Endüstrilere kazan suyu hazırlama sistemlerininçevresel etkileri
Environmental impacts of industrial boiler make-up water treatment systems
Yazar: BÜŞRA BURCU YALAMACILAR
Danışman: PROF. DR. FATOŞ GERMİRLİ BABUNA
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Sanayileşme ile birlikte artan su ihtiyacı, su kaynaklarının yönetiminin önemini arttırmaktadır. Giderek artan toplumsal duyarlılık da göz önünde bulundurulduğunda sanayileşme adına atılan her adımın çevresel etkileri üzerinde daha fazla çalışma yapılmaya başlanmıştır.
Bu çalışma ile endüstrilere kazan suyu hazırlama sistemlerinin su, elektirik ve kimyasal tüketimi 1 m³ arıtılmış su üretimi Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi (YDD) ile çevresel etki değerlendirmesi yapılmıştır. Arıtma yöntemi olarak Ters Ozmoz ve İyon Değiştirici sistemler kullanılmıştır. Hamsu bir kuyudan sağlanmış ve her iki arıtma yöntemi için aynı kalitedeki hamsu kullanılmıştır. Sistem sınırları hamsuyun kuyudan temin edilmesi ile başlayıp arıtılmış suyun depoya getirilmesi ile son bulmaktadır. Artıma esnasında oluşan atıksuların deşarjı da sistem sınırlarına dahil edilmiştir.
Ters Ozmoz ve İyon Değiştirici sistemler tesisin ana arıtma yöntemleridir. Bu sistemlerden önce Dual Medya Filtre ve Ultrafiltrasyon sistemleri ön arıtma basamağı olarak kullanılmıştır.
Çalışmada kuyu suyundan kazan suyu hazırlanması için kullanılan arıtmaya odaklanılmıştır.  
Her iki yöntem için de Türkiye şebeke elektriği, elektrik kaynağı olarak kullanılmıştır. Kimyasalların Akkim Çiflikköy/Yalova Fabrikası'ndan tesise getirileceği varsayılmıştır. Tesislerin kurulması planlanan yer ile Çifliköy/Yalova'nın yakın olması sebebi ile kimyasalların taşınması kaynaklı etkilerin toplam çevresel etki içerisinde göz ardı edilebilecek düzeyde olduğu saptanmıştır. 
Kartuş filtre, reçine ve membranların Amerika'dan getirildiği ve ömrü tükenenlerin bertaraf edilmek üzere katı atık depolama/yakma tesisine yollanacağı varsayılmıştır. Kullanılan kartuş filtre, UF ve TO membranları, anyonik ve katyonik reçinelerin üretimi sistem sınırlarına dahil edilmemiştir.
Ultrafiltrasyon, Ters Ozmoz  ve İyon Değiştiricilerin dizaynı yapılırken DOW firmasının geliştirdiği Water Application Value Engine (WAVE) yazılımı kullanılmıştır. Buradan elde edilen veriler GaBi 7.3 yazılımı ile değerlendirilerek çevresel etki analizi yapılmıştır. GaBi 7.3 yazılımında kullanılan girdiler hamsu, elektrik ve kimyasal tüketimi ile kimyasalların tesise taşınmasını içermektedir. Çıktılar ise atıksu ve diğer atıklardan oluşmaktadır. 
Her iki arıtma sistemi için Abiyotik Fosil Tükenme Potansiyeli (AFTP), Asidifikasyon Potansiyeli (AP), Ötrofikasyon Potansiyeli (ÖP), Küresel Isınma Potansiyeli (KIP), İnsan Toksisite Potansiyeli (İTP), Ozon Tabakası Tükenme Potansiyeli (OTTP), Karasal Ekotoksisite Potansiyeli (KEP), Tatlısu Ekotoksisite Potansiyeli (TSEP) açısından çevresel etki değerlendirmesi yapılmıştır.
Yapılan çalışmanın sonuçları literatür verileri ile kıyaslanmıştır. 
Literatür verilerinin de desteklediği üzere Ters Ozmoz sisteminin çevresel etkilerinin en önemli kaynağı elektrik tüketimidir. İyon Değiştirici sistemin olduğu arıtma seçeneğinde ise etkinin büyük çoğunluğu kimyasal tüketiminden gelmektedir. 
İyon Değiştirici Sistemi'nin AFTP, kullanılan yüksek miktardaki kimyasal sebebi ile, Ters Ozmoz sistemi'ndeki AFTP'den %68 daha fazladır.
İyon değiştiricilerin rejenerasyonu esnasında ihtiyaç duyulan kimyasalların kullanımı sebebi ile ID içeren arıtma sistemi, ters ozmoz sistemine göre %66 daha yüksek AP'ne sebep olmaktadır.
Arıtma yöntemlerinin ÖP'leri karşılaştırıldığında iyon değiştirici içeren sistemin ÖP'nin %79 daha yüksek olduğu görülmektedir. Bu durumun ana sebebi ID içeren sistemlerde yüksek miktarda NaOH ve HCl kullanılmasıdır.
Sistemler karşılaştırıldığında KIP'ne sebep olan girdilerin birbirinden farklı olduğu görülmektedir. Ters Ozmoz içeren sistemde elektrik ve kimyasal tüketiminin KIP üzerindeki etkileri neredeyse birbirine eşitken iyon değiştirici içeren sistemde yüksek miktarda NaOH ve HCl dozajının yapılması KIP'ne daha fazla sebep  olmaktadır. İyon değiştirici içeren sistemin KIP'i, Ters Ozmoz içeren sistemin KIP'nden %68 daha fazladır.
Ters Ozmoz Sistemi'nde elektrik tüketimi, İyon Değiştirici Sistem'de yüksek miktarda NaOH ve HCl dozajının yapılması İTP'ne sebep olmaktadır. Sistemlerin İTP karşılaştırıldığında iyon değiştirici içeren sistemin %64 daha fazla etkiye sahip olduğu görülmektedir.
NaOH kullanımının hem Ters Ozmoz hem de İyon Değiştirici içeren sistemlerin OTTP'leri üzerinde oldukça yüksek etkisi vardır. İyon değiştirici içeren sistemin NaOH ihtiyacının (1,51 kg/m³ arıtılmış su), Ters Ozmoz içeren sisteme (0,223 kg/m³ arıtılmış su) kıyasla çok daha fazla olması sebebi ile ID alternatifinde OTTP de %86 fazladır.
KEP ve TSEP'ielektrik tüketiminden ziyade kimyasal tüketime bağlıdır. İyon değiştirici içeren sistemin kimyasal tüketimi daha fazla olduğundan KEP TO Sistemi'ne göre %78, TSEP %77 daha fazladır.

Abstract:
Increasing water demand with industirilaziton increases the importance of the water resources management. Also, as the social sensitivity increases, the studies on environmental effects of each step for the industrilization are gradually increase
In this study, environmental impacts of industrial boiler make-up water treatment systems are evaluated according to water, electricity and chemical usage to produce 1 m³ of water. Reverse Osmosis and Ion Exchangers are used as treatment process. The raw water is supplied from the well with the same quality for both treatment system.
The system boundaries start with the supply of the raw water from the well and end with the put of the treated water to the storage. Discharge of wastewater generated during the treatment is also included in the system boundaries.
Reverse Osmosis and Ion Exchangers are the main steps of the treatment systems for this study. Dual Media Filters and Ultrafiltration are used as pretreatment step of the treatment.
The data used in this study was taken as the average value of the wells.
Turkey Electricity Network was used as electricity source for both treament option. It was assumed that all the chemicals will be brought to the plant from Akkim Çiftlikköy/Yalova Factory.
The transportation of chemicals has had little effect on the total environmental impact because of the low distance between the plant and Çiftlikköy/Yalova.
It is assumed that resins and membranes are bought from America and those which are out of life will be sent disposal to IZAYDAS in Izmit for disposal. Production of the cartridge filter, UF and RO membranes, anionic and cationic resin is not included in the systems boundary.
Ultrafiltration, Reverse Osmosis, Ion Exchangers was designed using Water Application Value Engine (WAVE) software which have been developed by DOW company. The data obtained from this study were evaluated with GaBi 7.3 software and environmental impact analysis was performed. The raw water from well, electricity and chemical consumption, and chemical transfer to the Plant are the inputs used in GaBi 7.3 software. The outputs are wastewater and the other wastes.
The environmental impact assessment was studied for Abiotic Fossil Depletion Potential (AFDP), Acidification Potential (AP), Eutrophication Potantial (EP), Global Warming Potential (GWP), Human Toxicity Potential (HTP), Ozone Depletion Potential (ODP), Terrestric Ecotoxicity Potential (TETP), Freshwater Aquatic Ecotoxicity Potential (FAET) for the both treatment system.
The results of the study were compared with the literature.
The most important source of the environmental impacts of the Reverse Osmosis system, as supported by literature data, is electricity consumption. The important source of the environmental impacts of the other treatment option, Ion Exchange system, is chemical consumption.
Ion Exchange System AFDP is 68% higher than Reverse Osmosis System due to the higher amount of chemical consumption.
Ion Exchange System AP is 66% higher than Reverse Osmosis System due to the higher amount of chemical requirement during regeneration.
When the treatment methods are comperad, it is seen that Ion Exchange System has 79% higher EP than Reverse Osmosis System.
When the systems are compared, it is seemed that the inputs that cause GWP are different each others. While the main causes (electricity and chemical consumption) are almost equal each for Reverse Osmosis System, the main cause of GWP is high amount of usage of NaOH and HCl for Ion Exchange System. Ion Exchange System has 68% higher GWP than Reverse Osmosis System.
Electricity consumption for Reverse Osmosis System and high amount of usage of NaOH and HCl for Ion Exchange System are the main causes of HTP. Ion Exchange System has 64% higher HTP than Reverse Osmosis System.
The use of NaOH is the main causes of ODP for both Reverse Osmosis System and Ion Exchange System. The NaOH requirement of Ion Exchange System (1,51 kg/m³ treated water) is higher than The NaOH requirement of Reverse Osmosis System System (0,223 kg/m³ treated water). For this reason, Ion Exchange System has %86 higher ODP than Reverse Osmosis System.
Since both the TETP and FAET depend on chemical consumption, both of them is higher for Ion Exchange System. TETP is 78% higher, FAET is 77% higher than Reverse Osmosis System.
In addtion to different treatment methods to produce boiler make-up water, the use of different energy sources are investigated for the environmental impact categories.
Almost all environmental impact categories except ODP are affected by energy consumption. Therefore, environmental impact results due to Turkey grid mix are compared with the environmental impact results due to wind and solar energy.
Natural gas, hydraulic energy, coal, wind energy, liquid fuel are the primary sources of Turkey grid mix.
The solar energy model is created by utilizing different solar energy technologies. All models are included in the production and operationallife stages.
The wind energy model includes the wind turbine model installed both land and sea. In both models, the productioni transportationi assembly, operation, disassembly and transportation of wind turbines are included in the system boundaries.
Environmental impacts except FEATP, HTP, ODP, TETP for Turkey grid mix energy is higher than environmental impacts for renewable energy scenearios. Solar energy usage causes higher impact for FEATP, HTP, ODP, TETP because of the toxic elements used for production of solar energy panels such as silicon (Si), cadmium (Cd), copper (CU). Therefore, the negative impact of solar panel production on human and livings is higher.
The use of the energy generated by wind turbines minimizes the environmental impact.
In Reverse Osmosis System, environmental impacts are mainly due to energy. Therefore, the use of different energy sources cause significant differences in the total values of environmental impacts. In the case of using solar energy sceneraio instead of Turkey grid mix energy causes decreasement 50% for ADP, 20% for AP, 19% for EP, 57% for GWTP. On the otherhand, this event causes increasement 25% for FAETP, 55% for HTP, 31% for ODP, 26% for TETP due to the toxic element used in solar energy panels. In the case of using wind energy sceneraio instead of Turkey grid mix energy causes decreasement 55% for ADP, 31% for AP, 23% for EP, 9% for FAETP, 63% for GWTP, 38% for HTP, 26% for TETP. On the otherhand, there is no effect on ODP.
In Ion Exchange System, environmental impacts are mainly due to chemical consumption. Therefore, the use of different energy sources do not cause significant differences in the total values of environmental impacts. In the case of using solar energy sceneraio instead of Turkey grid mix energy causes decreasement 12% for ADP, 4% for AP, 3% for EP, 13% for GWTP. On the otherhand, this event causes increasement 7% for FAETP, 24% for HTP, 8% for ODP, 7% for TETP due to the toxic element used in solar energy panels. In the case of using wind energy sceneraio instead of Turkey grid mix energy causes decreasement 13% for ADP, 7% for AP, 4% for EP, 1% for FAETP, 15% for GWTP, 7% for HTP, 2% for TETP. On the otherhand, there is no effect on ODP