Temiz Su Temininde En Yeni Teknolojiler

Necat ÖZGÜR
İnşaat Y. Mühendisi

Yeryüzünün dörtte üçünü kaplamasına karşın deniz, göl, nehir, yeraltı suyu gibi su kaynaklarının ancak %3’ü içilebilir ve kullanılabilir niteliktedir. Yirminci yüzyılın başında iki milyar olan dünya nüfusunun altı buçuk milyarı bulması ve nüfus artışının sürmesi, bu en önemli ihtiyaç maddesinin kentlere içme suyu olarak ya da kırsal alanlara sulama amacıyla getirilmesi için çok iddialı, pahalı ve hatta -havzadan havzaya su aktarma nedeniyle- karmaşık çevre sorunları içeren projelere de yol açmıştır. Ülkemiz de bu tür proje karmaşasından nasibini almıştır.

Dünyada ise, depolama ve yer altı tatlı su haznelerini kullanan çözümlerin yanında, uygun bölgelerde deniz suyu arıtımı gibi ileri arıtma teknolojilerini içeren tasarımlar son yıllarda yaygınlaşmaktadır. Bu önemli ihtiyaç maddesinin kıtlık gerekçesiyle bir pahalı meta durumuna dönüştürülmesi, İnsanlık için bugünlerde endişe yaratan husustur. Bu dönüşümün, küresel ısınmanın da etkisiyle, savaşlara da yol açacak bir sömürü ve çevre sorunu yaratmasından korkulur.

Tanımlar

Kişi başına yıllık kullanılabilir su (SKy) (m³)

Su fakiri ülke: SK_Y < 1000 m³ (fiziki azlık)

Su azlığı yaşayan ülke: 1000 m³ < SK_Y < 2000 m³ (ekonomik azlık: ‘regülasyonla’ yeterli olur)

Suyu yeterli ülke: 2000 m³ < SK_Y < 8000 m³

Su zengini ülke: SK_Y > 8000 m³

Türkiye Sayıları (yıllık) (DSİ’den alınmıştır.)

Kapasite

Yıllık akış (26 nehir havzası): 186 milyar m³

Yüzey suyu (değerlendirilebilen): 98 milyar m³

Yeraltı suyu (çekilebilir-yenilenebilir): 14 milyar m³

Kullanılabilir net su miktarı: 112 milyar m³

SK_Y – Türkiye (112 milyar/70 milyon): 1600 (4384  l/gün)

Türkiye İstatistik Kurumu, nüfusumuzun 2050 yılında 98 milyon olacağını, o tarihten sonra azalma eğilimine gireceğini tahmin etmektedir. Ülkemizdeki genel su devresinin yıllar içinde aleyhte gelişmeyeceğini (toplam suyumuzun sabit kalacağını) varsayarak, SK_Y değerimizin (112×10⁹/98×10⁶) 1143’ün (3132 l/gün) altına inmeyeceği söylenebilir.

Kullanım

2003 yılı içme-kullanma tüketimimiz: 6.0 milyar m³  (235 l/gün.kişi) (hayvan tüketimi dahil)

2003 yılı sulama tüketimimiz: 30.0 milyar  m³  (1175 l/gün.kişi)

2003 yılı sanayi tüketimimiz: 4.5 milyar  m³  (176 l/gün.kişi)

2003 yılı toplam tüketimimiz: 40.5 milyar  m³(1586   l/gün.kişi) = (SK_Y-Türkiye-/3)

Yıllık tüketimimizin potansiyelimizin çok altında olması yanıltmamalıdır. Su rejimi, büyük ölçüde mevsimsel değişiklik içerir. İhtiyaçlarımız -sulama dışında- zamana bağlı değişim göstermez. Hatta, sulama doğal akışın en az olduğu dönemlerde yapılır.  Bu olgu, sularımızın depolama yoluyla rejimlerinin düzenlenmesi (regülasyon) zorunluluğunun gerekçeleridir. Düzenlemedeki eksiklik, sürdürülebilir kullanımı tehlikeye sokacak biçimde, yeraltı suyumuzun aşırı tüketimine göz yumulmasına yol açmaktadır.

Yüzey sularımızın regülasyonu sağlandığı takdirde, bir yıl hiç yağış almasak ve kaynaklarımız beslenmesede, ihtiyacımız karşılanmaktadır. Tabii, tam regülasyonun çevresel ve parasal maliyetleri, bu işin olanak dışı kalmasına neden olacak kadar ciddidir. Havzalarımızın doğal zenginliğinden vazgeçmek, peyzaj kayıplarıyla birlikte ekolojik denge bozulmasının yol açacağı felaketleri hazırlayacaktır. Tam regülasyon yerine, çevresel değerlerin ve taşkın kontrolünün ön planda ele alındığı, optimum (en elverişli) regülasyon anlayışı egemen olmalıdır. Doğa ve çevre koruma kaygısıyla değerlendirmeyi düşünmeyeceğimiz tatlı su potansiyelimiz yerine, yeni teknolojiler kullanılarak kıyılara yakın yerleşim yerlerimizde, denizlerimizden temiz su temini, daha çevreci, ekonomik ve sürdürülebilir olamaz mı? Bilgilerini aktaracağımız bir projemizin yaratacağı düşünceler, bu soruyu yanıtlamak için size yardımcı olacaktır.

Melen Çayı’nın suyu, regülatör ile alınarak 1,7 kilometre uzunluğundaki terfi hattı ile pompa istasyonu’ndan Terfi Deposu’na, oradan yaklaşık 129,6 kilometre uzunluğunda isale hattı ve 3,8 kilometre uzunluğunda Şile-Alaçalı Tüneli ile Alaçalı Konduvi’sine iletiliyor. Alaçalı Konduvi’sinden yaklaşık 8,0 kilometrelik Alaçalı/Ömerli-Hamidiye Tünelleri ve 9,3 kilometrelik isale hattı vasıtası ile cazibeli olarak Cumhuriyet Arıtma Tesisi’ne iletiliyor.  İstanbul içme suyu için, 160 km. uzaklıktan su getirecek olan bu proje, Karadeniz kıyısında bir desalinasyon tesisi ile mukayeseli yapılabilirlik çalışması sonucunda mı başlatılmıştır?

Su Temini Genel İlkeleri

Nüfusun aşırı artışı, kamusal denetimin önüne engellerin çıkarılması, kalkınmaya bağlı olarak konfor taleplerinin değişmesi gibi nedenlerle birlikte, teknolojideki gelişmeler sonucunda da, yönetmeliklerde kıtlık koşullarını yönetecek yeni yöntemlere gereksinim duyulmaktadır.

Yeniden kullanım, tasarrufun ödüllendirilmesi, kaçakların cezalandırılması, kayıp önlenmesi gibi konular, depolama, iletim, dağıtım gibi su teminine ilişkin her aşamada kıtlık yönetiminin önde gelen maddeleridir. Konutlarda ve işyerlerinde sarnıç, çift tesisat gibi yağışların doğrudan değerlendirildiği tasarımlar; kırsal yerleşimlerde doğal arıtma ürünü su kullanımı, damla sulama, artık mühendisler için kaçınılmaz kavramlardır.

Kullandığımız suyun havzamıza aynen geri gelmesi temin edilse, belki bu tür kaygılar aşırı bulunabilir. Ancak, atmosferik olaylar ve en yeni çevre sorunumuz olan küresel ısınma, böyle bir garanti vermiyor. Su döngüsü (hidrolojik döngü), bir bölgenin su kaybının başka bölgeye kazanç olabileceğini gösteriyor.

Su kaynaklarının geliştirilmesi, uzun zamana yayılan zor ve pahalı yatırımlar gerektirdiği için, kapasite hesaplarında gevşeklik, gereksiz bedel artışına da yol açar. Bu yatırımlar devlet bütçelerini zorlayan, suyun yaşamsal önemi nedeniyle insanlar ve hatta ülkeler arasında çatışmalara yol açabilen özellikler de taşıyabilmektedir. Tamamen yerli olanaklarla gerçekleştirilen “GAP” yapılırken, Suriye ile yaşanan gerginlik hatırlardadır.

“Mühendislik-temel bilimler-sosyoloji” ilkelerinin gerektiği gibi kullanıldığı bir yapılabilirlik çalışmasına dayanmayan yapıların, istenen performansı göstermesi beklenemez. Performans, temel ilkeleri Doğru yer seçimi, Doğru teknoloji, Doğru yönetim olan yapılabilirlik, ÇED, proje, uygulama ve işletme süreçlerinin bileşkesidir. Bir su temini projesini ele aldığımızdada, savsaklanan her süreç ülkeye bir yük olarak geri döner.

1990larda, “Manavgat Projesi” kapsamında hedeflenen müşteri olan İsrail’in deniz suyunu arıtarak elde ettiği temiz su, Manavgat suyundan daha hesaplı olduğu için, bu ülkeye su satamadık. Proje kapsamında, Manavgat Çayı denize dökülme öncesinde depolanıyor, arıtılıyor ve gemilere yüklenmesi için deniz terminaline iletiliyor. Teknoloji olarak yüzümüzün akıyla çıktığımız bu işten, çevre ve yer seçimi açısından da iyi not aldığımız söylenebilir! Amaç ve ihtiyaç saptanması açısından yanlış yönetimin örneği olan bu tesis özelleştirme kapsamına alınmışsada, dört yıldır müşteri çıkmamaktadır. Çevremizde, yeni teknolojileri içeren büyük projelere de göz atmakta yarar var. Ürdün’ün ihale aşamasına getirdiği “Kızıldeniz-Ölüdeniz” projesi ile Kızıldeniz’in suyu, -komşu ülkelerin de talip olduğu- içme suyu niteliğinde arıtılacak, enerji ürettikten sonra 400 m aşağıdaki Ölüdeniz’e düşürülerek, gölün aşırı kullanım nedeniyle azalan sularını takviye edecek: Doğru yer seçimi, Doğru teknoloji, Doğru yönetim!

Sınırsız Kaynak Deniz Suyu

1930lu yıllarda Arabistan Yarımadasında, buharlaştırma-yoğuşturma yöntemiyle deniz suyu arıtımı başlamıştır. Çok pahalı olan bu işlemde, buharlaştırma için gerekli olan enerji, ucuz petrolden karşılanmış; petrol fiyatlarındaki belirsizlik, daha uygun arıtım yöntemleri için çalışmayı özendirmiştir. Teknolojideki adıyla “Isıl (termal) işlemli arıtım” ya da “faz değişimi” teknolojisi, zamanla, deniz suyunun ısıtılmasında ekonomi sağlayan -bütünleşik bir tasarım içinde, ısıl enerjilerinden yararlanılan termik santrallerin denizden alınan soğutma suyunun kullanımı, güneş enerjisi gibi yenilenebilir kaynakların devreye alınması gibi- yöntemlerle sürdürülmüş; 1957 yılında ilk kez uygulanan “Çok Kademeli Püskürtme” (MSF=Multi stage flash distillation) adı verilen sistemle, düşük basınç ortamında suyun kaynama derecesi düşürülerek enerji tasarrufu sağlayacak biçimde, daha da geliştirilmiştir.

Deniz suyu arıtımı planlamasının ön koşulu olarak, suyun iletileceği bölgenin kıyıya ve deniz düzeyine yakınlığı esastır. Tesise giren deniz suyunun %20-50 arasındaki kısmı, tuz oranı artarak denize geri gönderilir. Bu atığın yönetimi ve temiz su iletim ekonomisi açısından, tesisin kıyıda yapılması gerekmektedir. Su alma, doğrudan sahilden ya da -otomatik ön arıtma sağlayarak ön işlem maliyetini azaltabilecek- (keson) kuyudan yapılabilir. Kıyıda, çevre ve doğa koruma ilkelerine ters düşmeden, tesis yapılabilecek yer bulmak, önemli bir yapılabilirlik ölçütüdür. Dünyada 14000 tesiste yaklaşık 50 milyon m³/gün olan toplam desalinasyon kurulu kapasitesinin ¼’ünün su zengini Kuzey Amerika ve Avrasya coğrafyasında yer aldığını düşününce, bu teknolojinin ülke su kaynakları planlamasındaki önemi daha da anlaşılır.

Ülkemizde henüz desalinasyona (deniz suyu arıtımı) ilişkin özel mevzuat yoktur. Sahil şeridinde yapılanma, Kıyı Kanunu ve Yönetmeliği tarafından düzenlenir. Uygun bir kıyı bulduğumuzu varsayarak sorarım: Kıyıya ve deniz düzeyine çok yakın olan -beş bin çiftçiye ait yirmi bin hektar alanın sulanması için, hepimize ait Allianoi tarihi kentini sular altında bırakacak- Yortanlı Barajının işlevi, Ege Denizinde bir desalinasyon tesisi ile yapılacak olsaydı daha mı pahalıya çıkardı?

Yöntemlerde Temel Ayırım:

Desalinasyon Prosesleri:

A- Faz değişimi (ısıl işlem, buharlaştırma ya da henüz uygulaması olmayan donma-kristalizasyon)

B- Ara yüzey -membran- yardımı (ters ozmoz ya da elektro diyaliz)

Deniz suyu arıtımında proses tipini, deniz suyu analizi (tuzluluk, sertlik -kalsiyum karbonat-, katı maddeler, iyonlar) ile yakıt ve enerji gideri belirler.

Isıl enerji eksikliğinde (termik santral gibi ortak çalışacak bir tesis yoksa) arıtıma olanak sağlayan ara yüzey -membran- arıtma işlemi 1970lerden başlayarak kullanılmaktadır.

İki ana membran yöntemi Elektro-diyaliz (ED) ve Ters Ozmoz (RO= Reverse Osmosis) olarak adlandırılmıştır. ED yapım maliyeti RO maliyetine göre genellikle daha yüksekse de, işletme giderleri açısından ED daha ucuzdur. Ancak, iletkenlik (tuzluluk) arttıkça (10,000µS/cm sınır değeri) elektrik gereksinimi artacağı için, ED işletmesi uygunluğunu yitirir.

Günümüzde, desalinasyon uygulamasında MSF (%20) ve RO (%70) yöntemleri başta gelmektedir. Maliyetleri azaltan ve arıtma oranını artırarak membran malzemesindeki hizmet ömrünü (5 yıla kadar) artıran gelişmeler, enerji kazanım teknolojisi ve bütünleşik enerji kullanımıyla, RO uygulamaları artmaktadır. İşletmedeki elektrik tüketimi RO’da 6 kw/m³ düzeyine kadar çekilmiştir. MSF’de, ısıl enerji de dahil olmak üzere 14 kw/m³ değerinin altına inilememektedir.

Isıl işlemler, özellikle bir enerji santrali ile eşleştirilebilirse ya da ‘artık ısı’ kazanımı söz konusu ise, MSF (yapım ve işletme) maliyeti RO’ya göre düşük olmaktadır. Isıl enerji eksikliğinde ise, düşük tuzluluk oranlarında ED, yüksek tuzlulukta RO avantajlıdır. Bu yöntemler aşağıda özetlenmektedir.

Çok Kademeli Püskürtme ‘MSF’

1- Deniz suyu ısıtılır. Bir kojenerasyon sistemi içinde yapılması ekonomi sağlar. Örneğin, termik santrallerin soğutma suyu ile veya doğal gaz santrali egzos gazı ile ısıtma, enerji gereksinimini yarıya indirebilir.

2- Isınan deniz suyu düşük basınçlı bölmeden geçirilerek, düşük ısıda kaynaması sağlanır.

3- Bölme kapasitesinin üstünde gelecek deniz suyu için bu işlem seri bölmelerde tekrarlanır. Her aşamada buhar yoğunlaştırılarak tatlı su elde edilir.

Membran Arıtma:

Deniz suyunun ya da tuzlu yer altı suyunun desalinasyonu için, ısıl işlem dışında, ara yüzey kullanılarak  iki  temel  işlem  daha yapılmaktadır:

1- Basınç Altında  Çalışan Sistemler

UF: Ultrafiltrasyon
MF: Mikrofiltrasyon
NF : Nanofiltrasyon
RO: Ters Ozmoz

2- Elektrik Potansiyel Farkı

ED:  Elektro-diyaliz

Günümüzde en yaygın ara yüzey sistemleri olan Ters ozmoz (RO) ve Elektro-diyaliz (ED) yöntemlerinde, arıtma işlemi için, bir tarafa sadece su moleküllerini geçiren, ancak tuz ve diğer kirleticileri tutan, yarı geçirimli “ara  yüzey” (membran) kullanılmaktadır. Plastik  esaslı olan  membranlar  pahalı  ve tuz  tarafından  aşındırılabilir  maddelerdir. Bu nedenle işletme giderleri önemlidir.

ED İşlemi:

Suda erimiş tuzlar iyondur. Membran, karbonat gibi anyonları^(-) ya da sodyum, kalsiyum gibi katyonları⁽⁺⁾ geçirmek üzere kutup olarak tasarlanır. Ortama akım verilince iyonlar zıt kutba yönlenir. ED biriminde membran bacası olarak adlandırılan yüzlerce hücre çifti yer alır. İyonlar bacadan dışarı çıkarılarak, su membrandan süzülür. Deniz suyu ön (fiziki) arıtma, membran bacası, membran sürtünmesini yenmek için alçak basınçlı devir pompasından geçer; (pH ayarı ile gaz giderimi amaçlı) post arıtmadan tatlı su olarak çıkar. Elektrot kutupları değiştirilmek suretiyle, membran bacasında tuz ve su kanallarının yerleri değiştirilerek, bir kanalda biriken tuzun kanal değişimi sonrasında su tarafından püskürtülmesi sağlanarak bu yöntem daha ekonomik duruma getirilmiştir. (EDR, ‘ED reversal-dönüşüm’)

Ters Ozmoz Teorisi

Yarı geçirgen membran vasıtasıyla, su moleküllerinin suda erimiş madde açısından az yoğun ortamdan çok yoğun ortama geçmesi olayına Ozmoz, yoğun ortamın dengelenmesi sırasında yükselen suyun yarattığı basınca Ozmotik Basınç denir. Canlılarda -böbreklerde sıvı konsantrasyonunu ayarlayarak- atık giderimi sürecini yürüten Ozmoregülasyon Sistemi, bu proses için bir örnektir.

Ozmoz olayı sonrasında oluşan seviye farkını tersine çevirmek de mümkündür. Bu da çok yoğun ortam tarafına basınç uygulamakla olur. Yarı geçirgen membran vasıtasıyla suyun çok yoğun ortamdan az yoğun ortama basınç zoruyla geçmesi olayına Ters Ozmoz (RO) adı verilir.

Kimyasal potansiyel farkı (entropi: düzensizliğe geçme eğilimi) ile oluşan Ozmoz, enerji gerektirmezken, ters ozmoz enerji gerektirir. Deniz suyu arıtımında RO sadece mekanik işlem için enerji kullanır. 25 bar olan ozmoz basıncını yenerek deniz suyunu membrandan geçirebilecek ters ozmoz basıncı 60 bar düzeyindedir. Yapım ve işletim kolaylığı olan bu işlemin alan gereksinimi ve yapım süresi daha azdır. İşletmede membran kirlenmesine karşı kaba ve ince filtreler, kimyasallar, klorlama yapılır. Ön işlem zorunludur.

RO günümüzde daha da geliştirilmiştir. Membrandan çıkan atık suyun sisteme girerken kazanmış olduğu basınçtan yararlanmak amacıyla, atık suyun -sistemi terk etmeden önce- deniz suyunu basan çarklara yönlendirilerek elde edilen enerji geri kazanımı, işletmede ekonomi sağlamıştır.

Sonuç

Su kaynaklarımızı planlarken çevre ve doğa kayıplarımızı küçümsemeyi sürdürüyoruz. Deniz suyu arıtımını bir seçenek olarak devreye alma zamanı geldi de geçiyor! Çevrede yapılanları değerlendirmek açısından, RO teknolojisinin en son örneği olan Aşkelon tesisi (İsrail) hakkında bilgi sunmak isterim:

Kapasite: 320,000 m³/gün (ülke kentsel talebinin %13’ü, toplam talebin %5’i)

Maliyet: 250 milyon ABD doları (yapım dönemi: 2003-2006)

Model: Y. İ.D. (25 yıl) (Toplam gelir: 850 milyon ABD doları)

Alan: 75 000 m²

Ürün birim maliyeti: 0.52 ABD doları/m³ (İşletme ve amortisman)

Kurulu pompa gücü: 22 MW

Arabistan Yarımadasında da, uzun dönemli Y.İ.D. modeli içinde, (ısıl işlemli) MSF teknolojisi ile yapılacak tesisler için önerilen fiyat 0.7 ABD doları/m³ düzeyindedir.

Yukarıda belirtilen, su kıtlığı çeken ülkeler maliyet bedelleri abonelere nasıl yansıtılmaktadır, bilemiyoruz. ASKİ’nin en ucuz abone fiyatının 1.2 ABD doları/m³ olduğunu faturalarımızdan görebiliriz!

©Yapı Dünyası Dergisi 2008 Sayı: 2008/147 de yayınlanmıştır.