Tuzlu Su Arıtma - ZLD - Sıfır Sıvı Deşarjı - MLD Minimum Sıvı Deşarjı
Tuzlu su, birçok endüstriyel işlemden üretilen ve uzun süre sadece atık su olarak kabul edilen, tuzluluğu artmış bir sıvı akışı olarak tanımlanabilir. Tuzlu su akışının sıcaklığı, kaynağına bağlı olarak önemli ölçüde değişebilir.
Tuzlu su kaynakları şunlardır:
- Tuzdan Arındırma
- Madencilik İşlemleri
Tuzdan arındırma işleminde bir ürün ve bir yan ürün akışımız vardır. Permeat olarak adlandırılan ürün, işlemden geçen ve birlikte üretilen tatlı suyu oluşturan çözünmüş katı maddelerin bir kısmını içeren saf sudur.
Tuzdan arındırma suyu, besleme suyundaki çözünmüş katı maddelerin çoğunun, ön arıtma katkı maddelerinin (koagülan, flokülant ve kireç önleyici maddelerin kalıntı miktarları), organik maddelerin, mikrobiyal kirleticilerin ve RO membranları tarafından reddedilen partiküllerin daha yüksek konsantrasyonlarını içeren bir yan ürün sıvı akışıdır.Son on yılda hem içme suyu hem de endüstriyel amaçlı kaliteli su için arz ve talep artmıştır. Tatlı su kaynaklarının azalması, nüfus artışı ve tuzdan arındırma teknolojisindeki yeni gelişmelerle birlikte, su sağlayıcıları bu talepleri karşılamak için acı su (BW) ve deniz suyunu (SW) arıtmaya yönelmiştir.
2007 yılına kadar dünya genelinde tuzdan arındırma süreçlerinden elde edilen toplam su miktarı 47,6 Mm3/gün'e yükselmiştir ve 2015 yılında günlük 97,5 Mm³/gün ile iki katına çıkacak ve bu üretimin %45'i Orta Doğu'da gerçekleşecek. 2000 yılından sonraki tuzdan arındırma tesislerinin %70'i membran prosesleriydi ve bu da günümüzde Ters Ozmoz (RO) yönteminin toplam tuzdan arındırma işlemlerinin %63'ünü oluşturduğu anlamına geliyor. %23'ü Çok Aşamalı Flaş (MSF), %8'i Çok Etkili Damıtma (MED) ve geri kalanı Elektrodiyaliz (ED)/Elektrodiyaliz Ters Çevirme (EDR) ve hibrit yöntemlerdir. Deniz suyu RO (SWRO) tuz konsantrasyonunu 2 kata kadar, MSF ise 1,5 kata kadar artırabilir. Bu işlemlerle üretilen ve konsantre veya atık olarak da adlandırılan tuzlu su, esas olarak yüksek konsantrasyonda Sodyum Klorür (NaCl) ve besleme suyu bileşimine ve işlem ön işlemine (Kalsiyum, Magnezyum, Bikarbonatlar, vb.) bağlı olarak çeşitli diğer çözünmüş tuzlardan oluşur.
Şekil 1, Teknoloji, kullanıcılar ve maliyet bileşenlerine göre tuzdan arındırma endüstrisi (Maliyetler, 0,05 $/kWh elektrik maliyeti ve 60 $/bbl petrol fiyatı varsayımıyla hesaplanmıştır), Tuzdan arındırma ve sürdürülebilirlik - Bir değerlendirme ve güncel bakış açısı, Veera Gnaneswar Gude, Su Araştırmaları 89 (2016)
Su endüstrisinde tuzlu su (brine) çok gevşek bir terimdir. Yaygın RO membran basınç direnci sınırlamasına göre, RO yalnızca yaklaşık 70.000 ppm (mg/L) Toplam Çözünmüş Katı Madde (TDS)'ye kadar tuzlu su akışını yoğunlaştırabilir ve daha fazla arıtma yapamaz. Bu metinde, SWRO ile daha fazla yoğunlaştırılamayan 65.000-85.000 ppm aralığındaki tüm tuzlu su akışlarını tuzlu su olarak ele alacağız.
Tuzlu suyun bertarafı oldukça sorunlu olabilir çünkü,
- Alıcı su kütlelerinin tuzluluğunu artırır
- Yerel deniz yaşamını etkiler
- Ön arıtma ve membran temizleme kimyasalları içerebilir
- Sistemlerin korozyonundan kaynaklanan metaller (Cu, Fe, Ni, Mo, Cr) içerebilir
- Estetik sorunlara (renklenme) neden olur
- Tuzlu su borularındaki sızıntılardan dolayı yakındaki yeraltı su kaynaklarını etkiler
- Deşarj altyapı çalışmaları nedeniyle kalıcı hasara neden olur.
Tuzlu su ya doğrudan bertaraf edilir ya da bertaraf edilmeden önce en aza indirilir; ancak giderek daha katı hale gelen hükümet mevzuatları nedeniyle, yüzey/derin su deşarjı, derin kuyu enjeksiyonu veya atık su arıtma tesislerine deşarj gibi geleneksel tuzlu su yönetimi yöntemleri yakın gelecekte uygulanabilir bir seçenek olmayabilir.
Tuzlu su miktarı, tuzdan arındırma tesisinin üretim kapasitesine ve geri kazanım oranına bağlıdır. Geri kazanım, üretilen tatlı su akış hızının sisteme verilen toplam besleme akış hızına oranının yüzdesi (%) olarak ifade edilir. BWRO'nun geri kazanım oranları %50 ile %90 arasında, SWRO'nun ise tipik olarak %30 ile %55 arasındadır. Daha yüksek geri kazanım, daha küçük konsantre hacmi (daha yüksek tuzluluk) ile sonuçlanır ve bunun tersi de geçerlidir. Tuzdan arındırma tesisinde üretilen tuzlu su hacmi şu şekilde hesaplanabilir:
Vb = Vp x (1-R)/R p; (1)
burada,
- Vp = geçirgen hacim
- Vb = tuzlu su hacmi
- R = sistem geri kazanım oranı (%)
Tuzlu su kalitesi şunlara bağlıdır:
- besleme bileşimi ve tuzluluğu
- tuzdan arındırma membranlarının tuz reddi
- toplam geri kazanım
BWRO konsantrasyon faktörü tipik olarak 4 ila 10 iken SWRO genellikle 1,5 ila 2,0 katıdır. Tuzlu su TDS (TDSb), besleme ve geçirgen TDS konsantrasyonlarına (TDSf ve TDSp) ve tesis geri kazanımına (Y) bağlıdır.
TDSb = TDSfx 1/(1-R) x (RxTDSp)/(100x(1-Y))   ; (2)
Konsantrasyon şu şekilde hesaplanabilir:
CF(%) = 1/(1-R) ;   ;   ; (3)
Eğer membran tuz geçişi (SP) biliniyorsa, CF şu şekilde hesaplanabilir:
CF(%) = [1 – (R x SP)]/(1-R) &nbs p; (4)
burada
SP (%) = 1 - % tuz reddi = geçirgen TDS (TDSp)/besleme TDS (TDSf) (5)
Tuz CF'si esas olarak tuzlu suyun artan ozmotik basıncı (πtuzlu su) ile sınırlıdır. SWRO için bu sınır yaklaşık 65.000 ila 85.000 mg/L'dir. Tek geçişli bir SWRO sistemi için optimum geri kazanım %40 ila %45 arasındadır ve konsantrasyon faktörü (CF) 1,5 ila 1,8 aralığında hareket eder. Karşılaştırma için, BWRO tesislerinde tipik olarak %70 ila %90 arasında geri kazanım ve 4 ila 10 arasında konsantrasyon faktörü bulunur.
Besleme kalitesine bağlı olarak, tuzlu su kalitesini tahmin etmek için aşağıdaki kuralları kullanabiliriz.
- Tuzlu suyun pH'ı, daha yüksek alkaliliğe sahip olduğu için besleme suyundan daha yüksektir.
- RO membranları, ağır metalleri kalsiyum ve magnezyum ile benzer oranda reddeder.
- Organik maddelerin çoğu %95'e kadar reddedilir (düşük moleküler ağırlıklı (MW) olanlar hariç).
- Yeraltı suyu (GW) BWRO tuzlu suyu, anaerobik olabilir ve hidrojen sülfür (H₂S) içerebilir.
Tuzdan arındırma işlemine ön arıtma dahil edilirse, RO besleme suyunda çözünmüş metaller, mikroorganizmalar ve parçacıklar gibi bazı bileşenlerin seviyeleri azalır; ancak pıhtılaştırıcılar kullanılıyorsa sülfat, klorür ve demir gibi inorganik iyonların konsantrasyonu biraz artar. Tuzlu su, polimerler ve kireç önleyicilerle kaynak suyun şartlandırılmasından kaynaklanan artık organik maddeler de içerebilir.
Oluşturulan tuzlu su, düşük bulanıklığa (genellikle < 2 NTU), düşük toplam askıda katı madde (TSS) ve biyokimyasal oksijen ihtiyacına (BOD) (tipik olarak < 5 mg/L) sahiptir, çünkü içerdiği partiküllerin çoğu ön arıtmadan uzaklaştırılmıştır.
Ancak tesisin ön arıtma yan akışları karıştırılıp tuzlu su ile birlikte deşarj edilirse, karışımın bulanıklığı, TSS'si ve bazen BOD'si artabilir. Besleme suyuna eklenen asitler ve kireç önleyiciler, SWRO membranı tarafından reddedilir ve ayrıca tuzlu suyun mineral içeriğini ve kalitesini etkiler. Konsantredeki kireç önleyici seviyeleri genellikle < 20 mg/L'dir.
Petrol ve gaz operasyonları gibi birçok madencilik sürecinde de tuzlu su üretilir. Madencilik süreçlerinde, mineralleri çıkarmak için yer altına büyük miktarlarda su pompalanır. Örneğin, Amerikan Petrol Enstitüsü'nün tahminine göre, petrol madenciliği operasyonlarında tipik bir çıkarma sırasında her bir varil petrol için dokuz varil su geri kazanılır. Madencilik tuzlu suyu yüksek tuz içeriği ve tehlikeli kimyasallar içerir; bu da deniz yaşamı için çok tehlikeli olabilir ve bertarafı en büyük çevresel zorluklardan biridir. Fazla tuzlu suyun bertarafı için derin kuyu enjeksiyonu ve havuzlarda yüzey depolama yöntemleri kullanılır ve bunlar yer altı sularının kirlenmesinin önemli bir kaynağı olarak kabul edilir. Denize deşarj edilen maden suyu, deniz organizmaları için zararlı olduğu kanıtlanmıştır.
table 1, Deniz suyu arıtma işleminden elde edilen tuzlu suyun fiziksel ve kimyasal özellikleri ve bertarafından kaynaklanabilecek potansiyel çevresel/ekolojik etkiler.
| RO tesisleri | MSF tesisleri |
Çevresel/ekolojik etkiler |
|
|---|---|---|---|
| colspan="4">
Fiziksel özellikler |
|||
| Tuzluluk ve sıcaklık | Ortam SW ToC'de 65-85 g/L |
≈ 50,000 mg/L ± 5-15 oC, SW ToC'den |
↓ canlılık ve biyoçeşitlilik daha yüksek değerlerde iyi seyreltmeden sonra zararsız |
| Atık su yoğunluğu | > suyun yoğunluğu | işleme bağlıdır | ↓ biyolojik çeşitlilik |
| Çözünmüş oksijen (DO) |
kuyu girişleri → tipik olarak < SW DO açık girişler → ≈ Ortam SW ToC |
fiziksel deaerasyon ve oksijen tutucuların kullanımı nedeniyle | / |
|
Biyolojik kirlenmeyi kontrol eden katkı maddeleri ve yan ürünler |
|||
| Klor | membran oksidasyonunu önlemek için membranlardan önce nötralize edilir | yaklaşık. Yem dozunun %10-25'i, nötralize edilmezse |
↑↑ birçok organizma için zehirli hızlı bir şekilde bozunur |
| Halojenli organik maddeler | genellikle zararlı seviyelerin altında |
değişken bileşim ve konsantrasyonlar tipik olarak trihalometanlar |
kanserojen etkiler akıcı ve kapsamlı buharlaşma ile dağılma |
| colspan="4">
Kireç kontrol katkı maddeleri |
|||
| Kireç önleyiciler |
zayıf/orta bozunabilirlik + yüksek toplam yükler → birikim, kronik etkiler, bilinmeyen yan etkiler |
||
|
Köpük kontrol katkı maddeleri |
|||
| Köpük önleyici maddeler (ör. poliglikol) | Mevcut değil (tedavi gerekmiyor) | < zararlı seviyeler |
toksik olmayan iyi bozunabilirlik |
|
Korozyondan kaynaklanan kirleticiler |
|||
| Ağır metaller | ↑kaliteli paslanmaz çelik kullanılıyorsa demir, krom, nikel, molibden konsantrasyonları | ↑kaliteli paslanmaz çelik kullanılıyorsa bakır ve nikel konsantrasyonları |
Bakır- MSF (15-100 mg/L)- ↓ çoğu tür için toksik; ↑ (biyo)birikim ve uzun vadeli etkiler İz metaller → toksik veya uzun vadeli etkileri yoktur (MSF'deki Ni hariç) |
Amerika Birleşik Devletleri'nde kullanılan beş geleneksel tuzlu su yönetimi seçeneği aşağıdaki kapasitelerde kullanılmaktadır (table 2 ve Şekil 3),
- yüzey suyu deşarjı (%45)
- kanalizasyon bertarafı (%27)
- derin kuyu enjeksiyonu (%13)
- arazi uygulaması (%8)
- buharlaşma havuzları (%4)
table 2. Amerika Birleşik Devletleri'nde en yaygın tuzlu su bertaraf yöntemleri
|
Tuzlu su bertaraf yöntemi |
Prensip ve açıklama |
Toplam kapasitenin %'si |
| Derin kuyu enjeksiyonu | Tuzlu su, gözenekli yeraltı kaya oluşumlarına enjekte edilir | 13 |
| Arazi uygulaması | Tuzlu su Tuz toleranslı bitkilerin ve otların sulanmasında kullanılır | 8 |
| Buharlaşma havuzları | Tuzlu su havuzlarında buharlaşırken, kalan tuzlar havuzun yerleşik birikir | 4 |
| Kanalizasyon deşarjı | Mevcut bir kanalizasyon toplama sistemine tuzlu su deşarjı. Düşük maliyetli ve enerji tasarruflu | 27 |
| Deniz suyu deşarjı; Yüzey | Tuzlu su, deniz suyunun yüzeyine deşarj edilir. Dünya çapındaki tüm büyük tuzdan arındırma tesisleri için en yaygın yöntemdir | 45 |
| Deniz suyu deşarjı; Sualtı | Tuzlu su, denizin dibine monte edilmiş çoklu portlu difüzörler aracılığıyla kıyıdan uzaklaştırılır |
Şekil 3, ABD'de en yaygın tuzlu su bertaraf yöntemleri
Yüzey suyu deşarjı, tüm tuzdan arındırma tesisi boyutlarına uygulanabildiği için en yaygın alternatiftir. Kanalizasyona deşarj, küçük tuzdan arındırma tesislerinin deşarjları için en çok uygulanan yöntemdir. Derin kuyu enjeksiyon uygulaması, orta ve büyük ölçekli iç bölgelerdeki tuzlu su arıtma tesisleri için en uygundur. Arazi uygulaması ve buharlaşma havuzları genellikle, iklim ve toprak koşullarının yüksek buharlaşma oranlarına ve yıl boyunca halofitik bitki örtüsünün büyümesine ve hasadına olanak sağladığı küçük ve orta ölçekli tesisler için uygulanır.
En yaygın tuzlu su yönetimi seçeneklerinin başlıca avantajları ve dezavantajları table 4'te sunulmuştur.
table 4, Tuzlu Su Yönetimi Yöntemlerinin Karşılaştırılması
|
Tuzlu su yönetimi yöntemi |
Avantajlar |
Dezavantajlar |
|
Yüzey suyu deşarjı |
|
|
|
Kanalizasyon deşarjı |
|
|
|
Derin kuyu enjeksiyonu
|
|
|
|
Buharlaşma havuzları
|
|
|
|
Arazi Uygulaması |
|
|
table 6, %80 geri kazanım (10.000 m³/gün tuzlu su) ve %45 geri kazanım (48.900 m³/gün tuzlu su) için sırasıyla 40.000 m³/gün BWRO ve SWRO tuzdan arındırma tesislerinin inşaat maliyetlerini sunmaktadır.
table 6, Teorik 40.000 m³/gün tuzdan arındırma tesisinin tuzlu su bertaraf yöntemleri için inşaat maliyetleri
|
Tuzlu su yönetimi yöntemi |
BWRO ($ mm) |
SWRO ($ mm) |
|
Yüzey suyu deşarjı |
2-10 | 6.5-30 |
|
Kanalizasyon deşarjı |
0.5-2 | 1.5-6 |
|
Derin kuyu enjeksiyon |
4-8 | 15-25 |
|
Buharlaşma havuzu |
30-50 | 140-180 |
|
Püskürtmeli Sulama |
8-10 |
30-40 |
Şekil 4, Tuzlu su akış hızlarına bağlı olarak geleneksel tuzlu su arıtma ve bertarafının sermaye harcamalarına (CAPEX) ilişkin kaba bir yaklaşımın grafiksel gösterimi
Genellikle tuzlu suyun kanalizasyona (küçük tuzlu su akışlarıyla sınırlı) veya yüzey sularına (deniz, okyanus veya nehir) deşarjı, yaygın kullanımları nedeniyle mevzuatta daha iyi ele alınmaktadır. Sızıntı izleme sistemine sahip astarlı buharlaşma havuzları, yerel akiferleri daha iyi koruduğu için, arazi uygulamasına (RIB bertarafı ve püskürtmeli sulama) kıyasla genellikle izin almak daha kolaydır.
Örneğin karmaşık difüzör yapılarına sahip uzun okyanus deşarjları gibi bazı tuzlu su bertaraf sistemlerinin inşa süresi, genellikle tuzdan arındırma tesisinin inşa süresiyle aynıdır ve uzun süreli çevresel çalışmalar ve düzenleyici incelemeler içerir. Ayrıca RIB'ler ve derin enjeksiyon kuyuları, saha uygunluğu ve kısıtlamaları konusunda ayrıntılı ve genellikle altı aydan bir yıla kadar süren çalışmalar içerir. Konsantre yönetim alternatifini uygulamak için en kolay yol genellikle kanalizasyona deşarjdır.
En küçük alan genellikle kanalizasyon deşarjına aittir ve buharlaşma havuzları genellikle en büyük alan gereksinimlerine sahiptir.
5.6. Güvenilirlik ve Operasyonel Sınırlamalar
Derin enjeksiyon kuyuları sismik bölgelerde uygun değildir ve derin ve yüksek tuzluluk oranına sahip kapalı akiferlerin bulunmasını gerektirir. Enjeksiyon kuyularının periyodik olarak incelenmesi ve bakımı gerekecektir; bu da ya yedek bir bertaraf alternatifi ya da yedek kuyuların kurulmasını gerektirir.
Sığ plaj kuyuları, bulundukları yerde yüksek plaj erozyonu olduğunda uygun değildir.
Buharlaşma havuzları veya arazi uygulaması gibi tuzlu su yönetimi seçenekleri mevsimsel olabilir ve bu durumda güvenilirliklerini artırmak için yedek bir alternatife ihtiyaç duyulur.
Ek Bilgiler