Su Kaynaklarının Yetersizliği 

Yalnız bu gibi teknik yayınlarda değil, günlük gazetelerde ve gözde dergilerde de devamlı olarak ‘su kaynaklarının yetersizliği ve iklim değişikliği’ hakkındaki haberleri takip etmekteyiz. GE Power & Water firmasının desalinasyon ürün müdürü Erik Hanson’a bu küresel sorunlar hakkındaki görüşlerini sorduk. Kendisi; “Eskiden sadece su sektörünün içinde bulunan kişiler için konu olan bu sorunlar artık politik, ekonomik ve hatta günlük sohbetlerin konusu haline gelmiştir” dedi.

 

Daha sonra da ekledi: “Tabii ki işin kötü yanı, su kaynaklarının azlığı ile tüm bu ilgiyi hak etmekte lmasıdır. Bu sorun, nüfus ve sanayileşme arttıkça daha kötü bir hal alan, belgelenmiş ve önemli bir sorundur. İşin iyi yanı ise, tüm bu ilginin durumun iyileşmesi yönünde ilerlemelere - hem teknolojik, hem de üretim uygulamaları olarak - yol açmış olmasıdır.”

 

Tatlı su kaynaklarının yetersizliğini daha da tetikleyen hızlı nüfus artışı gösteren belli bölgelerin yanı sıra, iklim değişikliği ve değişen nüfus demografisi de tatlı su kaynaklarının yetersiz kaldığı alanların yaratılmasında artan nüfus ve sanayileşmeye eklenmektedir. Sonuç olarak ortaya çıkan su kaynaklarının yetersizliği sorununun çözümünde, özellikle de deniz kıyılarında, deniz suyu soruna açık bir çözüm sunmaktadır (bakınız Şekil 1).

 

Energy Recovery Inc. firmasının İcra Kurulu Başkanı Tom Rooney tarafından tanımlandığı üzere, tatlı su kaynaklarının yetersizliği sorunun bileşimi, bir küresel enerji tüketimi konusudur ve “su/enerji bağlatısıdır”.

Suyun üretimi önemli miktarlarda enerji ve enerji üretimi de önemli miktarlarda su gerektirdiğinden Rooney, su ile enerjinin çok yakından bağlantılı olduklarını açıklamaktadır. Rooney, “Küresel su krizine çözüm bulmak için çözümlerin aynı zamanda enerji tasarrufu gereksinimini de göz önünde bulundurmasını” önermektedir.

 

Hanson, günümüzde tatlı su yetersizliğini çözmede su sektöründe iki farklı, ancak birbirleriyle ilişkili çözüm üzerinde yoğun olarak odaklanıldığını söylemiştir. “Suyun geri dönüşümü alanındaki gelişmeler, hali hazırda gereksinimleri karşılamış bulunan suyun daha iyi kullanılmasına olanak sağlamıştır” diyen Hanson, “ancak doğru arıtım ile bir veya daha fazla amaç için de ihtiyaç karşılanabilecektir. 

 

Desalinasyon konusunda elde gelişmeler, deniz suyunu içilebilir ya da bir takım ek arıtımlarla sanayi amaçlı suya dönüştürmeyi mümkün kılmaktadır. Desalinasyon teknolojisinde eğilimler Membrane Consultancy Associates’den Graeme Pearce’ın bildirdiğine göre, 1990’lı yılların sonundan itibaren desalinasyon piyasalarında, deniz suyunun ters osmoz (SWRO) spiral sarmalı diyaframla ayrıştırılması yönteminin günümüzde büyük boyutlu endüstriyel ve kentsel uygulamalarda ortak teknolojiye dönüşmesi ile birlikte, hızlı büyüme kaydedilmiştir[1]. 

 

1997 ve 2008 yılları arasında bileşik büyüme, ters osmoz sektörünün beklentilerini aşarak %17 olarak gerçekleşmiştir. Bu yüksek büyüme oranları artış göstermeye devam etmektedir. Hanson, Global Water Intelligence’a göre son yirmi yıl içinde, 1990’lı yılların ortalarında birim m³ başına 1.25 ila 1.50 dolar olan işlenmiş su işletme maliyetlerinin günümüzde m³ başına 0.75 doların altına düştüğünü bildirmektedir. Bu devam eden düşüş, hem daha düşük işletme maliyetlerine yol açan teknik gelişmelerden, hem de üretim uygulamalarının iyileştirilmesinden kaynaklanmaktadır. 

 

Bu son etken bir desalinasyon tesisi kurulması için gerekli olan ön sermaye gereksinimlerinde önemli miktarlarda düşüşe neden olmuştur. 100 yılı aşkın bir süredir birim işlemlerle deniz suyunun desalinasyonu mümkün olabilmekte idi. Önceleri, termal teknolojiler yanlızca Caird & Rayner Clark gibi şirketler tarafından suyu kaynatıp çözeltiyi ayırarak kullanılmakta idi. Bu teknolojiler günümüzde, özellikle de atık buhar ve benzeri ısı kaynaklarının kullanılabildiği ortamlarda, tuzun sudan ayrışımı için etkin küresel desalinasyonun bir parçası olarak kullanılmaktadır. Bu teknolojiler tipik olarak deniz kuvvetlerinde, denizlerde ve sahil ötesi konumlarda, küçük ölçekli özel uygulamalar olarak kullanılmakta, buhar kompresyon (mekanik) ve flaş evaporasyon teknolojilerini içermektedir.

 

Termal teknolojiler için gerekli olan özel korozyona dayanıklı metallerin kullanımı, daha büyük boyutlu uygulamalarda yeterli ısının elde edilmesi masraflarının yüksekliği ile birleştiğinde, araştırmacıların alternatif desalinasyon yöntemleri arayışı içine girmelerine yol açmıştır. 1960’ların başlarında geliştirilen diyafram esaslı teknolojiler, son yıllarda büyük boyutlu desalinasyon projelerinde ortak teknoloji olarak karşımıza çıkmaktadır. SWRO’da kullanılan ana teknoloji eriyik tuzların iyonik düzeyde ayrıştırılmalarını sağlayan çapraz akışlı diyafram ayrışım yöntemidir.

 

Diyaframdan süzülen su kullanım için depolanırken, eriyik atıkların çoğu atık kanalına nakledilmektedir. Besleme suyunun kalitesine bağlı olarak, genelde içeriğin %40’ı atık olarak ayrışmakta, bu da sisteme genelde %60’lık bir verim sağlamaktadır. Besleme kaynağında mevcut bulunan tuzlar konsantre olup, su kaynağı geliştirmede düşük enerji kullanımı potansiyeli ile ortaya çıkan yeni bir yaklaşım bulunmaktadır. Bu yaklaşım osmoz prensibine dayanmakta olup, temelleri Pearee tarafından açıklanmıştır [2|. 

 

Her ne kadar bu doğru osmoz yönetmleri 1960’lardan bu yana mevcut olsa da, ticari olarak kullanımları nispeten yenidir. SWRO’da, osmozu kullanmanın alışılmış yöntemi, osmotik basınca karşı durmak ve işlemi tersine çalıştırmak üzere diyaframın tuzlu su tarafına basınç uygulamak ve daha sonra diyaframın tatlı su tarafına tuzlu suyu sürmektir.

 

Osmoz yöntemi, iki çözelti arasındaki kimyasal potansiyel farkı nedeniyle suyun yarı geçirgen bir ortamdan nakledilmesidir. Su doğal olarak daha yoğun olan tuzlu suyu inceltmek üzere diyaframın tatlı su tarafına geçecektir. Bu da, iki çözelti arasındaki tuzluluk farkından bağımsız olarak bir basınç farkı yaratacaktır. SWRO ile karşılaştırıldığında, daha az miktarda taze su oluşumu, daha çok da az tuzlu su üretimi nedeniyle doğru osmoz daha az faydalı olarak görülebilir.

 

Ancak, doğru osmoz yöntemi, değişik sistem tasarımları ile osmoz prensibinin kullanımına olanak sağlaması nedeniyle enerji denetimi için potansiyel oluşturmak üzere asil bir olanak sunmaktadır. Su üretmek üzere tasarlanan sistemlere İleri Osmoz (FO) sistemleri denmekte olup, Modern Water’ın Ayarlanmış Osmoz Desalinasyonu (MOD) teknolojisinin kalbini bu sistem oluşturmaktadır (aşağıya bakınız).

 

Enerjiyi geri dönüşümü projeleri genelde Basınç Geciktirmeli Osmoz (PRO) olarak bilinmektedirler.

 

FO ve PRO teknolojilerinin diğer diyafram teknolojilerinin bileşimi ile, bu işlem projelerinin bir

dizi değişik şekli ve bileşimi hali hazırda geliştirilmektedir. Besleme suyunun mevcudiyetine bağlı olarak, ön arıtma teknolojileri ilave diyafram teknolojileri şeklinde de devreye sokulabilmektedir. Sisteme beslenen su, kaynağının doğasına ve değişkenliğine bağlı olarak Ultra-filtrasyon (UF) ü teknolojisi SWRO için ön arıtma olarak etkin bir biçimde kullanılabilmektedir. Pearee, son yıllarda su arıtımında kullanılan UF ve mikro-filtrasyon ürünlerinde önemli artışlar olduğunu, bu artışın %20’ler civarında olduğunu bildirmektedir.

 

Son yıllarda, desalinasyon sistemlerinde OPEX (işletim maliyetleri) ve CAPEX (sermaye maliyetleri) maliyetlerinin sağlamak üzere birçok değişik faktör bir araya gelmiş bulunmaktadır. Son 20 yılda desaline edilmiş suyun işletme maliyetlerinde önemli düşüşler kaydedildiğini, 1990’ların ortalarında birim m³ başına 1.25 ila 1.50 dolar olan bu maliyetin günümüzde m³ başına 0.75 doların altına düştüğünü bildiren Hanson, “Bu iyileşmenin nedeni, hem teknolojide elde edilen gelişmeler, hem de bir desalinasyon tesisi kurmak için gerekli olan yatırım sermayesinin önemli ölçüde düşmesine neden olan üretim uygulamalarına bağlı mali nedenlerdir” demektedir. 

 

Bu düşük maliyetlere katkıda bulunan teknolojiler arasında ön-arıtmada gelişmeler, yüksek verimli pompalar, diyaframlar ve enerji geri dönüşüm cihazları sayılabilir. OPEX’in düşürülmesi artık, SWRO’nun uygun maliyetli olmasını sağlayan çeşitli işletim faktörlerini inceleyeceğiz.

 

RO diyaframlarında iyileşmeler üreticiler, diyafram elemanı başına daha çok diyafram alanı koymakta, böylelikle de işletme basıncı devamlı olarak azalma göstermektedir. Her iki faktör de diyafram yenileme giderlerinin ve bunlarla ilgili enerji gereksiniminin azalmasına katkıda bulunmaktadır.

 

Gelişen teknolojilerin kullanımı hali hazırda özetlendiği üzere, ileri osmoz (FO) günümüzde diyafram desalinasyonunda artarak kullanılmaktadır. FO işlemlerinde taze suyun diyaframdan geçişini sağlamak üzere bir kuvvet yaratmak için bir draw solüsyonu kullanılmaktadır. Bu draw solüsyonu deniz suyundan daha yoğun olan bir osmotik ajan solüsyonu olup, genellikle de amonyumbikarbonat kullanılmaktadır. FO diyaframına tuzlu su uygulanmakta, yoğunluk farkı nedeniyle süzülen su osmoz yoluyla draw solüsyonuna geçmektedir. Draw solüsyonundaki çözeltiler daha sonra geri dönüştürülür ve tekrar kullanılır. Arıtılmış draw solüsyonu da arıtılmış suyu oluşturur.

 

Modern Water’ın patenti alınmış MOD teknolojisi ileri osmoz (FO) ile ters osmoz (RO) teknolojilerini birleştiren iki evreli bir yöntem olarak tanımlanır. İki değişik sistem 18 ayı aşkın bir süredir Umman Sultanlığında kullanılmaktadır [3].

 

Bu projelerden biri, Maskat’ın 400 kilometre güneyinde, Al Khaluf’dadır. Khaluf sitesinde Modern Water’ın günlük 100 m³ kapasiteli konteynerli ünitesi (bakınız Şekil 2) elektrik ve su idaresinin sahip olduğu bir konvansiyonel SWRO sisteminin yanı sıra çalışmaktadır. İşlemin FO kısmı, SWRO diyaframları 120 mg/l TDS (toplam eriyik katı madde) içilebilir nitelikli su elde etmeden ve yüksek basınçla suyun tuzu alınmadan önce, yüzde 35 geri dönüşüm oranı ile draw solüsyonunu seyreltmek üzere çalışmaktadır. Desalinasyon esnasında FO draw solüsyonundaki patentli osmotik ajan konsantre edilir ve yeniden kullanılır. Seyreltilmiş beslemenin desalinasyon enerji gereksiniminde yüzde 20’lik bir azalmaya neden olduğu bildirilmektedir. Ayrıca, klora dirençli ve kirlenmeye karşı korumalı FO diyaframları RO için neredeyse partiküllerden tamamen arınmış besleme sağlamaktadırlar.

 

UF teknolojisinin kullanımı etkin ve güvenilir bir ön-arıtma için, Pentair X-Flow firması da dâhil olmak üzere birçok şirket için UF diyafram teknolojisi çözümleri geliştirilmiştir. Bu çözümler SWRO ön-arıtma sistemleri için iki çözüm sunmaktadır: Seaguard (yatay konfigürasyon) ve Seatlex (düşey konfigürasyon). Bunların her ikisi de SWRO’da kirliliği azaltıcı yüksek verimliliğe sahip tek engelli boşluklu elyaflı UF diyaframlardan oluşmaktadır.

 

Seaguard UF ön-arıtma diyaframları Dubai’de Hümeyra ‘Palmiye Adası’ndaki (bakınız Şekil 3) oteller ve ticari kuruluşlara su sağlamak üzere tasarlanmış iki SWRO tesisine teslim edilmiş bulunmaktadır.

 

Pentair X-Flow firmasının BK satış müdürü Colin Reith, SWRO ön-arıtımının her geçen gün daha da önem kazandığını bildirmektedir. RO diyafram elemanlarındaki iyileştirmeler ve diğer faktörler aşağıda sıralanan nedenlerden dolayı yüksek SWRO kirliliğine neden olmaktadır:

 

• SWRO kuruk elemanlarında daha düşük çapraz akım hızı;

• SWRO yüzeylerine doğru daha yüksek konvektif hız;

• RO sisteminde daha uzun kalma süresi.

Reith şunları şöyledi: “Konvansiyonel ön-arıtım ile kıyaslandığında, son beş yıl içinde UF her geçen gün önem kazanmaktadır. Bu güne kadar UF’in hem yatırım maliyeti olarak, hem de işletim maliyetleri açısından çok pahalı olduğu düşünülürdü.” Konvansiyonel ön-arıtımda pıhtılaşma, sedimentasyon, ortam filtreleme ve kartuş filtreleme teknolojileri mevcuttur. Pentair X-Flow, bu konvansiyonel teknolojiler yerine UF teknolojileri kullanılarak tüm yaşam döngüsü süresince (25 yıl) 150,000 m³ /gün kapasiteli tipik bir büyük tesisin OPEX masraflarında önemli tasarrufların elde edilebileceğini hesaplamıştır.

 

Reith şunları eklemiştir: “UF teknoloji, konvansiyonel ön-arıtma sistemleri ile kıyaslandığında işletme masraflarında net ve önemli tafarruflar elde edilmesini sağlamaktadır. Özellikle de RO temizlik sıklığı, daha uzun RO diyafram ömrü ve daha düşük SWRO enerji tüketimi önem arz etmektedir. Bu tür tasarrufların pilot testlerle belirlenebilmesi mümkün olmamakla birlikte, yıllar içinde daha fazla tesisin bu şekilde başarılı bir biçimde çalıştırılması ile belirginlik kazanmaktadır.”

 

Reith ayrıca FO üzerine yorumda da bulunmuş ve FO sistemlerinin işletilmesinde önemli bir hususun asılı katı maddeler, mikrobiyoloji ve koloitler olduğunu belirtmiştir. Reith şu açıklamayı yapmıştır: “Hali hazırda birçok büyük ölçekli RO tesisinde ispatlandığı üzere, bu durum genel sistem performansını iyileştirmede ve sistem çıktısını artırmada UF diyaframlarını ideal çözüm konumuna getirmektedir. Kimyasal dozlamanın optimizasyonu pıhtılaşma, SWRO besleme kalitesini daha da artırma potansiyeline sahip olarak UF sistemlerinin önünde kullanılabilirler. Halen araştırmalar devam etmekte olup, deniz suyunun arıtılmasında pıhtılaştırıcıların rolü bu yıl içinde daha sonra Perth, Avustralya’da düzenlenecek olan Uluslararası Desalinasyon Dernekleri dünya kongresinde Pearce tarafından özetlenecektir. Pearce, değişik diyafram üreticilerinin ürünlerini değişik kıtalarda sahada kullananların deneyimlerini gözden geçirecektir. Pearce şunları söylemiştir: “İlk başlarda diyaframlı ön-arıtma sistemlerinin kullanılması ile kimyasal kullanımının tamamen önüne geçilmesi umulmakla birlikte, saha çalışmalarının bir kısmından görüldüğü kadarı ile az miktarda pıhtılaştırıcı kullanımı hem diyafram filtrasyonu, hem de RO için yararlı olmaktadır. En iyi seçenek zayıf besleme kalitesi süresinde normal olarak toplam sürenin %30’u) pıhtılaştırıcı dozunu konvansiyonel ön-arıtım miktarının üçte biri veya daha azına ayarlamaktır. Daha sonra bu konsantrasyon azaltılarak, besleme kalitesi iyi olduğunda sıfırlanabilir.”

 

Pompa tasarımında gelişmeler pozitif deplasmanlı (PD) pompalarda önemli gelişmeler sağlanmış bulunmaktadır. Hans şöyle demiştir: “Bunlar, tipik olarak verimlilikleri yüzde 90’ın üzerinde bulunan çok yüksek enerji verimliliğine sahip pompalardır. Maalesef bu pompalar günümüzde teknolojik kısıtlamalar nedeniyle sadece küçük uygulamalarda kullanılabilmektedir.

 

“Daha yüksek kapasiteler için tercih edilen santrifüj pompa teknolojileri verimliliğinde de büyük gelişmeler kaydedilmiştir. Günümüzde büyük desalinasyon tesislerinde santrifüj pompalar kullanılmakla birlikte bunlar PD pompalar kadar verimli olmamakta, ancak boyutlarının büyük olması nedeniyle verimli pompalar olarak çalışabilmektedirler.”

 

Energy Recovery Inc. Kıdemli Teknik Müdürü Eric Kadaj da, kullanım ve bakımlarının daha kolay olması, daha büyük kapasiteler için kolaylıkla ölçeklenebilmeleri nedeniyle son yıllarda santrifüj pompaların kullanımının arttığında hem fikirdir. Kadaj, pompalarda verimliliğin Bilgisayımsal Akışkanlar Dinamiği(CFD) yazılımları ve üretim süreçlerindeki gelişmelere bağlı olarak arttığının altını da çizmektedir.

 

Kadaj, “Esas olarak CFD yazılımının yaptığı, hidrolik tasarımı optimize ederek pompa üreticilerine modellerini tamamen pompanın hidrolik kapasitesine göre tasarlamalarına ve verimlilik kayıplarını dahilde azaltmaya olanak sağlamaktır” şeklinde açıklamada bulunmaktadır.

 

Atık enerji geri dönüşümünün artırılması Desalinasyonun ilk dönemlerinde PD ve santrifüj pompalar SWRO tesislerinde gerekli olan enerjinin tamamını sağlamakta idiler. Ancak, enerji geri dönüşümü alanındaki yenilikler enerji verimliliğinde iyileştirme sağlamıştır. Hanson şunları eklemiştir:

“Ters osmoz enerjisi geri dönüştürülebilir ve bu miktar deniz suyunun osmotik basıncını yenmek için gerekli olan enerjinin % 25 ila 30’una denk gelebilir. Bu da, desalinasyon tesisleri için gerekli olan enerjiyi önemli ölçüde azaltabilir.”

 

“Neredeyse tüm diyafram esaslı desalinasyon tesisleri günümüzde bir tür enerji geri dönüşüm yöntemi kullanmaktadır. Pompalama ve enerji geri dönüşümündeki müstakbel yenilikler, diyafram teknolojisindeki yeniliklerle birleştiğinde, desaliansyon işletme masraflarını daha da aşağıya çekebilecek anahtar oluşmaktadır.” 

 

İsobarik PXTM Basınç Eşanjör Teknolojisi SWRO’larda ve hafif tuzlu RO’larda % 60’a kadar enerji tasarrufu sağlayabilen Energy Recovery Inc. gibi birçok şirket atık enerjinin geri dönüşümü için çözümler üretmektedir. ERI’nin teknolojisi hakkında bu Filtrasyon ve Separasyon bir başka bölümünde daha geniş bilgi bulabilirsiniz.

 

CAPEX’i Azaltmak

Diyafram esaslı SWRO sistemlerinde desalinasyon masraflarını azaltmak için bir başka önemli husus da CAPEX’in azaltılmasıdır. Hanson şu açıklamayı yapmaktadır: “Bu masraf, suyun genel masrafları ile doğrudan ilişkili bulunmaktadır. Tesislerin çoğu yatırım amaçlı olduğundan, ilk masrafların amortismanı yapılmakta ve elde edilen suyun genel masraflarına yedirilmektedir.” 

 

Hanson, yakınlarda açıklanan ortalama su ücretlerinde CAPEX ve finansman masraflarının tipik bir SWRO tesisi için toplam su ücretinin üçte birine kadar (tipik bir büyük tesisin birim m³ başına 0.75 dolar olan arıtma suyunda m³ başına 0.25 ila 0.30 dolar) çıkabilmektedir. GE Power & Water gibi şirketler diyafram esaslı tesislerin masraflarını azaltmada önemli gelişme sağlamış bulunmaktadırlar. SeaPRO-E gibi daha önceden tasarlanmış tesisler, tipik olarak 500 ila 10,000 m³ /gün kapasitelere hizmet sağlayabilmekte ve montaj hattı şeklinde kurulabilmektedirler (bakınız Şekil 4). İyi üretim uygulamaları daha önceden tasarlanmış projelerle birleştirildiğinde, bu büyük sistemlerin üretimi daha tekrar edilebilir ve bu nedenle de daha uygun fiyatlı olabilmektedir. Montaj işçiliğini daha verimli hale getirmenin yanı sıra satın almalarda da verimlilik sağlanmaktadır. Bir ürün dizisindeki ortak elemanları esas alan yapı ürünleri daha iyi alt montaj fiyatlandırmalarında daha iyi sonuçlara erişir. Tüm bu üretim kazançları ile desalinasyonda CAPEX masrafları aşağıya doğru düşmeye devam edeceğinden, müşteriler tarafından da hissedilecektir.

 

Sonuç teknoloji ve üretim uygulamalarındaki müstakbel gelişmeler desalinasyondaki aşağıya doğru yönelen eğilimi devam ettirecektir. Ön arıtma yöntemleri ile diyafram tasarımlarındaki gelişmeler de birleşince, sonuç olarak bu günkünden daha güvenilir ve düşük masraflı sistemler ortaya çıkacaktır.

Ön arıtma, FO ve SWRO alanlarındaki gelişmeler, pompalar ve enerji geri dönüşümündeki gelişmelerle birleştiğinde, düşük masraflı olmakla birlikte güvenilirliği çok yüksek olan müstakbel desalinasyon tesisleri ufukta görülebilmektedir. Dünyada su kaynaklarının üzerindeki baskı devam edecektir. Nüfus artışı, iklim değişikliği ve endüstriyel gelişme ile artan enerji gereksinimleri kaçınılmaz bir şekilde bu eğilimin devam etmesini sağlayacaktır. Ancak, su sıkıntısının bu derece net olarak görünebilmesi, ilişik teknoloji ve üretim yöntemlerindeki gelişmelerle birlikte su sektöründeki yenilik ve yatırımların şimdiye kadar olduğu gibi ilerde de devam etmesini sağlayacaktır. 

 

Referanslar

[1] Pre-treatment to Seawater Reverse Osmosis: Markets and Experience, G Pearce, Filtration and Separation, kasım/Aralık 2009, s 30.

[2] Direct Osmosis: Revisiting the Problem of Water and Energy, G Pearce, Water & Wastewater International, Aralık 2010, s 22.

[3] Company News - FO Plant Completes one year of operation, Water Desalination Report, Kasım 2010, s 2.