun tuzluluk farkından enerji geri kazanımı
üzerine odaklanırken aynı zamanda SWRO konsantresinin meydana
getirdiği çevresel problemleri de çözmektedir. Kyowakiden Industry Co.
Ltd, Japonya firması 2002 yılından bu yana Kyushu Üniversitesi,
Nagasaki Üniversitesi ve Tokyo Institute of Technology ile birlikte
çalışmalar yürütmesi sonucu Fukuoka SWRO Tesisi yakınında
laboratuvar ölçekli membran modüllerinin kullanıldığı bir tesis
kurmuştur. 2007 ile 2009 yılları arasında, NEDO, New Energy ve
Industrial Technology Development Organization tarafından PRO
ihtimalleri değerlendirilmiş ve ticari tipte membranlar kullanılarak ilk
prototip PRO inşa edilmiştir. 2010 yılında ise PRO prototip “Mega-ton
Water Project”e dahil edilmiştir.
Proje kapsamındaki PRO tesis prototipinde, 10-inç modül kullanılarak
maksimum 13,5 W/m2 membran güç yoğunluğuna ulaşılmıştır (Şekil
19.13). Laboratuvar ölçekli denemelerde ise 5-inç modüller kullanılarak
17,1 W/m2 güç yoğunluğuna ulaşılabilmiştir.
1362
Şekil 19.13 PRO akım şeması
19.2. Mikrobiyal Yakıt Hücreleri
Mikrobiyal yakıt hücresi (MYH), elektrik enerjisi üretmek için bakteriyel
metabolizmaların kullanıldığı bir biyoelektrokimyasal reaktördür.
Bakterilerin elektrik üretebilme yeteneg i ilk olarak 1911 yılında Potter
isimli bir bilim adamı tarafından keşfedilmiştir. Fakat bu buluş̧, 1980’li
yıllara kadar düşük enerji üretiminden dolayı dikkat çekmemiştir. MYH
reaktörü, anot ve katot adı verilen iki bölmeden oluşmakta ve bu iki
bölme proton değiştirici membran kullanılarak birbirinden fiziksel
olarak ayrılmaktadır (Şekil 19.14). Anot bölmesinde bulunan
mikroorganizmalar, organik maddeleri oksitleyerek elektron ve
protonları (hidrojen) üretirler. Anot bölmesinde üretilen elektronlar, dış
direnç üzerinden katot bölmesine aktarılır. Hidrojen ise proton
değiştirici membrandan geçerek katot bölmesine ulaşır ve burada nihai
elektron alıcısı (genellikle O2) ile birleşerek suya dönüşmektedir.
Kuvvetli bir elektron alıcısı olan O2’nin varlığı ve pozitif elektrik yükü
oluşturan hidrojenler sayesinde, anottaki elektronlar katoda doğru
çekilmekte ve böylece hat üzerinde bir elektrik akımı oluşmaktadır.
Anot bölmesindeki mikroorganizmalar, organik maddeleri (elektron
1363
verici) oksitleyerek elektron ve hidrojen üretirler. Üretilen elektronların
elektrik enerjisine dönüştürülebilmesi için anot bölmesinde oksijen ve
başka bir elektron alıcı bulunmamalıdır. Tek elektron alıcı olarak anot
elektrotunun bulunması ve anot bölmesinin tamamen anaerobik olması
gerekmektedir. Anot bölmesinde bakteriler, elektrot yüzeyine tutunmuş
halde biyofilm yapısında bulunmaktadır. Anot elektrotu, sistemde
elektron alıcı olarak görev yapmaktadır. Katot elektrotu ise anot
bölmesinde üretilen elektronların katot bölmesine ulaşmasından
sorumludur. Elektronların protonlar ile reaksiyonu için katot bölmesine
verilen oksijen, saf halde veya atmosferik hava şeklindedir.
Şekil 19.14 Mikrobiyal yakıt hücresi çalışma mekanizması (Rabaey ve
Verstaete, 2005)
Anot bölmesinde bulunan mikroorganizmalar uygun şartlar
sağlanmadığı sürece, elektronları doğrudan anot elektrotuna
aktaramazlar. Birçok bakterinin yüzeyinde iletken olmayan lipit
membran bulunduğundan dolayı üretilen elektronların anot elektrotuna
direk olarak transferi engellenmektedir. Böyle durumlarda, bakteriler
tarafından üretilen elektronların anot elektrotuna transferini sağlayan
1364
elektron taşıyıcılar kullanılmalıdır (Davis ve Higson, 2007). 1980’li
yıllarda anot bölmesinde harici elektron taşıyıcılar kullanılarak
MYH’lerde üretilen elektrik miktarının ciddi ölçüde arttırılabileceği
belirlenmiştir. Harici elektron taşıyıcılar, mikroorganizma zarından
elektronları alarak indirgenirler. Daha sonra anot elektrotuna giderek
elektronları bırakır ve tekrar anot sıvısı içerisine dağılırlar. Bu döngü,
mikroorganizmalar ile anot elektrotu arasında elektron transfer hızını
arttırarak elektik üretim verimini yükseltmektedir.
Nötral kırmızı, metilen mavisi, tiyonin ve metil viologen harici elektron
taşıyıcılara o rnek olarak verilebilir. Bazı bakteriler, dog al olarak u retilen
maddeleri ve hatta mikrobiyal yan ürünleri elektron taşıyıcı olarak
kullanabilmektedir. Buna en iyi örnek olarak Pseudomonas bakterisinin
ürettiği piyosiyanin verilebilir. Bunun dışında hümik asit, antrakinon ve
tiyosülfat gibi kimyasallar, bakterilerin kendi metabolizmaları içerisinde
ürettikleri elektronları anot elektrotuna transfer edebilme yeteneğine
sahiptir (Du ve diğ., 2007).
MYH ile elektrik u retimindeki esas gelişme, bazı bakterilerin
elektronları direk olarak anot elektrotuna transfer edebildig inin
keşfedilmesi ile olmuştur (Chaudhuri ve Lovley, 2003). Bu bakteriler,
MYH’lerde kararlı elektrik üretimi sağlayıp yüksek kolombik verime
sahiptir. Bunların en bilinen örnekleri, Geobacter, Shiwanella ve
Pseudomonas’tır. Bu bakteriler, anot yüzeyi üzerinde iyi bir biyofilm
yapısı oluşturarak üretilen elektronları, anot elektrotuna direkt
aktarabilmektedirler. Bu sayede mikroorganizmalar tarafından üretilen
elektronlar, etkin bir şekilde anot yüzeyine iletilerek biyofilm ile anot
arasındaki elektriksel direnci ciddi ölçüde azaltmaktadır.
Literatu rde birçok farklı reakto r tasarımları laboratuvar çalışmalarında
kullanılmıştır (Şekil 19.15). Genellikle en yaygın kullanılan MYH tipi, iki
bo lmeden oluşan H tipi reakto rlerdir. Bu reakto rlerde her iki bo lmeyi
birbirinden ayıran proton değişim membranı kullanılmaktadır.
Kullanılan proton değişim membranları genellikle Nafion® ya da
Ultrex’dir (Min ve diğ., 2005; Rabaey ve diğ., 2003).
1365
MYH’lerde kullanılan membranlar, protonların geçişine izin vermeli,
fakat anot bölmesindeki besin maddesinin katot bölmesine veya katot
bölmesindeki elektron alıcısının (O2 gibi) anot bölmesine geçişine izin
vermemelidir.
Şekil 19.15 Çalışmalarda kullanılan farklı MYH türleri a) Tübüler (Kim
ve diğ., 2009) b) H tipi (Taşkan ve diğ., 2016) c) Plaka şekilli (Min ve
Logan, 2004) d) Küp reaktör (Cheng ve diğ., 2007) e) Tek bölmeli
reaktör (Logan ve diğ., 2007)
Yaygın bir şekilde kullanılan diğer bir MYH tasarımı ise hava katotlu
MYH’lerdir. Hava katotlu MYH’lerde ayrı bir katot bölmesi ve proton
değişim membranı bulunmamaktadır. Bu reaktörlerde katot elektrotu,
sulu katot reaktörlerdeki gibi suda çözünmüş olan oksijenin yerine
atmosferik havanın içermiş olduğu oksijeni kullanmaktadır. Kullanılan
proton değişim membranının yerine ise difüzyon tabakası kullanılarak
hidrojenlerin transferi sağlanmaktadır (Taşkan, 2013).
1366
19.2.1. Mikrobiyal Yakıt Hücrelerinin Çalışma Prensibi
Bir organizmanın enerji ihtiyacını karşılamak için organik moleku lleri
parçalayarak karbon bag ları arasındaki enerjiyi açıg a çıkarma olayı,
solunum olarak tanımlanır. Solunumun organizmadan organizmaya
farklılık gösteren birçok şekli vardır ve hepsi de birçok karmaşık
biyokimyasal reaksiyonlardan meydana gelmektedir. Oksijenli solunum
sırasında yakılacak olan bir organik moleku l, o nce glikolize olur.
Ardından, sitrik asit do ngu su ne aktarılır. Bu iki aşamanın sonunda
organik madde, CO2’ye kadar parçalanır. Ancak bu işlemler için oksijen
kullanılmaz. Gerekli olan oksijen, H2O’dan karşılanır. Bunun sonucunda
sudan ayrılan elektronlar ve hidrojen iyonları (H+), NADH gibi
moleku llerin yardımı ile elektron taşıma sistemine aktarılırlar.
MYH’lerin anot bo lmesinde oksijen olmadıg ından dolayı elektron taşıma
sistemi (ETS)’nin son proteinindeki elektronlar, oksijene aktarılamaz.
Anot ortamında başka bir elektron alıcısı mevcut olmadıg ından dolayı
elektronlar, anot elektrotuna aktarılır. ATP u retimi sırasında hu cre
içerisindeki hidrojenler, hem oksijen olmadıg ı için su oluşumuna
katılamayacak, hem de ETS durdug u için dışarıya taşınamayacaktır.
Bunun sonucu olarak, oksijenli solunumla ATP üretimi duracaktır.
Oksijenli solunum normal olarak meydana geldig inde hu cre dışına
taşınan hidrojen iyonları, hu creden uzaklaşma fırsatı bulamadan,
elektriksel hareket kuvveti ile hu cre içine geçerler. Ancak MYH’lerde bu
durum sınırlandıg ı için hidrojen iyonları, anot sıvısı içerisine dag ılır.
Anot sıvısında yog un bir şekilde bulunan hidrojen iyonları, basit dag ılma
ve elektrik yu ku nedeniyle proton deg iştirici membrandan geçerek katot
bo lmesine ulaşır. Bo ylece katot bo lmesine transfer edilen hidrojenler,
burada oksijenle birleşip suyu oluşturmak isteyecektir. Suyun oluşum
reaksiyonu gereg ince elektronlara ihtiyaç duyulmaktadır. Anot
bo lmesinde bulunan elektronlar, bir dış direnç vasıtası ile kuvvetli bir
elektron alıcısı olan oksijenin bulundug u katot bo lmesine dog ru geçer
ve hidrojen iyonları ile birleşerek H2O’yu oluşturur. Bo ylece oksijenli
solunumun son basamag ı, katot bo lmesinde tamamlanmış olur. Bu
durumda, katot bo lmesine transfer edilen hidrojen iyonları tu ketilerek
yog unlug u du ştu g u için anot bo lmesinden katot bo lmesine hidrojen
1367
iyonu geçişinin su reklilig i sag lanmış olur. Devrenin su reklilig inin
sag lanması ve katot u zerindeki elektronların oksijene aktarılması ile dış
direnç üzerinde sürekli olarak elektron akışı meydana gelmekte ve bu
sayede üretilen elektrik enerjisi kullanılabilir olmaktadır. Yani sistemin
anot bölmesinde organik madde mikroorganizmalar tarafından
parçalanırken, direkt olarak elektrik enerjisi üretilmektedir (Taşkan,
2013).
19.2.2. Mikrobiyal Yakıt Hücrelerinde Atıksu Arıtımı
Günümüzde atıksu arıtma sistemleri, çoğunlukla aktif çamur
proseslerini içerecek şekilde inşa edilmektedir. Aktif çamur
proseslerinde enerji ihtiyacının büyük bir kısmını havalandırma
giderleri oluşturmaktadır. Ayrıca arıtım esnasında oluşan çamurun
bertarafı ve uzaklaştırılması, arıtma tesislerinin enerji ihtiyaçlarını ciddi
ölçüde arttırmaktadır. Buna karşılık MYH sistemlerinde atıksu arıtımı ile
beraber enerji üretimi sağlanabilmektedir. Ayrıca, aktif çamur
sistemlerinin aksine MYH reaktörlerinde çamur oluşumu söz konusu
değildir. Böylece bu sistemlerde, ikinci bir kirletici atık oluşmamaktadır.
Evsel atıksular genellikle 300 mg/lt’den daha düşük BOİ
konsantrasyonuna sahiptir. Bu nedenle evsel atıksular MYH’lerde besin
kaynağı olarak kullanıldıklarında, düşük miktarda enerji üretilmektedir.
MYH’ler, anot bölmesinde anaerobik şartlara sahip olduğundan dolayı
BOİ değeri 2000 mg/lt’yi aşan yüksek konsantrasyonlu (yüksek enerji
yoğunluğuna sahip) atıksuların arıtımını sağlayabilmektedirler. Bu
atıksuların kullanımı ile MYH’lerde üretilen enerji miktarı
arttırılabilmektedir. Birçok farklı atıksu MYH’de elektrik üretimi
amacıyla kullanılmıştır. Faklı atıksular kullanılarak MYH’lerde üretilen
elektrik miktarları ileriki bölümlerde sunulmuştur.
Literatürde sentetik atıksu, evsel atıksu, çöp sızıntı suyu ve hayvan
gübresinin besin maddesi olarak kullanıldığı MYH çalışmalarında,
organik maddelerin farklı oranlarda giderildiği (0,0053-5,57 g-KOİ/lt/g)
1368
tespit edilmiştir (Gude, 2016; Janicek ve diğ., 2014). Bu çalışmaların
birçoğu, düşük hacimli MYH’ler kullanılarak ve kesikli beslemeli olarak
gerçekleştirilmiştir. Küçük ölçekli sistemler ile yapılan çalışmalarda,
sistemin yüksek hidrolik bekleme zamanlarına (HRT) ihtiyaç duyduğu
rapor edilmiştir. Bu şekilde yapılan çalışmalar, büyük ölçekli bir MYH
sisteminin performansını tahmin etmek için uygun değildir. Gerçek
uygulamalarda yüksek HRT değerleri büyük reaktör hacimlerine ihtiyaç
duymakta ve bu durum reaktörlerin kurulum ve işletme maliyetini
arttırmaktadır.
Wang ve diğ. (2013) yaptıkları çalışmada, anaerobik çamurun MYH’de
besin maddesi olarak kullanımı ile 38,1 W/m3 maksimum güç
yoğunluğu elde edilebileceğini rapor etmişlerdir.
19.2.3. Mikrobiyal Yakıt Hücresinin Maliyet Analizi
Literatürde MYH’lerin ekonomik analizinin yapıldığı çok az sayıda
çalışma mevcuttur. Logan (2008) tarafından yapılmış bir hesaplamada,
kişi başına 500 lt/gün atıksuya sahip 100.000 kişilik bir şehirde,
atıksuyun BOİ değerinin 300 mg/lt olduğu ve MYH sistemi kullanılarak
bu atıksudaki organik maddelerin içeriğindeki elektronların tamamının
elektrik enerjisine dönüştürüldüğü (%100 enerji dönüşümü)
varsayılarak bir hesaplama yapılmıştır. Yapılan hesaplamada bir evin
elektrik tüketiminin 1,5 kW olduğu varsayılmış ve şehrin atıksuyu ile
kaç evin elektriğinin karşılanabileceği hesap edilmiştir. Hesaplama
sonucunda, 1700 evin elektrik ihtiyacının bu şehirde oluşan
atıksulardan üretilebilecek elektrik ile karşılanabileceği bulunmuştur.
Yapılan hesaplamada, bir kişiden oluşan atık miktarı ile 25 W elektrik
üretilebileceği belirlenmiştir. Yani dört kişilik bir nüfusa sahip bir evin
atıksuları ile 100 W’lık elektrik üretilebileceği ve bu enerjinin ancak bir
ampulün yanması için gerekli olan enerji miktarı ile aynı olduğu
belirtilmiştir (Logan, 2008).
1369
Tablo 19.3 Farklı atıksular kullanılarak MYH’lerde üretilen enerji miktarları
Atıksu kaynağı MYH tipi Güç yoğunluğu Referans
Sentetik atıksu Çift bölmeli 0,086 (mA/cm2) Mohan ve diğ., (2008)
Evsel atıksu Tek bölmeli 3,7 (W/m3) Liu ve Logan, (2004)
Bira fabrikası atıksuyu Tek bölmeli 0,2 (mA/cm2) Feng ve diğ., (2008)
Peyniraltı suyu Çift bölmeli 42 (mA/m2) Stamatelatou ve diğ., (2010)
Süt endüstrisi atıksuyu Tek bölmeli 25 (mA/m2) Velasquez-Orta ve diğ., (2011)
İçki fabrikası atıksuyu Tek bölmeli 245,3 (mA/m2) Mohanakrishna ve diğ., (2012)
Çiftlik gübresi Tek bölmeli 0,004 (mA/cm2) Scott ve Murano, (2007)
Besin atığı Tek bölmeli 207 (W/m3) Goud ve diğ., (2011)
Hastane atıksuyu Çift bölmeli 14 ± 1 (W/m3) Aelterman ve diğ., (2006)
Çöp sızıntı suyu Tek bölmeli 20,9 (W/m3) Vázquez-Larios ve diğ., (2014)
Palmiye yağı atıksuyu Çift bölmeli 622 (mW/m2) Jong ve diğ., (2011)
Kâğıt endüstrisi atıksuyu Tek bölmeli 125 (mA/m2) Velasquez-Orta ve diğ., (2011)
Arıtma çamuru Tübüler 73 (mA/m2) Yuan ve diğ., (2012)
İlaç endüstrisi atıksuyu Tek bölmeli 177,36 (W/m3) Velvizhi ve Mohan, (2011)
1370
MYH sistemlerinin ekonomisi, aktif çamur gibi konvansiyonel sistemler
ile kıyaslanabilir düzeydedir. Bu sistemlerin laboratuvar ve endüstriyel
ölçekli olarak değerlendirildiği iki farklı durum mevcuttur. İlk olarak,
her iki sistemde üretilebilecek enerji miktarları değerlendirildiğinde,
aktif çamur sistemlerinde herhangi bir enerji kazanımının söz konusu
olmadığı görülmektedir. MYH sistemleri, elektrik üretimi ile işletme
maliyetinin %50’sini karşılayabilecek düzeydedir (Gude, 2016). Ancak,
aktif çamur sistemleri MYH sistemlerine göre oldukça düşük maliyette
inşa edilebilmektedirler (Gude, 2016).
MYH sistemlerinin kurulumunda anot ve katot elektrot malzemelerinin,
maliyetin en önemli kısmını oluşturduğu bilinmektedir. MYH’de yoğun
bir şekilde devam eden elektrot çalışmaları, anot ve katot
malzemelerinin maliyetinin zaman içerisinde azalacağını göstermiştir.
Bu nedenle daha ucuz elektrot malzemelerinin üretimi, MYH
sistemlerinin güç üretim performansını ve ekonomik olarak kurulumun
önündeki engelleri kaldırmak adına oldukça önemlidir. Şu ana kadar,
karbon ve grafit gibi ucuz elektrot malzemeleri, MYH sistemlerinde
yaygın bir şekilde kullanılmıştır. Fakat bu elektrot malzemelerinin
düşük elektrik üretim kapasitesi günümüzde bu malzemelerin
kullanımını oldukça kısıtlamıştır.
MYH sistemlerinin kurulum maliyetini etkileyen diğer önemli bir
parametre ise membran malzemesidir. Kullanılan membranlar, MYH
sistemlerinin kurulum maliyetini etkilemekle birlikte işletme maliyetini
de önemli oranda arttırmaktadır. MYH sisteminin işletimi esnasında
membranda meydana gelen kısıtlamalar nedeni ile MYH reaktörünün
elektrik üretim performansının düşmesi ve kullanılan membranın yenisi
ile değiştirilmesinin gerekliliği, işletme maliyetini ciddi ölçüde
etkilemektedir. Bu durum, proton değişim membranının MYH
sistemlerinde en kritik malzeme olarak nitelendirilmesine neden
olmuştur. Sonuç olarak, şu anki MYH teknolojisi ile üretilebilecek
elektrik miktarı, maliyet açısından büyük ölçekli sistemlerin
kurulumunun ekonomik olmadığını göstermektedir.
1371
Solunum sırasında mikroorganizmalar, du şu k bir redoks potansiyelinde
elektronca zengin olan bir besin maddesinden (substratdan)
elektronları serbest bırakır ve bu elektronları, birçok elektron transfer
kompleksi vasıtasıyla son elektron alıcının indirgendig i hu cre zarına
(membranına) transfer eder. Mikroorganizmalarda protonların hücre
membranına doğru akışından serbest bırakılan enerji, ATP gibi enerji
taşıyıcı moleküllerin tekrar üretilmesi için kullanılır. Bu olayda birbirini
izleyen her bir adım, elektron veren bileşenden daha yüksek bir
potansiyele sahiptir. Elektron transferi sırasında serbest kalan enerji,
bakterinin protonları periplazmanın dışına doğru pompalamasını sağlar.
Böylece proton kuvveti üretilmiş olur, bu kuvvet ATP sentez aktivitesi
sağlar ve ATP oluşumu meydana gelir. Teorik olarak bakteri
bünyesindeki tüm elektronları herhangi bir elektron alıcıya transfer
etmek mümkün değildir. Özellikle hücre içi substrat oksidasyonu
sonucu üretilen elektronlar, stoplazmadan hücre membranı dışına
doğru transfer edilir. Hücre dışındaki ortamlarda elektronlar, son
elektron alıcılara ulaşana kadar sitokromlar ve hücre membranı veya
pili (nanowire) arasında transfer edilir. Bu süreçte üretilen protonlar,
ortama difüze olur ve proton konsatrasyon gradiyenti oluşur.
Proton gradiyenti, elektron verici ve elektron alıcı arasındaki potansiyel
farklılık, süreç içerisinde enerjinin üretimi için kullanılır.
Mikroorganizmaların solunumunda farklı elektron alıcılar kullanılabilir.
Bunlar sırası ile oksijen, nitrat, manganez oksitler ve sülfattır. Ancak
MYH sistemlerinde etkin bir elektrik üretiminin elde edilebilmesi için
anot ortamında herhangi bir elektron alıcının bulunmaması gerekir.
Bo yle bir durumda anot elektrotu elektron alıcı olarak davranarak
elektronları katot elektrotuna iletir ve bo ylece elektrik u retimi
sag lanmış olur. Anot bo lmesinde mikroorganizmalar tarafından u retilen
elektronlar, anot elektrotuna başlıca u ç mekanizma ile aktarılır.
1372
19.2.4. Mikrobiyal Yakıt Hücrelerinde Enerji Transferi
MYH’lerde elektrik üretimi için organik maddelerden serbest bırakılan
elektronların elektrotlara transfer edilmesi, elektrik üretimi için kritik
öneme sahiptir. Anot yüzeyinde mevcut olan biyofilm yapısında birçok
farklı bakteri türü bulunmaktadır. Bu bakteri türlerinin birçoğunun
üretilen elektronu, elektrot yüzeyine transfer etme yeteneği kısıtlıdır.
Anot yüzeyinde bulunan bazı bakteriler, ürettikleri elektronları direk
olarak elektrot yüzeyine transfer edebilme yeteneğine sahiptirler. Bu
tür mikroorganizmalar, ekzoelektrojen mikroorganizmalar olarak
adlandırılırlar. Birçok anaerobik bakteri elektronları, yalnızca hücre
membranından difüze olmuş nitrat (NO3-) ve sülfat (SO42-) gibi
çözünmüş bileşiklere transfer edebilir. Ekzoelektrojen
mikroorganizmalar, bu bakterilerden farklı olarak elektronları direk
olarak hücre dışına transfer edebilme yeteneğine sahiptirler. Bu nedenle
elektrokimyasal olarak aktif biyofilmin oluşması, MYH çalışmalarında
bu yu k bir o neme sahiptir. Anot elektrot yu zeyindeki biyofilmde u retilen
elektronların elektrot yu zeyine transferi birkaç şekilde olabilmektedir.
Pant ve dig . (2010) yaptıkları çalışmada, bir MYH’de gerçekleşebilecek
muhtemel elektron transfer yo ntemlerini basit bir şekilde ifade
etmişlerdir (Şekil 19.16).
19.2.4.1 Direkt Elektron Transferi
Direk elektron transferi, anot elektrotu yüzeyine tutunmuş
mikroorganizmaların hücre membranı yardımı ile elektronları anot
elektrotuna aktarmasıdır. Bu transfer mekanizmasında
mikroorganizmaların anot yüzeyine fiziksel teması zorunludur. Anot
elektrotu yüzeyine tutunmuş mikroorganizmalar, organik maddenin
oksitlenmesi sonucu açıg a çıkan elektronları anot yu zeyine c-tipi
sitokrom taşıyıcı proteinler ile aktarırlar. Hu cre membranı kullanılarak
yapılan elektron transferi Shewanella spp. türünde yaygın bir şekilde
görülmektedir.
1373
Şekil 19.16 Anot elektrotu yüzeyinde meydana gelen elektron transfer
mekanizmaları a) Medyatör vasıtası ile elektron transferi b) Direkt
elektron transferi c) Nanowire aracılığı ile elektron transferi (Schröder,
2007)
19.2.4.2 Nanowire’lar İle Elektron Transferi
Gorby ve diğ. (2005) Geobacter ve Shewanella tu ru bakterilerde pili
adını verdikleri iletken uzantıların varlıg ını tespit etmişlerdir.
Nanowire, elektrokimyasal olarak aktif elektron iletebilen pili
yapılarıdır. Reguera ve diğ. (2005) Geobacter sufurreducens tu ru
bakterilerin sahip oldug u iletken uzantıları keşfetmiş, fakat Shewanella
onedensis türü bakterilerin uzantılarının Geobacter sufurreducens
tu ru nu n sahip oldug u uzantılardan farklı oldug unu belirtmişlerdir.
Geobacter sufurreducens bakterileri tarafından üretilen uzantılar daha
ince yapıdayken, Shewanella onedensis bakterilerinin yapılarının daha
kalın yapıda ve birkaç iletken demet tel şeklinde oldug u go ru lmu ştu r
(Logan, 2008). Hücre membranı ile yapılan direk elektron transferi
Shewanella spp. tu rlerinde go ru lu rken, pili aracılıg ı ile yapılan elektron
transferi ise Geobacter spp. tu rlerinde go ru lmektedir. Pili yapıları
kullanılarak gerçekleşen elektron taşınımında yer alan proteinler, dig er
taşınımlarda yer alan proteinlerden farklıdır. Hu cre membranı ile
yapılan elektron taşınımında mikroorganizma tu rleri anot elektrotu ile
1374
yu zeysel temas halinde iken, pili aracılıg ı ile yapılan elektron
taşınımında mikroorganizmaların anot elektrotuna direk temasları
gerekmemektedir. Çünkü pili yapısı uzundur ve pilinin ucunun anot
elektrotu ile temas etmesi yeterlidir.
Pili yapısı kullanılarak gerçekleşen elektron transferinde rol alan
proteinler, diğer taşınımlarda rol alan proteinlerden farklıdır. Pili
yapısına sahip bakterileri içeren biyofilmin daha yüksek elektrik
üretmesinin sebebi, elektrot yüzeyine uzak olan kısımlardaki
bakterilerin ürettikleri elektronların da anot elektrotuna aktarılmasıdır.
Biyofilmde elektriksel iletken yapıya sahip pili yapıları, biyofilmi ağ
şeklinde sararak üretilen elektronların anot elektrotuna kolay ve etkin
bir şekilde aktarılmasını sağlamaktadır. Bu sayede biyofilmdeki
bakterilerin ürettikleri elektronların kaybı engellenmekte ve
sürdürülebilir bir elektrik üretimi sağlanmaktadır. Şekil 19.17, grafit
çubuk elektrotların kullanıldığı bir MYH’de elektrot yüzeyinde meydana
gelen pili yapısına sahip mikroorganizmaların oluşturduğu biyofilm
yapısını göstermektedir.
Şekil 19.17 a) Grafit çubuk elektrotların kullanıldığı MYH reaktörü b)
Elektrot yüzeyinde pili yapısına sahip mikroorganizmaları içeren
biyofilme ait SEM görüntüsü (Torres ve diğ., 2010)
1375
19.2.4.3. Yapay Mediyatörler İle Elektron Transferi
Mikroorganizmalar tarafından üretilen elektronların anot elektrotuna
aktarımı için kullanılan diğer bir yol ise mediyatör ile elektron
transferidir. Yapay mediyatörler kullanılarak elektronların elektrot
yu zeyine aktarılması, elektron taşınımı olarak da adlandırılmaktadır. Bu
elektron taşıyıcılar, genellikle hu cre içerisindeki elektronları alıp hu cre
membranlarından geçirme yeteneg ine sahiptirler. Mediyato rler,
hu creden indirgenmiş formda çıkar ve elektronları elektrot yüzeyine
iletirler (Lovley, 2006). Mediyatör kullanımı, ürettikleri elektronları
hücre metabolizmasından dışarıya iletemeyen Escherichia coli,
Pseudomonas, ve Bacillus gibi bakteri türleri için önemlidir (Davis ve
Higson, 2007). MYH’lerde gu ç u retimini arttırmak için kullanılan
elektron taşıyıcılara o rnek olarak; tiyonin, benzilviologen, 2,6-
diklorofenolindofenol, 2-hidroksi-1,4-naftokinon, farklı fenazinler,
fenotiyazinler, fenoksazinler, demir şelatlar, metilen mavisi ve no tral
kırmızısı verilebilir. Etkin bir elektron taşınımı sag lamak için
mediyato rlerin aşag ıdaki o zelliklere sahip olmaları gereklidir
(Ieropoulos ve diğ., 2005).
Hücre zarından kolaylıkla geçebilmeli,
Elektron transfer zincirinden elektronları alabilmeli,
Anot sıvısı içerisinde yu ksek ço zu nu rlu g e sahip olmalı,
Biyolojik olarak ayrışmamalı,
Mikroorganizmalar üzerinde toksik olmamalı ve
Maliyeti du şu k olmalıdır.
Yapılan çalışmalarda bazı mikroorganizmaların hu cre dışı elektron
transferini sag lamak için kendi mediyatörlerini üretebildikleri
belirlenmiştir. Shewanella oneidensis tu ru , mediyato r u reterek bu
mekanizmayı kullanabildig i ileri su ru len ilk bakteri tu ru du r (Park ve
Zeikus, 2003). Ayrıca, Geothrix fermentans (Newman ve Kolter, 2000) ve
Pseudomonas tu rlerinin de elektron taşıyıcı medyato rleri u retebildig i
bilinmektedir. Pseudomonas tu rlerinin elektronları anot elektrotuna
1376
transfer eden “piyosiyanin” mediyato ru nu u rettikleri belirlenmiştir
(Rabaey ve Verstraete, 2005).
19.2.5. Proton Değişimli Membranlar (PDM)
Kendine has özelliklerinden dolayı yakıt hücreleri elektrik alanında
geniş bir devrim meydaha getirmenin eşiğinde bulunmaktadır. Tanım
olarak yakıt hücresi, yakıtın yanma olmadan kimyasal enerjisinin
elektrik enerjisine döndüren elektrokimyasal bir aparattır. Bu nedenle,
bir yakıt hücresi sisteminde, yakıtın oksidan ile elektrokimyasal
tepkimesine ilişkin kimyasal enerjisi doğrudan su, elektrik ve ısıya
dönüşür. Yakıt hücrelerinde genellikle H2, metanol, etanol ve benzeri
yakıtlar kullanılmaktadır. Yakıt hücrelerindeki kimyasal reaksiyonlar
aşağıdaki gibi açıklanabilmektedir:
Anot elektrodundaki hidrojen hidrojen iyonuna dönüşerür ve
elektron salınımı yapar.
Bu elektronlar, katoda doğru yabancı devreden geçer ve elektrik
akımı üretirler.
Anodik ve katodik reaksiyonlar PDM yakıt hücrelerinde H2 gazıyla
aşağıdaki gibi gerçekleşmektedir:
Anot elektrot: H2 2H+ + 2e-
Katot elektrot: O2 + 4H+ + 4e- 2H2O
Yukarıdaki iki reaksiyonun kombinasyonundan sonra aşağıdaki genel
reaksiyon değişecektir:
Hücrenin genel reaksiyonu: 2H2 + O2 2H2O
Yakıt hücrelerinin en önemli parçası ve diğer bir deyişle yakıt
hücresinin çekirdeği elektrokatalist ve membranı içeren membran
elektrot yerleşimidir. Bu bölümde elektrik üretimi prosesi
1377
(elektrokimyasal reaksiyon) açıklanacaktır. Membranların elektrotlar
arasındaki rolü, üretilen protonların anottan katota aktarılmasıdır
(Zaidi ve diğ., 2006; Peighambardoust ve diğ., 2010). Mevcut iyonlar
elektrolit membrandan katoda doğru hareket eder ve bu alanda serbest
elektronlarla su ve ısı üretir. PDM yakıt hücresinin ana bölümleri Şekil
19.18’da gösterilmektedir.
Şekil 19.18 PDM yakıt hücresinin şematik gösterimi (Peighambardoust
ve diğ., 2010)
Yakıt hücrelerinin diğer enerji üreten ekipmanlarla karşılaştırıldığında
yüksek performansa sahip olma, hareketli parçalarının olmaması, SOx,
CO2, CO ve benzeri kirletici gaz emisyonları oluşturmaması gibi
üstünlükere sahiptir. Bu üstünlükleri yanında, yakıt hücrelerinin sahip
olduğu tek mahsur, yüksek üretim maliyetleridir. Ancak, bu mahsur,
yenilikçi teknolojilerin uygulanması ve ayrıca, yakıt hücrelerinin seri
üretimiyle çözülebilmektedir.
Yakıt hücreleri genellikle farklı parametreler ile ilişkili olarak işletme
şartları ve yakıt hücresi yapısına bağlı olarak sınıflandırılmaktadır. Yakıt
hücresi sistemleri, yakıt hücresinde kullanılan elektrolitin türü,
1378
reaksiyona gire maddelerin tipi (Örn: Birincil yakıtlar ve oksidanlar),
işletme sıcaklığı ve basıncı, birincil yakıtların yakıt hücresi sisteminde
doğrudan ve dolaylı olarak kullanımı ve son olarak, birincil ve
rejeneratif sistemlerden oluşmaktadır.
Yakıt hücreleri genellikle yakıt hücrelerinde kullanılan elektrolitin
doğasına göre tanımlanır ve sınıflandırılırlar. Yakıt hücreleri aşağıdaki
farklı türleri içerir:
Alkalin çözelti elektrolitli(KOH gibi) alkalin yakıt hücreleri(AFC)
Asidik çözeltili(fosforik asit gibi) fosforik asit yakıt hücreleri
(PAFC)
Katı proton değişim membranı (PEMFC) ve elektrolitleri
Erişim karbonat tuzu elektrolitli erimiş karbonat yakıt hücreleri
(MCFC)
Katı oksit formundaki seramik iyon elektroliti ile katı oksit yakıt
hücreleri (SOFC)
Tablo 19.4’te beş ana yakıt hücresinin işletimi ve temel özellikleri
özetlenmektedir (Xianguo, 2006; Peighambardoust ve diğ., 2010). İyon
değiştirme membranları elektrodiyaliz yoluyla tuzlu suyu tuzdan
arındırmada, iyonik malzemelerin iyonik olmayan malzemelerden
ayırmada, asit ve alkalilerin atık asit ve alkali çözeltilerden difüzyon
diyaliz ile ayırımı ve suyla karışabilen organik çözücülerin
pervaporasyon ile susuzlaştırılması gibi çok çeşitli endüstriyel
proseslerde kullanılmaktadır (Kariduraganavar ve diğ., 2006;
Peighambardoust ve diğ., 2010). Daha önce de bahsedildiği üzere, PDM
yakıt hücreleri katı polimerik elektrolitler kullanılarak proton
transferinde kullanılabilmektedir. Jelimsi polimerik yapılar içeren bu
iyonik polimer elektrolitler sabit pozitif ve negatif yükler taşımaktadır.
Bu polimerler, kuru koşullarda proton transfer etme kabiliyetine sahip
olmayıp, bu özelliğini sadece nemli ortamda içerisindeki su miktarının
artmasıyla iyonik iletkenliğini artırmaktadır.
1379
1970’li yıllarda sülfonatlı politetrafluoroetilen esaslı, kimyasal olarak
stabil bir katyon değişim membranı Dupont tarafından Nafion olarak
geliştirilmiştir. Bu membran klor-alkali üretim endüstrisinde ve enerji
depolama veya dönüştürme sistemlerinde (yakıt hücresi) yaygın olarak
kullanılmasına yol açmıştır. Dupont Co. Tarafından geliştirilen bu
florlanmış sülfonik asit Nafion membranı, polimerik elektrolit yakıt
hücreleri için standart bir membran olarak kabul edilmiştir (Grot, 1973;
Peighambardoust ve diğ., 2010). Şekil 19.19’de zaman içerisinde iyon
değiştirme membranlarının gelişimi gösterilmiştir.
Şekil 19.19 İyon değiştirme membranlarının zamanla gelişimi
(Tongwen, 2005)
1380
Tablo 19.4 Beş temel yakıt hücresi türünün işletimi ve temel özellikleri (Peighambardoust ve diğ., 2010)
Yakıt
Hücresi Tipi
İşletme
Sıcaklığı
(oC)
Enerji
Yoğunluğu
(mW/cm2)
Yakıt Verimliliği
(Kimyasaldan
Elektrik
Enerjisine)
Kullanım
Ömrü
(Saat)
Yatırım
Maliyeti
($/kW)
Uygulama
Alanı
AFC
(Xianguo,
2006)
60-90 100-200 40-60 >10.000 >200 Uzay,
PAFC 160-220 200 55 >40.000 3000 Mobil Enerji
Dağıtımı
PEMFC 50-80 350 45-60 >40.000 >200 Taşınabilir,
Mobil Sistemler
MCFC 600-700 100 60-65 >40.000 1000 Dağınık Güç
Üretimi
SOFC 800-1000 240 55-65 >40.000 1500 Anayük Enerji
Üretimi
1381
KAYNAKLAR
Aaberg, R. J., (2003). Osmotic power, A new and powerful
renewable energy source, Refocus 4, 48–50.
Achilli, A., Cath, T.Y., Childress, A.E., (2009). Power generation
with pressure retarded osmosis: an experimental and theoretical
investigation, Journal of Membrane Science, 343, 42–52.
Achilli, A., ve Childress, A.E., (2010). Pressure retarded osmosis:
From the vision of Sidney Loeb to the first prototype
installation- Review, Desalination, 261, 205-211.
Aelterman, P., Rabaey, K., Clauwaert, P., Verstraete, W., (2006).
Microbial fuel cells for wastewater treatment, Water Science and
Technology, 54:8, 9-15.
Bui, N.-N., McCutcheon, J.R., (2014). Nanofiber supported thin-
film composite membrane for pressure-retarded osmosis,
Environmental Science and Technology, 48, 4129–4136.
Chaudhuri, S.K., Lovley, D.R., (2003). Electricity generation by
direct oxidation of glucose in mediatorless microbial fuel cells.,
Nture biotechnology, 21:10, 1229-1232.
Cheng, S., Dempsey, B.A., Logan, B.E., (2007). Electricity
generation from synthetic acid-mine drainage (AMD) water
using fuel cell Technologies, Environmental Science &
Technology, 41:23, 8149-8153.
Chou, S., Wang, R., Shi, L., She, Q., Tang, C., Fane, A.G., (2012).
Thin-film composite hollow fiber membranes for pressure
retarded osmosis (PRO) process with high power density,
Journal of Membrane Science, 389, 25–33.
Chou, S., Wang, R., Fane, A.G,. (2013). Robust and high
performance hollow fiber membranes for energy harvesting
from salinity gradients by pressure retarded osmosis, Journal of
Membrane Science, 448, 44–54.
Cui, Y., Liu, X. Y., Chung, T. S., (2014). Enhanced osmotic energy
generation from salinity gradients by modifying thin film
composite membranes, Chemical Engineering Journal, 242, 195–
203.
1382
Davis, F., Higson, S.P., (2007). Biofuel cells—recent advances and
applications, Biosensors and Bioelectronics, 22:7, 1224-1235.
Dinger, F., Troendle, T., Platt, U., (2012). Osmotic power plants,
in: Proceedings of the 3rd Osmosis Membrane Summit, Statkraft,
Barcelona.
Du, Z., Li, H., Gu, T. (2007). A state of the art review on microbial
fuel cells: a promising technology for wastewater treatment and
bioenergy, Biotechnology advances, 25:5, 464-482.
Feng, Y., Wang, X., Logan, B.E., Lee, H., (2008). Brewery
wastewater treatment using air-cathode microbial fuel cells,
Applied microbiology and biotechnology, 78:5, 873-880.
Fritzmann, C., Löwenberg, J., Wintgens, T., Melin, T., (2007).
State-of-the-art of reverse osmosis desalination, Desalination,
216, 1-76.
Fu, F. J., Zhang, S., Sun, S. P., Wang, K. Y., Chung, T. S., (2013).
Poss-containing delamination-free dual-layer hollow fiber
membranes for forward osmosis and osmotic power generation,
Journal of Membrane Science, 443, 144–155.
Gerstandt, K., Peinemann, K.-V., Skilhagen, S.E., Thorsen, T., Holt,
T.(2008). Membrane processes in energy supply for an osmotic
power plant, Desalination 224, 64–70.
Gorby, Y., Beveridge, T., Wiley, W. (2005). Composition,
Reactivity, and Regulation of Extracellular Metal-Reducing
Structures (Nanowires) Produced by Dissimilatory Metal-
Reducing Bacteria, Annual NABIR PI Meeting, 18–20 April.
Goud, R.K., Babu, P.S., Mohan, S.V., (2011). Canteen based
composite food waste as potential anodic fuel for bioelectricity
generation in single chambered microbial fuel cell (MFC): bio-
electrochemical evaluation under increasing substrate loading
condition, International Journal of Hydrogen Energy, 36:10,
6210-6218.
Grot, W. G., (1973). Laminates of support material and
fluorinated polymer containing pendant side chains containing
sulfonyl groups, U.S. Patent:3,770, 567.
1383
Gude, V.G., (2016). Wastewater treatment in microbial fuel cells–
an overview, Journal of Cleaner Production, 122, 287-307.
Hakes, J.E., (2000). U.S. Energy Information Administration, The
25th Anniversary of the 1973 Oil Embargo,
http://www.eia.doe.gov/emeu/25opec/anniversary.html.
Han, G., Zhang, S., Li, X., Chung, T. S., (2013). High performance
thin film composite pressure retarded osmosis (PRO)
membranes for renewable salinity-gradient energy generation,
Journal of Membrane Science, 440, 108–121.
Han, G.; ve hung, T.S., (2014). Robust and high performance
pressure retarded osmosis hollow fiber membranes for osmotic
power generation. AIChE Journal, 60, 1107–1119.
Han, G.; Ge, Q.; Chung, T.-S., (2014). Conceptual demonstration of
novel closed-loop pressure retarded osmosis process for
sustainable osmotic energy generation. Appl. Energy, 132, 383–
393.
Ieropoulos, I.A., Greenman, J., Melhuish, C., Hart, J. (2005).
Comparative study of three types of microbial fuel cell. Enzyme
and microbial technology, 37:2, 238-245.
Ingole, P.G., Choi, W., Kim, K. H., Jo, H. D., Choi, W. K., Park, J. S.,
Lee, H. K., (2014). Preparation, characterization and
performance evaluations of thin film composite hollow fiber
membrane for energy generation, Desalination, 345, 136–145.
Ingole, P.G.; Choi, W.; Kim, K.H.; Park, C.H.; Choi, W.K.; Lee, H.K.
(2014). Synthesis, characterization and surface modification of
pes hollow fiber membrane support with polydopamine and thin
film composite for energy generation. Chem. Eng. J., 243, 137–
146.
Ingole, P.G.; Kim, K.H.; Park, C.H.; Choi, W.K.; Lee, H.K. (2014).
Preparation, modification and characterization of polymeric
hollow fiber membranes for pressure-retarded osmosis. RSC
Adv., 4, 51430–51439.
Janicek, A., Fan, Y., Liu, H. (2014). Design of microbial fuel cells
for practical application: a review and analysis of scale-up
studies, Biofuels, 5(1), 79-92.
1384
Jellinek H.H., Masuda, H. (1981). Osmo-power. Theory and
performance of an osmo-power pilot plant, Ocean Engineering 8,
103–128.
Jong, B., Liew, P., Juri, M.L., Kim, B.H., Leo, K., Awang, M. (2011).
Performance and microbial diversity of palm oil mill effluent
microbial fuel cell, Letters in applied microbiology, 53:6, 660-
667.
Kariduraganavar, M.Y., Nagarate, R.K., Kittur, A.A., Kulkarni, S.S.
(2006). Ion –exchange membranes: preparative methods for
electrodialysis and fuel cell applications. Desalination, 197, 225-
246.
Kempener, R., Neumann, F. (2014). Salinity gradient energy-
technology brief. IRENA Ocean Energy Technology.
Kim, J.R., Premier, G.C., Hawkes, F.R., Dinsdale, R.M., Guwy, A.J.
(2009). Development of a tubular microbial fuel cell (MFC)
employing a membrane electrode assembly cathode. Journal of
Power Sources, 187(2), 393-399.
Kim, J., Jeong, K., Park, M.J., Shon, H.K., Kim J.H. (2015). Recent
advances in osmotic energy generation via pressure-retarded
osmosis (PRO): A review, Energies, 8, 11821-11845.
Kishizawa, N. (2015). Low pressure multi-stage RO system
developed in “Mega-ton Water System” for largescaled SWRO
plant, Desalination 368, 81–88.
Kleiterp, R. (2012). The feasibilty of a commercial osmotic
power plant (Master thesis), Department of Hydraulic
Engineering, Delft University of Technology, Delft, The
Netherlands.
Kurihara, M., Hanakawa, M., (2013). Mega-ton Water System:
Japanese national research and development project on
seawater desalination and wastewater reclamation,
Desalination, 308, 131–137.
Kurihara, M., Sasaki, T., Nakatuji, K., Kimura, M., Henmi, M.,
(2015). Low pressure SWRO membrane for desalination in the
“Mega-ton Water System”, Desalination 368, 135–139.
1385
Kurihara, M., Sakai, H., Tanioka, A., Tomioka, H., (2016). Role of
pressure-retarded osmosis (PRO) in the mega-ton water project,
Desalination and Water Treatment, 57:55, 26518-26528.
Lee, K.L., Baker, R.W., Lonsdale, H.K., (1981). Membrane for
power generation by pressure retarded osmosis, Journal of
Membrane Science, 8,141–171.
Linares V., R., Bucs Sz, S., Li, Z., AbuGhdeed, M., Amy, G.,
Vrouwenvelder, J.S., (2014). Impact of spacer thickness on
biofouling in forward osmosis, Water Research, 57, 223-233.
Lise, I., Hagg M.B., (2013). Pressure Retarded Osmosis and
Forward Osmosis Membranes: Materials and Methods, Review,
Polymers, 5, 303-327, DOI: 10.3390/polym5010303.
Liu, H., Logan, B.E. (2004). Electricity generation using an air-
cathode single chamber microbial fuel cell in the presence and
absence of a proton exchange membrane, Environmental Science
and Technology, 38:14, 4040-4046.
Loeb S., (1975). Method and apparatus for generating power
utilizing pressure-retarded osmosis, United States patent # 3,
906, 250
Loeb S., (2001). One hundred and thirty benign and renewable
megawatts from Great Salt Lake? The possibilities of
hydroelectric power by pressure-retarded osmosis,
Desalination, 141, 85–91.
Loeb S., (2002). Erratumto: “One hundred and thirty benign and
renewable megawatts from Great Salt Lake? The possibilities of
hydroelectric power by pressure-retarded osmosis with spiral
module membranes”, [Desalination, 141 (2001) 85–91],
Desalination, 142, 207-207.
Loeb S., Honda, T., Mehta, G.D. (1990). Comparative mechanical
efficiency of several plant configurations using a pressure-
retarded osmosis energy converter, Journal of Membrane
Science 51, 323–335.
Loeb S., Titelman ,L., Korngold ,E., Freiman J., (1997). Effect of
porous support fabric on osmosis through a Loeb–Sourirajan
type asymmetric membrane, Journal of Membrane Science, 129.
1386
Loeb, S., Norman, R.S., (1975). Osmotic power plants, Science
189, 654–655.
Logan, B., Cheng, S., Watson, V., Estadt, G., (2007). Graphite fiber
brush anodes for increased power production in air-cathode
microbial fuel cells, Environmental Science and Technology,
41:9, 3341-3346.
Logan, B.E., (2008). Microbial fuel cells, John Wiley & Sons.
Logan B.E., and Elimelech, M. (2012). Membrane-based
processes for sustainable power generation using water. Nature,
488, 313-319
Lovley, D.R., (2006). Microbial fuel cells: novel microbial
physiologies and engineering approaches, Current opinion in
biotechnology, 17:3, 327-332.
Mehta, G.D., (1982). Further results on the performance of
present-day osmotic membranes in various osmotic regions,
Journal of Membrane Science, 10, 3–19.
Mehta, G.D., Loeb S., (1978). Internal polarization in the porous
substructure of a semipermeable membrane under pressure-
retarded osmosis, Journal of Membrane Science, 4, 261–265.
Min, B., Cheng, S., Logan, B.E. (2005). Electricity generation using
membrane and salt bridge microbial fuel cells, Water Research,
39:9, 1675-1686.
Min, B., Logan, B.E. (2004). Continuous electricity generation
from domestic wastewater and organic substrates in a flat plate
microbial fuel cell, Environmental Science and Technology,
38:21, 5809-5814.
Mohan, S.V., Raghavulu, S.V., Sarma, P., (2008). Influence of
anodic biofilm growth on bioelectricity production in single
chambered mediatorless microbial fuel cell using mixed
anaerobic consortia, Biosensors and Bioelectronics, 24:1, 41-47.
McGinnis, R.L., McCutheon, J.R., Elimelech, M., (2007). A novel
ammonia-carbon dioxide osmotic heat engine for power
generation. Journal of Membrane Science, 305, 13-19.
Mohanakrishna, G., Mohan, S.K., Mohan, S.V., (2012). Carbon
based nanotubes and nanopowder as impregnated electrode
1387
structures for enhanced power generation: Evaluation with real
field wastewater, Applied energy, 95, 31-37.
Naylor, R.L., (1996). Energy and resource constraints on
intensive agricultural production, Annual Review of Energy and
the Environment, 21, 99–123.
Newman, D.K., Kolter, R., (2000). A role for excreted quinones in
extracellular electron transfer, Nature, 405:6782, 94-97.
Norman, R.S., (1974). Water salination: a source of energy,
Science, 186, 350–352.
Pant, D., Van Bogaert, G., Diels, L., Vanbroekhoven, K., (2010). A
review of the substrates used in microbial fuel cells (MFCs) for
sustainable energy production, Bioresource technology, 101:6,
1533-1543.
Park, D.H., Zeikus, J.G., (2003). Improved fuel cell and electrode
designs for producing electricity from microbial degradation,
Biotechnology and bioengineering, 81:3, 348-355.
Pattle, R.E. (1954). Production of electric power by mixing fresh
and salt water in the hydroelectric pile, Nature, 174, 660.
Peighambardoust, S.J., Rowshanzamir, S., Amjadi, M. (2010),
Review of the proton exchange membranes for fuel cell
applications, International Journal of Hydrogen Energy, 35,
9349-9384.
Rabaey, K., Lissens, G., Siciliano, S.D., Verstraete, W., (2003). A
microbial fuel cell capable of converting glucose to electricity at
high rate and efficiency, Biotechnology letters, 25:18, 1531-
1535.
Rabaey, K., Verstraete, W., (2005). Microbial fuel cells: novel
biotechnology for energy generation, TRENDS in Biotechnology,
23:6, 291-298.
Reali, M., Dassie, G., Jonsson, G., (1990). Computation of salt
concentration profiles in the porous substrate of anisotropic
membranes under steady pressure-retarded osmosis conditions,
Journal of Membrane Science, 48, 181–201.
1388
Reguera, G., McCarthy, K.D., Mehta, T., Nicoll, J.S., Tuominen, M.T.,
Lovley, D.R. (2005). Extracellular electron transfer via microbial
nanowires, Nature, 435:7045, 1098-1101.
Schröder, U. (2007). Anodic electron transfer mechanisms in
microbial fuel cells and their energy efficiency. Physical
Chemistry Chemical Physics, 9:21, 2619-2629.
Scott, K., Murano, C. (2007). Microbial fuel cells utilising
carbohydrates, Journal of Chemical Technology and
Biotechnology, 82:1, 92-100.
Seppälä, A., Lampinen, M.J., (2004). On the non-linearity of
osmotic flow, Experimental Thermal and Fluid Science, 28, 283-
296.
Seppälä, A., Lampinen, M.J., (1999). Thermodynamic optimizing
of pressure-retarded osmosis power generation systems, Journal
of Membrane Science, 161, 115–138.
Seppälä, A., Assad, M.E. (2003). The effect of solute leakage on
the thermodynamical performance of an osmotic membrane,
Journal of Non-Equilibrium Thermodynamics 28, 269–278.
Sharif, A.O., Merdaw, A.A., Aryafar, M., Nicoll, P. (2014).
Theoretical and experimental investigations of the potential of
osmotic energy for power production, Membranes 4, 447-468.
She, Q., Wong, Y.K.W., Zhao, S., Tang, C.Y. (2013). Organic fouling
in pressure retarded osmosis: experiments, mechanisms and
implications, Journal of Membrane Science, 428, 181-189.
Skilhagen, S.E. (2012). Osmotic power: a new, renewable source
of energy, in Proceedings of the 3rd Annual European
Renewable Energy Markets, Platts, Berlin.
Skilhagen, S.E., Dugstad, J.E., Aaberg, R.J., (2008). Osmotic
power—power production based on the osmotic pressure
difference between waters with varying salt gradients,
Desalination, 220, 476–482.
Son, M., Park, H., Liu, L., Choi, H., Kim, J.H., Choi, H., (2015). Thin-
film nanocomposite membrane with cnt positioning in support
layer for energy harvesting from saline water, Chemical
Engineering Journal, 284, 68–77.
1389
Song, X., Liu, Z., Sun, D.D., (2013). Energy recovery from
concentrated seawater brine by thin-film nanofiber composite
pressure retarded osmosis membranes with high power density,
Energy Environment Science, 6, 1199–1210.
Sourirajan S., (1970). Reverse Osmosis, Academic Press, Inc.,
New York, NY.
Stamatelatou, K., Antonopoulou, G., Tremouli, A., Lyberatos, G.,
(2010). Production of gaseous biofuels and electricity from
cheese whey. Industrial & Engineering Chemistry Research,
50:2, 639-644.
Sun, C., Miao, J., Yan, J., Yang, K., Mao, C., Ju, J., Shen, J., (2013).
Applications of antibiofouling PEG-coating in electrochemical
biosensors for determination of glucose in whole blood,
Electrochimica Acta, 89, 549-554.
Sun, S. P., Chung, T. S., (2013). Outer-selective pressure-retarded
osmosis hollow fiber membranes from vacuum-assisted
interfacial polymerization for osmotic power generation,
Environmental Science and Technology, 47, 13167–13174.
Tamburini, A., La Barbera G., Cipollina A., Micale G., Ciofalo M.,
(2015). CFD prediction of scalar transport in thin channels for
reverse electrodialysis, Desalination and Water Treatment, 55,
3424-3445.
Tamburini A., Giacalone F., Cipollina A., Grisafi F., Vella G., Micale
G., (2016). Pressure retarded osmosis: a membrane process for
environmental sustainability, Chemical Engineering
Transactions, 47, 355-360.
Tanioka, A., Saito, K., Irie, M., Zaitsu, S., Sakai, H., Hayashi, H.,
(2012). Power generation by pressure retarded osmosis using
concentrated brine from seawater desalination system and
treated sewage:review of experience with pilot plant in Japan, in:
Proceedings of the 3rd Osmosis Membrane Summit, Statkraft,
Barcelona.
Taşkan, E. (2013a). Mikrobiyal Yakıt Hücrelerinde Farklı
Kirleticilere Göre Elektrik Üretim Kapasitesi Ve Mikrobiyal Tür
1390
Değişiminin İncelenmesi (Doktora Tezi). Fırat Üniversitesi/Fen
Bilimleri Enstitüsü , Elazığ.
Taşkan, E., Hasar, H., Ozkaya, B. (2013b). Usage of Ti-TiO2
Electrode in Microbial Fuel Cell to Enhance the Electricity
Generation and its Biocompatibility. Applied Mechanics and
Materials. Trans Tech Publ. pp. 371-376.
Taşkan, E., Özkaya, B., Hasar, H. (2016). Comprehensive
evaluation of two different inoculums in MFC with a new tin‐
coated copper mesh anode electrode for producing electricity
from a cottonseed oil industry effluent. Environmental Progress
& Sustainable Energy, 35(1), 110-116.
Thelin, W.R., Sivertsen, E., Holt, T., Brekke, G., (2013). Natural
organic matter fouling in pressure retarded osmosis, Journal of
Membrane Science, 46-56.
Thorsen, T., Holt, T., (2005). Finding hidden energy in membrane
processes, Filtration & Separation, 42, 28–30.
Tian, M., Wang, R., Goh, K., Liao, Y., Fane, A.G,. (2015). Synthesis
and characterization of high-performance novel thin film
nanocomposite pro membranes with tiered nanofiber support
reinforced by functionalized carbon nanotubes, Journal of
Membrane Science, 486, 151–160.
Torres, C.I., Marcus, A.K., Lee, H. S., Parameswaran, P.,
Krajmalnik-Brown, R., Rittmann, B.E., (2010). A kinetic
perspective on extracellular electron transfer by anode-respiring
bacteria, FEMS Microbiology Reviews, 34:1, 3-17.
Touati, K., Tadeo, F., (2017a) Green energy generation by
Pressure Retarded Osmosis: state of the art and technical
advancement- review, International Journal of Green Energy, 14,
337-360.
Touati, K., Tadeo, F., Chae, S.H., Kim,J.H., Alvarez-Silva, O. (2017).
Pressure Retarded Osmosis Renewable Energy Generation and
Recovery, Chapter 1- Pressure Retarded Osmosis as Renewable
Energy Source, Elsevier Academic Press.
<URL> U.S. Energy Information Administration, 2017. Short-
Term Energy Outlook – Real Petroleum Prices,
1391
http://www.eia.doe.gov/emeu/steo/pub/fsheets/real_prices.ht
ml, 20.11.2017.
Vázquez-Larios, A.L., Solorza-Feria, O., Poggi-Varaldo, H.M., de
Guadalupe González-Huerta, R., Ponce-Noyola, M.T., Ríos-Leal, E.,
Rinderknecht-Seijas, N. (2014). Bioelectricity production from
municipal leachate in a microbial fuel cell: effect of two cathodic
catalysts. International, Journal of Hydrogen Energy, 39:29,
16667-16675.
Velasquez-Orta, S., Head, I., Curtis, T., Scott, K. (2011). Factors
affecting current production in microbial fuel cells using
different industrial wastewaters, Bioresource technology, 102:8,
5105-5112.
Velvizhi, G., Mohan, S.V. (2011). Biocatalyst behavior under self-
induced electrogenic microenvironment in comparison with
anaerobic treatment: evaluation with pharmaceutical
wastewater for multi-pollutant removal, Bioresource
technology, 102:23, 10784-10793.
Vigo, F., Uliana, C., (1986). Suitability of reverse osmosis
membranes for energy recovery by submarine osmotic power
plants, Desalination, 60, 45–57.
Vitousek, P. M., Mooney, H. A., Lubchenco, J., Melillo, J. M., (1997).
Human Domination of Earth's Ecosystems Science, 277, 494–
499.
Wang, Z., Ma, J., Xu, Y., Yu, H., Wu, Z. (2013). Power production
from different types of sewage sludge using microbial fuel cells:
a comparative study with energetic and microbiological
perspectives, Journal of Power Sources, 235, 280-288.
Xianguo, L. (2006). Principles of fuel cells. Taylor & Francis, New
York.
Yip, N.Y., Elimelech, M. (2013). Influence of natural organic
matter fouling and osmotic backwash on pressure retarded
osmosis energy production from natural salinity gradients,
Environmental Science and Technology, 47, 12607-12616.
Yip, N.Y., Tiraferri, A., Phillip, W.A., Schiffman, J.D., Hoover, L.A.,
Kim, Y.C., Elimelech, M. (2011). Thin-film composite pressure
1392
retarded osmosis membranes for sustainable power generation
fromsalinity gradients. Environmental Science and Technology,
45, 4360–4369.
Yuan, Y., Chen, Q., Zhou, S., Zhuang, L., Hu, P., (2012). Improved
electricity production from sewage sludge under alkaline
conditions in an insert‐type air‐cathode microbial fuel cell,
Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 87:1, 80-86.
Zhang, M., Hou, D., She, Q., Tang, C.Y. (2014). Gypsum scaling in
pressure retarded osmosis: experimets, mechanisms and
implications, Water Research, 48, 383-395.
Zhang, S., Fu, F., Chung, T.-S. (2013). Substrate modifications and
alcohol treatment on thin film composite membranes for
osmotic power. Chemical Engineering Science, 87, 40–50.
Zhang, S., Sukitpaneenit, P., Chung, T.-S. (2014). Design of robust
hollow fiber membranes with high power density for osmotic
energy production. Chemical Engineering Journal, 241, 457–465.
(forwardosmosistech.com, 2016)
İleri Osmoz Membranları ile Elektrik Enerjisi Üretimi
1393
BÖLÜM 20
MEMBRAN TERİMLERİ SÖZLÜĞÜ
İsmail Koyuncu1,2, Reyhan Şengür-Taşdemir2,3, Derya Y. Köseoğlu-İmer1,2,
Serkan Güçlü1,2, Börte Köse-Mutlu2, Türker Türken1,2, Mehmet Emin
Paşaoğlu1,2, Recep Kaya1,2, Meltem Ağtaş1,2 ve Ayşe Yüksekdağ1,2
Bu bölümde, Membran Bilimi ve Teknolojisi alanında karşılaşılan
terminoloji çıkartılmış, Türkçe-İngilizce karşılıkları verilmiş ve her bir
terim kısaca açıklanmıştır.
Tuzlu Su (Brackish Water): Toplam çözünmüş katı madde miktarının
deniz tuzundan az, içme suyunda fazla olduğu (TDS: 1000-10000 mg/lt)
su
Aerobic Dinamik Membran Biyoreaktör (DMBR) (Aerobic Dynamic
Membrane Bioreactor): Atıksu arıtımında aerobik biyolojik arıtma
proseslerinin dinamik membran teknolojisi ile birleştirildiği proses
Aerobik Membran Biyoreaktör (AMBR) (Aerobic Membrane
Bioreactor): Oksijen varlığında eş zamanlı organik parçalanma ve
membran ile katı-sıvı ayırımının sağlandığı proses
Akı (Flux): Birim zamanda birim membran alanından geçen su miktarı
Anaerobik Dinamik Membran Biyoreaktör (AnDMBR) (Anaerobic
Dynamic Membrane Bioreactor): Dinamik membran teknolojisi ile
anaerobik arıtma sistemlerinin entegre edildiği proses
1 İnşaat Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, İTÜ
2 Prof. Dr. Dincer Topacık Ulusal Membran Teknolojileri Uyg-Ar Merkezi, İTÜ
3 Fen Bilimleri Enstitüsü, Nanobilim Nanomühendislik Programı, İTÜ
1394
Anaerobik Membran Biyoreaktör (AnMBR) (Anaerobic Membrane
Bioreactor): Anaerobik (havasız) biyolojik arıtma ve membran
proseslerinin bir arada kullanıldığı proses
Anot (Anode): Pozitif yüklü uç
Antiskalant (Antiscalant) : Çökelek önleyici
Anyon Değiştiricili Membran (Anion Exchange Membrane): Sabit
katyonik yüke ve mobil anyonlara sahip, maruz kaldığı çözelti
içerisindeki anyonların değiştirilmesine olanak tanıyan membran
Asimetrik Membran (Asymmetric Membrane): İki veya daha fazla
morfolojik özelliklere sahip olan membran
Ayırma Faktörü (Separation Factor) : Süzüntüdeki A ve B
bileşiklerinin içeriklerinin oranının, konsantredeki a ve b bileşiklerinin
içeriklerine oranı. Örneğin: sf (AF): [xa/xb]süzüntü / [xa/xb]konsantre
Ayırma Katsayısı (Separation Coefficient): Membran süzüntüsündeki
A ve B bileşikleri içerikleri oranının girişteki içeriklerine oranı, sc (AK):
[xa/xb]çıkış / [xa/xb]giriş
Ayrı Membran Tanklı Batık MBR (Submerged MBR Different
Membrane Tank): Biyolojik arıtma basamağı sonrası ayrı bir havuz
içerisine yerleştirilmiş membran tanklarının bulunduğu MBR
Basınç Geciktirmeli Osmoz (Pressure Retarded Osmosis): İki su
kaynağı arasındaki tuzluluk farkından oluşan basınç farklılığı ile enerji
üreten proses
Basınç Kabı (Pressure Vessel): Hamsu, arıtılmış su ve konsantre
akımlarının giriş ve çıkışını sağlayan, bağlantı elemanlarını içeren ve
membranların içine yerleştirildiği kap
1395
Basınç Sönümlenme Oranı (Pressure Decay Rate): Dengedeki
basınçla son okunan basınç arasındaki farkın toplam geçen süreye oranı
Basınç Sönümlenme Testi (Pressure Decay Test): Membran
modüllerindeki sızıntıları ve membran kaçaklarını saptamak için
kullanılan hassas bir yöntem
Batık Tip Membran (Submerged Membrane): Membran biyoreaktör
sistemlerinde veya batık tip membranlı su arıtma reaktörlerinde
havuzdaki su veya atıksuyun filtre edilerek ayrılması ve yüksek kalitede
çıkış suyu eldesi için kullanılan membran
Besleme Ön Arıtımı (Feed Pretreatment): Biyolojik ajan ve kolloid
gibi membran işletimini etkileyecek maddelerin, membrana besleme
çözeltisi verilmeden önce besleme çözeltisinden uzaklaştırıldığı proses
Bipolar Membran (Bipolar Membrane): Birbiriyle temas halinde olan
iki karşı yüke sahip iyon değiştirici özellikte katmanı olan sentetik
membran
Biyofilm (Biofilm): Bakteri veya diğer organizmaların katı bir yüzeye
yapışarak oluşturduğu ince fakat dayanıklı katman
Biyofilm Reaktör (Biofilm Reactor): Biyofilm büyümesi için hareketli
veya sabit büyüme ortamı sağlayan reaktör
Biyolojik Tıkanma (Biofouling): Biyofilm oluşumundan kaynaklanan
membran tıkanması
Boşluk Oluşturucu (Feed Channel Spacer) : İki membran arasına
yerleştirilen plastik hasır şeklindeki yapı
Çamur Yaşı/Çamur Bekletme Süresi (Sludge Retention Time): MBR
sisteminde biyolojik tankdaki mikroorganizmaların reaktörde kalma
süresi
1396
Çapraz Akışlı MBR/Harici MBR (Side-Stream MBR): Membranların
havalandırma tankının dışında bulunduğu ve filtrasyonun basınç
kullanılarak gerçekleştirildiği MBR sistemi
Çarpraz Akış (Crossflow): Membran modülü içerisindeki besleme
sıvısının membranın yüzeyine paralel aktığı akış tarzı
Çekme Çözeltisi (Draw Solution): Göreceli olarak yüksek tuzluluğa
sahip çözelti
Çift Değerlikli Tuz (Divalent Salt): Pozitif veya negatif olmak üzere iki
değerlikli yük taşıyan tuz
Çift yada İki Geçişli Dizilim (Double Pass Array): TO süzüntüsünün
ikinci bir TO sisteminden geçirildiği dizilim
Çok Delikli (Multi Bore): Yapısında birden çok su akış kanalı içeren
membran türü
Çok Geçişli Sistem (Multiple Pass Array): İki veya üç aşamalı arıtım
yapılan sistem
Çoklu Paralel Dizilim (Multiple Trains): Yüksek miktarda debilerin
arıtılması gerektiğinde uygulanan TO membran dizilimi
Çökelek Önleyici (Scale İnhibitor): Çökelek önlemek maksadı ile
kullanılan çökelek önleyici kimyasal madde
Çökelme (Precipitate) : Membran yüzeyinde tuzların çökelmesi
Darcy Kanunu (Darcy’s Law): Gözenekli bir ortamda hidrolik yükten
ileri gelen bir enerji farklılığının olması durumunda geçerli kanun
Degazifikasyon (Degasification): Membrandan geçen sudan gazların
uçurulması
1397
Dekarbonizasyon (Decarbonation): Membrandan geçen sudan
karbondioksidin giderilmesi
Demineralizasyon (Demineralization): Su içerisinden iyonların
giderilmesi
Deniz suyu arıtma tesisi konsantresi (Brine) : Desalinasyon
sistemlerinde konsantre akımı
Desalinasyon (Desalination): Deniz suyunun tuzsuzlaştırılması
Dik Akışlı/Ölü-Uçlu Akış (Dead-End Flow): Membran modülü
içerisinde konsantre akımının oluşmadığı ve akışın sadece membranın
besleme kısmından membranın süzüntü tarafına geçtiği akış türü
Dinamik Membran (Dynamic Membrane): Boşluklu yapıdaki destek
malzemesinin (örneğin, kumaş filtre, elek, vb. (konvansiyonel
membranlar hariç)) üzerinde filtre edilen sıvının içerisinde bulunan katı
madde ve partiküllerin birikmesi ile oluşan ve ilave filtrasyon imkanı
veren, destek tabakası ve üzerindeki biyofilm tabakasının beraber
çalıştığı filtre
Dinamik Membran Oluşumu (Dynamic Membrane Formation):
Membran yüzeyindeki aktif biyofilm tabakasının, sıvı içerisinde bulunan
maddelerin birikmesi sayesinde oluşumu
Diyaliz (Dialysis): Membran kalınlığı boyunca taşınımın konsantrasyon
farkı ile sağlandığı membran prosesi
Dizi (Train) : Birbirinden farklı çalışan membran basınç kapları
Dizilim (Array): Basınç kaplarının sıralanma şekli
Doğal Organik Madde (Natural Organic Matter): Karbon bazlı doğal
olarak ayrışma prosesi sonucu oluşan organik madde
1398
Dokunmamış Kumaş/Dokuma Olmayan Kumaş (Non-woven): Düz
plaka membranların üretiminde kullanılan destek malzemesi
Donnan Etkisi (Donnan Exclusion): İyon değiştirici membranlarda
aynı yüke sahip mobil iyonların membran yüzeyindeki konsantrasyon
düşüşü, zıt yükteki iyonların konsantrasyon artışı ile oluşan etki
Donnan Potansiyeli (Donnan Potential): Membran yüzeyindeki yük
ile ters yükte olan iyonların konsantrasyonu, membran yükü ile aynı
yükte olan iyonların konsantrasyonundan daha fazla olması sonucu
membran yüzeyinde oluşan elektriksel potansiyel
Düz Plaka Membran (Flat Sheet Membrane): Membran tipinin levha
ve yaprak benzeri bir şekilde olup membranların bir yüzeyinin aktif
ayırma gerçekleştiren, diğer yüzeyinin süzülen suyun alındığı membran
tipi
Ekstraktif MBR (Extractive MBR): Yoğun bir organofilik (silikon
kauçuk) membran kullanılarak atıksuyun biyolojik ortamdan
uzaklaştırılmasını sağlayan proses
Elektro Osmoz (Electro-Osmosis): Anyon değiştiricili ya da katyon
değiştiricili membran kalınlığı boyunca elektriksel alan sürücü kuvveti
uygulanarak suyun taşındığı membran prosesi
Elektrodeiyonizasyon (Electrodeionization): Ön arıtma uygulanmış
sudan iyonları uzaklaştırmak için iyon seçici membran ve iki elektrot
arasına yerleştirilmiş iyon değiştirici reçinelerin kombinasyonu ile
doğru akım potansiyeli altında ayırma sağlanan prosestir
Elektrodiyaliz (Electrodialysis): İyon seçici membranda elektriksel
alan sürücü kuvvetiyle iyonların giderildiği membran prosesi
1399
Elektrokoagülasyon (Electrocoagulation): Membran
konsantrelerinde çift değerlikli iyonları veya metalleri ayırmada
kullanılan alternatif kimyasal arıtma yöntemlerden biri
Elektronötralite (electroneutrality): Elektriksel açıdan nötr olma
durumu
Element (Element) : Bir adet membran
Engellenmiş Taşınım (Hindered Transport): Membran gözeneğinden
geçebilen molekülün etkin yarıçapının, bulunduğu ortamdaki difüzyon
ve taşınım olaylarını kısıtladığı durum
Entegre Batık MBR (Integrated Submerged MBR): MBR
sistemlerinde biyolojik arıtma havuzu içinde membranların
yerleştirildiği MBR sistemi
Eş Zamanlı Akış (Co-Current Flow): Membran modülü içerisindeki
sıvının membranın giriş ve çıkışında, membran yüzeyine aynı yönde
elde edilen akış profili
Faz İnversiyonu/Evre Dönüşümü/Faz Dönüşümü (Phase
Inversion): Solvent buharlaştırmaya dayalı membran üretim yöntemi
Fick Kanunu (Fick’s Law): Konsantrasyon farklılığı sonucu meydana
gelen kütlesel akıyı ifade eden kanun
Filtrasyon Döngüsü (Filtration Period): Filtrasyon ile bekleme veya
süzüntü ile geri yıkama sürelerinin toplamı
Filtrat (Filtrate) : Filtreden geçen akım
Fiziksel Membran Yaşlandırma (Membrane Physical Aging):
Fiziksel kimyasal yapı değişikliklerine bağlı olarak aşırı olarak
uygulanan bir işlem sonucunda membranlarda yaşanan hızlı değişim
1400
Geçirgenlik Katsayısı (Permeability Coefficient): Membran kalınlığı
ve sürücü kuvvet başına düşen taşınım akısı
Geçirimsiz Membran (Dense/Non-Porous Membrane): Gözenek
içermeyen membran
Geri Devirli Dizilim (Recycle): Ters osmoz konsantre akımının sistem
beslemesine geri devrinin yapıldığı dizilim
Geri Dönüştürülemez Tıkanma (Irreversible Fouling): Kimyasal
temizleme ile dahi önlenemeyen tıkanma
Geri Kazanım (Recovery): Membrandan geçen süzüntü akımının ham
su akımına oranı
Geri Yıkama (Backflush): Süzüntü akışının geçici olarak tersine
çevrilmesi (Süzüntü tarafından besleme tarafına doğru geri besleme)
Giderme Faktörü (R) (Rejection Factor): Membranın giriş ve
çıkışlarından elde edilen akımda i bileşiğinin çıkış ve giriş
konsantrasyonları birbirine oranlarının 1’den çıkarılması ile elde edilen
parametre (r: 1-[ciçıkış/cigiriş])
Giderme Verimi (Rejection): Membran tarafından maddelerin tutulma
(giderilme) yüzdesi
Gözenek Şekil Yapısı (Tortuosity): Membran gözeneklerinin yapısı
hakkında bilgi veren faktör
Gözenekli Yapı (Porous Structure): Membran yüzeyinde veya iç
yapılarında bulunan boşluklari ile oluşan yapı
Gri Su (Grey Water): Banyo, mutfak atıksuları
1401
Güçlendirilmiş İçi Boşluklu Fiber Membran (Reinforced Hollow
Fiber Membrane): Membran yapısının bir destek tabakası kullanılarak
oluşturulduğu, mekanik olarak çekme ve kopmalara dayanıklı silindirik
yapılı membran
Hava Sıyırma (Air Scrub): Membran yüzey temizlemesi sırasında
kullanılan bir metot
Hemodiyaliz (Hemodialysis): Kreatin ve üre gibi zehirli yan ürünlerin,
metabolitlerin kandan diyalizle uzaklaştırıldığı proses
Hemofiltrasyon (Hemofiltration): Kreatin ve üre gibi zehirli yan
ürünlerin, metabolitlerin kandan ultrafiltrasyon prosesi ile
uzaklaştırıldığı proses
Hızlı Yıkama (Flush): Membran yüzeyinde bulunan kalıntı kimyasal ve
partikülleri uzaklaştırmak için yüksek hızda uygulanan yıkama adımı
Hidratasyon Çapı (Hydrated Radius/Stokes Radius): Çözünen
madde dış tabakasının etki alanı
Hidrofilik Membran (Hydrophilic Membrane) : Suyla ıslanmaya
meyilli membran
Hidrofobik Membran (Hydrophobic Membrane) : Suyla ıslanmayan
ve daha çok tıkanmaya meyilli membran
Hidrojen Tabanlı Membran Biyofilm Reaktör (Hydrogen Based
Membrane Biofilm Reactor): Okside olmuş kirleticileri arıtmak için
gaz olarak hidrojenin kullanıldığı biyofilm reaktörü
Hidrolik Bekleme Süresi (HRT) (Hydraulic Retention Time): Giriş
debisinin havuzda kalış süresi
1402
Hidrolik Şok Yükleme (Hydraulic Shock Loading): Sisteme ek ilave
olarak gelen şok hidrolik yüklemeler
Hidrostatik Basınç (Hydrostatic Pressure): Bir sıvı içinde bulunan bir
cisme sıvının kütlesi tarafından yapılan basınç
Homojen Membran (Homogeneous Membrane): Membran kalınlığı
boyunca yapısal ve taşınımsal olarak aynı özellikleri gösteren membran
Isıl Yöntemle Üretilen Faz Dönüşüm Membranı (Thermally-
Induced Phase Separation Membrane): Polimer çözeltisinin kontrollü
soğutma sonucu koagüle olması ya da çökelmesi ile elde edilen
membran
Islak Faz Dönüşüm Membran Üretimi (Wet-Phase Inversion
Membrane Formation): Membran oluşturmak için polimer çözeltisinin
koagülasyon banyosu içerisine daldırıldığı üretim prosesi
Islak-Kuru Faz Dönüşüm Membran Oluşumu (Dry-Wet Phase
Inversion Membrane Formation): Kuru ve ıslak faz ayrımı süreciyle
oluşan membran
İçi Boşluklu Fiber Membran (Hollow Fiber Membrane): Silindirik
şeklinde olup ayırma işleminin iç yüzey veya dış yüzeyin her ikisi ile de
olabilecek şekilde gerçekleştirildiği membran tipi
İçme Suyu (Potable Water): Biyolojik ajanlardan, askıda katı
maddelerden, koku ve renk oluşturucu bileşiklerden arındırılmış,
toplam çözünmüş katı madde miktarının 500 ppm’den az olduğu ve
içilebilir özellikteki su
İçten Dışa / Dıştan İçe (Outside To Inside/Inside To Outside): İçi
boşluklu fiber membranların çalıştırıldığı çalışma prensipleri
1403
İleri Osmoz (Forward Osmosis): Çözünmüş madde konsantrasyonu
düşük bir çözeltiden çözünmüş madde konsantrasyonu yüksek olan
çözeltiye doğru yarı geçirgen bir membranda, yüksek konsantrasyonlu
çözeltinin kontrollü bir şekilde kullanıldığı proses
İleri Osmoz (Osmotik) Membran Biyoreaktörler (OsMBR (Forward
Osmosis (Osmotic) Membrane Bioreactor): İleri osmoz (İO)
prosesinin bir membran biyoreaktöre (MBR) entegre edildiği proses
İnce Film Kompozit (Thin Film Composite): Arayüzey
polimerizasyonu sonucu elde edilen membran
İnce Film Nanokompozit Membran (Thin Film Nanocomposite
Membrane): Üretim aşamasında nanoparçacıkların destek tabakası
veya aktif tabakaya eklendiği membran
İşlenmiş Su (Product Water): Membrandan sonra son arıtma ile
işlenmiş ve servise hazır hale gelmiş su
İşletme Basıncı (Operating Pressure) : Membranların çalıştırıldığı
basınç
İyonik Güç (Ionic Strength) : Çözeltinin kimyasal potansiyelinin
göstergesi
Kabarcık Noktası (Bubble Point): Gözenekli membran yüzeyine
basınçlı gaz verildiğinde, yüzeyde ilk kabarcığın görüldüğü an ve
görülen basınç değeri
Kabarcık Noktası Testi (Bubble Point Test): Membranın kabarcık
noktası basıncını belirlemek için uygulanan test
Kademe (Stage) : Bir membrandan (kademeden) çıkanın bir diğer
membran (kademe) sistemine girmesi
1404
Kapasitif Deiyonizasyon (Capacitive Deionization): İki gözenekli
karbon elektrot kullanılarak elektrik gradyanı oluşturup sudan iyonların
uzaklaştırılmasını sağlayan sistem
Kapasitif İyon Giderimi (Capacitive İon Removal): Çözünmüş
iyonların çözeltiden giderimi için kullanılan proses
Kartuş Filtre (Cartridge Filter) : Membran öncesinde kullanılan ince
filtre
Katot (Cathode): Negatif yüklü uç
Katyon Değiştiricili Membran (Cation-Exchange Membrane): Sabit
anyonik yüke ve mobil katyonlara sahip, maruz kaldığı çözelti
içerisindeki katyonların değiştirilmesine olanak tanıyan membran tipi
Kek Tabakası (Cake Layer): Membranın giriş kısmında yüzeyde
tutulan maddelerin oluşturduğu katman
Kısmi Basınç (Partial Pressure): Birden çok gazın olduğu ortamda tek
bir gazın oluşturduğu basınç
Kil Yoğunluk İndeksi (SDI) (Silt Density Index): Membran yüzeyi
üzerine birikmiş askıda katı maddelerin membran tıkanmasına yol açma
potansiyelini ölçmede kullanılan metot
Kimyasal Destekli Geri Yıkama (CEB) (Chemical Enhanced
Backwash): Geri yıkamanın kimyasal çözelti ile birlikte yapılması
Kompozit Dinamik Membran (Composite Dynamic Membrane):
Farklı malzemeler kullanılarak gerçekleştirilen kaplama işlemleri ile
hazırlanmış dinamik membran
Kompozit Membran (Composite Membrane): Kimyasal ya da yapısal
olarak farklı katmanlar içeren membran
1405
Konsantrasyon Faktörü (Concentration Factor): Bir bileşiğin
membran yüzeyindeki konsantrasyonunun, beslemedeki
konsantrasyonlarına oranı
Konsantrasyon Polarizasyonu (Concentration Polarization):
Membran yüzeyindeki tuz tutunumundan dolayı membran yüzeyinde
oluşan konsantrasyon artışı
Konsantre (Retentate): Membrandan geçemeyen maddelerin
membran modülü çıkışından toplandığı akım
Konsantre Faktörü (Concentrate Factor): Konsantre akımı
konsantrasyonunun, ham su konsantrasyonuna oranı
Kuru-Faz Dönüşümü Membran Oluşumu (Dry-Phase Separation
Membrane Formation): Membran oluşturabilmek için çözünmüş
polimerin belirli bir miktar çözücü ile çöktürülmesi süreci
Kütle Transfer Katsayısı (Mass Transfer Coefficient) : Membrandan
geçen kısmın miktarını gösteren katsayı
Kütle Transferi (Mass Transfer): Kütlenin bir yerden başka bir yere
hareketi
Kütlesel Akı (Mass Flux): Belirli bir alandan geçen kütle miktarının
oranı
Laminer Akım (Laminar Flow): Reynolds sayısının 2500’den küçük
olduğu durumlardaki akış rejimi
Langmuir-Blodgett Membran (LBM) Langmuir-Blodgett
Membrane): Gözenekli veya gözeneksiz destek tabakası üzerine yüzey-
aktif bileşikleri içeren bir veya birden fazla katmanın sıralı olarak
kaplanması sonucu elde edilen sentetik kompozit membran
1406
Levha ve Çerçeve (Plate and Frame): Membranların düz levha
halindeki tertip tarzında kullanılması
Log Giderim Verimi (Log Removal Value): Bir organizma ya da
parçacık için log cinsinden filtrasyon performansını gösteren verim
değeri
Langlier Çökelme İndeksi (Langlier Saturation Index) : TDS,
kalsiyum, toplam alkalinite, pH ve sıcaklığa bağlı olarak belirlenen ve
suyun stabilitesi hakkında (çökelebilirlik veya korozif etki) bilgi veren
indeks
Mansap (Downstream): Membranda süzüntünün elde edildiği taraf
Memba (Upstream): Membrana beslemenin yapıldığı giriş bölgesi
Membran (Membrane): Farklı sürücü kuvvetler altında kütle
transferinin sağlandığı yarı geçirgen malzeme
Membran Biyofilm (MBfR) (Membrane Biofilm Reactor): Gaz difüze
eden hidrofobik membranın biyofilm destek malzemesi olarak
kullanıldığı proses
Membran Biyoreaktör (MBR) (Membrane Bioreactor): Aktif çamur
sistemiyle membran proseslerini birleştiren proses
Membran Delaminasyonu (Membrane Delamination): Basınç
kabının konsantre tarafındaki membranların hasar görmesi
Membran Distilasyon Biyoreaktörleri (MDBR) (Membrane
Distillation Bioreactor): Biyoreaktör sisteminin membran distilasyon
(MD) membranı ile entegre edildiği sistem
1407
Membran Distilasyonu (Membrane Distillation): Hidrofobik
membran gözeneklerinin sıvı fazdan ıslanmadığı buhar fazında
taşınımın olduğu sıvı ve gaz fazların gözenekli bir membran ile ayrıldığı
membran prosesi
Membran Geçiş Basıncı (Transmembrane Pressure): Membranda
oluşan basınç gradyanı
Membran Geri Yıkama (Membrane Backwash): Süzüntü suyunun
belirli bir debide süzüntü tarafından membranın besleme tarafına doğru
beslenmesi
Membran İzoelektrik Noktası (Membrane Isoelectric Point):
Membranın yüzey yükünün pozitiften negatife geçtiği pH değeri
Membran Kapasitif Deiyonizasyon (Membrane Capacitive
Deionization): Kapasitif deiyonizasyon sistemlerine iyon seçici
membranların eklendiği proses
MBR Kaset Sayısı (MBR Cassette): MBR modüllerinin sayısı
Membran Tertip Tarzı (Membrane Configuration): Membranların
belli bir şekile sokularak kullanılması (spiral sargılı vb. gibi)
Membran Kontaktör (Membrane Contactor): Bir fazdan diğerine
uygulanan spesifik bir sürücü kuvvet sayesinde bileşiklerin bir fazdan
diğerine geçerek ayrılmasının gerçekleştirildiği proses
Membran Kristilizasyonu (Membrane Crystallization): Kristalize
olabilen ve uçucu olmayan çözüneni olan bir çözeltinin gözenekli bir
membran vasıtasıyla süzülmesi
Membran Lümen Duvarı (Membrane Lumen Wall): İçi boşluklu fiber
membranların iç kısmındaki membran yüzeyi
1408
Membran Modülü (Membrane Module): Membran ya da
membranların giriş, süzüntü ve konsantre akışlarını ayırmaya yarayan
yapı
Membran Otopsisi (Membrane Autopsy): Kullanım ömrünü
doldurmuş, çeşitli sebeplerden kullanılamaz hale gelmiş veya olağan
performansından düşük performans gösteren membran filtrelerde bu
karşılaşılan problemlerin sebebini belirlemek için kimyasal ve fiziksel
analizler uygulanması ve tanı konulması
Membran Reaktör (Membrane Reactor): Aynı fiziksel ortamda hem
reaksiyon gerçekleşen hem de membran sayesinde ayrım işleminin
gerçekleştiği reaktör
Membran Sıkıştırma (Membrane Compaction): Membran yüzeyinin
membran kalınlığı boyunca uygulanan basınca bağlı olarak sıkıştırılması
Membran Sistemi (Membrane System) : Membran arıtma biriminin
tamamı
Membran Üretim Sonrası İşlemler (Membran Post-Treatment):
Membran üretilip henüz çalıştırılmadan önce membran özelliklerinde
yapılacak işlemler
Mikrobiyal Yakıt Hücresi (MYH) (Microbial Fuel Cell): Elektrik
enerjisi üretmek için bakteriyel metabolizmaların kullanıldığı
biyoelektrokimyasal proses
Mikrofiltrasyon (Microfiltration): 0.1 µm’den büyük parçacıkların ve
çözünmüş moleküllerin giderildiği basınç sürücülü membran prosesi
Modül (Module) : Membranların bir basınç kabı içerisine yerleştirilmiş
hali
1409
Modül Kaçak Testi (Module Leakage Test): Modül uygunluğunun
gösterilmesi amaçlı uygulanan test
Moleküler Ağırlık (Molecular Weight): Bileşiğin bir molekülünün
birleşik atom kütle birimi cinsinden kütlesi
Moleküler Ağırlık Engelleme Sınırı (Ayırma Sınırı) (MWCO)
(Molecular Weight Cut-Off): Herhangi bir membranda %90 oranında
çözünen maddenin giderildiği moleküler ağırlık değeri
Nanofiltrasyon (Nanofiltration): 2 nm’den küçük parçacıkların ve
çözünmüş moleküllerin ağırlıklı olarak iki veya daha büyük yüklü
iyonların giderildiği basınç sürücülü membran prosesi
Nanokompozit Membran (Nanocomposite Membrane):
Nanoparçacıkların membran matrisi içerisinde bulunduğu membran
Net Sürücü Basınç (Net Driving Pressure): Membrana uygulanan
hidrolik basınç farklılığı ile osmotik basınç farklılığı arasındaki fark
Ohm Kanunu (Ohm’s Law): Ortamda sadece elektriksel potansiyelin
olması durumunda gerçekleşen enerji farklılığı durumunda geçerli
kanun
Oksijen Alım Hızı (Oxygen Uptake Rate): Hacimsel oksijen tüketim
hızı
Organik Şok Yükleme (Organic Shock Loading): MBR sistemine gelen
organik madde içeriğinin artması durumu
Organik Tıkanma (Organic Fouling): Organik maddelerin sebebiyet
verdiği tıkanma
1410
Organik Yükleme Oranı (Food/Microorganisms Rate): Birim
zamanda, birim AKM başına reaktöre beslenen birim BOİ ile ifade edilen
oran
Osmotik Basınç (Osmotic Pressure): Yarı geçirgen membranda suyun,
tuz konsantrasyonu düşük taraftan yüksek tarafa akması sonucu oluşan
basınç farklılığı
Osmoz (Osmosis): Yarı geçirgen membrandan suyun, tuz
konsantrasyonu düşük taraftan yüksek tarafa akması
Paketleme Oranı (Packing Density): Membran yüzey alanının
membran modülünün kapladığı hacme oranı
Parmaksı Yapı (Finger-Like Structure): Membran kesitinin, dik
şekildeki parmaksı yapıda ince kanallar içeren yapısı
Pervaporasyon (Pervaporation): Membranın besleme ve konsantre
kısmında sıvı akışın olduğu, süzüntü kısmında ise gaz akışının yaşandığı
membran prosesi
Porozite/Gözeneklilik (Porosity): Membran yapısında bulunan
gözenek hacminin toplam membran hacmine oranı
Proton Değişim Membranı (Proton Exchange Membrane):
Elektrokimyasal tepkimeler sonucu oluşan protonların anottan katota
aktarıldığı membran türü
Sabit Gözenekli Membran Üretimi (Track-Etched Membrane
Formation): Belirli gözenek çaplarına sahip gözenekli membran
üretebilmek için gözeneksiz filmin önce iyon bombardımanına maruz
bırakılıp sonrasında maruz kalan bölgelerin asitle düzenlendiği
membran üretim yöntemi
1411
Seçici Membran Katmanı (Selective Membrane Skin): Asimetrik
membranların geçirgenliğini etkileyen ve genelde asimetrik
membranların üst yüzeyinde bulunan gözenekliliği daha küçük ince
tabaka
Sentetik/Yapay Membran (Synthetic/Artificial Membrane): Doğada
bulunmayan bir proses sonucu üretilen membran
Sentetik Organik Bileşenler (Synthetic Organic Matters): Sentetik
olarak elde edilen karbon içerikli bileşikler
Seramik Membran (Ceramic Membrane): İnorganik malzemelerden
üretilen membran türü
Sıfır Sıvı Deşarjı (Zero Liquid Discharge): Tüm atıksuyun
saflaştırıldığı ve geri dönüştürüldüğü atıksu arıtma prosesi
Sınır Tabakası (Boundary Layer): Membran üzerinde iyonların
konsantrasyonun arttığı ince tabaka
Simetrik Gözenekli Yapı (Symmetric Porous Structure): Membranın
her bölgesindeki gözeneklerin eşit büyüklükte olduğu ve membranın
yanal kesiti boyunca neredeyse bütün gözeneklerin sabit çapa sahip
olduğu yapı
Siyah Su (Black Water): Tuvaletlerden kaynaklanan evsel atıksu
Sol-Jel Membran Üretimi (Sol-Gel Membrane Formation): Farklı
kimyasal fonksiyonelliğe sahip malzemelerin solvent içerisinde
çözdürülüp ağ yapısı oluşturacak reaksiyona girip sonrasında ısıl işlem
uygulayarak gözenekli membranların elde edildiği çok basamaklı üretim
süreci
1412
Son Arıtma (Post Treatment) : Membrandan çıkan suyun servis
edilebilmesi için uygulanan dezenfeksiyon, şartlandırma vb. gibi
prosesler
Sterik Engelleme (Steric Hindrance): Atom ya da atom gruplarının
boyutlarından dolayı birbirlerini itmelerinden kaynaklı durum
Su Difüzyonu (Water Diffusion): Bir sürücü kuvvet sayesinde su
moleküllerinin pasif taşınımı
Süngerimsi Yapı (Sponge-Like Structure): Membranın yanal kesitinde
ince kanallar ya da boşluk içermediği, süngerimsi yapıda bir gözenek
yapısının bulunduğu ve mekanik özellikleri arttırıcı durum
Sürekli Membran Kolonu (Continuous Membrane Column) : Her
modülün ayrı bir basamak olarak düşünüldüğü, distilasyon kolonuna
benzer işletme şartları olan membran kolonu
Sürücü Kuvvet (Driving Force): Membranlardaki transferden dolayı
sistemin toplam enerjisinde bir azalma meydana getiren kuvvet
Süzme (Filtration): Membranın tutabildiği boyuttan daha büyük olan
partiküller yüzeyde tutunurken, su ve daha küçük yapılı partiküllerin
membrandan geçmesi durumu
Süzülen Maddeler (Permeant, Penetrant): Membran süzüntü akımına
geçebilecek maddeler
Süzüntü (Permeate) : Membrandan geçen akım
Süzüntü Sonrası Arıtım (Permeate Post-Treatment): Süzüntü suyu
kalitesini iyileştirmek amacıyla uygulanan şartlandırma üniteleri
1413
Tam-Karışımlı Akış (Completely-Mixed/Perfectly-Mixed Flow):
Membran modülü içerisindeki membranın giriş ve çıkışındaki akışın
bağımsız bir şekilde iyi karıştığı akış
Tek Değerlikli Tuz (Monovalent Salt): Pozitif veya negatif olmak
üzere tek yük taşıyan tuz
Termofilik Biyoproses (Thermophilic Bioprocess): Yüksek
sıcaklıklarda işletilen proses
Ters Akımlı Akış (Counter-Current Flow): Membran modülü
içerisindeki sıvının membranın giriş ve çıkışında membran yüzeyine
farklı yönde elde edilen akış profili
Ters Elektrodiyaliz (EDR) (Reverse Electrodialysis): Elektriksel
potansiyel farklılığı altında çalışan elektrodiyaliz prosesinde akım
yönlerinin geçici olarak yer değiştirmesi ile oluşturulan membran
yüzeyindeki kirleticileri uzaklaştırmak için elektrodiyaliz prosesi içinde
kesikli olarak uygulanan proses
Ters Osmoz (Reverse Osmosis): Osmotik basınç farkına karşı
uygulanan transmembran basıncı sayesinde ayrım sağlayan membran
prosesi
Tersinir Olmayan Tıkanma (İrreversible Fouling): Gözenek
tıkanması ve kirleticilerin yüzeye sıkıca bağlanması sonucu oluşan
tıkanma
Tersinir Tıkanma (Removable Fouling): Kirleticilerin membran
yüzeyine serbestçe yapıştığı ve fiziksel bir yıkama ile giderilebilen
tıkanma
Tıkanma (Fouling): Askıda katı ya da çözünmüş olarak bulunan
maddelerin membran dış yüzeyi, gözenek yüzeylerinde ve gözeneklerin
içinde birikmesi sonucu membranda oluşan performans kaybı
1414
Toplam Organik Karbon İzleme (TOC Monitoring Test): Filtrelenmiş
su kalitesinin doğrulanması, modül uygunluğun gösterilmesi ve
ekipman/filtrasyon problemlerinin tespit edilmesi için kullanılan
sürekli testlerden birisi
Tuz Geçişi (Salt Passage) : Membrandaki giderme verimi
Tübüler Membran (Tubular Membrane): Silindirik şekilde olup
çapları içi boşluklu fiber membranlara göre biraz daha geniş olan
membran tipi
Türbülanslı Akım (Turbulent Flow): Reynolds sayısının 2500’den
büyük olduğu durumlardaki akış rejimi
Ultra Saf Su (High Purity Distilled Water/Ultrapure water):
Çözünmüş madde ve tuz içermeyen veya eser miktarda içeren su
Ultrafiltrasyon (Ultrafiltration): 0.1 µm’den küçük 2 nm’den büyük
parçacıkların ve çözünmüş moleküllerin giderildiği basınç sürücülü
membran prosesi
Uygulanan Basınç (Applied Pressure): Membrana doğru uygulanan
hamsu basıncı
Vakum Sönümlenme Testi (Vacuum Decay Test): Membranın her iki
tarafına hava verilmesi ile gerçekleştirilen test
Yerinde Kimyasal Yıkama (Membran Temizleme Sistemi) (CIP)
(Clean in Place): Membranların kimyasallar ile temizlenmesi
Yeter Sayı Etkisi (Quorum Sensing): Mikroorganizmaların bir araya
gelmek üzere sinyal molekülü salgılaması ve br araya gelmesi
1415
Yeter Sayı Etkisini Azaltan MBR (Quorum Quenching MBR):
Mikroorganizmaların bir araya gelmesini sağlayan sinyal moleküllerinin
parçalandığı ve bir araya gelmesinin engellendiği MBR sistemi
Yeter Sayı Etkisini Azaltma (Quorum Quenching): n-Acil
homoserinlakton (ahl) sinyal moleküllerinin bozundurularak biyofilm
oluşumunun engellendiği ve mikroorganzimaların bir araya gelmesinin
engellendiği durum
Yoğun Yapı (Dense Structure): Su akısı oldukça düşük olup daha çok
gaz ayrımı membranlarında kullanılan yapı
KAYNAKLAR
Koros, W.J., Ma, Y.H. Shimidzu, T. (1996). “Terminology for Membranes
and Membrane Processes”. IUPAC, Pure and Applied Chemistry 68,
1479-1489.
1416
1417
DİZİN
A
AeMBR, 553, 554, 560, 562 Aerobik membran biyoreaktör, 18,
553 Anaerobik MBR, 782 Anaerobik membran biyoreaktör,
18 ARROW, 1076, 1077, 1079
B
Basınç geciktirmeli osmoz, 18, 21, 1325, 1326, 1330, 1336, 1341
Basınç sönümlenme testi, 1267, 1388
Biyoenerji, 14, 656 Bulanıklık, 39
C
CDI, 537, 538, 1069, 1070, 1071 CEB, 470, 762, 765, 766, 767, 768,
769, 770, 1261, 1263, 1265, 1277, 1312, 1397
CIP, 179, 227, 280, 396, 399, 404, 415, 420, 461, 462, 468, 470, 981, 984, 985, 986, 1038, 1174, 1178, 1262, 1264, 1265, 1312, 1407
D
Deri endüstrisi, 1014, 1016, 1017 Derin kuyu enjeksiyonu, 1055,
1120 Desalinasyon, 18, 28, 30, 31, 294,
295, 320, 322, 404, 407, 431, 432, 514, 719, 851, 929, 1048, 1053, 1092, 1094, 1100, 1108, 1113, 1116, 1118, 1121, 1122, 1208, 1210, 1214, 1215, 1390
Dinamik membran, 234, 711, 1386 Düz-Plaka, 840, 1340, 1342, 1343
E
Elektrodeiyonizasyon, 18, 25, 82, 532, 536, 1391
Elektrodiyaliz, 17, 18, 22, 56, 79, 532, 886, 968, 974, 1050, 1067, 1068, 1069, 1080, 1391, 1406
Elektrokoagülasyon, 1062, 1063, 1078, 1392
Endüstriyel atıksu, 203, 205 ExMBR, 753, 795, 796, 797, 798,
799, 801
F
Fujiwara testi, 1319, 1321, 1322
G
GEN MBR, 197, 205, 608, 610, 612, 1314, 1323
Geri yıkama, 176, 459, 460, 461, 1259, 1261, 1265, 1313, 1393, 1397, 1400
Gıda endüstrisi, 980, 983, 986 Gözenek çapı, 40 Gri su, 814, 815, 818, 820, 821, 822,
827, 830, 837, 838, 840, 841, 842
H
Hemodiyaliz, 16, 530
İ
İçi boşluklu fiber, 17, 42, 43, 62, 183, 194, 195, 196, 197, 204, 225, 226, 229, 230, 282, 302, 303, 382, 561, 575, 601, 682, 1255, 1395, 1400
İçme suyu, 4, 5, 6, 11, 14, 16, 18, 26, 69, 177, 197, 218, 219, 220, 221, 222, 296, 413, 418, 422, 425,
1418
426, 432, 433, 434, 435, 436, 437, 439, 440, 441, 463, 468, 518, 833, 837, 849, 850, 854, 859, 866, 870, 903, 906, 912, 920, 926, 927, 936, 974, 979, 1055, 1085,1089, 1090, 1186, 1188, 1195, 1208, 1217, 1228, 1256, 1274, 1275, 1298
İleri oksidasyon, 886, 912, 1071 İleri osmoz, 18, 21, 73, 771, 1065,
1327, 1396 İnce film kompozit, 1396 İSKİ, 544, 545, 929, 931, 932, 933,
1000, 1010
K
Kabarcık noktası, 1297, 1396 Kapasitif deiyonizasyon, 537, 1397,
1400 Kaset sayısı, 1400 Konsantrasyon polarizasyonu, 73,
75, 135, 138, 139, 140, 141, 142, 145, 146, 149, 157, 158, 159, 160, 180, 181, 200, 217, 351, 375, 776, 777, 1065, 1332, 1334, 1335, 1336, 1337, 1338, 1339, 1340, 1346, 1349, 1398
Konsantre, 16, 53, 55, 56, 66, 69, 70, 74, 75, 77, 82, 104, 105, 176, 180, 185, 186, 196, 217, 225, 227, 231, 301, 303, 304, 305, 306, 307, 320, 324, 326, 334, 347, 361, 362, 363, 364, 365, 367, 368, 369, 373, 374, 375, 376, 377, 379, 383, 384, 387, 388, 396, 397, 400, 402, 403, 404, 405, 406, 407, 409, 411, 412, 428, 495, 532, 535, 539, 540, 544, 546, 559, 581, 613, 674, 713, 720, 733, 738, 772, 891, 902, 914, 936, 944, 957, 962, 967, 974, 984, 987, 988, 990, 992, 995, 1009, 1020, 1021, 1029, 1030, 1047, 1048, 1049,
1050, 1052, 1054, 1055, 1057, 1061, 1062, 1063, 1064, 1065, 1066, 1071, 1072, 1073, 1075, 1076, 1077, 1078, 1079, 1080, 1081, 1085, 1086, 1087, 1088, 1090, 1091, 1098, 1099, 1100, 1101, 1103, 1104, 1105, 1107, 1112, 1113, 1114, 1115, 1119, 1120, 1121, 1122, 1123, 1127, 1131, 1139, 1140, 1141, 1142, 1168, 1186, 1192, 1206, 1208, 1211, 1214, 1222, 1262, 1273, 1279, 1289, 1302, 1303, 1318, 1330, 1351, 1353, 1387, 1390, 1393, 1399, 1401, 1403
Kuyu suyu, 294, 369, 544, 956, 1153, 1158, 1160, 1171, 1190, 1201, 1202, 1205, 1206
Kütlesel akı, 1398
M
Maliyet, 9, 17, 49, 69, 284, 355, 392, 479, 487, 491, 492, 493, 499, 559, 663, 693, 694, 696, 711, 725, 769, 837, 866, 869, 870, 905, 968, 1100, 1104, 1106, 1107, 1112, 1117, 1153, 1154, 1155, 1157, 1158, 1159, 1160, 1162, 1169, 1170, 1171, 1172, 1173, 1174, 1176, 1177, 1180, 1181, 1185, 1186, 1187, 1188, 1189, 1196, 1197, 1199, 1200, 1206, 1208, 1211, 1214, 1215, 1218, 1222, 1228, 1230, 1234, 1242, 1244, 1245, 1246, 1247, 1286, 1290, 1350, 1351, 1353, 1362
MBfR, 785, 787, 788, 789, 790, 791, 792, 793, 794, 807, 809, 842, 1399
MDBR, 753, 779, 780, 781, 782, 783, 784, 803, 1399
Membran biyoreaktör, 18, 24, 25 Membran distilasyonu, 18, 22
1419
Membran kontaktör, 18, 23 Membran kristalizasyonu, 1064 Membran otopsisi, 174, 1315,
1319, 1320, 1401 MEMTHANE, 657, 691, 693 Mikrobiyal yakıt hücreleri, 1354,
1401 Mikrofiltrasyon, 18, 19, 29, 55, 56,
60, 63, 217, 288, 369, 373, 374, 416, 419, 421, 518, 519, 521, 738, 767, 772, 886, 914, 953, 1003, 1255, 1269, 1272, 1401
Moleküler ağırlık engelleme sınırı, 40
N
Nanofiltrasyon, 55, 56, 67, 68, 168, 179, 294, 299, 426, 519, 520, 521, 531, 532, 868, 953, 958, 1004, 1114, 1190, 1206, 1285, 1402
Nanokompozit, 51, 52, 1396, 1402 NeWater, 906
O
Orange County, 911, 912 OsMBR, 753, 771, 772, 773, 774,
775, 776, 777, 778, 779, 809, 810, 1396
Ö
Ön arıtma, 260, 291, 292, 293, 321, 337, 572, 591, 902, 1304
P
Paketleme oranı, 1403 Pervaporasyon, 17, 18, 23, 55, 56,
83, 84, 131, 1403 Porozite, 237, 1403 Proses suyu,14, 59, 70, 74, 79, 81,
517, 518, 522, 523, 529, 531, 541, 543, 545, 850, 887, 895,
896, 903, 929, 936, 967, 992, 995, 1140
Q
QQ MBR, 753, 759, 761, 763, 764, 765, 766, 767, 768, 769, 770, 771
Quorum Quenching, 753, 754, 755, 756, 757, 759, 762, 766, 802, 805, 806, 807, 811, 1408
R
ROSA, 412, 480, 481, 482, 491
S
Sağlamlık testleri, 1265, 1293 SDI, 170, 171, 172, 261, 307, 324,
325, 326, 337, 338, 339, 340, 341, 368, 369, 412, 413, 434, 436, 439, 441, 467, 470, 479, 909, 928, 1004, 1158, 1192, 1198, 1287, 1288, 1298, 1397
Seçicilik, 13, 62 Sıfır-sıvı deşarjı, 1056 Sıvı membran, 975, 976 Sızıntı suyu, 735, 997, 1001, 1003,
1004, 1005, 1008, 1009, 1010, 1011, 1012, 1013, 1042
Siyah su, 813, 821, 830, 831, 832, 1404
SKKY, 612, 630, 872, 884, 1000, 1001
SPARRO, 1075, 1076 Spiral sargılı membran, 198, 199,
362 Su geri kazanım, 11, 12, 13, 544,
850, 851, 852, 863, 908, 911, 913, 919, 982, 983
Su kıtlığı, 12, 13, 14 Su stresi, 4, 5, 849, 851, 884 Süngerimsi yapı, 1405
1420
T
Tekstil atıksuyu, 727, 952, 953, 955, 959, 960
Ters elektroliz prosesi, 1068 Ters osmoz, 16, 18, 20, 29, 39, 41,
46, 48, 60, 65, 67, 68, 71, 72, 74, 83, 102, 105, 119, 128, 130, 131, 137, 149, 164, 173, 175, 179, 191, 193, 198, 199, 213, 219, 261, 287, 288, 289, 294, 295, 296, 299, 310, 316, 320, 321, 322, 326, 336, 347, 369, 370, 372, 378, 381, 384, 431, 434, 436, 437, 439, 440, 443, 463, 465, 479, 480, 483, 491, 530, 531, 534, 535, 542, 543, 544, 546, 712, 772, 773, 887, 955, 956, 958, 961, 969, 1004, 1006, 1007, 1056, 1062, 1066, 1069, 1070, 1073, 1076, 1123, 1125, 1153, 1156, 1157, 1159, 1160, 1161, 1170, 1171, 1192, 1201, 1202, 1203, 1204, 1208, 1209, 1214, 1219, 1220, 1221, 1247, 1255, 1285, 1291, 1297, 1330, 1332, 1334, 1335, 1338, 1340, 1346, 1351, 1352, 1353
Tıkanma, 157, 164, 169, 171, 178, 180, 200, 202, 209, 227, 268, 269, 270, 272, 274, 276, 277, 278, 319, 333, 336, 446, 573, 574, 660, 671, 868, 1388, 1393, 1402, 1406
Tuzlu su, 14, 373, 374, 410, 978, 1062, 1070, 1172, 1231
Tübüler, 42, 43, 62, 180, 182, 183, 201, 202, 204, 226, 227, 234, 561, 666, 667, 682, 683, 689, 728, 731, 735, 737, 1357, 1361, 1407
U
Ultrafiltrasyon, 18, 19, 29, 55, 56, 64, 115, 149, 217, 421, 425, 436, 455, 457, 458, 459, 460, 461, 462, 466, 468, 469, 470, 518, 519, 886, 953, 955, 958, 969, 970, 1003, 1027, 1171, 1204, 1255, 1269, 1272, 1407
V
VSEP, 1074, 1075, 1079, 1147
Y
Yakıt hücresi, 1354, 1355, 1368, 1369, 1371, 1372
Yeter sayı etkisini azaltma, 755, 756, 1408
1421