روشهای برداشت آب دریا(Seawater Intake)

برداشت آب دریا

برداشت آب دریا برای مصارف نمک زدایی و شیرین سازی آب به عنوان یکی از مهمترین بخشهای آب شیرین کن های دریایی به شمار می رود. بررسی نوع برداشت آب دریا و سازه های مربوط به آن از منظر مهندسی و اقتصادی بسیار حایز اهمیت است.

 

نوع برداشت آب دریا یا آبگیر یکی از اجزای اصلی تاسیسات نمکزدایی است. هدف اصلی از احداث آبگیر(Seawater Intake)، اطمینان از جریان ثابت و کافی و کیفیت مناسب آب خام درتمام طول عمر مفید تاسیسات نمک زدایی است. در حال حاضر، دو نوع آبگیر پر کاربرد شامل آبگیرهای سطحی و آبگیرهای زیرسطحی (آب زیرزمینی، چاه) برای جمع آوری آب برای ورود به تاسیسات نمکزدایی وجود دارد.

آبگیر سطحی، آب خام را به طور مستقیم از آبهاي سطحی(مانند اقیانوس، دریا، رودخانه شور و دریاچه) از طریق تاسیسات واقع در ساحل و یا دور از ساحل و خطوط انتقال به تاسیسات نمک زدایی منتقل می کند. آب خام جمع آوری شده توسط این نوع آبگیرها معمولاً حاوی آشغال ها، جامدات درشت و ریز و سیلت و موجودات آبزی (به عنوان مثال ماهی، جلبک، باکتری ها و غیره) است که نشان مي دهد که پیش تصفیه این نوع آبها پیچیده تر است.

آبگیرهای زیرسطحی از آبخوان آب شور زیرزمینی یا آبخوان شور ساحلی برای جمع آوری آب خام برای تاسیسات نمک زدایی استفاده می کنند. آب شور به دست آمده با استفاده از آبگیرهای زیرسطحی از طریق سفره آبی منتقل می شود که بطور طبیعی آشغال ها، موجودات دریایی و برخی از ارگانیسم ها را فیلتر می کند و بدین وسیله پتانسیل رسوب غشای RO کاهش می‌یابد. در نتیجه، استفاده از آبگیرهای زیرسطحی برای جمع آوری آب خام معمولاً نیاز به پیش تصفیه ساده‌تری نسبت به آب خام جمع آوری شده توسط آبگیر های سطحی دارد.

 

برداشت آب زیر سطحی(Subsurface Intakes)

روشهای برداشت آب زیر سطحی برای تاسیسات نمک زدایی آب دریا، آب را از آبخوان شور نزدیک به ساحل(ساحلی) و یا از آبخوان‌های دور از ساحل زیر کف اقیانوس جمع آوری می‌کند. با توجه به تغییرات کیفیت آب و حجم آبهای زیرزمینی شیرین که در ساحل تخلیه مي‌شود، کیفیت آب در سفره‌های دور از ساحل با سفره‌های ساحلی متفاوت است. آب جمع آوری شده در آبگیرهای زیرسطحی از طریق فیلتراسیون کند در لایه‌های خاکی زیرین منطقه، پیش تصفیه می‌شود.

چاه برداشت آب عمودی ساحلی

چاههای عمودی ساحلی رایجترین نوع مورد استفاده آبگیر های زیرسطحی در حال حاضر است. چاه های عمودی از اجزای اصلی لوله، آشغالگیر، فیلتر، سرپوش چاه تشکیل چاه ساحلیشده است. .این چاه ها مجهز به پمپ توربینی شناور یا عمودی هستند که درون حفره چاه نصب شده‌اند. لوله چاه، لوله ای از جنس استیل یا غیر فلزی (به طور معمول فایبرگلاس) است. آشغالگیر قسمتی از آبگیر چاه است. عمق قرارگیری آشغالگیر، اندازه چشمه ها، قطر و طول، معیارهای اصلی طراحی آشغالگیر چاه هستند. سرعت ورودی چاه برای جلوگیری از ورود بیش از حد شن و ماسه و ذرات دیگر کنترل می شود، تا تأثیر منفی بر عمر مفید چاه و کیفیت آب و سیستم پیش تصفیه پایین دست نداشته باشد.

عملکرد آشغالگیر با فیلتراسیون تقویت می شود که شامل شن و ماسه تمیز، یکنواخت و با دانه‌بندی مناسب است که بین منافذ ورودی آب به چاه و آشغالگیر قرار می گیرد تا بتواند آب زیرزمینی ورودی به چاه را فیلتر کند. برای جلوگیری از ورود خاک و سایر آلاینده ها به منطقه آشغالگیر، یک سرپوش در بالای فیلتر نصب شده است. سرپوش چاه، از چاه در برابر آلودگی محافظت می‌کند.

چاه برداشت آب عمودی با گالری یا انباره های افقی

چاه اصلی(caissons) در این نوع چاه‌ها با قطر بالا و به صورت بتن مسلح طراحی و ساخته می شود که با چاه عمودی با گالریگالری های پیش بینی شده (مانند شکل روبرو)، به صورت افقی از درون چاه به طرف آبخوان اطراف آن، در زیر سطح زمین امتداد می‌یابد. این نوع چاه ها به نام Ranney شناخته می شوند. گالریها، لوله های افقی با منافذ مشخص هستن که آب فیلتر شده از بستر آبخوان را بعد از فیلتراسیون فیزیکی به داخل کیسون هدایت می کنند. قطر و طول گالری های افقی و همچنین نوع و اندازه منافذ به بستر خاکی منطقه ساحلی بستگی دارد و در میزان آبدهی چاه موثر است.

با توجه به اینکه گالری های عبور آب در کیسون جمع کننده به صورت افقی قرار می گیرند، دستیابی به سرعت بالاتری برای جمع آوری آب خام نسبت به بیشتر چاه‌های عمودی امکان پذیر است. یک مشکل مهم در مورد چاه های Ranney این است که اگر آب خام حاوی سولفید هیدروژن باشد، این ترکیب به احتمال زياد اکسیده شده و مي‌تواند باعث ایجاد رسوب در غشای RO شود.

چاه برداشت آب افقی 

چاه های آبگیر افقی(Horizontal Directional Drilling Wells )(HDDW) شامل چاه گمانه نسبتاً کم عمق با یک یا چند کانال سوراخدار افقی زاویه‌دار (معمولا متمایل در۲۰-۱۵ درجه) مي‌باشند که تا زیر بستر دریا امتداد پیدا می کنند. این نوع چاه ها عمدتاً در تاسیسات نمکزدایی از آب دریا کاربرد دارند. فیلتراسیون طبیعی بستر دریا سبب محافظت از تاسیسات نمک زدایی می شود. همچنین این سیستم سدی مؤثر در برابر جامدات سنگینی است که در هنگام شکوفایی جلبکی و نشت روغن ایجاد می شود.

مزایای روشهای برداشت آب زیر سطحی

روشهای برداشت آب زیر سطحی به طور معمول از نظر کدورت آب شور، شاخص SDI و فعالیت باکتریایی از کیفیت بهتری نسبت به آبگیرهای سطحی برخوردار هستند. اغلب فرض بر این است که استفاده از آبگیرهای زیرسطحی نیاز به پيش تصفیه آب منبع شور را قبل از نمک زدایی RO از بین مي‌برد. علاوه بر این روشهای برداشت آب زیر سطحی، آب خوراک نسبتا پایدار از نظر TDS تولید می کنند، البته می‌توانند عملکرد غیرقابل پیشبینی از غلظت TDS با نوسانات بیش از % ۳۰ میانگین داشته باشند.

در روشهای برداشت آب زیرسطحی، محبوس شدن و عبور کردن موجودات دریایی کمتر اتفاق می افتد. آب شور جمع آوری شده توسط این نوع از آبگیرها معمولا نیازی به آشغالگیری مکانیکی ندارد و بنابراین، آبگیرهای زیرسطحی باعث تأثیر مخرب بر روی موجودات آبزی منطقه آبگیر نمی شوند. استفاده از آبگیرهای زیرسطحی می تواند برخی اثرات زیست محیطی مانند از دست دادن زیستگاه ساحلی در هنگام ساخت و ساز را از بین ببرد. همچنین بسته به نوع روش ساخت و طراحی آبگیر می تواند تالابهای ساحلی اطراف را تحت تأثیر قرار دهد.

چاه برداشت آب افقی(HDDW) نسبت به دیگر روشهای برداشت آب زیر سطحی از فناوری توسعه یافته تری برخوردار است و در آب شیرین کن های جدید آب دریا مورد استفاده قرار می گیرد.

معایب آبگیرهای زیر سطحی

شوری آب خام در روشهای برداشت زیر سطحی می تواند با گذشت زمان تحت تأثیر ورود آب شیرین به آبخوان ساحلی به طور غیرقابل پیش بینی تغییر کند. فشار خوراک فرایند SWRO مورد نیاز برای تولید جریان آب محصول هدف، برای هر ۱۰ درجه سانتیگراد افزایش دمای آب در محدوده دمای ۱۲ – ۴۰ درجه سانتیگراد کاهش می یابد. بهر ه برداری در دمای بالای آب خام(به طور معمول ۳۰ درجه سانتیگراد و بالاتر) اهداف کیفی آب محصول از نظر ،TDS کلریدها، بور، سدیم و سایر الزامات کیفی را تامین نمی کند و ممکن است نیاز به نصب مراحل پیش تصفیه اضافی به صورت مرحله به مرحله یا کامل باشد. با این حال، آب آبگیرهای زیر سطحی ممکن است حاوی ترکیباتی باشد که تصفیه آن ها مشکل است. بخصوص هنگامی که تحت تأثیر آبهای زیرزمینی آلوده قرار دارند. ترکیبات نگران کننده را می توان بوسیله فناوری های موجود از جمله تابش اشعه ماوراءبنفش، اکسیداسیون پپیشرفته و غیره تصفیه کرد. البته سیستم های پیش تصفیه ممکن است هزینه کلی تولید آب نمک زدایی را به میزان قابل توجهی افزایش دهند.

سطح اکسیژن محلول آب آبگیری شده از تاسیسات زیرسطحی بسیار کم بوده و حدود ۰.۲ – ۱.۵ میلیگرم بر لیتر است. آب محصول سیستم RO و کنسانتره آن تقریباً غلظت DO آب خوراک را دارند. اگر کنسانتره با DO کم از تاسیسات آب شیرین کن با آبگیر زیر سطحی به آب آزاد مانند اقیانوس، دریاچه یا رودخانه تخلیه شود، این آب باید مطابق با میانگین روزانه و حداقل الزامات تخلیه غلظت DO، آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده، به ترتیب ۴ و ۵ میلیگرم بر لیتر باشد. از آنجا که تاسیسات آب شیرین کن بزرگ با استفاده از آبگیرهای زیرسطحی که آب خام با DO پایین را جمع می کنند، حجم قابل توجهی از شورابه با غلظت کم DO را تخلیه می کنند، این تخلیه می تواند باعث کاهش اکسیژن و مشکل برای آبزیان شود. در این شرایط هوادهی شورابه با غلظت پایین DO قبل از تخلیه به آبهای سطحی ضروری است.

 

برداشت آب سطحی(Surface Water Intakes)

در این روش برداشت، آب دریا به صورت مستقیم از منبع آبی دریا برداشت می شود. براساس محل ورودی آب خام، آبگیرهای سطحی معمولا به آبگیرهای واقع در ساحل و دور از ساحل، طبقه بندی می شوند.

برداشت آب سطحی واقع در ساحل

تا به امروز، آبگیرهای واقع در ساحل کاربرد مناسبی برای سامانه های بزرگ نمكزدایی آب دریا بصورت حرارتی یا هیبریدی را داشته اند. چنین آبگیرهایی معمولاً شامل کانال آبگیر بزرگ و عمیقی هستند که منتهی به یک حوضچه بتنی مجهز به آشغالگیرهای میله ای درشت، آشغالگیرهای کوچک و ایستگاه پمپاژ می باشد. بسته به شرایط ساحلی، این نوع آبگیرها در مناطق زیر می تواند در نظر گرفته شود:

  • در ساحل شنی با شیب کم
  • بر روی ساحل صخره ای
  • محوطه طبیعی یا مصنوعی(یعنی حوضه چرخش کشتی، تفرجگاه ساحلی، بندرگاه صنعتی یا تالاب)

از سه محیط ساحلی مذکور، زمین هایی با بستر صخره ای برای ساخت آبگیرهای واقع در ساحل مناسب ترین مورد می باشند. عوامل اصلی مرتبط با امکان سنجی و کیفیت آب چنین آبگیرهایی عبارتند از: رژیم وزش باد ، تغییرات سطح آب، رژیم جزر و مد، عمق سنجی و جریانهای ساحلی.

برداشت آب سطحی دور از ساحل

آبگیرهای سطحی دور از ساحل متداولترین نوع آبگیر ساخته شده برای سامانه های متوسط و بزرگ نمك زدايي آب دریا در سراسر جهان می باشند. این سیستم های انتقال آب سطحی شامل اجزای اصلی زیر است: ساختمان آبگیر دور از ساحل(ساختار ورودی دارای سرپوش کاهنده سرعت می باشد)، یک یا چند خط لوله انتقال یا تونل آبگیر، یک ساختمان آبگیر واقع در ساحل، آشغالگیر ریز، ایستگاه پمپاژ، تجهیزات الکتریکی، تجهیزات کنترلی و تجهیزات تزریق مواد شیمیایی.

معمولا ساختار آبگیر دور از ساحل، در چند صد تا چند هزار متر فاصله از ساحل واقع شده است. به دلیل هزینه های بالای سازه های آبگیر عمیق و خطوط لوله طولانی، بسیاری از سامانه های نمک زدایی SWRO با آبگیرهای دور از ساحل، در مناطقی کم عمق در نزدیکی ساحل واقع شده اند. جاییکه عمق کف اقیانوس به طور معمول بین ۴ تا ۸ متر  است؛ چنین آبگیرهایی بعنوان آبگیرهای آب کم عمق شناخته می شوند.

آبگیرهای مجاور نیروگاه های بخار 

برداشت آب خام در آب شیرین کن های در مجاورت نیروگاه، به طور مستقیم به محل تخلیه نیروگاه ساحلی مجاور متصل می شود. این موضوع، امکان استفاده از آب خنک کننده نیروگاه را هم به عنوان منبع آب خام برای آب شیرین کن صنعتی و هم به عنوان آب اختلاطی برای کاهش شوری آب شورابه قبل از تخلیه به اقیانوس ایجاد می کند. در نیروگاه های ساحلی، آب دریا وارد تأسیسات آبگیر نیروگاه می شود و پس از آشغالگیری از طریق کندانسورهای نیروگاه پمپ می شود تا خنک شود و از این طریق اتلاف حرارتی حاصل از فرآیند تولید برق را از بین ببرد. آب خنک تخلیه شده از کندانسورها به طور معمول ۵- ۱۵ درجه سانتیگراد از آب منبع گرمتر است و معمولاً از طریق یک دهانه تخلیه جداگانه به اقیانوس منتقل می شود. پس از فرآیند پیش تصفیه تأسیسات نمکزدایی، آب در سیستم نمک زدایی غشای RO تصفیه میشود و دو جریان مهم زیر را تولید می کند:

  •  آب تصفیه شده که برای تامین آب آشامیدنی منتقل می شود.
  • شورابه که شوری آن معمولا دو برابر بیشتر از آب دریا است.

تأسیسات آب شیرین کن که سازه برداشت آب آنها به دهانه تخلیه نیروگاه متصل است، معمولاً احتیاج به احداث ساختمان جداگانه آبگیر، خط لوله و امکانات آشغالگیری(آشغالگیرهای میله ای و آشغالگیر ریز) جداگانه ندارد. از آنجا که هزینه ساخت و ساز سازه های برداشت آب سطحی و دهانه تخلیه برای یک آب شیرین کن به طور معمول ۲۰ تا ۳۰ درصد از کل هزینه ساخت تأسیسات است، وجود نیروگاه در مجاور تأسیسات برداشت آب، صرفه جویی قابل توجهی در هزینه ساخت و ساز به دنبال دارد. به اشتراک گذاشتن زیرساخت های برداشت آب نیز دارای مزایای زیست محیطی است.  زیرا از ساخت و سازهای جدید در منطقه آب های سطحی در نزدیکی سامانه نمک زدایی جلوگیری می کند. یکی دیگر از مزایای بارز وجود نیروگاه در مجاورت آب شیرین کن های دریایی، کاهش میزان به دام انداختن موجودات دریایی در مقایسه با سازه برداشت آب سطحی جداگانه است.

تخلیص و برداشت از دستورالعمل طراحی و اجرای سامانه های نمک زدایی-شرکت مهندسی آب و فاضلاب کشور