Παρασκευή, 8 Ιουνίου 2018

Αφαλάτωση. Τι είναι, γιατί και πότε γίνεται, τι επιπτώσεις έχει.

Γράφουν:
Μαθιουδάκης Βάσιας, μηχανικός Περιβάλλοντος
Ιωάννης Κ. Τσάνης, καθηγητής, Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος Πολυτεχνείου Κρήτης

Οι επιπτώσεις των κλιματικών αλλαγών, η εξάντληση – υποβάθμιση των υπόγειων αποθεμάτων καθώς και οι δημογραφικές και λοιπές αλλαγές (αύξηση πληθυσμού, τουρισμός, κ.λπ.) δημιουργούν σοβαρά προβλήματα λειψυδρίας στα νησιά και ορισμένες παράκτιες περιοχές, ιδιαίτερα κατά τους θερινούς μήνες.

Η κακή διαχείριση των υδατικών πόρων που οφείλεται στην υπερεκμετάλλευση του υπόγειου υδροφόρου ορίζοντα και των επιφανειακών υδάτων, στην έλλειψη σχεδίου διαχείρισης, στις κακές υποδομές (δίκτυα ύδρευσης, δεξαμενές, εξοικονόμηση ή ανακύκλωση νερού) αλλά και στις προσωρινές ή μη αποτελεσματικές προσπάθειες που έγιναν στο παρελθόν επιβάρυναν την κατάσταση. Σε πολλές περιπτώσεις, οι εναλλακτικές λύσεις που εφαρμόστηκαν δεν ήταν αποτελεσματικές ή οικονομικά βιώσιμες και παρά το υψηλό κόστος τους δεν συνέβαλαν στην επίλυση των προβλημάτων (λιμνοδεξαμενές, νέες γεωτρήσεις, έργα εμπλουτισμού υπόγειων υδροφορέων, μεταφορά νερού). Η υπερβολική χρήση άριστης ποιότητας πόσιμου νερού προερχόμενου από γεωτρήσεις, για άρδευση αποτελεί κατασπατάληση και υπερεκμετάλλευση πολύτιμων και δύσκολα ανανεώσιμων πόρων. Η οξύτητα των σημερινών προβλημάτων, η έλλειψη εναλλακτικών επιλογών και κυρίως οι προβλεπόμενες  αυξημένες ανάγκες για την επόμενη 10ετία, επιβάλλουν την αφαλάτωση σαν μια εναλλακτική λύση.
Η αφαλάτωση είναι μια διαδικασία ανάκτησης πόσιμου νερού από θαλασσινό, υφάλμυρο ή χαμηλής ποιότητας νερό, μέσω διεργασιών αφαίρεσης αλάτων από τα αλατούχα ύδατα. Στην Ελλάδα οι πρώτες προσπάθειες στον τομέα της αφαλάτωσης έγιναν στα τέλη της 10ετίας του ’60 και αφορούσαν μικρές πειραματικές μονάδες ηλιακής απόσταξης. Σήμερα λειτουργούν στη χώρα μας 50 μονάδες αφαλάτωσης που εξυπηρετούν την ύδρευση Δήμων και Κοινοτήτων με συνολική εγκατεστημένη δυναμικότητα αφαλάτωσης περίπου 35.000 m3/ημέρα. 
Οι μέθοδοι αφαλάτωσης που χρησιμοποιούνται σήμερα κατατάσσονται κυρίως σε δύο κατηγορίες: Στις μεθόδους εξάτμισης και στις μεθόδους μεμβρανών. Υπάρχουν επίσης άλλες μέθοδοι οι οποίες βρίσκονται ακόμη σε πειραματικό στάδιο ή δεν είναι συμφέρουσες από οικονομική άποψη. Οι μέθοδοι εξάτμισης χρησιμοποιούνται σήμερα μόνο στις πετρελαιοπαραγωγούς χώρες της Μέσης Ανατολής που διαθέτουν άφθονους ενεργειακούς πόρους, ενώ στις υπόλοιπες χώρες χρησιμοποιείται κυρίως η μέθοδος της Αντίστροφης Όσμωσης που είναι πιο οικονομική. 
Οι τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται για την αφαλάτωση είναι οι εξής: 
Μέθοδοι εξάτμισης ή θερμικές: πολυβάθμια εξάτμιση (Multi – Effect Evaporation ή Distillation – ME ή MED), πολυβάθμια εκτόνωση (Multi-Stage Flash Distillation – MSF), εξάτμιση με επανασυμπίεση ατμών (Mechanical Vapor Compression – MVC ή VC), θερμική συμπίεση ατμών (Thermal Vapor Compression – TVC).
Μέθοδοι μεμβρανών: αντίστροφη ώσμωση (Reverse Osmosis – RO), ηλεκτροδιάλυση (Electrodialysis – ED), αντίστροφη ηλεκτροδιάλυση (Electrodialysis Reversal – ΕDR). 
Λοιπές μέθοδοι (σε πειραματικό στάδιο ή οικονομικά ασύμφορες): Ιοντοανταλλαγή, πάγωμα, απόσταξη με μεμβράνες, ηλιακή αεριοποίηση, κρυσταλλοποίηση με υδρικό αιθάνιο, νανόφιλτρα (carbon – nanotube membrane). Η Εικόνα 1 δείχνει τα ποσοστά κάθε τεχνολογίας που εφαρμόζονται στον κόσμο.
ΜΟΝΑΔΑ ΑΦΑΛΑΤΩΣΗΣ
Μια τυπική Μονάδα Αφαλάτωσης περιλαμβάνει: Υποθαλάσσιους αγωγούς μεταφοράς θαλάσσιου νερού στη μονάδα, αγωγούς απόρριψης αλμόλοιπου στη θάλασσα, αντλιοστάσιο θαλάσσιου νερού, χερσαίους αγωγούς μεταφοράς νερού και αλμόλοιπου, εργοστάσιο αφαλάτωσης, προεπεξεργασία, αντίστροφη όσμωση, τελική επεξεργασία και χερσαίους αγωγούς μεταφοράς πόσιμου νερού σε δεξαμενές ή στους καταναλωτές. 
Το νερό αντλείται από απόσταση 300 – 1000 μέτρων από την ακτή (η απόσταση εξαρτάται από το μέγεθος της μονάδας και τις ιδιαιτερότητες της περιοχής) και μέσω υποθαλάσσιου αγωγού καταλήγει στο αντλιοστάσιο που βρίσκεται στην παραλία. Στη συνέχεια αφού αφαιρεθούν οι στερεές ουσίες (μέσω πυκνών πλεγμάτων) διοχετεύονται στη μονάδα αφαλάτωσης που βρίσκεται μερικές εκατοντάδες μέτρα από την ακτή. Εκεί πραγματοποιείται η αφαλάτωση που περιλαμβάνει 3 στάδια, την προεπεξεργασία, την αντίστροφη όσμωση και το τελικό στάδιο επεξεργασίας.
α) Προεπεξεργασία: Αφαιρούνται τα αιωρούμενα σωματίδια και καταστρέφονται οι μικροοργανισμοί ώστε να αποφευχθεί η εναπόθεσή τους στις μεμβράνες.
β) Αντίστροφη Όσμωση: Οι αντλίες υψηλής πίεσης τροφοδοτούν τις μεμβράνες αντίστροφης όσμωσης με νερό υπό πίεση 65 – 80 ατμοσφαιρών ώστε να επιτευχθεί η διέλευσή του και να απορριφθούν τα άλατα. Η ανάκτηση αφαλατωμένου νερού είναι περίπου 45 – 50% (1m3 αφαλατωμένου/2 m3 θαλασσινού νερού) και το υπόλοιπο (άλμη) διέρχεται από της αντλίες όπου λόγω της υψηλής πίεσης επιτρέπει την ανάκτηση του 25-30% της αρχικής ενέργειας. Στη συνέχεια, μέσω αγωγού, απορρίπτεται στη θάλασσα σε σημείο που υπάρχουν ρεύματα, ώστε να μην υπάρχει συγκέντρωση αλάτων και ρυπαντών.
γ) Τελική επεξεργασία: Πραγματοποιείται βελτίωση των χαρακτηριστικών του νερού (διόρθωση οξύτητας, αύξηση σκληρότητας) με τη χρήση χημικών (επεξεργασμένου ασβέστη, διοξειδίου του άνθρακα ή θειικού οξέως) σε δεξαμενή και στη συνέχεια αποστέλλεται στο δίκτυο ύδρευσης ή αποθηκεύεται.
Η διάθεση της άλμης στη θάλασσα μπορεί να γίνει με μια από τις ακόλουθες δύο μεθόδους:
α) Απευθείας διάθεση με χωριστό υποθαλάσσιο αγωγό διάθεσης (ή σπανιότερα επιφανειακά στην ακτογραμμή)
β) Διάθεση μαζί με την εκροή της μονάδας επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων.
Η ανάμειξη (και αραίωση) της άλμης με επεξεργασμένα νερά από εγκατάσταση επεξεργασίας αστικών λυμάτων και η από κοινού διάθεση τους στα παράκτια νερά αποτελεί μια συνηθισμένη πρακτική.
ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ
Οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις των μονάδων αφαλάτωσης εντοπίζονται σε όλα τα στάδια παραγωγής (τροφοδοσίας, προεπεξεργασίας, αντίστροφης όσμωσης, διάθεσης άλμης, καθαρισμού μεμβρανών). Στο στάδιο της τροφοδοσίας (άντληση θαλασσινού νερού) σημειώνεται θνησιμότητα μικρών οργανισμών, όπως μικρά ψάρια, πλαγκτόν, αβγά ψαριών αλλά και μεγαλύτερων θαλάσσιων ειδών, λόγω απορρόφησης ή πρόσκρουσής τους στον αγωγό εισροής. Στο στάδιο της προεπεξεργασίας αλλά και της τελικής επεξεργασίας χρησιμοποιούνται διάφορα χημικά (χλώριο, θειικό οξύ, ασβέστιο, διοξείδιο του άνθρακα, κ.λπ.) ενώ η όλη διαδικασία απαιτεί σημαντική κατανάλωση ενέργειας (περίπου 3 – 5 KWh/m3 για θαλασσινό και 0,5 – 3 KWh/m3 για το υφάλμυρο νερό).
Πρέπει να σημειωθεί όμως ότι η μέθοδος της Αντίστροφης Όσμωσης είναι η λιγότερο ενεργοβόρος και ρυπαίνουσα από τις λοιπές καθιερωμένες μεθόδους. 
Το σημαντικότερο πρόβλημα είναι τα απόβλητα άλμης που δημιουργούνται κατά την επεξεργασία του θαλασσινού ή του υφάλμυρου νερού, τα οποία διοχετεύονται χωρίς περαιτέρω επεξεργασία στη θάλασσα. Στις μικρές μονάδες αφαλάτωσης και σε περιοχές με θαλάσσια ρεύματα οι επιπτώσεις δεν είναι σημαντικές αλλά σε μεγαλύτερες μονάδες, που λειτουργούν εδώ και χρόνια σε χώρες της Μέσης Ανατολής, παρατηρήθηκε καταστροφή της θαλάσσιας πανίδας και χλωρίδα σε ακτίνα αρκετών χιλιομέτρων από τις εγκαταστάσεις αφαλάτωσης, 
Εκτός από την αλατότητα, προβλήματα δημιουργούνται και από την αύξηση της θερμοκρασίας της άλμης κατά περίπου 3 – 4οC στην αντίστροφη όσμωση (έναντι 10 – 15οC στις μεθόδους εξάτμισης). 
Παρατηρούνται επίσης συγκεντρώσεις βαρέων μετάλλων που δεσμεύονται στα ιζήματα και χημική ρύπανση που οφείλεται στα οξέα, τα απολυμαντικά μέσα και στην πλύση των μεμβρανών.
ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ: ΥΠΟΒΡΥΧΙΑ ΕΚΡΟΗ ΑΛΜΗΣ
Μία εγκατάσταση αφαλάτωσης εκρέει άλμη κοντά σε ακτή με συγκέντρωση 100% πάνω από τη συγκέντρωση περιβάλλοντος, με παροχή 1m3/s. Η πυκνότητα της εκροής είναι 1052.9kg/m3. Το περιβάλλον όπου γίνεται η εκροή έχει βάθος στο σημείο της εκροής 26.2m και κλίση πυθμένα 3ο. Η ταχύτητα του ρεύματος παράλληλα στην ακτή είναι 0.2m/s και η πυκνότητα της θάλασσας είναι 1023.98kg/m3. Η εκροή γίνεται από ένα ακροφύσιο σε απόσταση 500m από την ακτή. Το ακροφύσιο βρίσκεται σε κατακόρυφη γωνία 45ο και οριζόντια γωνία 90ο με την ακτογραμμή. Η διάμετρος του ακροφυσίου είναι 0.65m και εκρέει σε απόσταση 1m από τον πυθμένα. Η νομοθεσία ορίζει διάλυση 10% της αρχικής συγκέντρωσης σε απόσταση 300m από το σημείο της εκροής. O συντελεστής τραχύτητας Darcy – Weisbach είναι 0,025 και η ταχύτητα ανέμου 2m/s.
Το έμπειρο σύστημα CORMIX εφαρμόζεται για την προσομοίωση της υποβρύχιας εκροής μονής εξόδου με θετική, αρνητική και ουδέτερη άνωση μέσα σε υδάτινο περιβάλλον (βαθιά ή ρηχά νερά, στάσιμα ή ρέοντα, ομοιόμορφο ή στρωματοποιημένο περιβάλλον) όπως ποτάμια, λίμνες, δεξαμενές, εκβολές ποταμών ή παράκτιες περιοχές. Υποθέτει σταθερές συνθήκες ροής τόσο για την εκροή όσο και για το περιβάλλον. Μπορεί να προβλέψει την τροχιά και το σχήμα του πλουμίου, τη συγκέντρωση ρυπαντών και την αραίωση τόσο για το κοντινό όσο και για το μακρινό πεδίο. Στο παρόν παράδειγμα η ροή κατηγοριοποιείται σαν φλέβα αρνητικής άνωσης που εκρέει οριζόντια ή σχεδόν οριζόντια. Η ταχύτητα του περιβάλλοντος επιδράει σχετικά ισχυρά. Η φλέβα μπορεί να ανυψωθεί ή να υπάρχει ακόμα και θετική άνωση εάν ο διαχυτήρας εκρέει προς τα κάτω και η δέσμη ροής έρθει σε επαφή με στρωματοποίηση στον πυθμένα. Στη δέσμη ροής μετά το μέγιστο ύψος θα  κυριαρχήσει η αρνητική άνωση και θα συμπεριφερθεί σαν πλούμιο. Στο διάγραμμα φαίνεται η κόκκινη διακεκομμένη γραμμή όπου μέχρι εκεί, 300 μέτρα από την εκροή, πρέπει να επιτευχθεί συγκέντρωση 10% και η πράσινη διακεκομμένη γραμμή όπου εκπληρώνεται το όριο αυτό στα 144 μέτρα από την εκροή, όπως φαίνεται στην Εικόνα 2. Η Εικόνα 3 απεικονίζει την τρισδιάστατη κατανομή του πλουμίου για την περιοχή μελέτης. Βασιζόμενοι στα θετικά αποτελέσματα από την προσομοίωση του Cormix μπορεί να γίνει η τελική σχεδίαση του διαχυτήρα.
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 
Η αφαλάτωση είναι μια πολύ σημαντική λύση, που πρέπει να μελετηθεί άμεσα, ειδικά για τα μικρά άνυδρα νησιά του ελλαδικού χώρου. Τα νησιά αυτά έχουν κόστος μεταφοράς για υδροφόρα πλοία 10 – 11/m3, ενώ μια μονάδα αφαλάτωσης κόστους 300.000 €παράγει 500 m3/ημέρα με κόστος 2. Αν μάλιστα συνδυαστεί με Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας, τότε το κόστος πέφτει ακόμα περισσότερο και η μονάδα είναι ενεργειακά αυτόνομη. Οι μονάδες αφαλάτωσης μέχρι και σήμερα χρησιμοποιούνται ως έσχατη λύση. Το μεγάλο μειονέκτημα εκτός από το περιβαλλοντικό κόστος, είναι η ενέργεια που χρειάζονται, περίπου 2.3 kW ανά m3. Οι μονάδες έχουν όμως και αρκετά περιβαλλοντικά προβλήματα να επιλύσουν με κυρίαρχο τη διάθεση της άλμης. Μια ολοκληρωμένη μελέτη μπορεί να εκμηδενίσει τις επιπτώσεις της άλμης στη θάλασσα, λαμβάνοντας υπόψη και τη διεθνή εμπειρία. Τα κυριότερα συμπεράσματα είναι τα εξής:
1.Πρέπει οπωσδήποτε και πέρα από τις θεωρητικές προβλέψεις οι μονάδες να κάνουν συνεχείς και συστηματικούς ελέγχους της αλατότητας στο σημείο εκροής και πέρα από αυτό. 
2.Οι υποβρύχιοι διαχυτήρες είναι προτιμότεροι από τις επιφανειακές απορροές διότι έτσι δεν υπάρχει άλμη σε επιφανειακά νερά που ζουν πιο ευαίσθητοι οργανισμοί και γίνονται οι περισσότερες ανθρώπινες δραστηριότητες, ενώ δεν υπάρχει κίνδυνος το πλούμιο να προσκολληθεί στην ακτή.
3.Ο υποβρύχιος διαχυτήρας πρέπει να είναι όσο πιο μακριά από την ακτή, ώστε να έχει μικρότερο αντίκτυπο στις ανθρώπινες δραστηριότητες και μια πιθανή αστοχία να συμβεί μακριά από την ακτή. 
4.Ο διαχυτήρας πρέπει να στοχεύει κάθετα στην ακτή και με κατακόρυφη γωνία από 30ο έως 60ο. Αυτό ωθεί τη δέσμη ροής μακριά από την ακτή και μειώνει το μήκος – κόστος του αγωγού. Παράλληλα, αποφεύγεται ο κίνδυνος το πλούμιο να γυρίσει προς την ακτή και να υπάρχουν προβλήματα διάβρωσης κ.λπ. Ο διαχυτήρας δεν πρέπει να στοχεύει στην επιφάνεια ή προς την ακτή. Τέτοιες δομές δε συνίστανται.
5.Οι μονάδες θα πρέπει να κτίζονται σε περιοχές μη κατοικημένες,  που δεν έχουν χρήση ψυχαγωγίας (θαλάσσιο μπάνιο, ψάρεμα κ.λπ.). Επίσης θα ήταν σκόπιμο οι μονάδες να βρίσκονται κοντά σε σταθμούς παραγωγής ενέργειας, έτσι ώστε να αποφεύγεται το οικονομικό αλλά και το περιβαλλοντικό κόστος από τη μεταφορά της ενέργειας.
6.Οι μονάδες πρέπει να έχουν εύκολη πρόσβαση στα αντλιοστάσια ύδρευσης της περιοχής.
7.Όσο μεγαλύτερη παραγωγικότητα έχει η μονάδα τόσο πιο μακριά από την ακτή πρέπει να εκρέει αλμόλοιπα, σε μεγαλύτερο βάθος και μακριά από κατοικημένη περιοχή. Πρέπει να λαμβάνεται υπόψη και μια μελλοντική επέκταση της μονάδας που θα ηύξανε την εκροή και πιθανώς την αλατότητά της.


Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου