Süleyman Demirel Üniversitesi. Gebze Teknik Üniversitesi

Transkript

1 Mehmet Kitiş 1, Bülent Keskinler 2, Ahmet Karagündüz 2, Çiğdem B. Canbolat 2, Erkan Şahinkaya 3, Nevzat Ö. Yiğit 1, Gökhan Civelekoğlu 1, Şule Kaplan Bekaroğlu 1, Hasan Köseoğlu 1, B. İlker Harman 1 1 Süleyman Demirel Üniversitesi 2 Gebze Teknik Üniversitesi 3 İstanbul Medeniyet Üniversitesi MEMKON Kapanış Çalıştayı Anadolu Hotels Downtown, Ankara 12 Temmuz 2018 MEMKON 1

2 İçerik Su Geri Kazanımına Duyulan İhtiyaç Konsantre Hacim Azaltımında Kullanılabilecek Teknolojiler Konsantreden Çökelme Yapabilecek (Ca +2, Mg +2 ve Si) İyonların Giderimi Konsantre Hacim Azaltımında Yenilikçi Membran Teknolojileri Konsantre Hacim Azaltımında Termal Bazlı Teknolojiler Konsantre Hacim Azaltımında Yenilikçi Diğer Teknolojiler Teknoloji Seçimi ve Karar Verme MEMKON 2

3 Bölüm 1. Su Geri Kazanımına Duyulan İhtiyaç MEMKON 3

4 Türkiye'de farklı sektörler tarafından kullanılan su miktarı MEMKON 4

5 MEMKON 5

6 Havzalarımız Çoruh, Ergene, Batı Akdeniz, Aras Havzaları nın yeterli suya sahip olduğu, Susurluk, Gediz, Büyük Menderes, Batı-Orta Karadeniz, Seyhan, Ceyhan Havzaları nda su stresi, Sakarya Havzası nda su kıtlığı, Marmara ve Küçük Menderes Havzaları nda mutlak su kıtlığı görülür MEMKON 6

7 Atıksuların Yeniden Kullanımı MEMKON 7

8 Atıksu Geri Kazanımında Ters Osmoz Prosesinin Kullanımı times TO sudan tuz, organik ve inorganik maddelerin ayrılmasında kullanılır. TO prosesi özellikle biyolojik arıtım sonrası atıksuların yeniden kullanımı maksadıyla sıklıkla kullanılır. Oldukça kaliteli bir permeat üretilebilmektedir. Temel problemler: Konsantre üretimi ve kıyasla düşük (65-75%) geri kazanı oranlarında sistemin çalışması, Membran tıkanması. 7/14/2018 MEMKON 8

9 Mebran Tıkanma Sorunu 7/14/2018 MEMKON MEMKON 9

10 TO Prosesinde Üretilen Diğer Atıklar Atıksuya ilave olarak TO prosesinde kullanılan bazı kimyasallar da konsantre akımına karışmaktadır. Ön arıtma Biyolojik kirlilik kontrolü Antiskalant Asit Koagülant/çökeltici Deklorasyon Tipik Kimyasallar Klor, Sodyum hipoklorit, Kalsiyum hipoklorit, Ozon Polifosfatlar, fosfonatlar ve polikarbonik asit Sülfirik asit, hipoklorik asit Demir klörür, Demir sülfat, Polielektrolit Sodyum bisülfat MEMKON 10

11 Bölüm 2. Konsantre Hacim Azaltımında Kullanılabilecek Teknolojiler MEMKON 11

12 Su Geri Kazanımının Arttırılması ve Konsantre Hacminin Azaltılması TO konsantre hacminin azaltılmasının iki önemli faydası vardır: su geri kazanım oranının arttırılması ve atık hacminin azaltılması. TO prosesinde düşük çözünürlüğü sahip inorganiklerin, CaCO 3, CaSO 4, BaSO 4 vb., çözünürlük limitleri aşılabilir ve membran üzerinde birikebilirler. Biyolojik olarak arıtılmış bir evsel atıksuda TO prosesiyle su geri kazanım oranı %70-75 civarında olup, toplam suyun %25-30 kadarının konsantre olarak deşarjı gerekmektedir. Organik ve inorganik kirleticiler proseste konsantre olduğundan (%70-75 geri kazanım için 3,5-4 kat) deşarjında dikkatli olunmalı ve ilave arıtımlar (ozonlama, adsorpsiyon, biyolojik artıma vb.) gerekebilir. 7/14/2018 EurAsia Waste Management Symposium, 2-4 May

13 Su Geri Kazanımının Arttırılması ve Konsantre Hacminin Azaltılması TO prosesinde su geri kazanımının arttırılmasında temel olarak aşağıdaki hususlara dikkat edilmelidir; TO prosesi öncesi kullanılacak ön arıtımlarla geri kazanım önemli derecede arttırılabilir, Oluşan konsantre akım ikincil bir ön arıtım sonrasında ilave bir ayrım prosesine (ikincil TO, ED/EDR, vb.) iletilebilir. MEMKON 13

14 Ters Osmoz Prosesinde Ön Arıtım Alternatifleri TO prosesi için tipik ön arıtım yöntemleri aşağıda verilmiştir; Biyo-tıkanma kontrolü, Asit ilavesi, Koagülasyon/flokülasyon, Medya filtrasyonu Adsorpsiyon, Antiskalant ilavesi, Kartüş filtrasyon ve Deklorinasyon. MEMKON 14

15 Konsantre Akıma Uygulanabilecek Alternatifler Birincil TO prosesi, çökebilecek inorganikler çökme sınırına gelene kadar işletilir. Oluşan konsantre ikincil membran veya diğer ayırım proseslerine beslenmeden önce organiklerin ve çökelebilecek inorganiklerin giderimi için ilave arıtma tabi tutulur. Kullanılabilecek prosesler: Kimyasal çöktürme (Ca, Mg, sülfat, Si giderimi için) Oksidasyon prosesleri (organikler için) Adsorpsiyon (organikler) Bazı durumlarda su ihtiyacının yüksek olması veya sıkı çevresel düzenlemeler nedeniyle sıfır veya sıfıra yakın (>%90 su geri kazanımı) sıvı deşarjı gerekebilir. 7/14/2018 MEMKON 15

16 Konsantre Azaltımında Kullanılabilecek Prosesler Birincil TO konsantresinde çökme yapacak inorganiklerin ve konsantre hale gelmiş organiklerin giderilmesi gerekir. Organik ve inorganik madde gideriminden sonra aşağıdaki prosesler kullanılabilir: 1. Membran Bazlı Prosesler i. Basınçlı Membranlar ii. Membran Distilasyon Prosesi iii. İleri Ozmoz Prosesi 2. Elektriksel Potansiyel sürücülü prosesler i. ED EDR ii. EDM 3. Termal Bazlı Prosesler i. Püskürtmeli kurutucular ii. Buharlaştırma Havuzları iii. Çoklu kademeli (etkili) distilasyon ve mekanik/termal buhar sıkıştırma iv. Brine konsantratörü ve kristalizatör v. Rüzgar destekli yoğunlaştırılmış evaporasyon MEMKON 16

17 Ters Osmoz Konsantresi- Yüksek Organik ve İnorganik Madde İçeriği Organik Madde Giderimi İnorganik Madde giderimi Adsorpsiyon İleri Oksidasyon-Ozonlama, H2O2, Fenton, Fotokataliz, Fotooksidasyon Anaerobik/anoksik/ aerobik biyolojik prosesler Kimyasal yumuşatma Pellet Reaktör Elektokoagülasyon Biyolojik İndirgeme Arıtılmış Ters Osmoz Konsantre Membran Bazlı Prosesler Elektriksel Potansiyel sürücülü prosesler Termal Bazlı Prosesler Basınçlı Membranlar Yenilikçi Membran Bazlı Prosesler: 1- Yüksek performanslı TO (HERO : High Efficiency Reverse Osmosis) 2- İleri konsantre su geri kazanımı (ARROW ) 3-Aşılanmış çöktürme ve geri kazanım (seeded slurry precipitation and recycle, SPARRO ) 4-Titreşimli (vibratory shear enhanced process, VSEP ) ve disk tüp filtrasyon sistemleri Termo- İyonik Proses Membran Distilasyon Prosesi ED ve EDR İleri Ozmoz Prosesi EDM Püskürtmeli kurutucular Buharlaştırma Havuzları Çoklu kademeli (etkili) distilasyon ve mekanik/ termal buhar sıkıştırma Brine konsantratörü ve kristalizatör Rüzgar destekli yoğunlaştırılmış evaporasyon Sıfır veya yaklaşık sıfır (>%90 su geri kazanımı) 17

18 Bölüm 3. Konsantreden Çökelme Yapabilecek (Ca +2, Mg +2 ve Si) İyonların Giderimi MEMKON 18

19 Ara Kimyasal Yumuşatma ve Membran Bazlı Sistemler Amaç, TO konsantresinde Ca, Mg ve Si giderimidir. Si; Mg(OH) 2 ile birlikte çökmektedir. Şekil. İki aşamalı RO prosesinin şematik gösterimi (Gablelich vd., 2007) 19

20 Hızlandırılmış Çekirdek Çökeltmesi (ASP: Accelerated Seeded Precipitation) CaCO 3, CaSO 4 veya Ca 3 (PO 4 ) 2 gibi çekirdek görevi görebilecek katıların ilavesiyle çöktürme hızlandırılır. MEMKON 20

21 İleri Kimyasal Çekirdek Çöktürme (CESP: Chemically- Enhanced Seeded Precipitation) Prosesi Konsantrede antiskalant mevcudiyeti kimyasal çökelmeyi olumsuz etkileyebilir. CESP prosesinde kireç ilavesiyle antiskalantlar giderilebilir ve sonrasında cips ilavesiyle CaSO 4 çöktürülebilir. MEMKON 21

22 Pellet reaktörler (Akışkan Yataklı Reaktör) İle Çöktürme Pelet reaktörün en önemli avantajları: Daha düşük hacim ihtiyacı, Temiz atık oluşumu, Daha kısa reaksiyon zamanı (16 kata kadar) Oluşan kristallerin kolay işlenmesi, Şekil. Model bir pelet reaktör yumuşatma sistemi ve gerçek ölçekli bir sisteme ait fotoğraf (van Houwelingen vd., )

23 Pellet Rektör İle Laboratuvar Ölçekli Çalışma Sahinkaya vd. (2018). Concentrate minimization and water recovery enhancement using pellet precipitator in a reverse osmosis process treating textile wastewater. J. of Env. Management, 222,

24 HRT = 0,5 saat Çıkış sertlik (mg/l CaCO 3 ) ph = 11,5, Giriş Sertlik= 650 mg/l CaCO HRT (Saat) ph:8 MEMKON 24

25 Elektokoagülasyon Koagülasyon/flokülasyon elektrotlardan çözülen metallerle gerçekleşir. Metal anot çözünme ve katotta hidrojen gazı oluşumu eş zamanlı olarak gerçekleşir. Yumakların oluşumu ile askıda katı maddelerin flotasyonuyla kirleticiler giderilir. Prosesin limitasyonları ise; Elektrot değişimi, yüksek enerji tüketimi Tam-ölçekli tesis deneyiminin eksik olması MEMKON 25

26 Bölüm 4. Konsantre Hacim Azaltımında Yenilikçi Membran Teknolojileri MEMKON 26

27 Yüksek performanslı TO (HERO : High Efficiency Reverse Osmosis) Zayıf asidik katyonik değiştirici ile iki değerlikli iyonlar giderilir. Oluşan karbondioksit degazifikasyonla giderilir. Yüksek ph değerlerinde silisyum çözünürlüğü artar. Geri kazanım % MEMKON 27

28 Aşılanmış Çöktürme ve Geri Kazanım (Seeded Slurry Precipitation and Recycle, SPARRO ) Çekirdek kristaller ile +2 değerlikli iyonlar çöktürülür. CaSO 4 çökelekleri kullanılabilir. Sorunlar; çekirdek kristallerle membranın zarar görmesi ve membran kanallarının kristal ve çökeleklerle tıkanmasıdır. 28

29 Elektriksel Potansiyel Sürücülü Membranlar-ED, EDR ve EDM ED ve EDR proseslerinde katyon ve anyon seçici membranlar kullanılır. TO prosesine benzer olarak öncesinde çökelebilecek iyonların giderimi avantaj sağlar. Şekil. TO konsantre arıtımı amacıyla pelet reaktör ve ED prosesinin kullanımı (Tran vd., 2012) MEMKON 29

30 Elektriksel Potansiyel Sürücülü Membranlar-ED, EDR ve EDM Şekil. Pelet reaktör ile Ca ve Mg giderimi yapılmadan önce (A) ve yapıldıktan sonra (B,C) ED membranları (Tran vd., 2012) Tablo. TO konsantratının arıtımında hibrit pelet ve ED proses performansı (Tran vd., 2013) Konsantrasyon, ppm Ca 2+ Mg 2+ K + Na + SO 4 2- NO 3 - CI - TO konsantresi Pellet reaktörden sonra Elektrodiyalizden sonra TO giriş suyu MEMKON 30

31 EDM (Electrodialysis Metathesis) EDM prosesi ED prosesinin bir modifikasyonudur. Bu proseste birbirini takip eden ünitelerde dört farklı iyon değiştirici membran kullanılır. ED prosesine kıyasla toplam dört farklı çözelti bölmesi ve dört farklı membran bulunur. Bir kompartman seyreltik su, iki kompartman konsantre akımı için, bir kompartman ise NaCl çözeltisi içindir. İki farklı konsantre akımı oluşturmakta ve konsantre akımlardan biri sodyum içeren anyonlar, diğeri ise klorür içeren katyonlar olup, her iki kosantre akımı da son derece yüksek çözünürlüğe sahiptir. EDM prosesini takip eden termal kurutma sistemleri ile ZLD başarılabilir. MEMKON 31

32 Bölüm 5. Konsantre Hacim Azaltımında Termal Bazlı Teknolojiler MEMKON 32

33 Termal Bazlı Teknolojiler Çok farklı teknolojiler kullanılabilmektedir. Prosese bağlı olarak enerji giderleri 8-15 kwh/m 3 olabilir. Buharlaştırma havuzları Çoklu kademeli (etkili) distilasyon ve mekanik/termal buhar sıkıştırma Brine konsantratörü ve kristalizatör Rüzgar destekli yoğunlaştırılmış evaporasyon Püskürtmeli kurutucular MEMKON 33

34 Şekil. Mekanik buhar sıkıştırma (MVC) ile birlikte Çoklu kademeli distilasyon (MED) (Veolia, 2016) 34

35 Termal Bazlı Teknolojiler Şekil. (A) termal ve (B) RO-birleştirilmiş ZLD sistemlerinin şematik gösterimi. MEMKON 35

36 Bölüm 6. Konsantre Hacim Azaltımında Yenilikçi Diğer Teknolojiler MEMKON 36

37 TERS OSMOZ KONSANTRATLARININ ARITIMINDA YENİLİKÇİ TEKNOLOJİLER Bu kapsamda kullanılabilecek yenilikçi prosesler; Membran Distilasyon Prosesi İleri Ozmoz Prosesi Ötektik Dondurma Kristalleşmesi Elektrodiyaliz Prosesi MEMKON 37

38 Membran Distilasyon (MD) Prosesi MD prosesinde membran ve termal prosesler birleştirilmiştir. Tahrik sıcaklık farkından kaynaklanır. Sıcak ve soğuk akımlar arasında o C bir fark bulunur. Sıcak konsantre buhar fazı hidrofobik membrandan geçerek ara faza taşınır. MEMKON 38

39 İleri Osmoz (FO) Prosesi FO; yarı geçirgen bir membran boyunca suyun düşük ozmotik basınçlı sıvıdan, yüksek osmotik basınçlı sıvıya geçmesidir. Konsantrasyon farkı itici güçtür. TO prosesine kıyasla su akışı farklı yöndedir. MEMKON 39

40 İleri Osmoz (FO) Prosesi Şekil. İleri osmoz ile diğer membran bazlı proseslerin birleştirilmesi MEMKON 40

41 Ötektik Dondurma Kristalleşmesi Dondurma ile desalinasyon, bir kristalleşme sürecidir. RO konsantresi ötektik sıcaklığa ulaşılana kadar sürekli dondurulur. Su ve tuz ayrı ayrı kristalleşir. Buharlaştırmaya göre daha az enerji gerektirir. A da bulunan sıvı soğutularak B ye getirilir. B de buz kristalleri oluşmaya başlar. Daha fazla soğutma ile oluşan buz kristalleriyle birlikte sıvı fazda tuz konsantrasyonu B-C arasında artar. Ötektik C noktasında tuz konsantrasyonu doygunluğa erişir. Daha fazla soğutma eş zamanlı tuz ve buz kristallerinin oluşmasını sağlar. Buz ve tuz kristalleri yoğunluk farkı nedeniyle ayrılabilir. MEMKON 41

42 Ötektik Dondurma Kristalleşmesi Şekil. İlk Pilot Çalışma MEMKON 42

43 RO konsantrelerinin arıtımındaki yeni teknolojilerin karşılaştırılması(subramani ve Jacangelo, 2014) Teknoloji İleri ozmoz (FO) (Hickenbottom vd., 2013; McGinnis vd., 2013; Tang ve Ng, 2008) Membran distilasyonu (MD) (Janson vd., 2013; Ji vd., 2010; Mericq vd., 2010; Tunc ve Groth, 2011) Ötektik dondurma kristalleşmesi (Fernández-Torres vd., 2012)(Randall, D.G., Nathoo, J., Lewis, A.E., 2011) Besleme suyu Hidrolik çatlatma atıksularının arıtılmasınd an kaynaklı RO konsantresi Termal desalinasyo n tesisi konsantresi Acı su RO tesisi konsantresi Hedef giderim parametre si TÇK TÇK Tam faz dönüşümü Enerji tüketimi 0,26-0,8 kwh/m 3 (sadece membran ayırma kademesi). Çekme çözeltisinin ayrılması kademesi ile tüketim RO ile benzer ya da daha yüksek olmaktadır. 13,2 kwh/m 3. Atık ısı mevcut ise 10,3 kwh/m 3 Veri yok Teknolojik olgunluk Pilot Pilot Pilot Maliye tler Veri yok Veri yok Veri yok Avantajlar Atık ısı mevcut ise enerji verimliliği RO dan fazla TÇK limiti yüksek Basınç gereksinimi yok TÇK limiti yüksek Basınç gereksinimi yok Basınç gereksinimi yok Dezavantajlar Sınırlı gerçek boyutlu tesis uygulaması Düşük akıya bağlı olarak tesis alanının çok büyük olması Sınırlı gerçek boyutlu tesis uygulaması Sınırlı gerçek boyutlu tesis uygulaması MEMKON 43

44 Bölüm 7. Teknoloji Seçimi Ve Karar Verme MEMKON 44

45 ORGANİK KİRLİLİK İÇEREN RO KONSANTRELERİ: ARITMA ALTERNATİFLERİ Ozonlama Fenton Prosesi Fotokataliz ve fotooksidasyon Adsorpsiyon Biyolojik arıtma MEMKON 45

46 ZLD veya yaklaşık ZLD için izlenecek yol MEMKON 46

47 MEMKON 47

48 48

49 MEMKON 49

50 Proje Sahibi Çevre ve Şehircilik Bakanlığı, Çevre Yönetimi Genel Müdürlüğü ne destekleri için teşekkür ederiz. Pilot ve teknik çalışmaların yapıldığı firmalara/tesislere teşekkür ederiz. MEMKON 50