آب شیرین کن صنعتی آب چاه – بهینه سازی مصرف انرژی آب

دستگاه تصفیه آب کشاورزی

شرکت مهندسی فران طراح و تولید کننده آب شیرین کن های صنعتی آب چاه با بهره گیری از فرایند اسمز معکوس با در نظر گرفتن ملاحظات مربوط به بهینه سازی مصرف انرژی است.

اخیرا شاهد رشد قابل توجه ای در استفاده از فرایند اسمز معکوس در واحد های شیرین سازی آب چاه بوده ایم. این سیستم با بهره گیری از غشاء های نیمه نفوذ پذیر یا نیمه تراوا جهت کاهش شوری آب چاه از طریق حذف یون ها، پروتیین ها و مواد شیمیایی آلی که با استفاده از روش های معمول در دسترس، به راحتی از بین نمی رود مورد استفاده قرار می گیرد. از جمله مزایای فرایند اسمز معکوس که می توان به آنها اشاره کرد، امکان طراحی دقیق فرایند و کنترل فرایند آسان و کاهش میزان هزینه تولید آب شیرین از آب چاه است است.

بهینه سازی مصرف انرژی یکی از اهداف اصلی توسعه آب شیرین کن های صنعتی در دهه های گذشته بوده است که منجر به کاهش انرژی مصرفی برای تولید هر مترمکعب آب شیرین شده است. معمولا در سیستم های اسمز معکوس جهت تولید یک متر مکعب آب شیرین از آب دریا در حدود ۳ الی ۵ کیلووات ساعت انرژی الکتریکی و در حدود ۰٫۵ الی ۲٫۵ کیلووات ساعت برای آب چاه (لب شور) مورد استفاده قرار می گیرد. بهینه سازی مصرف و تزریق مواد شیمیایی در فرایند شیرین سازی آب نیز یکی از دستاوردهای پیشرفت این فرایند در سالهای اخیر بوده است.

به طور طبیعی فرایند شیرین سازی(نمک زدایی) روشی برای تولید آب مصرفی انسان، آبیاری یا کاربرد های صنعتی است. در این زمینه شیرین سازی آب چاه با بهره گیری از فرایند اسمز معکوس (RO) جهت تولید آب آشامیدنی و آب کشاورزی، با صرف میزان انرژی بهینه و مشخص، به صورت نظری مورد بررسی قرار گرفته است و همچنین در این راستا یک مدل عددی برمبنای نظریه (حلالیت – انتشار) در بخش سیمولینک متلب توسعه یافت و از آن جهت آنالیز طراحی و عملکرد سیستم اسمز معکوس مورد استفاده قرار گرفت؛ و تاثیرات عواملی مانند دمای آب ورودی، فشار، شوری و نسبت میزان بازیافت بر روی عملکرد طیف گسترده ای از سیستم های اسمز معکوس مورد بررسی قرار گرفت. طراحی فرایند اسمز معکوس برای تصفیه آب چاه بهینه سازی، و مورد ارزیابی اقتصادی قرار گرفته است و نتایج نشان می دهد که با افزایش نسبت بازیافت از ۳۰% به ۶۰% و در هنگام استفاده از مبدل فشار به عنوان سیستم بازیابی انرژی تولید آب شیرین با ذرات حل شده کمتر از ۴۰۰ ppm از ۲٫۸ کیلووات ساعت بر متر مکعب، ۰٫۸ کیلووات ساعت بر متر مکعب کاهش یافته است. و همچنین میزان آب دورریز از ۹۷% به ۸۸% کاهش پیدا کرده است و شاهد افزایش میزان کیفیت آب تولیدی با میزان شوری مناسب در سیستم های آبیاری کشاورزی می باشیم که این میزان کاهش در مقدار آب خروجی تحت تاثیر دما و فشار جریان ورودی به سیستم می باشد. میانگین قطر منافذ غشاء های اسمز معکوس به نوبه خود باعث تاثیر برای میزان مصرف انرژی در این سیستم ها می شود. سرانجام با جمع آوری اطلاعات مشخص شده است که برای تولید آب به ظرقیت ۲۴۰۰۰ متر مکعب بر روز با جریان آب ورودی به میزان شوری ۱۵۰۰۰ ppm و تولید آب با کیفیت کمتر از ۴۰۰ ppm هزینه ای در حدود ۰٫۱۱ پوند به ازای هر متر مکعب و هزینه سرمایه گذاری کلی ۱۴٫۴ میلیون پوند و برای آب کشاورزی با شاخص کمتر از ۱۶۰۰ ppm برابر ۰٫۰۹ پوند بر متر مکعب و سرمایه گذاری ۱۱٫۳ میلیون پوند، در بر داشته است.

انواع چاه های آب

انواع چاه های آب

۱- بر اساس سفره های آبی

  • چاه های کم عمق: چاه های کم عمق منبع تغذیه آب خود را از سفره های آبی بزرگ قرار گرفته در مناطق بالادستی چاه ایجاد شده تامین می کند؛ و همچنین سطح آب قبل از پمپاژ آب برابر با سطح پیزومتریک (ایستایی) می باشد. جریان آب چاه ها به واسطه جاذبه زمین همراه با نیروی اعمالی توسط پمپاژ انتقال پیدا می کند و به همین دلیل به این دسته از چاه ها چاه های جاذبه ای هم گویند.
  • چاه های عمیق: چاه های عمیق نوعی دیگر از این دسته می باشد که با برداشت آب از اولین لایه غیر قابل نفوذ سفره های آبی ایجاد می شود. به عبارت دیگر با ایجاد شدن چاه، آب از سفره های آبی محدود، تحت فشار ایجاد شده در دسترس قرار می گیرد و آب از یک یا چندین سفره های آبی محدود از مابین لایه های غیر قابل نفوذ تحت فشار عبور کرده و وارد چاه حفر شده می شود. بهره برداری از این این گونه چاه ها بسیار متداول است زیرا تغییر شدیدی در سطح آب یه وجود نمی آید و پایداری آن یکنواخت می باشد و از دیگر مزایای آن کیفیت مطلوب آب است.

۲- بر اساس قطر چاه ها

  • چاه های رو باز: چاه های رو باز با خاک برداری های وسیع همراه با فشار ایجاد شده است و قطر آن ها معمولا در حدود ۲ الی ۱۰ متر متغییر است.
  • چاه های لوله ای: این گونه چاه ها با حفر یا دریل کاری زمین و همچنین با قرار دادن لوله و صافی در محل دریل شده ایجاد می شود لازم به ذکر است که قطر لوله های قرار گرفته شده در حدود ۰٫۱۵ الی ۰٫۶ متر متغیر است.

۳- بر اساس نوع جریان

  • چاه های ثقلی (جاذبه زمین): آب های سطحی اطراف چاه تحت فشار اتمسفریک قرار دارند و جریان در این چاه ها بر اساس میزان نیروی جاذبه مناطق مختلف تقسیم بندی می شود.
  • چاه های ارتزین یا فشاری: در این حالت چاه به واسطه ی سفره های محدود آبی تحت فشار پر می شود. فشار آب موجود در این سفره ها بیشتر از فشار اتمسفریک و به همین جهت سطح آب تا سطح پیزومتریک (بالاترین تراز آب زیرزمینی بر روی یک سطح مشخص در زیر زمین گفته می‌شود) رشد پیدا می کند. در بعضی از موارد ممکن است فشار بالاتر از سطح پیزومتریک باشد و باعث جریان پیدا کردن آب چاه بر روی زمین می شود که این گونه از چاه ها را با نام چاه های در حال جریان شناخنه می شود.

۴- بر اساس نحوه حفاری

  • حفاری دستی: در این روش برای احداث چاه با ایجاد یک حفره داخل زمین با بهره گیری از نیروی انسانی تا دست یابی به منابع آبی ادامه پیدا می کند و در بعضی از موارد بهره گیری از ادوات حفاری و دریل کاری برای احداث این گونه چاه ها ضروری می باشد و در پایان با ایجاد دیواره ای بتنی در داخل چاه مانع از فرو ریزی و تخریب آن می شود.
  • حفاری ضربه ای: در این روش با استفاده از یک مته استوانه بزرگ کوپل شده با یک سیستم هیدرولیک برای ایجاد چاه به کار گرفته می شود؛ و با اعمال ضربات پی در پی باعث خرد شدن سازه های کف چاه، و در نهایت مواد خرد شده از طریق گل کش ها از سیستم خارج می شود بعد از پایان عملیات حفاری به منظور جلوگیری از ریزش چاه با استفاده از لوله فلزی در مجاورت با نواحی حفاری شده قرار داده می شود. همچنین این روش حفاری در مناطقی که دارای خاک سخت با ساختار دانه درشت است مورد استفاده قرار می گیرد.
  • حفاری چرخشی: روش دیگر احداث چاه آب بر اساس نوع حفاری، حفر چاه به صورت چرخشی می باشد که از این روش برای احداث چاه در انواع زمین ها مورد استفاده قرار می گیرد اما بهره گیری از این روش برای احداث چاه در خاک های نرم بیشتر توصیه می شود. در این روش سر مته فولادی که به لوله فولادی متصل است به وسیله حرکت دورانی موتور، که در بالای چاه قرار گرفته شده است باعث به حرکت در آمدن لوله فولای و به طبع آن مته فولادی می شود؛ همچنین گل حفاری از طریق لوله به داخل چاه جهت خنک سازی سر مته و خارج کردن سنگ های خرد شده از انتهای چاه مورد استفاده قرار می گیرد.

تصفیه آب یا شیرین سازی روشی برای تولید آب جهت مصارف انسانی، آبیاری و یا کاربردهای صنعتی است. در این مطالعه به صورت تئوریک، یک سیستم اسمز معکوس برای نمک زدایی از آب لب شور به منظور تولید آب شرب و آب کشاورزی با هدف کاهش مصرف انرژی کل و انرژی ویژه لازم، مورد بررسی قرار گرفته است. مدل توسعه داده شده برای تحلیل طرح و عملکرد سیستم اسمز معکوس بر اثر تغییرات بازه وسیعی از متغیرهای آب لب شور ورودی به سیستم همچون دما، فشار، میزان شوری و نسبت بازیابی، زیر نظر گرفته شده است.

با بهینه سازی های انجام گرفته در طرح، نتایج نشان می دهد که در صورت استفاده از یک مبدل فشار به عنوان تجهیز بازیابی و با افزایش نسبت بازیابی از ۳۰% به ۶۰%، انرژی ویژه لازم برای تولید آب با روش نمک زدایی (کمتر از ۴۰۰ ppm) از ۲٫۸ kWh/m3 به عدد مطلوب تر اقتصادی ۰٫۸ kWh/m3 خواهد رسید. به منظور دستیابی به میزان بالایی آب کشاورزی با میزان نمک مجاز (کمتر از ۱۶۰۰ ppm)، میزان دفع نمک در سیستم از ۹۷% به ۸۸% کاهش یافته است. کاهش دفع نمک از سیستم با تغییر دما و فشار آب لب شور ورودی ممکن می گردد، همچنین متوسط قطر منافذ ممبران سیستم اسمز معکوس، تعیین کننده میزان کاهش مصرف انرژی سیستم خواهد بود.

هزینه شیرین سازی آب چاه جهت تولید ۲۴۰۰۰ متر مکعب آب در روز، از آب لب شور ورودی با شوری ۱۵۰۰۰ ppm و کیفیت آب مصرفی با شاخص کمتر از ۴۰۰ ppm برابر ۰٫۱۱ پوند بر متر مکعب و هزینه سرمایه گذاری ۱۴٫۴ میلیون پوند و برای آب کشاورزی با شاخص کمتر از ۱۶۰۰ ppm برابر ۰٫۰۹ پوند بر متر مکعب و سرمایه گذاری ۱۱٫۳ میلیون پوند، می باشد.

منبع:

An operational and economic study of a reverse osmosis desalination system for potable water and land irrigation

Prepared by: Seyed Ahmad Mohamadi