Ολοκληρωμένη αξιοποίηση των αλατούχων υγρών αποβλήτων από μονάδες αφαλάτωσης

Abstract

Water is undoubtedly the source of life on our planet and the driving force of human progress. As both the world’s population and the pollution of existing natural water resources increase, the phenomenon of water scarcity has increased significantly in recent years. Desalination is seen as a feasible solution to this global problem. Although desalination produces freshwater, a critical environmental issue is the brine produced by desalination. Brine is usually disposed of in the environment by various disposal methods (surface water discharge, discharge into a sewerage network, deep-well injection, evaporation ponds, and land application). In addition to its high salinity, brine may contain hazardous pre-treatment chemicals, organic compounds, microbial load and heavy metals.Brine disposal methods have recently been considered unsustainable due to negative environmental impacts, stricter environmental regulations, and increased efforts to recover useful materials (e.g., freshwater, salts) from brine. The alternative approaches to brine management that are now being considered are not based on the disposal but on the minimization/elimination of waste (to achieve maximum freshwater production and minimum/zero solid waste production).The aim of the present doctoral dissertation is the analysis and evaluation of desalination technologies (thermal-based and membrane-based) that can be used for the integrated treatment and utilization of desalination brine, as well as the techno-economic analysis and evaluation of systems based both on the principle of zero liquid discharge (ZLD) and on the principle of minimal liquid discharge (MLD) to recover useful materials. Under the ZLD framework, about 100% of freshwater is recovered and a solid salt is produced that can be utilized or disposed of in a more environmentally friendly way. On the other hand, under the MLD framework, the freshwater recovery target is slightly lower (up to 95%), while at the same time, only membrane-based desalination technologies are used.Initially, desalination technologies (thermal-based and membrane-based) were analyzed and evaluated in terms of their ability to treat brine effectively. In particular, technologies were analyzed and evaluated in terms of maximum freshwater recovery, advantages, disadvantages, technological maturity, energy consumption and costs.The MLD and ZLD strategies for the treatment and utilization of brine were then analyzed and evaluated using nine (9) criteria for the first time in the international scientific literature. The criteria used covered various aspects (performance, economy, environment and society) and are (1) stages, (2) technologies, (3) freshwater recovery, (4) salinity of feed brine, (5) energy consumption of each technology, (6) greenhouse gas emissions (GHGs), (7) cost, (8) recovery of useful materials and (9) social acceptance. Subsequently, in order to better assess the energy consumption of desalination technologies, the minimum energy consumption (MEC) in the treatment of brine was studied. A mathematical model was introduced and various parameters were analyzed, such as the rate of recovery, the salinity and temperature of the feed brine, the purity of the freshwater produced. A techno-economic analysis and evaluation of ZLD systems for the treatment and utilization of desalination brine in the Eastern Mediterranean was presented. Initially, two systems with a capacity of 100 m3/day were examined: (i) a ZLD system producing both freshwater and a mixed solid salt from brackish water brine (system 1) (ii) a ZLD system producing both freshwater and a mixed solid salt from seawater brine (system 2). The results showed that the energy consumption in system 1 (9,48 kWh/m3) is 2,38 times lower than in system 2 (22,55 kWh/m3) due to the 7 times lower salinity of the feed. Differentiation in energy requirements also translates into cost, since system 2 (€0,85/m3) is 1,24 times more expensive than system 1 (€0,69€/m3). Whether only freshwater is sold or both freshwater and mixed solid salt are sold, both systems are profitable as the profit ranges from €176,34/day to €195,72/day. In both systems, the cost is at least 3,18 times lower than the cost of evaporation ponds, while it is at the same level as the cost of land application and deep-well injection. Subsequently, a techno-economic analysis and evaluation of a third ZLD system (system 3) was carried out, which, unlike system 2 that produced freshwater and a mixed solid salt from seawater brine, system 3 produces freshwater, a mixed solid salt and a high-purity NaCl salt from seawater brine. The results showed that both the energy consumption (31,81 kWh/m3) and the freshwater cost (€1,12/m3) of system 3 are higher than those of system 2. Whether only freshwater is sold or both freshwater and salts are sold, both systems are profitable. In particular, when freshwater and salts are sold, system 3 (€293,40/day) is 1,52 times more profitable than system 2 (€191,96/day), as NaCl production significantly increases revenues. In both systems, the cost is at least 2,39 times lower than the cost of evaporation ponds, while it is at the same level as the cost of land application and deep-well injection.Subsequently, for the first time in the international scientific literature, a techno-economic analysis and evaluation of five MLD systems for the treatment of seawater brine was carried out. The results showed that recovery ranges from 78% to 89% and is considered sufficient, as freshwater recovery is up to 95% in MLD systems. The results showed that the cost of MLD systems ranges from €0,65€/m3 to €1,12€/m3, while the profit of the systems ranges from €112,43/day to €157,07/day. The cost of evaporation ponds is at least 2,4 times higher than the cost of treatment of any of the five MLD systems. As for the cheapest MLD system (system 2), its cost (€0,65/m3) is close to the minimum cost of land application (€0,62/m3).Overall, the results of the present doctoral dissertation can contribute not only to the brackish water and seawater desalination industry but also to numerous brine-producing industries, such as the oil and gas industries, textile industries, dairy industries, etc. The MLD/ZLD strategies support the transition from linear to a circular economy, where waste generation is kept to a minimum, carbon emissions are limited and resource use becomes more efficient.

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.