Ολοκληρωμένη αξιοποίηση των αλατούχων υγρών αποβλήτων από μονάδες αφαλάτωσης
Authors: Παναγόπουλος Αργύρης 
Published: November 2021

Το νερό είναι αναμφισβήτητα η πηγή της ζωής στον πλανήτη μας και η κινητήρια δύναμη της ανθρώπινης προόδου. Καθώς τόσο ο παγκόσμιος πληθυσμός, όσο και η ρύπανση των υφιστάμενων φυσικών υδάτινων πόρων αυξάνονται, το φαινόμενο της λειψυδρίας παρουσιάζει σημαντική επιδείνωση τα τελευταία χρόνια. Η αφαλάτωση θεωρείται μια εφικτή λύση για την αντιμετώπιση αυτού του παγκόσμιου προβλήματος. Παρά το γεγονός ότι η αφαλάτωση παράγει γλυκό νερό, ένα κρίσιμο περιβαλλοντικό ζήτημα είναι η άλμη που παράγεται από τις τεχνολογίες αφαλάτωσης. Η άλμη απορρίπτεται συνήθως στο περιβάλλον με διάφορες μεθόδους απόρριψης (απόρριψη σε επιφανειακά ύδατα, απόρριψη σε δίκτυο αποχέτευσης, έγχυση σε υπόγειους γεωλογικούς σχηματισμούς, απόρριψη σε λίμνες εξάτμισης και τέλος, απόρριψη στο έδαφος). Εκτός από την υψηλή αλατότητά της, η άλμη ενδέχεται να περιέχει επικίνδυνες χημικές ουσίες προεπεξεργασίας, οργανικές ενώσεις, μικροβιακό φορτίο και βαρέα μέταλλα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα, η απόρριψη της άλμης να έχει επιπτώσεις στο θαλάσσιο περιβάλλον, στα υπόγεια ύδατα και στο έδαφος. Οι μέθοδοι απόρριψης της άλμης θεωρήθηκαν πρόσφατα μη βιώσιμες λόγω των αρνητικών περιβαλλοντικών επιπτώσεων, των αυστηρότερων περιβαλλοντικών κανονισμών και των αυξημένων προσπαθειών για την ανάκτηση χρήσιμων υλικών (π.χ. γλυκό νερό, άλατα) από την άλμη. Οι εναλλακτικές προσεγγίσεις για τη διαχείριση της άλμης που άρχισαν να εξετάζονται πλέον, δε βασίζονται στην απόρριψη αλλά στην ελαχιστοποίηση/εκμηδενισμό του αποβλήτου (για την επίτευξη μέγιστης παραγωγής γλυκού νερού και ελάχιστης/μηδενικής παραγωγής στερεών αποβλήτων). Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάλυση και αξιολόγηση των τεχνολογιών αφαλάτωσης (θερμικών τεχνολογιών και τεχνολογιών με μεμβράνες) που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ολοκληρωμένη επεξεργασία και αξιοποίηση της άλμης από μονάδες αφαλάτωσης, καθώς και η τεχνοοικονομική ανάλυση και αξιολόγηση συστημάτων που βασίζονται τόσο στην αρχή της μηδενικής απόρριψης υγρών (zero liquid discharge, ZLD) όσο και στην αρχή της ελάχιστης απόρριψης υγρών (minimal liquid discharge, MLD) με στόχο την ανάκτηση χρήσιμων υλικών. Στο πλαίσιο της ZLD, ανακτάται περίπου το 100% του γλυκού νερού και παράγεται ένα στερεό άλας που μπορεί να αξιοποιηθεί ή να απορριφθεί με πιο φιλικό προς το περιβάλλον τρόπο. Από την άλλη πλευρά, στο πλαίσιο της MLD, ο στόχος ανάκτησης γλυκού νερού είναι ελάχιστα χαμηλότερος (έως και 95%), ενώ ταυτόχρονα χρησιμοποιούνται μόνο τεχνολογίες αφαλάτωσης με μεμβράνες.Αρχικά, αναλύθηκαν και αξιολογήθηκαν οι τεχνολογίες αφαλάτωσης (θερμικές τεχνολογίες και τεχνολογίες με μεμβράνες) ως προς την ικανότητα τους να επεξεργάζονται αποτελεσματικά την άλμη. Ειδικότερα, οι τεχνολογίες αναλύθηκαν και αξιολογήθηκαν ως προς τη μέγιστη ανάκτηση γλυκού νερού, τα πλεονεκτήματα, τα μειονεκτήματα, την τεχνολογική ωριμότητα, την ενεργειακή κατανάλωση και το κόστος. Με βάση την ανάλυση και αξιολόγηση των τεχνολογιών, παρουσιάστηκε για πρώτη φορά στη διεθνή βιβλιογραφία ένα πλαίσιο τεχνολογιών που μπορούν να συνδυαστούν για την επεξεργασία και αξιοποίηση της άλμης σε συστήματα MLD/ZLD. Έπειτα, αναλύθηκαν και αξιολογήθηκαν με τη χρήση εννέα (9) κριτηρίων, για πρώτη φορά στη διεθνή επιστημονική βιβλιογραφία, οι στρατηγικές MLD και ZLD για την επεξεργασία και αξιοποίηση της άλμης. Τα κριτήρια που χρησιμοποιήθηκαν κάλυψαν διάφορες πτυχές (επιδόσεις, οικονομία, περιβάλλον και κοινωνία) και είναι: (1) στάδια, (2) τεχνολογίες, (3) ανάκτηση γλυκού νερού, (4) αλατότητα της άλμης τροφοδοσίας, (5) κατανάλωση ενέργειας κάθε τεχνολογίας, (6) εκπομπές των αερίων του θερμοκηπίου (greenhouse gases, GHGs), (7) κόστος, (8) ανάκτηση χρήσιμων υλικών και (9) κοινωνική αποδοχή.Στη συνέχεια, για την καλύτερη αξιολόγηση της ενεργειακής κατανάλωσης των τεχνολογιών, μελετήθηκε η ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας (minimum energy consumption, MEC) στην επεξεργασία της άλμης. Εισήχθηκε ένα μαθηματικό μοντέλο και αναλύθηκαν διάφορες παράμετροι όπως ο ρυθμός ανάκτησης, η αλατότητα και η θερμοκρασία της άλμης τροφοδοσίας, η καθαρότητα του παραγόμενου γλυκού νερού. Η ανάλυση έδειξε πως η MEC αυξάνεται με την αύξηση του ρυθμού ανάκτησης, της αλατότητας και της θερμοκρασίας της άλμης τροφοδοσίας, καθώς και της καθαρότητας του παραγόμενου γλυκού νερού.Έπειτα, παρουσιάστηκε μια τεχνοοικονομική ανάλυση και αξιολόγηση συστημάτων ZLD για την επεξεργασία και αξιοποίηση της άλμης υφάλμυρου και θαλάσσιου νερού στην Ανατολική Μεσόγειο. Αρχικά, εξετάστηκαν δύο συστήματα δυναμικότητας 100 m3/ημέρα: (i) σύστημα ZLD που παράγει τόσο γλυκό νερό, όσο και ένα μικτό στερεό άλας από άλμη υφάλμυρου νερού (σύστημα 1) (ii) σύστημα ZLD που παράγει τόσο γλυκό νερό, όσο και ένα μικτό στερεό άλας από άλμη θαλάσσιου νερού (σύστημα 2). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η κατανάλωση ενέργειας στο σύστημα 1 (9,48 kWh/m3) είναι 2,38 φορές χαμηλότερη από αυτή στο σύστημα 2 (22,55 kWh/m3) λόγω της κατά 7 φορές χαμηλότερης αλατότητας της τροφοδοσίας. Η διαφοροποίηση στις ενεργειακές απαιτήσεις μεταφράζεται επίσης και σε κόστος, δεδομένου ότι το σύστημα 2 (€0,85/m3) είναι 1,24 φορές ακριβότερο από το σύστημα 1 (€0,69€/m3). Είτε πωλείται μόνο γλυκό νερό είτε πωλούνται τόσο γλυκό νερό όσο και μικτό στερεό άλας, και τα δύο συστήματα είναι κερδοφόρα καθώς το κέρδος κυμαίνεται από €176,34/ημέρα έως €195,72/ημέρα. Και στα δύο συστήματα, το κόστος είναι τουλάχιστον 3,18 φορές χαμηλότερο από το κόστος των λιμνών εξάτμισης, ενώ είναι στο ίδιο επίπεδο με το κόστος της απόρριψης στο έδαφος και της έγχυσης σε υπόγειους γεωλογικούς σχηματισμούς.Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε μια τεχνοοικονομική ανάλυση και αξιολόγηση ενός τρίτου συστήματος ZLD (σύστημα 3), που σε αντίθεση με το σύστημα 2 που παρήγαγε γλυκό νερό και μικτό στερεό άλας από άλμη θαλάσσιου νερού, αυτό παράγει γλυκό νερό, μικτό στερεό άλας και άλας NaCl υψηλής καθαρότητας από άλμη θαλάσσιου νερού. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τόσο η ενεργειακή κατανάλωση (31,81 kWh/m3) όσο και το κόστος γλυκού νερού (€1,12/m3) του συστήματος 3 είναι υψηλότερα από αυτά του συστήματος 2. Είτε πωλείται μόνο γλυκό νερό είτε πωλούνται τόσο γλυκό νερό όσο και τα άλατα, και τα δύο συστήματα είναι κερδοφόρα. Ειδικότερα όταν πωλούνται και το γλυκό νερό και τα άλατα, το σύστημα 3 (€293,40/ημέρα) είναι 1,52 φορές πιο κερδοφόρο από το σύστημα 2 (€191,96/ημέρα), καθώς η παραγωγή άλατος NaCl αυξάνει σημαντικά τα έσοδα. Και στα δύο συστήματα, το κόστος είναι τουλάχιστον 2,39 φορές χαμηλότερο από το κόστος των λιμνών εξάτμισης, ενώ είναι στο ίδιο επίπεδο με το κόστος της απόρριψης στο έδαφος και της έγχυσης σε υπόγειους γεωλογικούς σχηματισμούς.Έπειτα, πραγματοποιήθηκε για πρώτη φορά στη διεθνή βιβλιογραφία μια τεχνοοικονομική ανάλυση και αξιολόγηση πέντε συστημάτων MLD για την επεξεργασία της άλμης θαλάσσιου νερού. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η ανάκτηση κυμαίνεται από 78% έως 89% και θεωρείται επαρκής, καθώς η ανάκτηση γλυκού νερού είναι έως και 95% στα συστήματα MLD. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το κόστος των συστημάτων MLD κυμαίνεται από €0,65€/m3 έως €1,12€/m3, ενώ τα καθαρά έσοδα των συστημάτων είναι από €112,43/ημέρα έως €157,07/ημέρα. Το κόστος των λιμνών εξάτμισης είναι τουλάχιστον 2,4 φορές υψηλότερο από το κόστος επεξεργασίας από οποιοδήποτε από τα πέντε συστήματα MLD. Όσον αφορά το φθηνότερο σύστημα MLD (σύστημα 2), το κόστος του (€0,65/m3) είναι κοντά στο ελάχιστο κόστος της απόρριψης στο έδαφος (€0,62/m3). Συνοψίζοντας, τα αποτελέσματα αυτής της διδακτορικής διατριβής μπορούν να συνεισφέρουν όχι μόνο στη βιομηχανία της αφαλάτωσης υφάλμυρου και θαλάσσιου νερού, αλλά και σε πολυάριθμες βιομηχανίες που παράγουν άλμη, όπως είναι οι βιομηχανίες παραγωγής πετρελαίου και φυσικού αερίου, οι κλωστοϋφαντουργικές βιομηχανίες, οι γαλακτοκομικές βιομηχανίες, κ.ά. Οι στρατηγικές MLD/ZLD υποστηρίζουν τη μετάβαση από τη γραμμική στην κυκλική οικονομία, όπου η παραγωγή αποβλήτων περιορίζεται στο ελάχιστο, οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα είναι περιορισμένες και η χρήση πόρων γίνεται πιο αποτελεσματική.