Türkiye'de kurulabilecek tuz gideren membran teknolojisi sistemleri için bilimsel esaslı tasarıma dayalı maliyet analizlerinin yapılması
Cost analyses based on scientific design for salinity water membrane technology systems can be installed in Turkey
Yazar: PELİN TORUNOĞLU
Danışman: PROF. DR. DERİN ORHON
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Membran filtrasyon tekniği = Membrane filtration technique ; Membran süreci = Membrane process

Özet:
Günümüzde membran teknolojisi sistemleri çözünmüş madde konsantrasyonu ile partikül boyutu geniş bir aralıkta değişen deniz, nehir, kuyu ve göl sularından endüstri tipine göre özel üretilen atıksulara kadar çok farklı alanlarda kullanılmaktadır. Bugün özellikle tatlı su kaynaklarının dünya üzerinde az miktarda bulunması ve mevcut olanların da kirlenmesi nedeniyle tuzlu sulardan içme ve kullanma suyu temininde membran teknolojisi sistemlerine başvurmak her geçen gün daha artan oranlarda tercih edilmektedir.Membran teknolojilerinin en önemli özelliklerinden biri sürekli geliştirilebilir olmasıdır. Bu kapsamda 1980 yılından günümüze bir membrandan elde edilen süzüntü suyu miktarı 3 misli artmıştır. Aynı zaman diliminde, bir membranın üretim maliyeti ise % 10'nuna düşmüştür. Bu verilerle beraber, 1980 yılında kurulan bir ters osmoz tesisinin yatırım maliyeti ile bugün 30 kat daha fazla süzüntü suyu elde edilebilen tesis kurmak mümkün olabilmektedir.Diğer yönden dünyada kullanım alanları büyük bir hızla artan ve teknolojisi sürekli geliştirilebilen membran teknolojisi sistemleri hakkında Türkiye'de mevcut ve gelecekteki kullanım alanları, uygulanabilirliği, yatırım ve işletme maliyetleri gibi ana başlıklar altında toplanmış herhangi bir araştırma -başvuru kitabı/çalışması bulunmamaktadır. Ayrıca Türkçe literatürde yapılan çalışmalar incelendiğinde ise çoğunlukla farklı tip sular için denenmiş pilot veya büyük ölçekli uygulama çalışmalarının (case study) sonuçları olduğu ve Türkiye için konuya kuşbakışı yaklaşan araştırma eksikliği de tespit edilmiştir.Bu sebeple Türkiye'de membran teknolojilerinin yatırım stratejilerinin belirlenmesi konusunda yol gösterici olacak, konvansiyonel ve yeni nesil sistemler konusunda ülkemizde uygulanabilirliğini inceleyecek nüfusu 500 ile 2.000.000 arasında değişen 20 farklı büyüklükte yerleşim bölgesinin içme ve kullanma suyu ihtiyacını karşılayacak membran teknolojisi sistemlerinin tasarım esasları ortaya konmuştur. Sözkonusu proseslerin suyun içerdiği TÇM ve partikül boyutuna göre tasarımda büyük değişiklik göstermesi nedeniyle deniz ve nehir sularının kullanılması durumuna göre yatırım ve işletme maliyetleri hesaplanmıştır. Tüm tesislerde ekipman, inşaat, proje, elektrik gibi tüm ana bileşenler belirlenerek bunların yatırım maliyetlerine etkisi farklı büyüklükteki tesisler için irdelenmiştir.Günümüzde farklı su kaynaklarının belediyelerce yap-işlet yöntemi ile ihaleleştirilip tüketicilere içme ve kullanma suyu olarak ulaştırılmasının kabul edilebilir bir tercih olmaya başlaması nedeniyle bu çalışmada tasarlanan tüm tesislerin 20 yıl işletilmeleri durumunda birim m3 su üretmeleri için maliyetleri hesaplanarak tesislerin yatırım bedellerinin 5 yıl geri ödemeli olarak kredilendirildiği durumda kar amacı olmaksızın ve mevduat faizinin karşılanması olmak üzere 2 alternatifli tarife bedelleri tespit edilmiştir.Bu çalışmadan elde edilen sonuçlara göre membran teknolojisi sistemlerinin içme ve kullanma suyu üretme maksatlı uygulamalarında yüksek miktarda tuzluluk içermesi nedeniyle denizsuyu arıtma amaçlı kurulacak olanların kuyu, göl, nehir sularının arıtılması için kurulacak tesislere göre yatırım+işletme maliyeti daha yüksek sistemlerdir. Bu kapsamda Türkiye'de membran teknolojisi sistemlerinin içme ve kullanma suyu üretme maksatlı kurulmasında aynı bölgede farklı su kaynaklarının bulunması durumunda birim m3 yatırım+işletme maliyetinde % 60'a varan avantaj sağlaması nedeniyle tuzluluk değeri en düşük olan kuyu, nehir veya göl sularının kullanılması önerilmiştir.İçme ve kullanma suyu üretme maksatlı kurulacak deniz ve kuyu suyu membran teknolojisi sistemlerinin 1 m3 üretilen su için yatırım ve işletme maliyetleri tesis kapasitesi arttıkça düşmektedir. Bu kapsamda Türkiye'de içme ve kullanma suyu üretiminde kurulacak membran teknolojisi sistemleri hakkında merkezi ve yerel idareler tarafından yatırım stratejilerinin belirlenmesi durumunda nüfusu 15.000'den büyük; tesis çıkış kapasite eşdeğeri olarak yaklaşık 2000 m3/gün'den yüksek tesislerin kurulması yönünde planlamaların yapılması önerilmiştir.Diğer yönden membran teknolojisi sistemlerinin ön arıtma ünitelerinde konvansiyonel filtrasyon üniteleri yerine ultrafiltrasyon sistemleri tercih edildiği durumda ilk yatırım maliyetlerinin % 10-20 daha yüksek olduğu görülmüştür.Ayrıca sözkonusu sistemlerin işletilmesinde enerji maliyetinin yaklaşık % 65-69 ile en önemli rolü oynadığı tespit edilmiştir. Deniz suyuna uygun tasarlanmış membran teknolojisi sistemlerinin 20 yıl işletme süresiyle bir (1) m3 üretilen su için toplam yatırım maliyetlerinde, elektrik tarifesinde % 20 artışta % 6-9; % 40 artışta % 11-17; % 60 artışta % 16-23 yükselme olacağı bulunmuştur.İçme ve kullanma suyu üretme maksatlı kurulacak deniz ve kuyu suyu membran teknolojisi sistemlerinin 1 m3 üretilen su için yatırım ve işletme maliyetleri tesis kapasitesi arttıkça düşmekte; nüfusu 500 olan bir yerleşim bölgesi için kurulacak denizsuyu membran teknolojisi sisteminin toplam yatırım ve işletme maliyeti 2,24 ?/m3 iken, nüfusu 15.000 olan yerleşim bölgesi için 0,60 ?/m3 değerine düşmektedir. Diğer yönden nüfusu 500 olan bir yerleşim bölgesi için kurulacak nehirsuyu membran teknolojisi sisteminin toplam yatırım ve işletme maliyeti 1,26 ?/m3 iken, nüfusu 15.000 olan yerleşim bölgesi için 0,26 ?/m3 değerine indiği tespit edilmiştir.Yapılan çalışmada Akdeniz suyu membran teknolojisi sistemleri tesisin ilk yatırımı için banka kredisi çekildiğinde abonelere uygulanacak tarife bedelleri nüfusu 500-1.000 arasında yerleşim bölgelerinde 1,4 ?'dan yüksek iken nüfusu 15.000'den büyük yerleşim bölgelerinde 0,55-0,60 ? değerlerinde sabitlendiği görülmüştür. Nehirsuyu membran teknolojisi sistemleri için banka kredisi çekildiğinde ise abonelere uygulanacak tarife bedelleri nüfusu 500-1.000 arasında yerleşim bölgelerinde 0,85 ?'dan yüksek iken nüfusu 15.000'den büyük yerleşim bölgelerinde 0,25-0,28 ? değerlerinde tespit edilmiştir.Akdeniz, Marmara ve Karadeniz sularına uygun tasarlanan membran teknolojisi sistemlerinin bir (1) m3 üretilen içme ve kullanma suyu için ilk yatırım maliyetlerinin tuzluluk değeri farklı olmasına karşın geri kazanım değerinin aynı olması (% 43) nedeniyle birbirlerine yakın olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
In todays world, membrane technology systems are used in a wide range of dissolved solid concentration and particle size for sea, river,well, lake waters and are even especially produced for different types of industrial wastewaters. As the number of natural water sources are decreasing and the existing natural water sources are getting dirty, membrane technology systems are being preffered more commonly in producing drinking and potable water from salty waters day by day.One of the most important properties of the membrane technology is that the technology is open to continious improvement. As a proof; the permeate water of a membrane filter today has increased 3 times of the permeate produced in 1980 while the production cost of the membrane is reduced to one tenth in the same period of time. This means that it is today possible to produce 30 times of the permeate produced in 1980 with the same investment cost of reverse osmosis system.Ten years ago the membrane technology systems were known to be luxury projects for the developing countries and Turkey but today municipalities and the bank of government are awarding contracts of wastewater treatment systems producing drinking and potable water from sea and river waters.On the other hand there are no research report-manual books describing the existing and future usage areas, feasibility and operation costs in Türkiye regarding the membrane technology systems which is continiously improving in the world with an expanding usage area. When the related studies published in Turkey are investigated, it is also noticed that there are no comprehensive researches besides some case studies realized for pilot or big scale applications operated with different type of waters.For this reason, the design criteria and total investment costs of the new technology systems are presented in this study in order to provide guidance for the investment strategies of the conventional and modern technology systems.In this respect, the design criteria for the membrane technology systems producing drinking and potable water of 20 different sized accomodation areas with populations from 500 to 2,000,000. As the designs of these proccesses vary too much according to the Total Dissolved Solids and particle sizes, different first investment and operation costs are calculated whether sea or river waters are used. The main parameters like equipment, construction, project, electricity and their affects on the investment costs are investigated seperately for each plant.As it is commonly preffered by the municipalities to award the contracts for the water sources in Build and Operate model and to serve the drinking and potable water to the consumers by this method, the operation costs for 20 years and the net present value of the operation costs are calculated as 2 alternatives one on the basis of 5 years payback term without interest rate and with interest rate.As a result of this study, both investment and operation costs are put into graphics for produced m3 water per each accomodation area with population from 500 to 2,000,000 and it is proven that the values are in accordance with the values published in the similar literature studies.Another result of this study is that the membrane technology systems producing drinking and potable water from sea waters are much higher than the memrane technology systems producing drinking and potable water from river, well, lake waters as the sea water has higher salinity. For this reason, it is suggested in this study to give priority to the membrane technology plant investments producing drinking or potable water from wells, rivers or lakes rather than sea water if both are available in the same area, as the plants operated with well,river and lake water have 60% lower investment+operation costs compared to the plants operated with sea water.The first investment and operation costs per m3 of produced water of the memrane technology systems using seawater and well waters decreases as the plant capacity increases. As a result of this study it is suggested for the central or local administrations that may be at the stage of planning their strategy regarding the membrane technology systems to make their investment plans if the population of their accomodation area is over 15,000 or the capacity equivalent is higher than 2,000 m3/day.Also in the case of ultrafilration units would be preferred instead of conventional pretreatment units in membrane technology systems, then investment costs can be higher as 10-20%.In addition, it is determined that energy costs are affecting about 65-69%. of the total operation cost. If electricity tariff is increased 20% then total investment cost increases by 6-9%; if electricity prices increases 40%, the operational cost increases by 11-17 %; if electricity prices increases 60%, the operational cost increases by 16-23% in membrane technology systems producing drinking and potable water from sea water.The total investment and operation costs per m3 of produced water of the memrane technology systems using seawater and well waters decreases as the plant capacity increases; while the total investment and operational cost of a sea water membrane system of an accommodation area with a population of 500 is 2.24 ?/m3, the total investment and operational cost of a sea water membrane system of an accommodation area with a population of 15,000 is 0.60 ?/m3. While the total investment and operational cost of a river water membrane system of an accommodation area with a population of 500 is 1.26 ?/m3, the total investment and operational cost of a sea water membrane system of an accommodation area with a population of 15,000 is 0.26 ?/m3.In this study it is observed while the tap water (that is produced from sea water) tariff that shall be applied to the end consumers is higher than 1.4 ? for the accomodation areas with a population in between 500-1,000, the tap water tariff that shall be applied to the end consumers is constant around 0.55-0.60 ? for the accomodation areas with a population over 15,000 in case the financing is covered by bank credit. While the tap water (that is produced from river water) tariff that shall be applied to the end consumers is higher than 0.85 ? for the accomodation areas with a population in between 500-1,000, the tap water tariff that shall be applied to the end consumers is constant around 0.25-0.28 ? for the accomodation areas with a population over 15,000 in case the financing is covered by bank credit.It is found out that the first investment costs of membrane technology systems designed for potable and drinking water systems in Mediterranean, Marmara and Blacksea are close to each other as the recovery percentages are the same (43%) even the salinity values are different from each other.