6. ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ Με τον όρο αφαλάτωση αναφερόμαστε στη διαδικασία επεξεργασίας η οποία απομακρύνει τα άλατα από υφάλμυρο ή θαλάσσιο νερό, το οποίο χρησιμοποιείται για οικιακές ή δημοτικές ανάγκες. Το θαλάσσιο νερό είναι πάρα πολύ αλμυρό για να συντηρήσει την ανθρώπινη ζωή ή τις καλλιέργειες. Οι τεχνικές αφαλάτωσης έχουν αυξήσει το πεδίο των υδατικών πόρων που είναι διαθέσιμο για μια κοινωνία. Παλαιότερα, για την τροφοδοσία του συστήματος παροχής νερού μιας κοινωνίας είχε ενδιαφέρον μόνο το νερό με περιεχόμενο σε άλατα μικρότερο των 1000 mg/l. Ο περιορισμός αυτός αποτελούσε σοβαρό εμπόδιο, τόσο στην εύρεση θέσης όσο και στο μέγεθος της ανάπτυξης μιας κοινότητας σε όλο τον κόσμο. Αυτό έχει αλλάξει τα τελευταία χρόνια σε πολλά μέρη του κόσμου. Χωριά, πόλεις και βιομηχανίες έχουν τώρα αναπτυχθεί και αυξηθεί σε πολλές από τις ξηρές ή άνυδρες περιοχές του κόσμου εκεί όπου θαλάσσιο ή υφάλμυρο νερό είναι διαθέσιμο και έχει υποστεί τη διαδικασία των τεχνικών της αφαλάτωσης. Σχήμα 6.1 Συνολική εγκατεστημένη ικανότητα αφαλάτωσης στον κόσμο. Πηγή IDA Inventory 1998. Η αλλαγή αυτή είναι αξιοσημείωτη στη Μέση Ανατολή, Νότια Αφρική και σε μερικές από τις νήσους της Καραϊβικής. Σήμερα χάρη στη διαθεσιμότητα γλυκού νερού, που παράγεται μέσω της αφαλάτωσης θαλασσινού νερού, έχουν αναπτυχθεί στις περιοχές αυτές σύγχρονες πόλεις και μεγάλες βιομηχανίες. Η συνολικά εγκατεστημένη ικανότητα αφαλάτωσης στον κόσμο δίνεται στο σχήμα 6.1, ενώ η εγκατεστημένη ικανότητα ανά διαδικασία στον κόσμο δίνεται από το σχήμα 6.2. Η αφαλάτωση είναι μια φυσική συνεχής διαδικασία και ένα ουσιαστικό μέρος του υδρολογικού κύκλου. Από τη στιγμή που το νερό της βροχής φθάνει στο έδαφος ρέει προς 103
τη θάλασσα και οι άνθρωποι το χρησιμοποιούν για διάφορους σκοπούς, καθώς αυτό κάνει τη διαδρομή του. Καθώς το νερό κινείται επάνω και δια μέσου της γης, διαλύει ορυκτά και άλλα υλικά και γίνεται σε σημαντικό βαθμό αλμυρό. Με το που φθάνει το νερό στη θάλασσα ή σε άλλα χαμηλά σημεία όπως η Νεκρά Θάλασσα ή η Great Salt Lake, ένα μέρος του νερού της επιφάνειάς του εξατμίζεται μέσω της ηλιακής ενέργειας αφήνοντας πίσω του άλατα, ενώ οι υδρατμοί που προκύπτουν σχηματίζουν τα σύννεφα τα οποία παράγουν βροχή, συνεχίζοντας έτσι τον κύκλο. Ηλεκτροδιάλυση 6% απόσταξη πολλαπλών δοχείων 4% συμπίεση ατμών 4% ακαριαία απόσταξη πολλαπλών βαθμίδων 44% ανάστροφη όσμωση 42% Σχήμα 6.2. Εγκατεστημένη ικανότητα αφαλάτωσης στον κόσμο ανά διαδικασία. Το σπουδαιότερο βήμα στην ανάπτυξη της αφαλάτωσης πραγματοποιήθηκε κατά τη διάρκεια του 2 ου Παγκοσμίου πολέμου όταν διάφορες στρατιωτικές εγκαταστάσεις σε ξηρές περιοχές χρειάζονταν νερό για την τροφοδοσία των στρατευμάτων τους. Το δυναμικό που προσέφερε η αφαλάτωση αναγνωρίστηκε ευρέως και οι εργασίες για την τελειοποίησή της συνεχίστηκαν μετά τον πόλεμο σε διάφορες χώρες. Μια από τις πλέον επικεντρωμένες προσπάθειες έγινε από την Αμερικανική κυβέρνηση μέσω της δημιουργίας και χρηματοδότησης του Office of Saline Water (OSW) στις αρχές της δεκαετίας του 1950, και των διαδόχων του οργανισμών όπως τo Office of Water Research and Technology (OWRT). Η Αμερικανική κυβέρνηση χρηματοδότησε δραστήρια την έρευνα και την ανάπτυξή της αφαλάτωσης για πάνω από 30 χρόνια, δαπανώντας περίπου 300 εκατομμύρια δολάρια. Έτσι, έγινε εφικτή η βασική έρευνα και η ανάπτυξη διαφόρων τεχνολογιών για την αφαλάτωση θαλάσσιων και υφάλμυρων νερών. Κατά το τέλος της δεκαετίας του 1960 εμπορικές, θερμικώς λειτουργούσες, μονάδες αφαλάτωσης με δυνατότητες έως και 8000 m 3 /ημέρα άρχισαν να εγκαθίστανται σε διάφορα μέρη του κόσμου. Στις αρχές της δεκαετίας του 1970, άρχισαν να χρησιμοποιούνται εμπορικές εγκαταστάσεις οι οποίες έκαναν χρήση ειδικών μεμβρανών. 104
Με την έναρξη χρησιμοποίησης της ηλεκτροδιάλυσης, έχουμε αφαλάτωση υφάλμυρου νερού με πολύ χαμηλό κόστος και πολλές εφαρμογές. Παρομοίως, η ανάστροφη όσμωση (RO) χρησιμοποιήθηκε αρχικά για την αφαλάτωση υφάλμυρου νερού, παρά το γεγονός ότι η τεχνική αυτή αποδείχθηκε να είναι κατάλληλη και για την αφαλάτωση θαλασσινού νερού. Πίνακας 6.1. Κύριες και δευτερεύουσες διαδικασίες αφαλάτωσης Διαθέσιμες στο εμπόριο διαδικασίες αφαλάτωσης Α. Κύριες διαδικασίες 1. Θερμικές Ακαριαία απόσταξη πολλαπλών βαθμίδων Απόσταξη πολλαπλών δοχείων Συμπίεση ατμών 2. Μεμβράνης Ηλεκτροδιάλυση Ανάστροφη όσμωση Β. Ήσσονος σημασίας διαδικασίες ψύξη απόσταξη μεμβράνης Παραγωγή ατμών με χρήση ηλιακής ενέργειας Τη δεκαετία του 1980 η τεχνολογία της αφαλάτωσης αποτελούσε μια πλήρως εμπορική επιχείρηση. Μια απογραφή του 1990 (Klaus Wangnick, IDA) έδειξε ότι η ολική ικανότητα των εν λειτουργία εγκαταστάσεων σε όλο τον κόσμο ήταν 13.2 εκατομμύρια m 3 /d. Εξοπλισμός αφαλάτωσης χρησιμοποιείται σήμερα σε περισσότερες από 120 χώρες. Η μισή από αυτή την ικανότητα αφαλάτωσης χρησιμοποιείται για την αφαλάτωση θαλασσινού νερού στη Μέση Ανατολή και στη Βόρεια Αφρική. Η Σαουδική Αραβία έχει τα πρωτεία σε ποσοστό επί της παγκόσμιας ολικής ικανότητας (27%) και χρησιμοποιεί κυρίως τη διαδικασία της απόσταξης για την αφαλάτωση θαλασσινού νερού. Οι Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής ακολουθούν στη δεύτερη θέση με συνολική ικανότητα 12% και οι εγκαταστάσεις αφαλάτωσης στη χώρα αυτή χρησιμοποιούν κυρίως τη μέθοδο της ανάστροφης όσμωσης για την επεξεργασία υφάλμυρου νερού. Οι ανά τον κόσμο εγκατεστημένες μονάδες χρησιμοποιούν (σχήμα 6.1) κυρίως τις διαδικασίες Ακαριαία Απόσταξη Πολλαπλών βαθμίδων (Multistage flash distillation) και ανάστροφη όσμωση (RO) σε ποσοστό 86% της συνολικής ικανότητας. Το υπόλοιπο 14% χρησιμοποιεί τις τεχνικές Πολλαπλών δοχείων (Multiple effect), Ηλεκτροδιάλυση (elektrodialysis) και διαδικασίες συμπίεσης ατμών (vapor compression processes), ενώ οι υπόλοιπες τεχνικές στο σύνολό τους αριθμούν λιγότερο από το 1%. Οι διάφορες διαδικασίες αφαλάτωσης παρουσιάζονται στον πίνακα 6.1. Τεχνολογίες Αφαλάτωσης Μια συσκευή αφαλάτωσης (σχήμα 6.3) ουσιαστικά διαχωρίζει το αλμυρό νερό σε δύο ροές: 105
μία χαμηλής συγκέντρωσης σε διαλυμένα άλατα (η ροή του γλυκού νερού) και μία άλλη που περιέχει τα παραμένοντα άλατα (ή συμπυκνωμένη ή αλμυρή ροή). Η συσκευή απαιτεί ενέργεια για να λειτουργήσει και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για το διαχωρισμό ένας αριθμός από διαφορετικές τεχνολογίες. Στο σχήμα 6.3 γίνεται επίσης σύγκριση της συνολικής εγκατεστημένης ικανότητας των διαφόρων τύπων διαδικασιών στον κόσμο με τις αντίστοιχες εγκαταστάσεις της περιόδου 1987-1997. Σχήμα 6.3. Διάγραμμα λειτουργίας εγκατάστασης αφαλάτωσης και ικανότητα παραγωγής αφαλατωμένου νερού και σύγκριση συνολικής εγκατεστημένης ικανότητας των διαφόρων διαδικασιών στον κόσμο με τις αντίστοιχες εγκαταστάσεις της περιόδου 1987-1997. Θερμικές διαδικασίες Το 60 % του αφαλατωμένου νερού παράγεται με απόσταξη θαλασσινού νερού μέσω ζέσης έως το σημείο βρασμού. Στην ουσία πρόκειται για μίμηση του φυσικού κύκλου του νερού ως προς το ότι αλμυρό νερό θερμαίνεται παράγοντας υδρατμούς οι οποίοι στη συνέχεια υγροποιούνται για να σχηματίσουν γλυκό νερό. Η πίεση που εφαρμόζεται στο νερό σε μία εγκατάσταση αφαλάτωσης ρυθμίζεται για τον έλεγχο του σημείου βρασμού του νερού, επειδή η μειωμένη ατμοσφαιρική πίεση που ασκείται στο νερό, μειώνει τη θερμοκρασία που απαιτείται για το βρασμό του νερού, με παρόμοιο τρόπο που μειώνεται η απαιτούμενη θερμοκρασία βρασμού του νερού καθώς κινούμαστε από το επίπεδο της θάλασσας προς μεγαλύτερα υψόμετρα. Έτσι, νερό μπορεί να βράσει στην κορυφή του όρους McKinley, στην Αλάσκα (υψόμετρο 6.200 m), σε μια θερμοκρασία χαμηλότερη κατά περίπου 16 C από αυτήν που χρειάζεται για να βράσει στο επίπεδο της θάλασσας. Η μείωση του σημείου βρασμού είναι απαραίτητη για δύο κυρίως λόγους: πολλαπλός βρασμός και έλεγχος της καθαλάτωσης (scale). Για να βράσει το νερό χρειάζεται την κατάλληλη θερμοκρασία σε σχέση με την πίεση του περιβάλλοντος και επαρκή ενέργεια για την ατμιδοποίηση του. Από τη στιγμή που σταματά ο βρασμός, αυτός μπορεί να επαναληφθεί μέσο είτε 1. της προσθήκης περισσότερης θερμότητας, είτε 2. της μείωσης της πίεσης του περιβάλλοντος πάνω από το νερό. Εάν η πίεση του περιβάλλοντος μειωθεί, το νερό θα είναι σε θερμοκρασία πάνω από το σημείο βρασμού και θα βράσει ως την ατμιδοποίησή του μέσο της παρεχόμενης 106
επιπρόσθετης θερμότητας που προσφέρεται από την υψηλότερη θερμοκρασία. Στη συνέχεια το νερό θα βρεθεί σε νέο σημείο βρασμού. Για τη σημαντική μείωση της χρειαζούμενης ενέργειας η διαδικασία αφαλάτωσης με απόσταξη χρησιμοποιεί τον πολλαπλό βρασμό σε διαδοχικά δοχεία, καθένα από τα οποία λειτουργεί σε χαμηλότερη θερμοκρασία και πίεση. Η διαδικασία συνεχίζει με τη διαδοχική μείωση της πίεσης του περιβάλλοντος. Έλεγχος της καθαλάτωσης Παρά το γεγονός ότι οι περισσότερες ουσίες διαλύονται πιο εύκολα σε θερμότερο νερό, μερικές διαλύονται περισσότερο εύκολα σε ψυχρότερο νερό. Ατυχώς, μερικές ουσίες όπως ανθρακικά και θειικά απαντούν στο θαλασσινό νερό. Π.χ η γύψος (CaSO 4 ) αρχίζει να εγκαταλείπει τη διάλυση όταν το νερό προσεγγίζει τη θερμοκρασία των 95 ο C. Το υλικό αυτό σχηματίζει μία σκληρή κρούστα στα δοχεία και τους σωλήνες δημιουργώντας έτσι θερμικά και μηχανικά προβλήματα και επιπλέον δεν απομακρύνεται εύκολα. Για το λόγο αυτό η θερμοκρασία και το σημείο βρασμού του νερού διατηρούνται κάτω από τη θερμοκρασία αυτή. Ακαριαία απόσταξη πολλαπλών βαθμίδων (Multi-Stage Flash Distillation ή MSF) Το θαλασσινό νερό θερμαίνεται με συμπυκνωμένο ατμό που φθάνει μέσω μιας συστοιχίας σωλήνων σε ένα δοχείο που ονομάζεται θερμαστής άλμης. Το ζεστό θαλασσινό νερό ρέει στη συνέχεια σε ένα άλλο δοχείο που ονομάζεται βαθμίς (stage) όπου η πίεση του περιβάλλοντος είναι τέτοια ώστε το νερό να βράζει αμέσως. Το νερό βράζει ταχέως και η ατμιδοποίησή του πραγματοποιείται ακαριαία. Μια εγκατάσταση MSF μπορεί να περιλαμβάνει 4 έως 40 βαθμίδες. Ο ατμός που παράγεται μετατρέπεται σε γλυκό νερό μέσα σε σωλήνες συμπύκνωσης που ψύχονται από το νερό τροφοδοσίας (brine heater). Σχήμα 6.4 Εγκατάσταση ακαριαίας απόσταξης πολλαπλών βαθμίδων Εμπορεύσιμες εγκαταστάσεις υπάρχουν από το 1950. Κάθε εγκατάσταση (σχήμα 6.4) μπορεί να παράγει 4000 έως 30000 m 3 /d και συνήθως λειτουργούν σε ανώτατες 107
θερμοκρασίες 90-120 ο C. Στο σχήμα 6.5 παρουσιάζεται το διάγραμμα ακαριαίας απόσταξης πολλαπλών βαθμίδων. Απόσταξη πολλαπλών δοχείων (Multiple Effect Distillation) Χρησιμοποιήθηκε στη βιομηχανία για πολλά χρόνια. Λειτουργεί όπως και η προηγούμενη σε μια σειρά από δοχεία (effects) και χρησιμοποιεί την αρχή της μείωσης της πίεσης του περιβάλλοντος στα διάφορα δοχεία. Αυτό επιτρέπει στο θαλασσινό νερό να υποστεί διαδοχικά πολλαπλό βρασμό χωρίς την παροχή πρόσθετης θερμότητας μετά το πρώτο δοχείο. Το θαλασσινό νερό στο πρώτο δοχείο θερμαίνεται μέχρι το σημείο βρασμού αφού έχει προηγηθεί προθέρμανση σε σωλήνες. Το θαλασσινό νερό ψεκάζεται στη συνέχεια στις επιφάνειες των σωλήνων εξάτμισης με τη μορφή λεπτής μεμβράνης προς αποφυγή γρήγορου βρασμού και εξάτμισης. Για τη θέρμανση των σωλήνων χρησιμοποιείται βραστήρας ή άλλη πηγή. 8 έως 16 δοχεία υπάρχουν σε μια τυπική μεγάλη εγκατάσταση με δυνατότητες της τάξης των 2000-10000 m 3 /d. Σύγχρονες εγκαταστάσεις λειτουργούν με ανώτατη θερμοκρασία 70 ο C σε περιοχές της Καραϊβικής. Σχήμα 6.5 Διάγραμμα ακαριαίας απόσταξης πολλαπλών βαθμίδων Απόσταξη με Συμπίεση Ατμών (Vapour Compression Distillation ή VC) Χρησιμοποιείται σε μικρής έως μεσαίας κλίμακας μονάδες αφαλάτωσης. Η θερμότητα για την εξάτμιση του νερού προέρχεται από την συμπύκνωση των ατμών παρά από την άμεση ανταλλαγή από ατμό που παράγεται σε ένα βραστήρα. Γενικά σχεδιάστηκε για να εκμεταλλεύεται το πλεονέκτημα της αρχής της μείωσης της θερμοκρασίας του σημείου βρασμού μέσω της μείωσης της πίεσης. Δύο μέθοδοι χρησιμοποιούνται για τη συμπύκνωση των ατμών 1. μηχανικός συμπιεστής και 2. εκτοξευτήρας ατμού. Ο συμπιεστής (σχήμα 6.10) δημιουργεί ένα κενό στο δοχείο και στη συνέχεια συμπιέζει τον ατμό του δοχείου και τον συμπυκνώνει μέσα σε ένα σωλήνα ενσωματωμένο στο ίδιο δοχείο. Το θαλασσινό νερό ψεκάζεται στο εξωτερικό του θερμασμένου σωλήνα όπου βράζει και εξατμίζεται μερικώς παράγοντας περισσότερο νερό. Στη μέθοδο του εκτοξευτήρα ατμού (που ονομάζεται και θερμοσυμπιεστής) ένα στόμιο τύπου venturi δημιουργεί και εξάγει υδρατμούς από το κύριο δοχείο, δημιουργώντας έτσι 108
μια χαμηλότερη πίεση περιβάλλοντος σ αυτό. Οι εξαγόμενοι υδρατμοί συμπιέζονται μέσο ενός εκτοξευτήρα ατμού. Αυτό το μίγμα συμπυκνώνεται στα τοιχώματα του σωλήνα για να παράσχει θερμική ενέργεια (θερμότητα συμπύκνωσης) για την εξάτμιση του θαλασσινού νερού που εφαρμόζεται στην άλλη πλευρά των τοιχωμάτων του σωλήνα στο δοχείο. Οι μονάδες VC παράγουν 20 έως 2000 m 3 /d και χρησιμοποιούνται συχνά σε θέρετρα, βιομηχανίες και θέσεις ανόρυξης γεωτρήσεων όπου το γλυκό νερό δεν είναι εύκολα διαθέσιμο. Διαδικασίες Μεμβράνης Οι μεμβράνες χρησιμοποιούνται σε δύο εμπορευματικώς αφαλάτωσης: 1. ηλεκτροδιάλυση και 2. ανάστροφη όσμωση. σπουδαίες διαδικασίες Ηλεκτροδιάλυση Στηρίζεται στις ακόλουθες αρχές: Τα πιο πολλά άλατα στο νερό είναι ιονισμένα και θετικά (τα κατιόντα) ή αρνητικά (τα ανιόντα) φορτισμένα. Αυτά τα ιόντα έλκονται από τα ηλεκτρόδια με αντίθετο φορτίο Οι μεμβράνες μπορούν να κατασκευασθούν έτσι ώστε να επιτρέπουν την επιλεκτική διέλευση μέσο αυτών είτε των ανιόντων είτε των κατιόντων. Μεμβράνες οι οποίες επιτρέπουν την επιλεκτική διέλευση μόνον των κατιόντων ή μόνο των ανιόντων τοποθετούνται ανάμεσα σε ένα ζεύγος ηλεκτροδίων. Οι μεμβράνες αυτές διατάσσονται σε εναλλαγή έτσι ώστε μια μεμβράνη συλλογής ανιόντων να ακολουθείται από μια μεμβράνη συλλογής κατιόντων. Σχήμα 6.6. Επί μέρους τμήματα μιας εγκατάστασης ηλεκτροδιάλυσης. Η βασική μονάδα ηλεκτροδιάλυσης αποτελείται (σχήμα 6.6) από μερικές εκατοντάδες ζεύγη κελιών (cells) συνδεομένων στο εξωτερικό τους με ηλεκτρόδια και είναι γνωστή σαν 109
στοιβάδα μεμβρανών (membrane stack). Ένα ζεύγος μεμβρανών με ενδιάμεσο διαφορικό ηλεκτρονόμο ή διαχωριστή (spacer) καλείται κελί (cell). To νερό τροφοδοσίας διέρχεται ταυτόχρονα σε παράλληλες διαδρομές δια μέσου όλων των κελιών παρέχοντας έτσι μια συνεχή ροή από αφαλατωμένο νερό και αλμύρα η οποία εξέρχεται από τη στοιβάδα (σχήμα 6.7). Σχήμα 6.7 Κίνηση ιόντων στη διαδικασία της ηλεκτροδιάλυσης. Το ζεύγος των κελιών αποτελείται από δύο κελιά, ένα κελί μέσω του οποίο τα ιόντα μεταναστεύουν και ένα κελί στο οποίο συσσωρεύονται τα ιόντα. Μια μονάδα ηλεκτροδιάλυσης αποτελείται από ακόλουθα βασικά τμήματα: Ακολουθία Προεπεξεργασίας Στοιβάδα μεμβρανών Αντλία κυκλοφορίας χαμηλής πίεσης Παροχή συνεχούς ηλεκτρικού ρεύματος Μονάδα Μετά-επεξεργασίας Το νερό που πρόκειται να αφαλατωθεί πρέπει να υποστεί προ-επεξεργασία για να εμποδίσει υλικά, τα οποία θα μπορούσαν να βλάψουν τις μεμβράνες ή να αποφράξουν τους αβαθείς διαύλους (αγωγούς) στα κελιά, να εισέλθουν στη στοιβάδα των μεμβρανών. Το νερό τροφοδοσίας κυκλοφορεί δια μέσου της στοιβάδας με μια αντλία χαμηλής πίεσης και με αρκετή ισχύ για να παρακάμψει την αντίσταση του νερού καθώς αυτό διέρχεται δια μέσου των αβαθών διαύλων. Ένας ανορθωτής τάσης χρησιμοποιείται γενικά για τη 110
μετατροπή του εναλλασσόμενου ρεύματος σε συνεχές ρεύμα που παρέχεται στα ηλεκτρόδια στο εξωτερικό των στοιβάδων μεμβρανών. Σχήμα 6.8. Μεμβράνες και διαφορικοί διαχωριστές τύπου EDR, καθώς και λειτουργίες μεμβρανών που χρησιμοποιούνται στις διαδικασίες της ανάστροφης όσμωσης και της ηλεκτροδιάλυσης. Η μετά-επεξεργασία συνίσταται στη σταθεροποίηση του νερού και στην προπαρασκευή για την κατανομή του και δύναται να συμπεριλαμβάνει την απομάκρυνση αερίων όπως το σουλφίδιο του υδρογόνου και τη ρύθμιση του ph. Στο σχήμα 6.8 παρουσιάζονται μεμβράνες και διαφορικοί διαχωριστές τύπου EDR, καθώς και μεμβράνες που χρησιμοποιούνται στις διαδικασίες της ανάστροφης όσμωσης και της ηλεκτροδιάλυσης. Σχήμα 6.9. Βασικά τμήματα μιας εγκατάστασης ανάστροφης όσμωσης. Ανάστροφη Όσμωση (Reverse Osmosis) Η ανάστροφη όσμωση ή RO είναι καινούρια μέθοδος σχετικά με τις δύο προηγούμενες τεχνικές με επιτυχή εμπορευσιμότητα από τις αρχές της δεκαετίας του 1970. Η RO είναι μια διαδικασία διαχωρισμού με μεμβράνη κατά την οποία πεπιεσμένη αλμυρή διάλυση διαχωρίζεται από το διαλυμένο υλικό μέσω της ροής του δια μέσου μιας μεμβράνης και δεν απαιτείται θέρμανση ή αλλαγή φάσης. Η κύρια ενέργεια που απαιτείται για την αφαλάτωση 111
προορίζεται για την συμπίεση του νερού τροφοδότη (αλμυρό ή υφάλμυρο νερό). Στην πρακτική, το αλμυρό νερό τροφοδότης αντλείται μέσα σε ένα κλειστό δοχείο όπου συμπιέζεται προς την πλευρά της μεμβράνης. Ένα μέρος του νερού διαπερνά την μεμβράνη και το παραμένον νερό αυξάνει το περιεχόμενό του σε άλατα. Κατά το ίδιο χρονικό διάστημα, ένα μέρος του νερού τροφοδότη εκρέει χωρίς να διέλθει μέσα από την μεμβράνη και αποτελεί το 20 έως 70% της τροφοδοτούσας ροής, εξαρτώμενο από το αρχικό περιεχόμενο σε άλατα του νερού τροφοδότη. Σχήμα 6.10 α) Μονάδα θερμικής συμπίεσης ατμών στην Σαουδική Αραβία. β) Η μεγαλύτερη εγκατάσταση ανάστροφης όσμωσης στον κόσμο στην Yuma, των Η.Π.Α που χρησιμοποιείται για μειώσει την αλατότητα στον ποταμό Colorado ικανότητας 270,000 m 3 /d.) Ένα σύστημα RO (σχήματα 6.9 και 6.10β) αποτελείται από τα ακόλουθα βασικά μέρη. Προπαρασκευή Αντλία υψηλής πίεσης Συναρμολόγηση μεμβράνης Μετά-επεξεργασία Κατά την προπαρασκευή, που γίνεται με λεπτό φιλτράρισμα και την προσθήκη οξέων ή άλλων χημικών που εμποδίζουν την καθίζηση, απομακρύνονται τα αιωρούμενα υλικά έτσι ώστε να μην αποτίθενται στη μεμβράνη καλλιέργειες μικροοργανισμών. Η πίεση που ασκείται κυμαίνεται από 17-27 bar (250-400 psi) για το υφάλμυρο νερό και 54-80 bar (800 1180 psi) για το θαλασσινό νερό. 112
Η συναρμολόγηση της μεμβράνης αποτελείται από ένα δοχείο συμπίεσης και μία ανθεκτική μεμβράνη. Το δοχείο συμπίεσης επιτρέπει στο νερό τροφοδότη να συμπιέζεται προς την πλευρά της μεμβράνης. Καμία μεμβράνη δεν είναι τέλεια και πάντοτε κάποιες μικρές ποσότητες αλάτων την διαπερνούν και εμφανίζονται στο παραγόμενο νερό. Οι πιο εμπορεύσιμες μεμβράνες είναι δύο: η spiral-woond και η hollow fine fiber που είναι κατάλληλες, τόσο για θαλασσινό νερό όσο και για υφάλμυρο νερό. Η κατασκευή μιας μεμβράνης ποικίλει με τον κατασκευαστή και με τον τύπο του νερού τροφοδότη. Η μετά-επεξεργασία συνίσταται στην απομάκρυνση του σουλφιδίου του υδρογόνου και στη ρύθμιση του ph. Την τελευταία δεκαετία αναπτύχθηκαν μεμβράνες οι οποίες μπορούν να λειτουργούν αποτελεσματικά σε συνθήκες χαμηλής πίεσης και συσκευές ανάκτησης της ενέργειας, (που μετατρέπουν την πτώση της πίεσης σε ενέργεια περιστροφής) οι οποίες επέτρεψαν τη μείωση του κόστους λειτουργίας της RO. Οι μεμβράνες χαμηλής πίεσης χρησιμοποιούνται ευρέως για την αφαλάτωση υφάλμυρων νερών. Οι συσκευές ανάκτησης, που είναι μηχανικές αντλίες ή τουρμπίνες, συνδέονται με την υψηλού περιεχόμενου σε άλατα ροή καθώς αυτή εγκαταλείπει το δοχείο συμπίεσης και η οποία χάνει μόλις 1-4 bar της αρχικής πίεσης του δοχείου συμπίεσης. Άλλες διαδικασίες χωρίς μεγάλη εμπορευσιμότητα Ψύξη Κατά τη διαδικασία αυτή τα διαλυμένα άλατα εξαιρούνται φυσικώς από τη διαδικασία σχηματισμού των κρυστάλλων του πάγου και στη συνέχεια απομακρύνονται με έκπλυση τα άλατα που είναι προσκολλημένα στους κρυστάλλους. Στη συνέχεια ο πάγος υποβάλλεται σε τήξη. Στα πλεονεκτήματα της μεθόδου περιλαμβάνονται οι μικρότερες θεωρητικά απαιτήσεις σε ενέργεια, το ελάχιστο δυναμικό διάβρωσης και η ελάχιστη απόθεση αλάτων, αλλά μειονεκτεί στο ότι η επεξεργασία του μίγματος νερού και πάγου είναι τεχνικώς πολύπλοκη. Απόσταξη μεμβράνης Η διαδικασία συνίσταται στη θέρμανση του νερού για την παραγωγή ατμών, οι οποίοι στη συνεχεία υποχρεώνονται να διέλθουν μέσω μιας μεμβράνης (η οποία όμως δεν επιτρέπει τη διέλευση του νερού) και υποβάλλονται στη διαδικασία της συμπύκνωσης κατά την επαφή με μια ψυχρότερη επιφάνεια, παράγοντας έτσι νερό. Απαιτεί πολύ χώρο και αξιοσημείωτη ενέργεια ανά παραγόμενη μονάδα νερού. Είναι όμως απλή διαδικασία και απαιτεί μόνο μικρές διαφορές θερμοκρασίας για να λειτουργήσει. Είναι κατάλληλη για την αφαλάτωση αλμυρού νερού εκεί όπου υπάρχει διαθέσιμη χαμηλού βαθμού θερμική ενέργεια όπως από βιομηχανίες ή ηλιακούς συλλέκτες. Ηλιακή παραγωγή υδρατμών Οι εγκαταστάσεις αυτές (σχήμα 6.11) γενικά αντιγράφουν τον φυσικό υδρολογικό κύκλο ως προς το ότι το αλμυρό νερό θερμαίνεται από τις ηλιακές ακτίνες έτσι ώστε η 113
παραγωγή υδρατμών να αυξάνει. Οι υδρατμοί στη συνέχεια υγροποιούνται μέσω συμπύκνωσης κατά την επαφή με μια ψυχρή επιφάνεια. Απαιτεί: 1. μεγάλη επιφάνεια για τη συλλογή ηλιακής ενέργειας (1m 2 για την παραγωγή 4l νερού την ημέρα), 2. υψηλό κόστος 3. προσεκτική λειτουργία και συντήρηση και 4. είναι ευάλωτη σε ζημιές που σχετίζονται με τις καιρικές συνθήκες. Για την παραγωγή 4000 m 3 /d απαιτείται έκταση 100 hectares (ή 1000 στρεμμάτων). Σχήμα 6. Διάγραμμα ηλιακού αποστακτήρα. Άλλες εγκαταστάσεις αφαλάτωσης που λειτουργούν με ηλιακή ή αιολική ενέργεια Ηλιακοί συλλέκτες ή συσκευές αιολικής ενέργειας που παρέχουν θερμότητα ή ηλεκτρική ενέργεια έχουν κατά καιρούς ενσωματωθεί σε στάνταρ διαδικασίες αφαλάτωσης όπως RO, ηλεκτροδιάλυση ή απόσταξη. Το κόστος αυτών των διαδικασιών εξακολουθεί όμως να είναι υψηλό. Σήμερα η χρησιμοποίηση συμβατικής ενέργειας στις εγκαταστάσεις αφαλάτωσης είναι περισσότερο συμφέρουσα οικονομικά απ ότι η χρησιμοποίηση συσκευών ηλιακής ή αιολικής ενέργειας. Σύμφωνα με μια απογραφή του 1990 υπάρχουν 100 μονάδες αφαλάτωσης σε 25 χώρες που χρησιμοποιούν την ηλιακή ή την αιολική ενέργεια με ικανότητα παραγωγής μικρότερη των 20 m 3 /d. Οι οικογενειακές μονάδες δεν συμπεριλαμβάνονται στην απογραφή αυτή. Άλλες όψεις της αφαλάτωσης Συμπαραγωγή (cogeneration) Εγκατάσταση διπλού σκοπού (Dual-purpose plant) 114
Σε μερικές περιπτώσεις η χρησιμοποιούμενη ενέργεια μπορεί να έχει περισσότερες από μία χρήσεις καθώς κινείται από ένα υψηλό επίπεδο στο επίπεδο του περιβάλλοντος. Αυτό συμβαίνει μέσο της συμπαραγωγής όταν μια απλή πηγή ενέργειας μπορεί να πραγματοποιεί περισσότερες διαφορετικές λειτουργίες. Η διαδικασία της απόσταξης στη Μέση Ανατολή και στη Βόρεια Αφρική χρησιμοποιούν αυτό το πλεονέκτημα στις εγκαταστάσεις αφαλάτωσης για την ταυτόχρονη παραγωγή αφαλατωμένου θαλασσινού νερού και ηλεκτρικής ενέργειας. Η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται με υψηλής πίεσης ατμούς που θέτουν σε λειτουργία τουρμπίνες, οι οποίες με τη σειρά τους τροφοδοτούν ηλεκτρογεννήτριες. Οι ατμοί υψηλής πίεσης παράγονται σε βραστήρες σε περίπου 540 ο C. Καθώς οι ατμοί εκτονώνονται στις τουρμπίνες η θερμοκρασία τους και το επίπεδο της ενέργειάς τους μειώνεται. Οι εγκαταστάσεις απόσταξης χρειάζονται θερμοκρασία ατμών 120 ο C ή χαμηλότερη η οποία μπορεί να αποκτηθεί μέσο της εξαγωγής του χαμηλότερης θερμοκρασία ατμού στο χαμηλότερης πίεσης άκρο της τουρμπίνας και αφού μεγάλο μέρος της ενέργειας έχει αναλωθεί για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Στη συνέχεια ο ατμός οδηγείται στον αλμυρό βραστήρα της μονάδας απόσταξης θαλασσινού νερού. Η συνδυασμένη χρήση μειώνει την κατανάλωση καυσίμων σημαντικά σε σχέση με την ανεξάρτητη λειτουργία σε δύο ξεχωριστές εγκαταστάσεις. Μειονέκτημα αποτελεί το γεγονός της σταθερής σύνδεσης των δύο μονάδων, επειδή θα διακοπή η παροχή νερού π.χ. στην περίπτωση που οι τουρμπίνες τεθούν εκτός λειτουργίας για λόγους συντήρησης. Άλλες περιπτώσεις συμπαραγωγής, αποτελούν η εκμετάλλευση μονάδων αφαλάτωσης χαμηλού κόστους ατμών από βιομηχανικές διαδικασίες ή από την καύση στερεών αποβλήτων σε καυστήρα. Διάθεση ροών με υψηλή συγκέντρωση αλάτων Το κοινό στοιχείο των διαδικασιών της αφαλάτωσης είναι η παραγωγή ροής αποβλήτων με πολύ υψηλή περιεκτικότητα σε άλατα που ονομάζονται αλμύρες ή απόβλητα. Εκτός από τα άλατα οι αλμύρες περιέχουν και διάφορα χημικά πρόσθετα που η χρήση τους συμπεριλαμβάνεται στη διαδικασία της αφαλάτωσης. Ο όγκος της ροής εξαρτάται από το είδος της διαδικασίας είναι όμως πάντοτε σημαντική σε ποσότητα. Η διάθεση αυτού του απορριμματικού νερού με έναν περιβαλλοντικά κατάλληλο τρόπο αποτελεί ένα σημαντικό μέρος της εφαρμοσιμότητας και λειτουργίας μιας εγκατάστασης αφαλάτωσης. Ο κύριος ρυπαντής είναι το αλάτι και διαθέτοντας την αλμύρα στη θάλασσα γενικά δεν δημιουργούνται προβλήματα. Παράλληλα όμως θα πρέπει να ληφθούν υπόψη τα πιθανά προβλήματα από τις εισαγόμενες στην αλμύρα ουσίες, το επίπεδο του διαλυμένου οξυγόνου και τη θερμοκρασία του νερού. Το δυναμικό δημιουργίας σημαντικών προβλημάτων αυξάνει όταν οι μονάδες αφαλάτωσης λειτουργούν στην ενδοχώρα μακριά από ένα αλμυρό υδάτινο σώμα. Στις περιπτώσεις αυτές, θα πρέπει να ληφθούν μέτρα ώστε να αποφευχθεί ρύπανση επιφανειακών ή υπόγειων νερών. Η διάθεση μπορεί να συμπεριλαμβάνει 1. έγχυση της αλμύρας μέσα σε ένα αλμυρό υδροφόρο, και 115
Σχήμα 6. Μια βαθιά γεώτρηση διάθεσης συμπυκνώματος ανάστροφης όσμωσης στην Florida. 2. εξάτμιση ή μεταφορά με αγωγούς της αλμύρας σε ένα κατάλληλο σημείο διάθεσης. Όλες αυτές οι μέθοδοι θα μπορούσαν βέβαια να αυξήσουν το κόστος της όλης διαδικασίας. Σε μια μελέτη εφαρμοσιμότητας μιας εγκατάστασης αφαλάτωσης τα μέτρα για την κατάλληλη διάθεσης της αλμύρας θα πρέπει να είναι ένα από τα ζητήματα που θα διερευνηθεί πρώτα. Το κόστος διάθεσης θα μπορούσε να είναι σημαντικό και θα μπορούσε να επηρεάσει αρνητικά την οικονομική υπόσταση της αφαλάτωσης. Υβριδικές εγκαταστάσεις Σε ορισμένες περιπτώσεις και για λόγους μείωσης του κόστους χρησιμοποιούνται τα υβριδικά συστήματα που συνίστανται στην χρήση δύο ή περισσότερων διαδικασιών αφαλάτωσης π.χ. χρησιμοποίηση διαδικασιών απόσταξης και RO για την αφαλάτωση θαλασσινού νερού σε μία εγκατάσταση και συνδυασμός, παραγωγικά, των διαφορετικών χαρακτηριστικών της κάθε μιας από αυτές. Ένα παράδειγμα αποτελεί η χρησιμοποίηση ατμού σε μια διπλού σκοπού εγκατάσταση (ηλεκτρισμός και νερό). Ο ατμός χρησιμοποιείται στην εγκατάσταση απόσταξης για την αφαλάτωση του θαλασσινού νερού. Το παραγόμενο νερό έχει χαμηλό επίπεδο διαλυμένων αλάτων ίσως 20 mg/l. Παράλληλα με την εγκατάσταση απόσταξης θα μπορούσε να λειτουργεί μια εγκατάσταση RO η οποία θα έμπαινε σε λειτουργία σε περιόδους εκτός των ωρών αιχμής ώστε να σταθεροποιεί το φορτίο στη γεννήτρια και για το λόγο αυτό να έχουμε χρησιμοποίηση χαμηλού κόστους ενέργειας. Η εγκατάσταση RO θα παράγει νερό με αυξημένη περιεκτικότητα σε TDS (άλατα) και έτσι χαμηλότερου επίσης κόστους παραγωγής. Έτσι τα δύο νερά από την αφαλάτωση μέσω της απόσταξης και την αφαλάτωση μέσω της RO θα μπορούσαν να συνδυαστούν και να δώσουν ένα αποδεκτό επίπεδο TDS βοηθώντας παράλληλα τη σταθεροποίηση του φορτίου στις γεννήτριες. Οικονομικά Εγκαταστάσεις αφαλάτωσης υπάρχουν σε 120 χώρες και επομένως η επακριβής προσέγγιση του κόστους των εγκαταστάσεων αφαλάτωσης δεν είναι εφικτή. Αυτό που μπορεί όμως να ειπωθεί με βεβαιότητα είναι ότι, τόσο το ύψος των απαιτούμενων 116
κεφαλαίων όσο και το λειτουργικό κόστος της αφαλάτωσης τείνει να μειωθεί με το χρόνο, παρά το γεγονός ότι οι κατά καιρούς αυξήσεις των τιμών της ενέργειας αυξάνουν το κόστος παραγωγής. Κατά το ίδιο διάστημα το κόστος της απόληψης και επεξεργασίας νερού από συμβατικές πηγές τείνει να αυξηθεί λόγω των αυξημένου επιπέδου επεξεργασιών που απαιτούνται σε διάφορες χώρες για τη συμμόρφωση σε περισσότερο αυστηρά σταθερότυπα ποιότητας του νερού. Η αύξηση του κόστους του νερού που προέρχεται από συμβατικές πηγές είναι ως ένα βαθμό αποτέλεσμα της αυξημένης ζήτησης. Πολλοί παράγοντες υπεισέρχονται στο λειτουργικό κόστος και στα απαιτούμενα κεφάλαια για την αφαλάτωση όπως: Δυναμικό παραγωγής και τύπος των εγκαταστάσεων Θέση εγκατάστασης Νερό τροφοδοσίας Εργατικά χέρια Ενέργεια Χρηματοδότηση Διάθεση των αποβλήτων Αξιοπιστία της εγκατάστασης Γενικά το κόστος αφαλάτωσης του θαλασσινού νερού είναι κατά 3 ως 5 φορές μεγαλύτερο από το κόστος της αφαλάτωσης υφάλμυρου νερού σε εγκαταστάσεις ίδιου μεγέθους. Την τελευταία δεκαετία, σε ένα αριθμό περιοχών των ΗΠΑ, το οικονομικό κόστος της αφαλάτωσης υφάλμυρου νερού έχει γίνει μικρότερο από αυτό της εναλλακτικής που περιλαμβάνει μεταφορά μεγάλων ποσοτήτων συμβατικώς επεξεργασμένου νερού με μεγάλου μήκους αγωγούς. Το 1990 το συνολικό κόστος παραγωγής νερού, συμπεριλαμβανομένης της απόσβεσης κεφαλαίων, για τα συστήματα του υφάλμυρου νερού με δυνατότητες παραγωγής από 4000 έως 40000 m 3 /d στις ΗΠΑ, τυπικά κυμαίνεται από 0.25 έως 0.60 /m 3. Το πιθανό κόστος του νερού για εγκαταστάσεις αφαλάτωσης θαλασσινού νερού με δυνατότητες παραγωγής της τάξης των 4000 έως 20000 m 3 /d στις ΗΠΑ υπολογίστηκε σε 1$ έως 4$ ανά κυβικό μέτρο. Αυτοί οι υπολογισμοί δίνουν κάποια ιδέα για το πεδίο του κόστους παραγωγής νερού μέσω αφαλάτωσης, αλλά η θέση και η χώρα εγκατάστασης (ειδικοί παράγοντες) θα επηρεάσουν οπωσδήποτε το πραγματικό κόστος. Σε οποιαδήποτε χώρα, τα οικονομικά της χρησιμοποίησης της αφαλάτωσης δεν είναι ακριβώς το νούμερο σε δολάρια, πέζος ή δηνάρια ανά κυβικό μέτρο νερού, αλλά το κόστος του αφαλατωμένου νερού σε σχέση με αυτό του νερού από άλλες εναλλακτικές. Σε πολλές χώρες με έλλειψη νερού, το κόστος του νερού από εναλλακτικές πηγές είναι ήδη πολύ υψηλό και συχνά μεγαλύτερο από το κόστος του νερού από αφαλάτωση. Συμπεράσματα Η τεχνολογία της αφαλάτωσης έχει αναπτυχθεί σε μεγάλο βαθμό τα τελευταία 40 χρόνια, σε τέτοιο σημείο που να χρησιμοποιείται αξιόπιστα στην παραγωγή γλυκού νερού 117
από αλμυρές πηγές. Αυτό έχει αποτελεσματικά κάνει δυνατή τη χρήση των αλμυρών νερών για την ανάπτυξη των υδατικών πόρων. Το κόστος της αφαλάτωσης μπορεί να είναι σημαντικό εξαιτίας της εντατικής χρησιμοποίησης της ενέργειας. Όμως, σε πολλές ξηρές περιοχές του κόσμου, το κόστος της παραγωγής κατάλληλου νερού από την αφαλάτωση αλμυρού νερού είναι μικρότερο από αυτό άλλων εναλλακτικών οι οποίες μπορεί να υπάρχουν ή θα τεθούν υπό θεώρηση στο μέλλον. Αφαλατωμένο νερό χρησιμοποιείται ως κύρια πηγή δημοτικών συστημάτων παροχής νερού σε πολλές περιοχές της Καραϊβικής, της Βόρειας Αφρικής και της Μέσης Ανατολής. Η χρησιμοποίηση τεχνολογιών αφαλάτωσης, ιδιαίτερα για την αποσκλήρυνση ελαφρώς υφάλμυρων νερών αυξάνει ραγδαίως. Δεν υπάρχει καμία πιο καλή μέθοδος αφαλάτωσης. Γενικά, η απόσταξη και η RO χρησιμοποιούνται για την αφαλάτωση του θαλασσινού νερού, ενώ η RO και η ηλεκτροδιάλυση χρησιμοποιούνται για την αφαλάτωση υφάλμυρου νερού. Όμως η επιλογή μιας διαδικασίας θα πρέπει να εξαρτάται από μια προσεκτική μελέτη των συνθηκών στη θέση εγκατάστασης και την άμεση εφαρμογή της. Οι τοπικές συνθήκες μπορεί να παίζουν σημαντικό ρόλο στον προσδιορισμό της πιο κατάλληλης διαδικασίας για την περιοχή. Το πιο καλό σύστημα αφαλάτωσης θα είναι οικονομικά περισσότερο αξιόπιστο απ ότι στο στάδιο της μελέτης. Αυτό θα λειτουργεί με την εγκατάστασή του και θα συνεχίζει να λειτουργεί και να διανέμει επαρκείς ποσότητες γλυκού νερού στην προσδοκώμενη ποσότητα, ποιότητα και κόστος για όλη τη διάρκεια ζωής του σχεδίου. Βιβλιογραφία Buros, O.K. The Desalting ABC s. For International Desalination Association. 1990. Buros et al. The USAID Desalination Manual. Produced by CH2M HILL International for the U.S. Agency for International Development. 1980. The International Desalination & Water (D&W) Reuse Quarterly. A Lineal/Green Publication. USA United Nations. Non-Conventional Water Resource Use in Developing Countries. (UN Pub No. E.87.II.A.20.) 1987. Wangnick, Klaus. 1998 IDA Worldwide Desalting Plants Inventory Report No. 15. Produced by Wangnick. Consulting for International Desalination Association.1998. 118