مقاله: استفاده از تکنولوژی آب شیرین کن راهی برای مقابله با کمبود آب

سیده چمن نادری کروندان (دانشجوی دکترا مهندسی منابع آب، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران)
اسماعیل مظفری (دانشجوی دکترا مهندسی منابع آب، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران)
طیبه منصوری سراب بادیه (دانشجوی دکترا مهندسی منابع آب، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران)
علی صارمی (استادیار گروه مهندسی آب، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران)

چکیده:

حیات، بهداشت و توسعه پایدار سخت نیازمند منابع آب شیرین است. آبهای در گردش، منابع آب شیرین در زمین می باشند که به تدریج در حال کاهش است. لذا استفاده از تکنولوژیهای آب شیرین کن در سالیان اخیر و در اکثر مناطق دنیا به عنوان روشهای قابل اطمینان تولید آب شیرین، رواج بیشتری پیدا کرده و در حال گسترش می باشد. در این مقاله سعی شده است به معرفی و ضرورت استفاده ازآب شیرین کن برای تأمین آب مورد نیاز در مصارف مختلف و همچنین اثرات زیست محیطی آن ها پرداخته شود. صنایع، کشاورزی و جوامع کوچک (شامل نقاط کم جمعیت و روستاها) می پردازد. نتایج نشان داد که می توان با در نظر گرفتن ارزیابی های اقتصادی و زیست محیطی و بهداشتی نسبت به مدیریت کارآمدتر این موضوع با تحمیل کمترین هزینه ها اقدام نمود.

 مقدمه:
در خاورمیانه میزان بارش با دور شدن از دریای مدیترانه به سمت شرق و جنوب کاهش می یابد. در منتهی الیه شمال منطقه، در طول سواحل دریا سیاه و دریای خزر در تمام طول سال بارشهای مکرر ادامه دارد. از میان کشورهای خاورمیانه تنها دو کشور ترکیه و لبنان فاقد مناطق فوق العاده خشک می باشند. در مقابل بیش از سه چهارم کل زمینهای مصر و عربستان، مجموع نزولاتی که سالانه دریافت می کنند کمتر از 200 میلیمتر است. محدودیت آب شیرین در جهان و افزایش جمعیت از یکسو و آلودگی منابع سطحی و زیرزمینی از سوی دیگر نگرانی عمده ای را برای دست اندر کاران بخش آب به وجود آورده است. با توجه به اینکه در آینده موقعیت منابع آب بسیار در خطر است، باید برای مقابله با کمبود آب راه کارهای اساسی را پیش بینی نمود. صحبت از شیرین کردن آب شور سالهای سال است که نظر کارشناسان و متخصصین را به خود جلب کرده است، ولی تا امروز این حرکت به سختی و با هزینه های بسیار هنگفتی انجام شده است که برای کشورهائی که تاکنون با بحران مواجه نشده اند، مقرون به صرفه نبوده و در این راه کمتر تلاش کرده اند. خوشبختانه کسانیکه در کنار دریا زندگی می کنند حداقل بر این باور هستند که می توان آبشور را تصفیه و از آن استفاده کرد ولی کسانیکه از آب شور هم دور می باشند باید بیشتر از ساحل نشینان منتظر عواقب ناشی از کمبود آب باشند. سرانه آب شیرین قابل دسترس در ایران 1970 متر مکعب در سال است. طبق پیش بینی ها این سرانه 1400 با جمعیت احتمالی 100 میلیون نفر به 1000 تا 1300 متر مکعب در سال می رسد که از نظر معیارهای جهانی به عنوان وضعیت بحرانی شناخته شده است. البته امروزه با استفاده بهینه از منابع آب بسیاری از کشورها با سرانه کمتر از 800 متر مکعب در سال نیز برنامه های توسعه ملی خود را به پیش می برند. طبق آمار سال 1992 بیش از 7500 آب شیرینکن در جهان موجود میباشد، که حدود 60% آنها در خاورمیانه قرار دارد و بزرگترین آب شیرین کن جهان با ظرفیت تولید 485 هزار متر مکعب در روز در کشور عربستان سعودی وجود دارد. همچنین 21% از آب شیرین جهان در کشور آمریکا تولید می شود. که بیشترین تولید در حوزه دریای کارائیب و فلوریدا قرار دارد. با آن که 70% از سطح کره زمین با آب پوشانده شده است، ولی فقط 2/5% آن آب شیرین است و 97/5% بقیه آب شور است. از بین آب های شیرین نیز در حدود 70% آن به صورت یخ های دائمی و غیر قابل دسترس در قطب ها و قله کوه ها و مناطق مرتفع قرار دارد. از 30% باقیمانده نیز فقط در حدود یک درصد آب در دسترس و قابل استفاده است و بقیه آن در سفره های زیرزمینی بسیار عمیق و دور از دسترس قرار دارد (ماهنامه مهرآب، 1385).

روش تحقیق:
تحقیق حاضر از نوع تحقیق کیفی و ابزار تحلیل محتوی مبتنی بر مطالعه و بررسی منابع علمی به عنوان منابع اصلی و تحلیل ها و ارزیابی های صورت گرفته پیرامون موضوع می باشد. در این مقاله سعی شده است با مطالعه مطالب مرتبط در این زمینه به بررسی انواع آب شیرین کن ها، کاربرد آنها و همچنین اثرات زیست محیطی آنها بپردازیم.

یافته ها:
کاربرد اساسی آب شیرین کن حذف املاح یا شوری آب و مواد معدنی و مواد مضر آب به روش فیزیکی و مکانیکی و نمک زدایی توسط دستگاه اسمز معکوس RO یعنی به روش تصفیه آب فیزیکی را که باعث سبک سازی و شفافیت آب می شود را آب شیرین کن می نامند. در شکل (1) نحوه عملکرد فرآیند نمک زدایی نشان داده شده است. همانطور که ملاحظه می شود از یک سمت واحدهای آب شیرین کن، آب شور وارد می شود و با دادن مقدار انرژی اولیه به آن خروجی آب شیرین و پساب شور می باشد.

شکل 1- نحوه عملکرد یک دستگاه آب شیرین کن

آب شیرین کن در هر مکانی که منابع آب دارای املاح و ناخالصی ها، آب شور و آب لب شور وجود داشته باشد و منابع آب شیرین مورد نیاز محدود باشد قابل استفاده است. با توجه به وضعیت اقلیمی ایران بیشترین کاربرد آب شیرین کن در مناطق جنوبی کشور است.
به طور کلی آب شیرین کن ها به دو دسته غشایی و حرارتی تقسیم بندی می شوند. در نوع حرارتی از گرما برای تبخیر استفاده می شود و پس از برجای ماندن نمک، بخار آب گالیده و بر اثر سرمایش به آب تبدیل می شود. در آب شیرین کن های غشایی که بر اساس مکانیزم اسمز معکوس استوار است، با گذراندن آب شور از میان یک غشا نیمه تراوا، نمک از آن جدا میشود. در جدول (1) مزیت های هر کدام آورده شده است (بینام، 1392).

آب شیرین کن خانگی چیست؟
با روش نمک زدایی RO تصفیه آب خانگی هم شامل آب شیرین کن می شود تصفیه آب خانگی هم با روش اسمز معکوس و فیلتر ممبران کار می کنند و عملا این نوع تصفیه آب هم شامل آب شیرین کن می شود.

آب شیرین کن صنعتی
تصفیه آب از طیق فیلتر های شنی و فیلتر های کربنی و پس از سپری کردن یکسری از فیلتر های مخصوص و فیلتر ممبران صنعتی ممبران به روش مکانیزه اسمز معکوس و سبک سازی و شفاف سازی آب خام و آماده SW-RO و ممبران BW-RO صنعتی ممبران نمودن آب تصفیه شده برای مصارف صنعتی را آب شیرین کن صنعتی می نامند.

آب شیرین کشاورزی
تصفیه آب کشاورزی سرشاخه هایی بسیاری دارد و در تصفیه آب کشاورزی نیز می توان از سیستم مکانیزه اسمز معکوس و فرآیند غشائی استفاده کرد حذف برخی از موارد آب کشاورزی به صورت اسمز معکوس و سیستم تزریق مواد برای حذف سختی آب کشاورزی و بعضی از سبک کارهایی که باعث تغییر کیفیت آب چاه می گردد و آب سبک یا مناسب کشاورزی می گردد و آب چاه کشاورزی EC برای بخشی از تصفیه اب چاه و پایین آوردن RO در برخی از موارد از روش اسمز معکوس را آب شیرین کن کشاورزی می نامند.

آب شیرن کن دریایی
آب شیرین کن دریایی نیز مثل دیگر فرآیندهای غشائی از روش مکانیزه نمک زدایی از طریق فیلتر های ممبران دریایی SW-RO برای حذف نمک و املاح مفید معدنی آب دریا و شیرین سازی آب دریا برای مصارف آشامیدن و مصارف صنعتی استفاده می گردد و در این نوع سبک کار از ممبران دیگری نمی شود استفاده کرد و فقط با ممبرای که بتواند آب دریا را با TDS 45000 را تحمل نماید و بتوان آب در را از آب شور به آب شیرین تبدیل کرد را آب شیرین کن دریایی می نامند.

تامین نگهداری آب شیرین کن
طراحی و ساخت آب شیرین کن در کیفیت تصفیه آب و نوع عملکرد دستگاه تاثیر می گذارد و نوع پیش تصفیه و نوع فیلتراسیون اولیه دستگاه آب شیرین کن در مجموع کلی در کیفیت دستگاه و نوع تامین نگهداری و نوع مصرف لوازم ها تاثیر گذار است ولی در نهایت اگر لوازم های دستگاه در حد استاندارد و اصلی و نوع پیش تصفیه جوری باشد که دستگاه آب شیرین کن در اثر آن آسیب نبیند کیفیت و آب تولید شده خیلی باصرفه است و در صنعت و تولید باصرفه اقتصادی است.

نوع انتخاب و خرید دستگاه آب شیرین کن
ابتدا باید از نوع سختی و موارد شیمیایی و قلیایی یا همان آنیون های آب و کاتیون های آب مطلع شویم یعنی با آزمایش کامل آب بتوانیم سختی آب را به دست بیاریم و سپس از نوع چیدمان لوازم دستگاه از چند تا شرکت معتبر استعلام و مشاوره نمایید و از نوع عملکرد دستگاه در طی سالیان که قرار است برای شما کار کند اطلاعات بگیرید که آیا این خرید برای شما صرفه دارد یا نه سپس اقدام به خرید دستگاه آب شیرین کن نمایید.

هزینه های آب شیرین کن
در ابتدا باید از قیمت دستگاه آب شیرین کن و از نوع مصرف برق و مصرف انرژی های دیگر و مصرف لوازم های آن باخبر شوید مثلا دستگاه آب شیرین کن 10 متر مکعبی تو رنج استاندارد در سال 1392 الی 1394 حدود 30 تا 50 هزار تومان هزینه های مصرفی دارد مصرف برق و مصرف آب ورودی هم به قیمت آن منطقه که هستید در قبض خود باید محاسبه نمایید و به قیمت کل اضافه نمایید طول عمر مفید دستگاه آب شیرین کن حدود 10 الی 12 سال پیش بینی می گردد، البته دستگاه اگر 25 متر مکعب در شبانه روز بشود هزینه دو برابر نمی شود ولی نسبتا 20 الی 30 درصد هزینه مصرفی بیشتر می گردد البته در تولید های بالاتر هزینه ها بهتر است مثلا آب شیرین کن 200 یا 300 متر مکعب با صرفه تر از دستگاه های اب شیرین کن کوچک تر است (www.tamadonaria.ir).

مزایای آب شیرین کن ها
• تهیه آب صنعتی جهت مصارف در بویلرها (دیگ های بخار)،کولینگ تاورها و کلیه سیستمها حراراتی و برودتی
• تهیه آب DM جهت مصارف دارویی و بیولوژیکی
• شیرین سازی آب های شور و سنگین آشامیدن
• تهیه آب مورد مصارف در صنایع نفت، گاز، پتروشیمی و نیروگاه ها
• تامین آب مناسب جهت تولید محصولات متنوع درصنایع غذایی، نوشیدنی، آرایشی بهداشتی، الکترونیک
• تصفیه نهایی پساب های صنعتی
• تامین و تولید آب مناسب جهت مصارف کشاورزی، گلخانه ای
• تامین و تولید آب دستگاه های دیالیز بیمارستان

تجربیات ایران در شیرین سازی آب
ایران دارای تجربه 50 ساله در امر شیرین سازی آب شور است و در رتبه دهم تولید آب شیرین در جهان قرار دارد. در کشور روزانه بیش از 423 هزار متر مکعب آب شیرین تولید می شود ولی فقط یک درصد از کل سهم تولید آب شیرین جهان به ایران اختصاص دارد. اولین دستگاه آب شیرین کن در ایران در پایگاه هوایی و نیروی دریایی بوشهر در سال 1349 به بهره برداری رسید. از آن هنگام تاکنون مجموعا 165 دستگاه آب شیرین کن در کشور خریداری و نصب شده است. سازندگان این دستگاه ها، کشورهای آلمان، انگلیس، فرانسه، ایتالیا، هند، آمریکا و... بوده اند. طبق آمار 51 واحد آب شیرین کن در بوشهر، 91 واحد در هرمزگان و جزایر اطراف آن، 20 واحد سیستان و بلوچستان و پنج واحد در استان خوزستان نصب شده است. از ده سال پیش تا کنون متخصصان ایرانی موفق شده اند طراحی و نصب تجهیزات آب شیرین کن را حتی در ظرفیت های بزرگ انجام دهند. برای مصارف گوناگون از انواع آب های شیرین شده با درجات مختلف استفاده می گردد. به عنوان مثال هم اکنون یک دستگاه آب شیرین کن در منطقه رفسنجان نصب شده که به پسته کاران آبی در حد استاندارد کشت پسته تحویل می دهد. آب شیرین شده در چابهار که برای شرب استفاده می شود، کیفیتی معادل آب سد لار دارد. بر اساس گزارش منتشره از انجمن هسته ای جهانی استفاده از انرژی هسته ای برای تولید آب شیرین که از دهه 1970 مورد استفاده قرار گرفته است، نسبت به سوخت های فسیلی با توجه به قیمت و میزان سوخت مصرفی تقریبا 30 درصد ارزانتر بوده و از لحاظ زیست محیطی و عدم تولید گازهای گل خانه ای بسیار مناسب تر است (www8.irna.ir).

اولین آب شیرین کن در ایران چه سالی در کجا ساخته شد؟
تاریخ ساخت آب شیرین کن در ایران به سال 1370 بر می گردد. در این سال مهندسان ایرانی مطالعه برای ساخت اولین دستگاه آب شیرین کن در ایران به روش مهندسی معکوس را شروع کرده و یک سال بعد اولین واحد آب شیرین کن ساخت داخل در جزیره کیش نصب و راه اندازی شد. در سال 1374 اولین قرارداد طراحی و ساخت داخل در جزیره کیش نصب و راه اندازی شد. در سال 1374 اولین قرارداد طراحی و ساخت آب شیرین کن برای شرکت پتروشیمی خارک با ظرفیت تولید 1000 متر مکعب در روز به روش MED منعقد شد و در اسفند سال 1376 توسط شرکت کرمان خودرو تحویل دائم گردید (ماهنامه مهرآب، 1385).

تاثیرات زیست محیطی
یکی از ملاحظات مهم در مورد آب شیرین کن ها نحوه تامین آب شور ورودی واحد نمک زدایی به ویژه در مواردی که آب شیرین کن با یک نیروگاه ترکیب شده است، می باشد. علیرغم اینکه نحوه تامین آب شور ورودی تاثیر قابل ملاحظهای بر زندگی موجودات دریایی دارد ولی در بسیاری از موارد این موضوع مورد غفلت واقع شده است. تخمین زده میشود که 90 درصد جانوران دریایی موجود در آب ورودی، اعم از پلانکتون ها تخم و لارو ماهی ها، در حین فرآیند شیرین سازی از بین می رود. برای حل این مشکل یک راه وجود دارد و آن هم تامین آب مورد نیاز از طریق چاه های ساحلی است که فاقد جانوران دریایی هستند ولی این راه حل با افزایش هزینه ناشی از پمپاژ آب از چاه همراه است. مسئله زیست محیطی دیگری که در مورب شیرین کن ها مطرح است، مسئله نشر گازهای گلخانه ای است. در همه واحدهای نمک زدایی صرفنظر از اینکه از چه فناوری برای شیرین سازی استفاده می شود، مسئله پساب شور خروجی مسئله دیگر زیست محیطی است. این ماده غلیظ بر اساس تقسیم بندی آژانس حفاظت محیط زیست آمریکا به عنوان یک پساب صنعتی شناخته شده است. در نواحی ساحلی می توان بدون اینکه نگران تغییر در غلظت نمک اقیانوس ها بود این پساب را به دریا بازگرداند. ولی در روش اسمز معکوس به علت اینکه غلظت پساب دو برابر آب دریا است ممکن است باعث تغییر در غلظت نمک دریاها شود و به خصوص در مورد گونه هایی که در اعماق اقیانوسها زندگی می کنند این تغییرات باعث تهدید حیات آنها شود. برای به حداقل رساندن آثار زیست محیطی بازگرداندن پساب شور به دریاها آن را با جریان های دیگر آب، مثلا پساب نیروگاه ها رقیق می کنند. اگر نیروگاه متوسط یا بزرگ باشد و واحد نمک زدایی هم کوچک باشد، حجم آب واحد خنک کننده نیروگاه چند برابر پساب شور خواهد بود و به راحتی می توان آن را رقیق نمود. روش دیگر برای به حداقل رساندن آسیب های زیست محیطی پساب شور رها کردن آن در سطح وسیعی از دریاست به این ترتیب که پساب به چند بخش تقسیم شده و در قسمت های مختلف دریا رها می شوند (بینام، 1392).

نتیجه گیری:
منابع آبی در اکثر نقاط دنیا در حال کاهش می باشند و نمک زدایی آب دریاها و آبهای شور مورد استقبال زیادی واقع شده اند. یک راه حل مناسب برای تهیه آب سالم و آشامیدنی در مناطق خشک و دوردست استفاده از تکنولوژی آب شیرین کن ها می باشد (گودرزی و حسین زاده، 1392). در این تحقیق به بررسی انواع آب شیرین کن ها در مصارف مختلف و همچنین اثرات زیست محیطی آنها پرداخته شده است، با توجه به موقعیت خاص ایران که در منطقه خشک و نیمه خشک واقع شده است می توان با در نظر گرفتن ارزیابی های اقتصادی و زیست محیطی و بهداشتی نسبت به مدیریت کارآمدتر این موضوع با تحمیل کمترین هزینه ها اقدام نمود. هر چند آب شیرین کن ها برخی از مشکلات کمبود آب را کاهش داده اند ولی به دلیل استفاده از سوخت های فسیلی باعث کاهش این منابع تجدیدناپذیر و آلودگی محیط زیست گردیده اند.

مراجع:
1- بینام. (1392). آشنایی با تکنولوژی های مختلف شیرین سازی آب، سمینار کارشناسی ارشد در رشته مهندسی مکانیک.
2- گودرزی، مجید. حسین زاده، مصیب. (1392). آب شیرین کن های خورشیدی، فرصتی برای جهلن امروز. هم اندیشان چرخه علم و صنعت.
3- ماهنامه مهرآب (1385). توسعه فن آوری آب شیرین کن؛ راهی برای مبارزه با کمبود آب. سال سوم. شماره 36. صفحه 68.
4- www8.irna.ir
5- www.tamadonaria.ir