Nihai kullanım amacına göre uygulanan membran prosesler ve diğer su arıtma yöntemleri ile içme ve proses suyu üretiminin maliyet
The cost analysis of obtaining drinking and process water and water treatment systems for the end use purposes
Yazar: SALİHA ÜNAL
Danışman: PROF. İSMAİL KOYUNCU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Dünya nüfusunun artışı ile birlikte kaliteli ve yeterli miktarda suya erişim ihtiyacı günden güne önem kazanmaktadır. Sadece dünyada değil Türkiye'de de endüstriyel  ve tarımsal faaliyetlerin artışı, dış göç, yaşam kalitesindeki yükseliş, iklim değişiklikleri ile yağışların azalması gibi nedenlerle su sıkıntısı kendini göstermektedir. Türkiye'nin kullanılabilir su potansiyeli 110 milyar  m3 olup, bunun % 16'sı içme ve kullanmada, % 72'si tarımsal sulamada, % 12'si de sanayide tüketilmektedir. 
Türkiye, kişi başına düşen yıllık ortalama 1.430 m³ su ile su yoksulu bir ülkedir. DSİ Genel Müdürlüğü verileri, 2030 yılında su kaynaklarımızın %100 verimle kullanılacağını öngörmektedir. 2030 yılında nüfusu 80 milyona ulaşacak olan Türkiye, kişi başına düşen 1100 m³  kullanılabilir su miktarıyla, su sıkıntısı çeken bir ülke durumuna gelecektir. 
Ülkemizde yaşanan su sıkıntısının giderilmesine yönelik alınacak önlemler arasında doğru su politikalarının ve yönetiminin uygulanmasının yanısıra su arıtma teknolojilerinin kullanımı da ön plana çıkmaktadır. Baraj, göl, akarsular gibi yüzeysel su kaynakları ve kaynak suları bulunmayan veya yetersiz olan bu bölgelerde, alternatif çözümler bulmak gerekmektedir. Alternatif çözümler arasında en kalıcı ve güvenli çözüm, mevcut kaynaklara yönelerek yeraltı suyunu veya bölge denize yakın ise deniz suyunu arıtarak içme ve kullanma suyu temin etmektir. 
Tuzluluk oranı yüksek olan kuyu ve deniz suyundan klasik arıtma yöntemleri ile içilebilir su elde etmek mümkün değildir. Bu suların arıtılması için farklı arıtma yöntemlerinin uygulanması gerekmektedir. Bu yöntemler arasında kimyasal tüketimi, enerji tüketimi ve arıtabilme aralığı bakımından en tercih edilen yöntem membran proseslerdir. Türkiye`de membran proseslerin içme ve kullanma suyu üretmek amaçlı kullanımının yaygın hale gelmesi, 2000 yılından sonra esas olarak lokal üretimler ile başlamıştır ve bu güne kadar ciddi bir maliyet analizi yapılmamıştır. Her geçen gün üretimi ve kullanımı artan bu sistemlerin kapsamlı olarak yapılacak bir maliyet analizi, tasarım ve seçimlerinde ekonomik açıdan faydalı datalar sağlayacaktır.
Birçok yeni su arıtma teknolojisi ile kuyu suları, yüzeysel sular, deniz sularının arıtılması ve atıksuların geri kazanılarak tekrar kullanılması mümkündür. Sayılan amaçlar için ülkemizde son yıllarda en çok kullanılan su arıtma teknolojisi membran proseslerdir. Membran prosesler ile hem hijyenik içme suyu hem de endüstriyel kullanım için proses suyu elde edilmesi mümkündür. 
Bu çalışmada nihai kullanım amacına göre membran prosesleri de içeren su arıtma yöntemleri ile içme ve proses suyu elde edilmesinin maliyet analizleri incelenmiştir. 
Farklı kimyasal ve fiziksel özelliklere sahip kuyu ve deniz sularının orta ölçekte içme suyu ve proses suyu haline getirilmesi için maliyet hesaplamaları yapılmıştır. 
Düşük ve orta değerde tuzluluk içeren kuyu suları ile orta ve yüksek tuzluluk değeri içeren deniz suları için 1000 m³/gün, 2500 m³/gün, 5000 m³/gün ve 10.000 m³/gün kapasiteler için içme ve proses suyu eldesine göre maliyet analizleri karşılaştırılmıştır.
Kuyu sularında 3 farklı tuzluluk değeri baz alınarak nihai kullanım amacına göre ön arıtma, membran prosesler ve son arıtma yöntemlerinin maliyet analizi incelenmiştir. 
Deniz sularında da 2 farklı tuzluluk değeri baz alınarak nihai kullanım amacına göre ön arıtma, membran prosesler ve son arıtma yöntemlerinin maliyet analizi incelenmiştir. Proses suyu eldesi kapsamında kuyu suyu RO sistemlerinde en düşük maliyetlerin 500-1000 ppm TDS aralığında KF sistemlerinin kullanıldığı alternatifler olduğu görülmektedir. 
Proses suyu eldesi kapsamında 500-1000 ppm  ile 2000-5000 ppm  TDS değerlerinde RO sistemleri kullanılması ile EDI sistemleri giriş suyu kalitesinin (31 ppm TDS) temin edildiği görüşmüştür.
Proses suyu eldesi kapsamında 5000-10000 ppm TDS değerinde kuyu suyu, 19500 ppm ve 38000 ppm değerlerinde deniz sularının RO sistemi ile arıtılması ile EDI sistemleri giriş suyu kalitesinin yakalanamadığı görülmüştür (sırasıyla 84 ppm, 78 ppm ve 151 ppm). 
Bu nedenle istenilen ürün suyu değerine ulaşmak için 2. kademe RO sistemi kullanılması ve ardından EDI sistemi kullanılması gerektiği sonucuna varılmıştır. 
10000 m³/gün kapasite için en düşük tuzluluk değerinde proses suyu eldesi toplam maliyetinin, içme suyu eldesi toplam maliyetinden ortalama % 35 daha pahalı olduğu görülmektedir. İçme suyu eldesi kapsamında NF ve yumuşatma sistemleri karşılaştırılmasında en düşük işletme maliyeti KF sistemlerinin ön arıtma olarak kullanıldığı 1000 m³/gün kapasite için elde edilmiştir. 
RO ve NF sistemleri ile içme suyu eldesi kapsamında NF sistemleri birim su ekipman maliyetinin RO sistemlerine gore % 5 daha pahalı olduğu tespit edilmiştir. RO ve NF sistemlerinin işletme maliyetleri açısından karşılaştırılmasında ise RO'nun NF sistemlerine gore % 8 daha pahalı kaldığı hesaplanmıştır. NF sistemleri için kullanılan yüksek basınç pompalarının basınçlarının düşük olması işletme maliyetlerine yansımaktadır. 
İçme suyu eldesi kapsamında çıkış suyu kalitesi açısından en düşük TDS değerlerinin RO sistemleri 30-110 ppm seviyelerine indirildiği, NF sistemleri ile TDS değerinin 180 ppm'e ve toplam sertlik değerinin 3 Fr seviyelerine indirilebildiği, yumuşatma sistemlerinde sertlik 1-5 Fr değerine getirilebilse de TDS değerinin aynı kaldığı görülmektedir. 
38000 ppm TDS değerine sahip deniz suyundan içme suyu eldesi işletme maliyetinin, 19500 ppm deniz suyundan içme suyu eldesi işletme maliyetine gore ortalama % 16 daha ucuz olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
Water is the foundation of life. Without water, life on Earth would have never begun. Acting as a medium in which organic compounds could mix with one another, water facilitated the formation of the planet's first life forms, possibly even protecting them from the sun's radiation.
From those simple starter organisms to the most complex plants and animals, water has played a critical role in survival ever since. In humans, it acts as both a solvent and a delivery mechanism, dissolving essential vitamins and nutrients from food and delivering them to cells. Our bodies also use water to flush out toxins, regulate body temperature and aid our metabolism. No wonder, then, that water makes up nearly 60 percent of our bodies or that we can't go for more than a few days without it. And it is not only we humans who need it; all life is dependent on water to survive. The two major legacies of the 20th Century - the population and technological explosions - have taken their toll on our water supply. More people lack drinking water today than they did two decades ago. More and more freshwater sources are being used-up and contaminated. Modern technologies have allowed us to harness much of the world's water for energy, industry and irrigation - but often at a terrible social and environmental price - and many traditional water conservation practices have been discarded along the way.
The water crisis is the #1 global risk based on impact to society (as a measure of devastation), and the #8 global risk based on likelihood (likelihood of occurring within 10 years) as announced by the World Economic Forum, January 2015. 750 million people around the world lack access to safe water; approximately one in nine people. More than twice the population of the United States lives without access to safe water. Diarrhea caused by inadequate drinking water, sanitation, and hand hygiene kills an estimated 842,000 people every year globally, or approximately 2,300 people per day. 82% of those who lack access to improved water live in rural areas, while just 18% live in urban areas. The problem of water scarity is a growing one. As more people put ever increasing demands on limited supplies, the cost and effort to build or even maintain access to water will increase. And water's importance to political and social stability will only grow with the crisis
With the increase in the world population, the need of accessing high quality and adequate amount of water becomes very important. Because of increasing industrial and agricultural activities, migration, standard of living, climate change and lack of rainfall, the water shortage manifest itself not only in the world, but also in Turkey. The usable water potential of Turkey is 110 billion m3 and 16% of it is consumed for drinking and usage, 72% for agricultural activities and 12% for industrial activities.
In Turkey, annual average amount of water per person is 1430 m³ which makes it a water poor country. General Directorate for State Hydraulic Works observed that our water resources would be used 100% capacity in 2030. However, in 2030 Turkey's population will be reached to 80 billion and annual average amount of water per person will be decreased to 1100 m³ which makes the country facing the water shortage. 
In order to overcome the water shortage problem in our country, the use of water treatment technology as well as the implementation of the right water policies and management measures should be taken. Alternative solutions should be found for regions where no dams, lakes or rivers are absence. The most permenant and reliable solution between alternatives for drinking and usage water production is to struggle with existing sources and to treat ground water or sea water if the area is close to the sea.
It is not possible to produce drinking water with conventional treatment methods from salty ground water or sea water. Different treatment methods should be applied to treat these waters. Best preferable method in chemical and energy consumption and salt removing range is membrane processes. Widespreading of membrane processes in Turkey as drinking and usage water production has been after year 2000, mainly with the start of local system productions. No serious cost anaylsis has been done until today. With a detailed cost analysis, useful datas for economical point of view will be met in the conception and selection of these systems that are being produced and used more and more each day.
With the new water treatment technology, it is now possible to purificate the well water, surface or sea water and to recycle the waste water for reutilizing. For these purposes, most widely used water treatment technology in our country is membrane processes. In order to obtain hygienic drinking water and process water for industrial usage, membrane processes can be used.In this study, water treatment processes including membrane processes and cost analysis of obtaining drinking and process water are investigated according to the end use purposes. 
Previous thesis studies were made large and medium size cost analysis for obtaining drinking water and in these thesis pre-treatment equipments were also analyzed such as mechanic filter, sand filter and ultrafiltration systems which were used before the membrane process.
However, this thesis –differs from the other studies- covers obtaining the drinking water and process water for medium capacity from the different chemical and physical characteristics of the well and sea water. Also, the operating costs were analyzed in the thesis. The choice of the treatment systems and the results obtained in this thesis help finding out establishing medium capacity water treatment system in Turkey's condition. This thesis would also help the future literature and feasibility studies which will be held on this issue. 
In all the process water and drinking water scenarios, standard filtration and ultrafiltration systems alternatives which were used in pre-treatment were evaluated in the context of the effect of the costs. In the context of the drinking water, the cost analyses were evaluated for the RO, NF and softener systems which has 500-1000 ppm.
In order to obtain process water –if the end use is process water- treatment scenarios were evaluated for the effluent salinity values. EDI systems which are used after the RO systems were evaluated for the cost according to influent (using the single staged or double staged RO systems). The costs which transforming the well and sea water -with different chemical and physical properties- into medium level drinking water and process water are analyzed. 
In order to obtain drinking and process water, well water containing low and medium level of salinity and sea water containing medium and high level of salinity are analyzed according to 1000 m³/day, 2500 m³/day, 5000 m³/day ve 10000 m³/day capacities and the cost analysis are compared.
For the well water, three different salinity values are used and according to the end use, the cost analysis of pre-treatment, membrane processes and post treatment methods are analyzed. For the sea water, two different salinity values are used and according to the end use, the cost analysis of pre-treatment, membrane processes and post treatment methods are analyzed.
Within the context of obtaining process water in well water RO systems, the lowest cost alternative would be using the KF systems for the TDS range of 500-1000 ppm. Within the context of obtaining process water for the TDS range of 500-1000 ppm and 2000-5000 ppm RO systems gave the best alternative for EDI systems influent water quality (31 ppm TDS).
Within the context of process water, the well water which has 5000-10000 ppm TDS values, using RO systems for sea water which is 19500 ppm and 38000 ppm could not catch the EDI systems influent water quality (84 ppm, 78 ppm and 151 ppm). 
We can also see that obtaining process water total cost for 1000 m³/day capacity and lowest salinity value was more expensive than the drinking water total cost. Within the context of drinking water using KF systems as pre-treatment gave the lowest operating cost for 1000 m³/day capacity.
Within the context of drinking water NF systems were more expensive than the RO systems. While we evaluated the operating system costs, RO systems were more expensive than the NF systems. Within the context of drinking water, while we were evaluating the effluent quality, RO systems reduced the TDS values to 30-110 ppm, NF systems reduced the TDS values to 180 and the total hardness to 3 Fr. However the softener systems change the the total hardness to 1-5 Fr but did not affect the TDS values. The operating cost of sea water which has the TDS of 38000 ppm is cheaper than the TDS of 19000 ppm sea water.