آب شیرین کن خورشیدی در شهر تربت جام

انواع آب شیرین کن خورشیدی با هدف تولید آب آشامیدنی سالم برای مناطق کم‌برخوردار تولید و در بازار عرضه شده‌اند. بنابر گزارش "دستی بر ایران"، سایت "فران"، در کنار معرفی انواع آب شیرین‌کن‌های غشایی، صنعتی و خورشیدی از مزایای استفاده از آن‌ها در مناطق مختلف، اطلاعات مفیدی ارائه می‌دهد.

ایران با میانگین بارش سالیانه حدود 260 میلیمتر در مقایسه با میانگین جهانی 360 میلیمتر، در گروه کشورهای با اقلیم خشک و کم آب طبقه‌بندی می‎شود. استان خراسان رضوی مشتمل بر شهرهای مشهد، قوچان، تربت‌جام، سبزوار، تربت‌حیدریه، نیشابور، و غیره با بارش میانگین سالیانه 163 میلیمتر نیز از استانهای خشک و کم‌بارش کشور شمرده می‌شود.

شهر تربت جام یکی از قدیمی ‌ترین شهر های استان خراسان رضوی است که جمعیتی بالغ بر صد هزار نفر دارد. زبان اکثر مردم شهر پارسی است و موسیقی و رقص محلی از اصلی‌ ترین آداب و رسوم تربت جام به حساب می ‌آید. شهر تربت جام به دلیل وجود تابستان‌ های گرم و خشک و زمستان‌ های سرد، آب ‌و هوای معتدل و خشک دارد و در اکثر ماه ‌های سال با کمبود آب مواجه است.

کمبود آب شرب از مهم ‌ترین معضلات تربت جام به حساب می‌ آید به طوری که در سال ‌های اخیر آب‌ رسانی به وسیله تانکر به روستاهای اطراف تربت جام انجام می‌ شود و همچنین دامداری ‌ها و مرغداری ‌ها نیز برخی به‌ صورت مجاز و برخی غیر مجاز از آب شرب مصرفی این شهر استفاده می‌ کنند.

تأمین آب آشامیدنی پایدار مهم‌ترین اولویت و چالش در شهرهای دچار کم‌آبی در استان خراسان رضوی است. مدیریت منابع تجدیدپذیر آب‌های زیرزمینی به‌منظور تأمین بخشی از آب شرب موردنیاز ساکنین یکی از راهکارهای تأمین آب خصوصاً در شهرهای کوچک استان می‌باشد. لیکن به دلیل کاهش قابل‌توجه سطح آبهای زیر زمینی، آب چاه اغلب مناطق این استان شور می‎باشد.

شیرین‌سازی آب‌شور منابع آب زیر زمینی در کنار محافظت از این منابع آبی، مهم‌ترین چالش‎های تأمین آب به شمار می‎آید. انتخاب فناوری مناسب شیرین‌سازی و برداشت غیرمتمرکز آب از منابع زیر زمینی یکی از گزینه‌های پیش رو برای غلبه بر بحران کم‌آبی در استان خراسان رضوی است. آب ‌شیرین‌کن‌ های غیرمتمرکز خورشیدی در ظرفیت‌های پایین به دلیل سرعت بالای نصب و راه‌اندازی و استقلال از شبکه برق سراسری یکی از گزینه‌های مناسب تأمین آب خصوصاً در شهرهای کوچک و کم‌برخوردار به شمار می‌رود.

آب شیرین کن صنعتی

شیرین سازی آبهای شور در آب شیرین کن های صنعتی غشایی براساس فرایند اسمز معکوس انجام می شود. در فرایند اسمز معکوس، آب شور با اعمال فشار بالا به غشای نیمه تراوا یا ممبران وارد می شود. بخشی از ملکولهای آب از غشای نیمه تراوا عبور کرده و جریان آب شیرین را تشکیل می دهند. بخشی از ملکولهای آب و یونهای محلول نیز با غلظت بالاتر شوری به عنوان جریان شورابه دفع می شوند. در حقیقت آب شور ورودی به فرایند اسمز معکوس به دو جریان آب شیرین و شورابه تقسیم می شود.

توسعه فناوری غشایی در شیرین‌سازی آب‌های شور در دهه گذشته، این فناوری را به‌عنوان اقتصادی‌ترین فرایند در مقیاس تجاری مطرح نموده است. پیشرفت قابل‌توجه فناوری تولید غشا نیز منجر به کاهش بهای آب شیرین تولیدی شده است. لیکن هنوز بخش اصلی بهای تمام شده آب تولیدی در آب‌شیرین‌کن های صنعتی مربوط به هزینه سرمایه‌گذاری اولیه تجهیزات الکترومکانیکال مصرف‌کننده انرژی الکتریکی و هزینه‌های انرژی مصرفی مرتبط با آن می‎باشد.

یکی از ویژگی‌های مهم فناوری شیرین‌سازی اسمز معکوس، امکان طراحی و اجرای مدولار فرایند اسمز معکوس است. این قابلیت امکان ساخت آب‌شیرین‌کن با ظرفیت‌های مختلف و به‌صورت غیرمتمرکز را فراهم می‌کند. آب‌شیرین‌کن های صنعتی در ظرفیت‌های کم تا واحدهای عظیم آب‌شیرین‌کن آب دریا با ظرفیت‌های بالای تولید آب شیرین بر مبنای فرایند جداسازی غشایی طراحی و ساخته می‌شوند. یکی از مزایای مهم این قابلیت امکان پیاده‌سازی عملیات شیرین‌سازی در نقاط مختلف جغرافیایی و در مجاورت منابع آب‌های شور است.

تولید آب آشامیدنی سالم توسط آب شیرین کن خورشیدی

یکی از دغدغه های اصلی بهره گیری از واحدهای آب شیرین کن صنعتی، پاسخ به این پرسش است که آیا کیفیت آب تولیدی توسط این آب شیرین کن ها از نظر استاندارهای کیفیت آب آشامیدنی مناسب است؟ آیا آب تولید شده امکان انتقال عوامل بیماری زا نظیر ویروس ها و باکتری ها را به بدن انسان دارد؟

آب آلوده در انتقال بیماری‌هایی چون وبا، اسهال، هپاتیت A، حصبه، دیسانتری، فلج اطفال و… نقش دارد. از این‌رو آب آشامیدنی باید از نظر کیفی استاندارهای مربوط به شاخصهای فیزیکی، شیمیایی، بیولوژیکی و میکروبی آب آشامیدنی را داشته باشد.

در فرایند اسمز معکوس، غشاها یا ممبرانهای اسمز معکوس مانع بسیار قابل اطمینانی در برابر عبور انواع ویروس ها، باکتریها و عوامل بیماری زا هستند. حتی اگر آب خام ورودی حاوی ویروس یا عوامل بیماری زا باشد، غشاهای اسمز معکوس اجازه عبور هیچ ویروس، باکتری یا پاتوژنی را از آب شور ورودی به آب شیرین نمی دهند. از این‌رو آب شیرین تولیدی توسط آب شیرین کن های غشایی در صورت طراحی و بهره‬برداری صحیح، عاری از هرگونه عامل بیماری زا بوده و استاندارهای میکروبی مربوط به آب آشامیدنی سالم را براورده می کند.

کاهش شوری آب به معنای کاهش یونهای محلول آب نظیر سدیم، کلر، نیترات و غیره توسط فرایند غشایی است. ولی برخی از یونهای محلول در آب نظیر کلسیم و منیزیم برای سلامتی انسان مفید هستند و کاهش غلظت این یونها در آب آشامیدنی، ارزش غذایی آب را کاهش می دهد. از اینرو برای غنی سازی آب از یونهای مغذی نظیر کلسیم، بکارگیری فرایند املاح زنی برای افزایش غلظت یون کلسیم در خروجی آب شیرین کن های خورشیدی امکان پذیر است.

انرژی مصرفی آب شیرین کن های غشایی

انرژی مصرفی آب شیرین کن های حرارتی از انرژی حرارتی نظیر سوختهای فسیلی و انرژی آب شیرین کن های غشایی از انرژی الکتریکی تأمین می شود. میزان مصرف انرژی الکتریکی نیز متناسب با شوری آب است. با افزایش شوری آب، فشار مورد نیاز برای فرایند اسمز معکوس افزایش پیدا می کند. افزایش فشار مورد نیاز نیازمند بهره گیری از پمپ فشار قوی با توان الکتریکی بالاتر است. از این‌رو فرایند شیرین سازی آب دریا با شوری بالا از شیرین سازی آبهای چاه با شوری کمتر انرژی الکتریکی ویژه بیشتری طلب می کند.

توسعه آب شیرین کن های غشایی سبب شده است که مصرف انرژی الکتریکی این واحدها در 50 سال اخیر به طرز چشمگیری کاهش پیدا کند. به طوریکه میزان مصرف انرژی الکتریکی ویژه فرایند اسمز معکوس برای شیرین سازی آب دریا در سال 1970 حدود 20 کیلووات ساعت به ازای هر مترمکعب بوده است. ولی با توسعه فناوریهای تولید غشاهای اسمز معکوس، افزایش راندمان پمپ فشار قوی و افزایش راندمان بازیابی انرژی، مصرف انرژی ویژه آب شیرین کن ها در اواسط دهه 1980 به حدود 8 کیلووات ساعت به ازای هر مترمکعب آب شیرین کاهش پیدا کرده است.

امروزه با معرفی فناوری های جدید بازیابی انرژی، میزان راندمان بازیابی انرژی به حدود 93 الی 97 درصد افزایش پیدا کرده و انرژی ویژه مصرفی آب شیرین کن های بزرگ صنعتی دریایی به حدود 3 کیلووات ساعت بر متر مکعب کاهش پیدا کرده است که دستاورد بزرگی برای کاهش بهای آب شیرین تولیدی از دریاها است.

با وجود پیشرفت های انجام شده در فناوری اسمز معکوس کماکان میزان مصرف انرژی در آب شیرین کن های صنعتی، 40 تا 75 درصد از کل هزینه بهره برداری واحدهای آب شیرین کن دریایی را وابسته به هزینه های انرژی در کشورهای مختلف تشکیل می دهد.

 آب شیرین کن خورشیدی غشایی

امروزه بکارگیری سلول‌های فتوولتاییک (PV) برای تولید انرژی الکتریکی از تابش خورشیدی به شکل تجاری در دنیا توسعه ‌یافته است. در سلول‌های فتوولتاییک، پرتو خورشید توسط ماده نیمه‌رسانا نظیر سلول‌های سیلیکونی، با ایجاد اختلاف پتانسیل الکتریکی، انرژی خورشیدی را به انرژی الکتریکی مبدل می‎کند.

با توجه ‌به وضعیت تابش مناسب خورشید در مناطق شهر تربت جام، امکان تأمین انرژی الکتریکی موردنیاز تجهیزات آب‌شیرین‌کن توسط مزرعه خورشیدی وجود دارد. در این صورت راه‌اندازی آب‌شیرین‌کن های غیرمتمرکز در سریع ترین زمان و مستقل از امکان دسترسی به شبکه سراسری برق امکان‌پذیر خواهد بود.

طراحی سامانه‌های فوتوولتاییک به‌صورت متصل و منفصل از شبکه سراسری برق امکان‌پذیر است. در سامانه‌های متصل به شبکه، سامانه فوتوولتاییک به طور متصل به شبکه برق سراسری عمل می‌نمایند. در این حالت ارتباطی دوجانبه میان سلول‌های فتوولتائیک و شبکه برق سراسری وجود دارد. بطوریکه که اگر جریان مستقیم تولیدی توسط سامانه‌های فتوولتائیک بیش از نیاز آب شیرین کن باشد، مازاد آن به شبکه برق سراسری تغذیه می‌گردد و در هنگام شب که امکان استفاده از نور خورشید وجود ندارد، بار الکتریکی مورد نیاز آب‌شیرین‌کن توسط شبکه برق سراسری تأمین می‌گردد.

سامانه‌های فوتوولتاییک منفصل از شبکه به‌صورت مستقل از شبکه برق سراسری عمل می‌کنند. در این سامانه‌ها توان نصب شده پنل‌های فوتوولتاییک باهدف ذخیره‌سازی انرژی در مدت‌زمان روز، بیشتر از توان مصرفی آب‌شیرین‌کن در نظر گرفته می‌شود و توان مازاد تولیدی برای تأمین انرژی مصرفی تجهیزات در طول مدت شب از باتری‌های شارژ شده در طول روز، تأمین می‎گردد.

شهر تربت‌جام به‌عنوان شهر منتخب استان خراسان رضوی در طول جغرافیایی 60.624 و عرض جغرافیایی 35.243 قرار دارد. به طور طبیعی شدت و میزان تابش در ماه‌های مختلف سال متفاوت است. طراحی منفصل سامانه فوتوولتاییک برای آب‌شیرین‌کن غیرمتمرکز در شهر تربت‌جام مستلزم پیش‌بینی توان فوتوولتاییک در بدترین ماه سال از منظر انرژی قابل استحصال خورشیدی است. نمودار (2) تغییرات مربوط به انرژی قابل استحصال خورشیدی را در ماه‎های مختلف سال در شهر تربت‌جام بر اساس داده‌های نرم‌افزار Meteonorm 8.1 نشان می‎دهد.

ارزیابی آب‌شیرین‌کن های خورشیدی غیرمتمرکز و مستقل از شبکه سراسری برق به‌عنوان یکی از گزینه‌های تأمین آب آشامیدنی در شهر تربت جام، مستلزم امکان‌سنجی اولیه و ارزیابی فنی و اقتصادی می‎باشد. انجام ارزیابی فنی مشتمل بر دو بخش فناوری شیرین‌سازی و سلول‌های فوتوولتاییک بوده و بررسی اقتصادی مربوط به هزینه سرمایه‌گذاری اولیه در هر بخش می‎باشد.

ارزیابی اقتصادی آب شیرین کن خورشیدی

هزینه سرمایه‌گذاری اولیه احداث آب شیرین کن‌های خورشیدی مشتمل بر هزینه‌های مربوط به بخش آب‌شیرین‌کن صنعتی و بخش مزرعه خورشیدی است. باتوجه‌ به ضرورت نصب و راه‌اندازی سریع آب‌شیرین‌کن‌های با ظرفیت پایین، طراحی و ساخت آب‌شیرین‌کن کانتینری با هدف قابل ‌حمل بودن و راه‌اندازی در کمترین زمان ممکن نسبت به گزینه‌های دیگر ارجح است.

برآورد هزینه سرمایه‌گذاری اولیه احداث آب‌شیرین‌کن کانتینری بر اساس تجهیزات موردنیاز برای فرایند پیش‌تصفیه، اسمز معکوس و تصفیه نهایی انجام می‌شود. برآورد هزینه‌های مربوط به مهندسی، نصب، راه‌اندازی، مخازن ذخیره‌سازی آب، سیستم توزیع آب آشامیدنی، آموزش بهره‌برداری و بالاسری شامل بیمه، مالیات، هزینه حمل‌ونقل و غیره به این هزینه‌ها افزوده می‌شود.

بخش پیش‌تصفیه شامل بسترهای مختلط فیلتراسیون متشکل از سیلیس، آنتراسیت، کربن فعال و در ادامه میکروفیلتراسیون می‌باشد. تصفیه میانی یا بخش اسمز معکوس نیز شامل هزینه‌های مربوط به پمپ فشارقوی، ممبران، استوانه‌های تحت‌فشار بوده که عملیات اصلی شیرین‌سازی آب را انجام می‌دهد. آب شیرین تولید شده در بخش تصفیه نهایی نیز ضدعفونی شده و املاح ضروری برای بدن انسان نظیر کلسیم به آن افزوده می‌شود.

هزینه سرمایه گذاری اولیه طراحی و ساخت آب شیرین کن کانتینری با احتساب هزینه بالاسری و راه اندازی برای تولید آب آشامیدنی با ظرفیت 120,000 لیتر در شبانه روز در شهر تربت جام برابر حدود صد هزار دلار می باشد. (با توجه نوسانات نرخ تسعیر ارز) براورد ارزی انجام شده است.

برآورد هزینه مزرعه خورشیدی موردنیاز برای تأمین انرژی آب‌شیرین‌کن بر اساس نتایج شبیه‌سازی انجام می‎شود. بخش اول هزینه سرمایه‌گذاری اولیه مشتمل بر هزینه آماده‌سازی زمین، محوطه‌سازی و حفاظت فیزیکی از سامانه فوتوولتاییک می‎باشد. بخش دوم هزینه مربوط به هزینه خرید پنل‌های خورشیدی، پایه‌های نگهدارنده، مبدل جریان، باتری و کابل‌های ارتباطی است.

برآورد هزینه سرمایه‌گذاری اولیه برای احداث مزرعه خورشیدی فوتوولتاییک منفصل از شبکه برق سراسری در شهر تربت‌جام با ظرفیت نصب شده 144 کیلووات ساعت پیک و ظرفیت ذخیره‌سازی باتری 307 کیلووات ساعت با احتساب هزینه‎های طراحی، نصب، راه‌اندازی، بالاسری و آموزش بهره ‌برداری حدود دویست هزار دلار می ‎باشد.

باتوجه ‌به رویکرد غیرمتمرکز تأمین آب آشامیدنی توسط آب‌شیرین‌کن‌های کانتینری با ظرفیت پایین، مدت‌زمان احداث واحد حایز اهمیت است. باتوجه ‌به تجربیات موفق شرکت‌ فران در طراحی و ساخت آب ‌شیرین‌کن های صنعتی، امکان اجرای این واحدها با ظرفیتهای مختلف در شهرهای مختلف کشور در کمتر از 60 روز وجود دارد.

شرکت مهندسی فران طراح و تولید کننده آب شیرین کن های کانتینری و آب شیرین کن های خورشیدی غشایی می باشد. واحد طراحی شرکت مهندسی فران، با بکارگیری آخرین دستاوردهای فناوری های روز نسبت به طراحی فرایند شیرین سازی آب بر اساس آنالیز آب خام اقدام می کند. شرکت فران به عنوان وارد کننده ممبران Filmtec از مبادی اصلی، آمادگی تحویل سریع آب شیرین کن های کانتینری را با توجه به نیازمندی مشتریان محترم در نقاط مختلف کشور دارد.