Water and wastewater minimization in industrial processes through mathematical programming

Abstract

2030 yılı itibariyle şiddetli olarak yaşanacak su sıkıntısı sebebiyle hem evsel hem de endüstriyel kullanımda su temini konusunda oldukça zorlu süreçler bize beklemektedir. Su tüketiminin önemli bir kısmı tarımda gerçekleşmektedir. Tarım konusunda Devlet Su İşleri başta olmak üzere pek çok kurum damlama sulama ve su kullanımının azaltımasına yönelik çiftçiyi bilinçlendirmeye çalışmaktadır. Diğer taraftan da endüstriyel kullanımdaki suyun azaltılması hem kaynakların verimli kullanılması açısından hem de firmaların su ayak izini azaltması açısından oldukça önemlidir. Endüstride en fazla su tüketimi Tekstil sektöründe sonra Ana-metal sanayinde ve gıda sektöründe gerçekleşmektedir. Su kullanımının azaltılması amacıyla literatürde tanımlanan pek çok uygulama bulunmaktadır. Bunlardan ilki süreçlerin gözden geçirilerek su tüketiminin azaltılmasıdır. Bir diğeri uygulama ise su tüketimlerinin su ağı kapsamında incelenmesidir. Bu uygulama için genellikle Pinch analizi yöntemi kullanılmakta olup son dönemlerde daha karmaşık yapılar için matematiksel modelleme yöntemi seçilmektedir. Bu çalışmada su yoğun sektörlerde kullanılmak üzere bir model geliştirilmiştir. Bu modelde suyun azaltılmasının yanı sıra oluşan atıksuyun arıtılarak yeniden kullanılması olanağı da irdelenmiştir. Geliştirilen model zeytinyağı üretim prosesinde denenmiştir. Zeytinyağı üretim prosesinde açığa çıkan atıksuların analizleri yapılarak endüstriyel boyutta farklı arıtma yöntemleri çalışılmıştır. GENMBR ile kombine arıtma sistemi farklı senaryolar kapsamında incelenmiştir. Kombine sisteme ultrafiltrasyon, ters ozmoz ve ultraviyole sistemler entegre edilerek su azaltımı kapsamında en iyi sonuç elde edilmiştir. Senaryo 3’te su tüketimi yaklaşık %70 oranında azalırken, mevcut duruma kıyasla toplam yıllık maliyet 5 kat artmıştır. Senaryolar maliyet açısından irdelendiğinde ise Senaryo 1 en iyi sonucu vermiştir. Su tüketimi %58 oranında azalırken aynı zamanda toplam yıllık maliyet de yaklaşık %50 oranında azalma göstermiştir.

The extremely high water stress will cause severe problems in terms of water supply in both domestic and industrial usage. In Türkiye, a significant portion of water consumption takes place in agriculture. In agriculture, many institutions, especially the Devlet Su İşleri, are trying to raise awareness of the farmers for drip irrigation and reducing water use. On the other hand, reducing water in industrial usage is very important both in terms of efficient use of resources and reducing the water footprint of companies. The highest water consumption in the industry is realized in the textile , followed by the iron and steel and the food. There are many applications defined in the literature to reduce water use. The first of these is to reduce water consumption by reviewing the processes. Another application is the examination of water consumption within the scope of the water network. Pinch analysis method is generally used for this application, and the mathematical modeling method has been chosen for more complex structures in recent years. In this study, a model has been developed for use in water-intensive industries. In this model, besides the reduction of water, the possibility of reusing the wastewater generated by treatment is also discussed. The developed model was tested in the olive oil production process. Different treatment methods have been studied on an industrial scale by analyzing the wastewater released in the olive oil production process. The developed model was operated with different scenarios by integrating the GENMBR and combined treatment system. According to the model, the best result was obtained with the integration of the Ultrafiltration, Reverse Osmosis and Ultraviolet systems (Scenario 3) into the combined system in terms of freshwater reduction. In this scenario, approximately 70% water reduction was achieved in the facility, however, the total annual cost was increased by 5 times. When examined in terms of cost, Scenario 1 gave the best result. Freshwater consumption has decreased by 58%, while its current annual cost has decreased by 50%.