توسعه پایدار آب شیرین کن های آب دریا

 ولی تبدیل رویداد کم آبی به بحران خشکسالی در کشور، تنها منحصر به تغییرات اقلیم نبوده است. توسعه اقتصادی، صنعتی، افزایش جمعیت و مدیریت ناکارامد منابع آبی در دهه های اخیر اگر سهم بالاتری نسبت به تغییرات اقلیم در بروز بحران خشکسالی کشور نداشته باشد، یقیناً تأثیر کمتری نداشته است.

بررسی میزان ذخایر آبی در دهه های اخیر، عمق بحران مربوط به خشکسالی در کشور را نمایان می کند. مطالعات نشان می دهد که میزان ذخایر آب شیرین تجدیدپذیر در ایران در سال 1962 به ازای هر نفر معادل 5570 مترمکعب بوده که این میزان در سال ۲۰۱۴ برای هر نفر به حدود یک هزار و ۶۴۴ مترمکعب کاهش یافته است. اطلاق واژه "بحران" به پدیده کم آبی در ایران در مواجهه با واقعیت کاهش 70 درصدی ذخایر آب شیرین تجدید پذیر طی حدود 50 سال گذشته، معنی دار می شود.   

رویارویی و پذیرش واقعیت بحران کم آبی، اولین قدم در مسیر یافتن راهکارهایی برای تقلیل بحران است. ارائه راهکارهای بهینه جبرانی نیز مستلزم بررسی تجارب موفق کشورهای درگیر با این معضل است. کمبود آب ناشی از تغییرات آب هوا یکی از معضلات مشترک اکثریت کشورهای خاورمیانه و شمال آفریقا است. مدیریت صحیح منابع آبی و شیرین سازی آب دریا، راهکارهای اصلی اغلب این کشورها برای مواجه با چالش کم آبی در سالهای گذشته بوده است. سیاست گذاری و وضع قوانین سختگیرانه برای بهره وری از منابع آب شیرین تجدید پذیر در بخشهای مختلف تقاضا اعم از خانگی، صنعتی و کشاورزی، اولین گام برای مواجهه با بحران کم آبی است. 

شیرین سازی آب دریا

شیرین سازی آب دریا یکی از سیاستهای موفق کشورهای مختلف در مواجه با کم آبی در سرتاسر دنیا است. به طوریکه رشد سریع آب شیرین کن های دریایی در ده سال اخیر منجر به دو برابر شدن ظرفیت تولید آب شیرین از منابع آب شور طی یک دهه شده است. در حال حاضر بیش از 16000 واحد شیرین سازی آب دریا روزانه بیش از 100 میلیون مترمکعب آب شور دریا را برای مصارف مختلف شیرین سازی می کنند. هم اکنون تأمین آب نزدیک به 5 درصد از جمعیت مناطق کم آب نزدیک به ساحل در خاورمیانه، آفریقا، استرالیا، آمریکا و اروپا از شیرین سازی آب دریا یا اقیانوس انجام می شود.

منطقه خاورمیانه یکی از مناطق پیشرو در توسعه آب شیرین کن های صنعتی در سالهای اخیر بوده است. خصوصاً کشورهای حاشیه خلیج فارس طی دو دهه گذشته در توسعه ظرفیتهای شیرین سازی آب دریا پیشرفتهای چشمگیری داشته اند. در حال حاضر بیش از 50 درصد ظرفیت شیرین سازی آب دریا در دنیا مربوط به کشورهای خاورمیانه است که نمایانگر اهمیت موضوع و حجم بالای سرمایه گذاری در این منطقه جغرافیایی است. 

فناوری های شیرین سازی آب دریا

در حال حاضر دو فناوری حرارتی و غشایی از منظر تجاری برای شیرین سازی آب دریا در مقیاس صنعتی و احجام وسیع توسعه پیدا کرده اند. فرایندهای دیگر نمک زدایی و تصفیه آب صنعتی آبهای شور در مقایسه با این دو فناوری از نظر اقتصادی قابل رقابت نبوده و در مقیاس آزمایشگاهی یا نیمه صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند.

فناوریهای حرارتی در شیرین سازی آب دریا، فرایند طبیعی ایجاد باران را شبیه سازی می کنند. در این فناوری ها، آب شور دریا به وسیله انرژی حرارتی، بخار می شود. بخار آبِ فاقد یونهای محلول و شوری در کندانسور به حالت مایع در آمده و آب شیرینِ فاقد شوری تولید می شود. به منظور بهینه سازی مصرف انرژی، در تمامی این فرایند ها از بخار کندانس برای تأمین گرمای نهان مورد نیاز جهت تبخیر آب استفاده می شود. 

فناوری حرارتی شیرین سازی آب دریا در قالب فرایندهای MED و MSFدر آب شیرین کن های دریایی پیاده سازی می شوند. قدمت فرایند MSF در شیرین سازی آب دریا به سال 1970 میلادی برمی گردد. در این فرایند با استفاده از تبخیر مرحله ای آب در فشار پایین و تبدیل بخار به آب شیرین، آب شور دریا به آب شیرین مبدل می شود. در این فرایند آب گرم شده دریا در مراحل پیاپی(مخازن پی در پی) تبخیر می شود و همچنین فشار به صورت یک روند کاهشی طی این فرایند حفظ می شود. در ادامه بخارات ایجاد شده کندانس و بازیابی شده و به عنوان آب شیرین مورد استفاده قرار می گیرد.

انرژی لازم برای تبخیر آب توسط بویلر و بخار آب داغ تأمین می شود. به منظور کاهش مصرف انرژی در بویلر، لوله های ورودی آب دریا به مخازن، توسط بخار آب حاصل از تبخیر آب شورِ موجود در مخازن پیش گرم می شوند. بخار آب موجود در مخازن نیز در تماس با لوله های آب شور ورودی، سرد شده و پس از تبدیل به فاز مایع به عنوان آب شیرین جمع آوری می شود.

فرایند MED نیز مشابه MSF بر مبنای تبخیر و تقطیر چند مرحله ای آب(در مخازن پی در پی) در فشار پایین، آب دریا را نمک زدایی می کند. تفاوت اصلی این دو فرایند در ورود آب دریا به مخازن و روش تقطیر بخار و جمع آوری آب حاصل از میعان است. در فرایند MED آب دریا بعد از پیش گرمایش اولیه، در مخازن به روی لوله های داغ محتوی بخار آب، اسپری می شود. بخشی از بخار حاصل از انتقال حرارت میان جریان آب شور و سطح خارجی لوله های داغ حاوی بخار آب، در مرحله بعدی(مخزن بعدی) در فشار پایینتر به آب شیرین، تغییر فاز می دهد و این توالی تا مرحله آخر ادامه پیدا می کند.

فناوری غشایی بر مبنای فرایند اسمز معکوس آب دریا را شیرین سازی می کند. فرایند اسمز معکوس بر اساس عبور آب از غشای نیمه تراوا یا ممبران در فشار بالا انجام می شود. در این فرایند آب دریا با فشار بالا وارد غشا شده و براساس پدیده اسمز معکوس به دو جریان آب شیرین و آب شورتر تقسیم می شود. توسعه و پیشرفتهای فناوری غشایی در دهه اخیر، این فرایند را به اقتصادی ترین فناوری شیرین سازی آب دریا مبدل کرده است. 

توسعه پایدار شیرین سازی آب دریا

کم آبی و توسعه پر شتاب واحدهای شیرین سازی آب دریا در دنیا از اهمیت توجه به تبعات زیست محیطی احداث این واحدهای صنعتی نمی کاهد. توسعه پایدارِ آب شیرین کن های دریایی به معنای تأمین نیازهای آب شیرین نسل جدید بدون به خطر انداختن توانایی نسل های آینده برای تأمین نیازهایشان است. تهدید منافع و منابع نسل های آینده با رویکرد کوتاه مدت با اصول توسعه پایدار در تضاد است. 

پژوهشهای مختلفی در مورد شاخص های عملیاتی صنعت شیرین سازی آب دریا با اهداف توسعه پایدار انجام شده است. مطالعات مختلف نشان می دهد که توسعه واحدهای نمک زدایی بدون رعایت اصول توسعه پایدار و محافظت از طبیعت، تنوع زیستی و محیط زیست با مفهوم توسعه و رشد در تعارض است. از اینرو ارزیابی دقیق کلیه اثرات احداث این واحدها بر محیط زیست و منابع طبیعی بسیار حایز اهمیت است. 

ملاحظات زیست محیطی آب شیرین کن های دریایی

فناوری آب شیرین کن های مبتنی بر فرایند اسمز معکوس، جریانهای جانبی مختلفی را به طبیعت باز می گردانند. جریان شورابه از منظر کَمی مهمترین و بزرگترین جریان جانبی آب شیرین کن های دریایی است که به دریا بازگردانده می شود. معمولاً 35 تا 55 درصد از آب ورودی به تأسیسات آب شیرین کن های غشایی به آب شیرین مبدل می شود. مابقی آب خام ورودی، تحت عنوان جریان شورابه با شوری 60.000 تا 90.000 میلیگرم بر لیتر به آب دریا برگردانده می شود. 

جریان شورابه 90 تا 95 درصد از جریانهای جانبی دفع شده به محیط زیست توسط آب شیرین کن های اسمز معکوس را تشکیل می دهد. خصوصیات فیزیکی جریان شورابه در آب شیرین کن های با برداشت مستقیم آب دریا از نظر رنگ، شفافیت، بو و اکسیژن محلول مشابه آب شور دریا یا اقیانوسی است که آب خامِ آب شیرین کن را تغذیه می کند. 

جریان شورابه در مقایسه با پساب واحدهای صنعتی، فاقد هرگونه آلودگی بیولوژیکی یا شیمیایی است. تفاوت اصلی کیفی جریان شورابه با آب دریا، شوری بالای آن است. کیفیت و نوع یونهای محلول موجود در جریان شورابه کاملا مشابه با آب خام ورودی به آب شیرین کن دریایی است. بیش از 80 درصد شوری جریان شورابه متشکل از یونهای سدیم و کلر است که به عنوان ماده مغذی میکروارگانیسم ها و جانداران دریایی شناخته نمی شود. 

جریانهای جانبی دیگری که از آب شیرین کن های دریایی به طبیعت بازگردانده می شود، شامل جریانهای مربوط به شستشوی معکوس پیش تصفیه، شستشوی ممبرانها و آب شیرین با کیفیت پایین است. وجود برخی مواد شیمیایی و شستشو دهنده با غلظت پایین در این جریانها، ضرورت پایش مشخصات کیفی آنها را مشخص می کند. ولی با توجه به اینکه این جریانها تنها 5 تا 10 درصد از مجموع جریانهای جانبی را تشکیل می دهند، اختلاط آنها با جریان شورابه، غلظت مواد شیمیایی را به مقدار بسیار زیاد کاهش داده و آن را در محدوده قابل پذیرش برای دفع به آبهای آزاد می رساند. البته این رقیق سازی، الزام مربوط به خنثی سازی جریانهای اسیدی یا بازی را قبل از دفع به دریا از بین نمی برد. 

تأثیرات زیست محیطی دفع شورابه با شوری بالا به دریا 

شورابه مربوط به آب شیرین کن های صنعتی آب دریا، یک و نیم تا دو برابر از آب دریا شورتر است. دفع این شورابه به آب دریا و افزایش شوری محلی آب دریا از منظر فعالان محیط زیستی محلِ نگرانی است. از اینرو تأثیرات افزایش شوری آب دریا بر زیست بوم ساحلی، میکروارگانیسم ها و انوع آبزیان، موضوع پژوهش های مختلفی در سراسر دنیا بوده است. 

غشای سلولی در ساختار زیستی میکروارگانیسم ها و آبزیان به عنوان یک غشای زیستی، عملکرد مشابه غشا نیمه تراوا را دارد. مهمترین تأثیر افزایش شوری آب بر جانداران دریایی، افزایش فشار اسمزی میان آب میان بافتی آبزیان و آب دریا در طرفین غشای زیستی است. افزایش شوری آب منجر به افزایش فشار اسمزی و نرخ تبادل جرم از غشای زیستی می شود. عموماً غشاهای زیستی در برابر مولکول های بزرگ و قطبی مانند یونها، پروتئینها و پلی ساکاریدها غیرقابل نفوذ هستند. ولی در برابر مولکول های غیر قطبی یا آبگریزی مانند لیپیدها و همچنین به مولکول های کوچک مانند اکسیژن، دی اکسید کربن، نیتروژن و نیتریک نفوذ پذیر هستند.

سازگاری اسمزی(Osmoregulation) به قابلیت آبزیان در حفظ آب میان بافتی در سطح مورد نیاز برای فعالیتهای زیستی در برابر تعییرات شوری آب گفته می شود. سازگاری اسمزی به عنوان مهمترین عامل پایداری زیستی آبزیان در برابر تغییرات وسیع شوری آب شناخته می شود. جانداران دریایی با قابلیتهای سازگاری اسمزی متفاوت در مناطق مختلف آبهای شور وجود دارند.       

مطالعات مختلف نشان می دهد که رفتار آبزیان در قبال افزایش شوری آب دریا به مدت در معرض قرار گرفتن آب شور با شوری بالا و میزان شوری افزایش یافته بستگی دارد. بسیاری از آبزیان، افزایش شوری آب را به مقدار قابل توجهی در زمانهای کم تحمل می کنند. ولی چنانچه مدت زمان در معرض قرار گرفتن این آبزیان با شوری بالا افزایش یابد، عملکرد زیستی این آبزیان در معرض تهدید قرار می گیرد. البته شایان ذکر است که افزایش شوری، تأثیر مثبتی بر عملکرد زیستی برخی از میکروارگانیسم ها و آبزیان دارد. بنابراین تغییر زیست بوم حاصل تأثیرات مثبت یا منفی ناشی از تغییرات شوری آب دریا بر روی زیست آبزیان است. 

با توجه به نتایج پژوهشها در خصوص اثرات افزایش شوری آب بر زیست آبزیان، تأثیر پذیری فعالیت زیستی آبزیان در مقابل تغییرات شدید شوری، انکار ناپذیر است. ولی میزان افزایش شوری آب و نوع زیست بوم دریایی، تعیین کننده میزان اثرگذاری و تأثیر پذیری زیست بوم در برابر تغییرات محیطی است. از اینرو نوع سامانه دفع شورابه آب شیرین کن های غشایی به دریا، تعیین کننده میزان افزایش شوری محلی و تأثیر بر زیست بوم دریایی است. 

سامانه دفع شورابه آب شیرین کن های آب دریایی  

بازگرداندن مجدد شورابه آب شیرین کن های دریایی به دریا به توجه به کمیت شورابه و شوری بالای آن اجتناب ناپذیر است. زیرا گزینه مناسب دیگری برای بهره برداری یا دریافت جریانی با دبی و شوری بالای شورابه وجود ندارد. 

کشورهای توسعه یافته با وضع قوانین سختگیرانه در مورد سامانه های دفع شورابه آب شیرین کن دریایی از زیست بوم دریایی محافظت می کنند. قوانین زیست محیطی در کشورهای مختلف، حدود مجاز پذیرش متغیرهای کیفی مختلف آب دریا را اعم از شوری، دما، اکسیژن محلول، PH و غیره را در محدوده ساحلی و منطقه دفع شورابه به آب شیرین کن های دریایی الزام می کنند. 

با توجه به اهمیت زیاد کیفیت دفع شورابه به دریا، سامانه های دفع شورابه به دریا در آب شیرین کن های دریایی غشایی توسعه یافته اند. مهمترین هدف سامانه های دفع شورابه به دریا، توزیع یکنواخت شورابه در آب دریا با رعایت محدودیتهای زیست محیطی است. عدم تجاوز از محدودیتهای زیست محیطی نظیر شوری محلی مستلزم توزیع متناسب شورابه و رقیق سازی و انتقال آن با توجه به جریانهای دریایی منطقه ای است. 

انتخاب نوع سامانه دفع شورابه به دریا وابسته به مدل هیدرودینامیکی آب دریا در منطقه آب شیرین کن است. گزینه های متداول برای سامانه های دفع شورابه به آب دریا مشتمل بر دفع ساحلی و دفع در بستر دریا با استفاده از توزیع کننده های با سرعت بالا است. 

دفع ساحلی شورابه به دریا در ناحیه جذر و مد ساحلی انجام می شود و مبتنی بر توان اختلاط و انتقال امواج ساحلی است. این روش دفع شورابه برای آب شیرین کن های کوچک و متوسط با حجم شوری پایین و متوسط مناسب خواهد بود. در صورت بالاتر بودن حجم شوری وارد شده به دریا از توان انتقال و توزیع امواج ساحلی و جذر و مد، افزایش شوری منطقه ای در ساحل در بلند مدت اجتناب ناپذیر خواهد بود. از اینرو توجه به مدل هیدرودینامیکی و کمیت شوری وارده به منطقه ساحلی جهت انتخاب روش دفع ساحلی و اجتناب از تغییر زیست بوم ساحلی، حایز اهمیت است. 

سامانه دفع شورابه در بستر دریا با بهره گیری از توزیع کننده های سرعت بالا، توان انتقال و اختلاط بالایی برای توزیع شورابه در بستر دریا دارد. در این روش شورابه توسط لوله در بستر دریا به فاصله 100 تا 1000 متر از ساحل منتقل شده و به وسیله توزیع کننده های سرعت بالای جریان به دریا وارد می شود. اندازه و طول لوله دفع و توزیع کننده های جریان وابسته به مدل هیدرودینامکی آب دریا است. این فرایند برای دفع شورابه واحدهای نمک زدایی با ظرفیت بالا مناسب بوده و در مقایسه با دفع ساحلی، هزینه سرمایه گذاری اولیه به مراتب بالاتری را طلب می کند. هزینه سرمایه گذاری اولیه سامانه دفع شورابه در این روش، ممکن است که تا 30 درصد از هزینه سرمایه گذاری اولیه واحد شیرین سازی را شامل شود. 

توسعه پایدار آب شیرین کن های دریایی

حصول اطمینان از حفاظت از محیط زیست و زیست بوم دریایی از الزامات توسعه پایدار آب شیرین کن های دریایی است. مطالعات و پژوهش های بلند مدت در خصوص دفع شورابه واحدهای نمک زدایی غشایی در نقاط مختلف دنیا نشان می دهد که طراحی و اجرای مهندسی سامانه دفع شورابه، تأثیرات زیست محیطی دفع شورابه را به حداقل رسانده و آن را در محدوده مجازِ پذیرش استانداردهای مختلف زیست محیطی قرار می دهد. 

مطالعه سابقه کارکرد آب شیرین کن های دریایی نشان می دهد که شیرین سازی آب دریا با فرایند غشایی و دفع شورابه به آب دریا، در صورت طراحی و اجرای صحیح سامانه دفع، هیچگونه آثار مخربی بر زیست بوم دریا و جانداران دریایی ندارد. از اینرو توسعه واحدهای نمک زدایی آب دریا با هدف جبران کم آبی در کشورهای فقیر آبی با اهداف توسعه پایدار در تعارض نمی باشد.

سید احسان مجتبوی- طراح و پژوهشگر آب شیرین کن های دریایی.