17 آوریل 2023
Telemaco Melia، معاون و مدیر کل EchoStar Mobile، چگونگی روی آوردن شرکت‌های آب به فرآیندها و فن‌آوری‌های جدید و مخرب را تشریح میکند تا اطمینان حاصل شود که همه ما سهم عادلانه‌ای از با ارزش‌ترین منبع خود را دریافت می‌کنیم.
با جمعیت رو به رشد جهانی که اکنون به بیش از هشت میلیارد نفر رسیده است، اطمینان از اینکه همه منابع کافی برای حمایت از زندگی را در اختیار دارند، یک چالش بزرگ است. یکی از این منابع ضروری آب است. در مواجهه با جمعیت شهرنشینی بصورت فزاینده، رساندن آب آشامیدنی به این تعداد فزاینده مردم، به طور کارآمد و پایدار، مشکلات بزرگی را برای شرکت‌های آب ایجاد میکند. جمعیت رو به رشد طی قرن گذشته شاهد افزایش سریع تقاضا برای آب شیرین بوده‌اند و از سال 1900 شش برابر شده و تا اوایل قرن بیست و یکم به چهار تریلیون متر مکعب در سال رسیده است.
اگرچه 70 درصد از سطح زمین توسط آن پوشیده شده است، اما تنها 3 درصد از آب این سیاره شیرین و در نتیجه قابل آشامیدن است و بیشتر آن در یخ ها محبوس شده است. این به این معنی است که اگر می‌خواهیم با چالش‌هایی که با آن روبرو هستیم روبرو شویم، استفاده حداکثری از مقدار کمی که در دسترس ما است ضروری است.
کمبود آب یکی از عوامل اصلی در مساله است. با مصرف بسیار کم آب، توزیع و در دسترس بودن آن اهمیت بیشتری پیدا می کند. این امر با تغییرات آب و هوایی تشدید می‌شود و بسیاری از مکانها گرم‌تر و خشک‌تر می‌شوند در حالی که برخی دیگر شاهد بارش‌های بیشتری هستند.
کمبود آب در یک کشور منجر به شرایط تنش آبی می شود که توسط موسسه منابع آب جهانی به عنوان برداشت آب شیرین به عنوان درصدی از منابع داخلی (تجدید پذیر) تعریف شده است. به این معنی که اگر برداشت کمتر از 10 درصد منابع باشد، کشوری دارای تنش آبی کم است. این وضعیت در انگلستان است که رقمی معادل 5.53 درصد دارد. بیش از 80 درصد ، استرس بسیار زیاد است و برخی از کشورهای آفریقایی ارقام صدها یا حتی هزاران درصد دارند.
به طور کلی، ما باید از آب به طور مؤثرتر استفاده کنیم، آن را با حداقل انرژی و منابع تصفیه و توزیع کنیم در حالی که کمترین میزان ممکن از طریق نشت از دست می رود.
برای دستیابی به این اهداف، شرکت‌های آب به طور فزاینده‌ای به فرآیندها و فن‌آوری‌های جدید و مخرب روی می‌آورند تا اطمینان حاصل کنند که همه ما سهم عادلانه‌ای از با ارزش‌ترین منابع خود را دریافت می‌کنیم.
ضایعات آب
یکی از مشکلات همیشگی شرکت های آب نشت آب از خطوط لوله است. به عنوان مثال، در انگلستان، از کل مقدار آب توزیع شده بین مصرف کنندگان، 3300 مگا لیتر در روز از طریق نشت خارج می شود. این معادل 15 تا 25 درصد تولید سالانه آب آشامیدنی کشور در هر سال است – کمتر صنایع دیگری می توانند چنین ضرری را تحمل کنند.
این مسئله پایداری جدی برای شرکت‌های آب ایجاد میکند – و همچنین درآمد از دست رفته، هزینه تصفیه آب بیشتر را نیز به همراه دارد، با انرژی اضافی و مواد شیمیایی که به بار قابل توجهی که تصفیه آب بر محیط زیست وارد میکند اضافه میکند.
برای رفع این نشتی ها ابتدا آنها باید شناسایی شوند. این می تواند دشوار باشد، زیرا بسیاری از نشت ها، به ویژه آنهایی که در مناطق دور افتاده یا روستایی هستند، شناسایی نشده و گزارش نمی شوند. با داشتن ایده بهتر از محل وقوع نشتی، شرکت ها می توانند خدمه تعمیر و نگهداری را به محل دقیق حادثه اعزام کنند و هزینه و زمان تعمیر را به حداقل برسانند.
یکی از راه‌های تشخیص نشتی‌های احتمالی، اندازه‌گیری جریان مداوم یک ناحیه اندازه‌گیری ناحیه یا DMA است. این مجموعه کوچکی از کاربران است که امکان نظارت بر آب عرضه شده به آن را فراهم می کند. ارزیابی حداقل جریان های شبانه توصیه می شود، زیرا در شب، فشار زیاد و مصرف کم است – هر گونه تلفات نسبت زیادی از آب ورودی به سیستم خواهد بود.
این تکنیک هم به یک فلومتر بسیار دقیق، مانند یک جریان سنج مغناطیسی مدرن و دیجیتالی فعال نیاز دارد و هم به دسترسی سریع و قوی به داده‌های جریانی که گرفته می‌شود. برخی از جدیدترین فلومترها اتصالی را ارائه می دهند که این دسترسی آماده را فراهم می کند و سازندگان فلومتر به ویژه به امکانات ارائه شده توسط باند شبکه گسترده کم توان (LPWAN) علاقه مند هستند.
شرکت های آب از فناوری مخرب برای مقابله با چالش های آب استفاده می کنند.
یکی از پروتکل های پیشرو LoRaWAN، فناوری شبکه گسترده برد بلند است. LoRaWAN که در حال حاضر یک استاندارد جهانی است، در حال حاضر در 177 کشور توسط 163 اپراتور شبکه با نزدیک به سه میلیون موقعیت مستقر شده است.
LoRaWAN یک روش مقرون به صرفه برای ارسال داده ها در مناطق بزرگ در شهرها و مناطق روستایی یا بیابانی است. LoRaWAN با برد تا 15 کیلومتر، عمر مخزن اندازه‌گیری شده در سال، و نفوذ در داخل و اعماق زیرزمین، ایده‌آل برای تاسیسات آب است که ممکن است زیرساخت‌هایی در وسعت صدها کیلومتر مربع داشته باشند.
این بدان معنی است که هر چقدر هم که شبکه توزیع آب بزرگ باشد، و هر اندازه که نیاز به نظارت داشته باشد، مدیران آب همیشه می توانند داده های مورد نیاز برای نظارت و کنترل نشت ها را به دست آورند.
بسیاری از شرکت‌ها از LoRaWAN برای تشخیص نشت آب با حسگرهای صوتی استفاده می‌کنند.
استفاده از حسگرهای مبتنی بر LoRa برای کمک به نظارت بر پارامترهای کیفیت آب که می‌تواند شامل هدایت، محتوای کلر و اکسیژن محلول باشد.
داده های آب از فضا
برخی از ارائه دهندگان شبکه های ارتباطی گزینه اتصال دستگاه ها از طریق ماهواره را ارائه می دهند – با استفاده از یک ماهواره در مدار ژئوسنکرون، داده ها را می توان در فواصل قاره رد و بدل کرد و دسترسی به داده ها را از مناطق دورافتاده، سایت های زیرزمینی یا مکان هایی که خطری برای نصب کنندگان آنها ایجاد می کند آسان تر می کند.
یکی دیگر از امکان‌ها برای برنامه‌های کاربردی استفاده از توسعه LoRa است که به نام طیف گسترده پرش با فرکانس طولانی یا LR-FHSS شناخته می‌شود. در مقایسه با LoRa معمولی، سرعت انتقال داده، افزایش ظرفیت شبکه و استحکام بیشتر در برابر تداخل را ارائه می دهد. LR-FHSS برای راه حلی به نام سیستم هشدار زودهنگام خشکسالی برای افرادی که در جزایر دور افتاده در اقیانوس آرام زندگی می کنند استفاده شده است. این راه حل شامل یک مخزن آب باران و مانیتورهای باران برای تجزیه و تحلیل مصرف آب در مکان های دور افتاده در نیوزیلند و برخی از جوامع جزیره اقیانوس آرام جنوبی است.
این سیستم با ترکیب حسگرهای ارزان قیمت با LoRa و اتصال قوی از طریق ماهواره، به شهروندان برخی از دورافتاده‌ترین جزایر جهان دسترسی ثابتی به آب آشامیدنی تمیز ارائه میکند.
ابزارهای دیجیتال کارایی را بهبود می بخشند
در مواجهه با افزایش هزینه ها و درآمد محدود، شرکت های آب در سراسر جهان نیاز به حداکثر رساندن کارایی و کاهش زمان توقف دارند.
بسیاری از ابزارآلات دیجیتال مدرن آب دارای نرم افزار داخلی هستند که نصب، پیکربندی و نگهداری آنها را سریع و آسان می کند. این به شرکت‌های آب اجازه می‌دهد تا با دستگاه‌ها ارتباط بگیرند و وضعیت عملیاتی آنها را کشف کنند. به این ترتیب مهندس تمام اطلاعات مورد نیاز خود را برای رفع هر مشکلی قبل از رسیدن به سایت در اختیار دارد.
این ابزار دیجیتال هوشمند همچنین به شرکت‌های آب کمک میکند تا با چالش‌های تکنسین‌ها و مهندسان قدیمی‌تر و با تجربه که از صنعت خارج می‌شوند، مقابله کنند. مهندسان جوان‌تر به دنیای دیجیتال عادت کرده‌اند و مهارت‌هایی دارند که با ابزار دقیق و نرم‌افزار مدرن مطابقت دارد. به عنوان مثال، بسیاری از ابزارها می توانند یک کد QR برای نشان دادن عیوب خود تولید کنند. اسکن این کد با گوشی هوشمند به تکنسین امکان می دهد اطلاعات تشخیصی و همچنین کمک آنلاین از فروشنده دریافت کند.
یکی از فرآیندهای عمده در تامین آب آشامیدنی مرحله تصفیه است که در آن از آلومینیوم و آهن استفاده می شود. دریافت میزان دوز صحیح حیاتی است. منعقد کننده ها گران هستند، بنابراین مصرف بیش از حد به هزینه های بالاتر منجر می شود – در مقابل، کم دوز به این معنی است که محصول نهایی به درستی تصفیه نمی شود. از آنجایی که ابزارهای دیجیتال پاسخ سریعی دارند، فرآیندها را می توان فوراً مشاهده کرد. این تضمین می کند که تغییرات در کیفیت فرآیند فوراً مشاهده می شود. این امر علاوه بر صرفه جویی در هزینه، از شرایط غیرعادی که می تواند مشکلات بیشتری را در فرآیند تصفیه آب ایجاد کند نیز جلوگیری می کند.
ماهیت دسترسی سریع و فوری ابزارهای دیجیتال آنها را به سکوهای ایده آل برای اندازه گیری مداوم کیفیت آب تبدیل می کند. در مقایسه با نمونه‌برداری دستی سنتی، سیستم‌های پیوسته آنلاین امکان اندازه‌گیری و تجزیه و تحلیل خودکار نمونه‌ها را در نقطه نمونه‌گیری فراهم می‌کنند. این امر علاوه بر حفاظت از اعتبار زیست محیطی شرکت آب، بهره وری را با ارائه نشانه هایی در زمان واقعی از شرایط فعلی فرآیند بهبود می بخشد.
همچنین بسیاری از عدم قطعیت ها و خطاهای سیستم های دوز را که متکی به بردن نمونه به آزمایشگاه برای تجزیه و تحلیل هستند، از بین می برد. هنگامی که با مزایای ذاتی فناوری دیجیتال ترکیب شود، آنالایزرهای پیوسته تصویر دقیق تری از کیفیت آب و همچنین دقت و عملکرد بسیار بهبود یافته ارائه می دهند.
شرکت های آب از استفاده مجدد برای مقابله با چالش های آب استفاده می کنند.
یکی از تکنیک‌های عمده‌ای که توسط شرکت‌ها برای رفع چالش‌های آب مورد بررسی قرار می‌گیرد، استفاده مجدد از آب است. فرآیندهای مرسوم آب شامل برداشتن آب از رودخانه ها یا دریاچه ها و تصفیه آن برای مطابقت با استانداردهای آب آشامیدنی قبل از توزیع آن در بین مردم است. استفاده مجدد از آب، تصفیه فاضلاب با حذف آلاینده ها است – سپس دوباره به منابع آب اضافه می شود یا حتی مستقیماً برای مصرف ارسال می شود.
دو روش اصلی استفاده می شود – استفاده مجدد مستقیم قابل شرب (DPR) و استفاده مجدد غیر مستقیم قابل شرب (IPR). DPR با اضافه کردن فاضلاب تصفیه شده مستقیماً به سیستم آب شهری بدون استفاده از هیچ بافر محیطی، آب تصفیه شده را ایجاد می کند.
کارخانه‌های DPR که در نزدیکی تصفیه خانه‌های آب آشامیدنی و فاضلاب قرار دارند، این مزیت را دارند که فقط به فواصل پمپاژ کوتاه نیاز دارند و آنها را مقرون به صرفه میکند. این فواصل کوتاه همچنین امنیت آب را بهبود می بخشد زیرا بعید است که سیستم های DPR تحت تأثیر عوامل خارجی مانند زلزله و سیل قرار گیرند.
فواصل کوتاه همچنین انرژی مورد نیاز برای پمپاژ را کاهش می دهد و CO2 حاصل را کاهش می دهد.
IPR با پمپاژ فاضلاب تصفیه شده به یک منطقه ذخیره سازی میانی، مانند مخازن سطحی یا زیرسطحی، با این انتظار که بعداً از آن به عنوان منبع آب آشامیدنی استفاده شود، کار می کند. آب بازیافت شده و به صورت عادی رفتار می شود تا به استاندارد مصرف انسانی برسد.
درایالات متحده، سن دیگو 85 درصد از آب خود را از شمال کالیفرنیا و رودخانه کلرادو، فاضلاب تخلیه شده از لاس وگاس و تبدیل آن به بیش از 4.5 میلیون لیتر آب تصفیه شده در هر روز استفاده میکند . در مواردی این چنین شک به کیفیت آن را به عنوان تصفیه ناکافی می بیند.
محصول ضایعاتی یا چاه جدید منابع؟
به طور فزاینده ای، شرکت های آب، فاضلاب را نه به عنوان مشکلی که باید حل شود، بلکه به عنوان منبع فرصت های جدید می بینند. با ادامه رشد شهرها، به حداقل رساندن مصرف منابع و یافتن راه های جایگزین مهم است. برای این منظور، فاضلاب را می توان به عنوان یک کالای ارزشمند در نظر گرفت. علاوه بر آب با درجه های مختلف برای کشاورزی و صنعت، می تواند لجن تولید کند که می تواند انرژی و کمپوست زیستی و فسفر برای کود تولید کند.
به عنوان مثال، حدود 20 درصد از نیتروژن و فسفر تولیدی در فاضلاب خانگی موجود است – زیرا این مقدار در سیستم‌های فاضلاب شهری متمرکز است، بیشتر آن قابل بازیافت است. فرآیندهای معمولی مورد استفاده شامل تبخیر و تغلیظ در یک یا چند اواپراتور، بسته به موادی که باید بازیافت شوند، می باشد. همچنین ممکن است این محصول برای تشکیل کریستال های نمک خنک شود. مرحله کریستالیزاسیون بیشتر اجازه می دهد تا کریستال ها برای پردازش بیشتر جدا شوند.
فاضلاب همچنین حاوی 1.3 مگا ژول در هر نفر در روز (6.5 مگا ژول بر کیلو یا لیتر) انرژی شیمیایی است که نشان دهنده 1٪ از کل انرژی مصرفی فعلی جهان یا 4٪ از کل تولید برق جهان است. اگرچه این نیاز به فرآیندی برای تبدیل آن به شکل قابل استفاده دارد، اما منبع غلیظی از کربن است که بهتر می‌توان از آن استفاده کرد.
از جمله سوخت هایی که می توان بازیافت کرد هیدروژن و بیودیزل است، در حالی که پلاستیک های زیستی مانند پلی هیدروکسی آلکانوات ها (PHA) را می توان با ورودی از جریان های فاضلاب تشکیل داد. PHA که به طور گسترده در محصولاتی مانند نی نوشیدنی، فنجان قهوه و ظروف غذا استفاده می شود، مزیت بزرگ زیست تخریب پذیر بودن را ارائه می دهد.
خودکفایی انرژی
تصفیه آب یکی از انرژی بر ترین فعالیت هاست. به عنوان مثال، روزانه بیش از 10 میلیارد لیتر فاضلاب در بریتانیا تولید می شود که 6.34 گیگاوات ساعت انرژی برای تصفیه مصرف می کند که تقریباً 1٪ از میانگین مصرف برق روزانه انگلستان و ولز است.
واضح است که تصفیه آب باید مستقل از انرژی شود و ردپای کربن آن را کاهش دهد. همانطور که در بالا ذکر شد، فاضلاب یک منبع انرژی است، که عامل اصلی انرژی در یک تصفیه خانه فاضلاب (WWTP) بیوگاز تولید شده در هاضم است. استفاده از بیوگاز برای گرمایش هاضم و تولید الکتریسیته به عنوان روشی پایدار برای بازیابی انرژی از WWTP ها دیده می شود. با پیش ته نشینی و هضم لجن، یک WWTP به طور متوسط 40٪ انرژی خالص کمتری در مقایسه با بدون هضم لجن مصرف می کند. به عنوان مثال، در هلند، هضم لجن در حال حاضر رایج است. در سال 2006، این 95 میلیون نیوتن متر مکعب بیوگاز تولید کرد که در یک سیستم CHP برای تولید 143 مگاوات ساعت برق و گرما برای گرم کردن راکتور هضم تبدیل شد.
نمونه‌ای از موفقیتی که می‌توان با بیوگاز به دست آورد، تأسیسات فاضلاب ناحیه شهری خلیج شرقی (EBMUD) در اوکلند، کالیفرنیا است. با متوسط دبی 264979 مترمکعب در روز، این نیروگاه در سال 2012 به اولین WWTP خنثی از لحاظ انرژی در آمریکای شمالی تبدیل شد. با تولید بیش از 11 مگاوات برق، 126 درصد تقاضای برق WWTP را برآورده می کند و مازاد آن به شبکه عرضه می شود.
شرکت‌های آب با چالش‌های عظیمی در تصفیه فاضلاب و تامین آب آشامیدنی برای مشتریان مواجه هستند، در حالی که استانداردهای زیست‌محیطی سخت‌گیرانه‌تر را رعایت می‌کنند. آنها همچنین نیاز به انجام عملیات دارند در حالی که هزینه ها را به حداقل می رساند و استفاده از انرژی و مواد شیمیایی گران قیمت را کاهش می دهد.
رویارویی با این چالش ها به معنای استفاده از منابع موجود در فاضلاب،، و برداشت انرژی موجود در آن بازیابی موادی است که می توانند به سایر مشاغل فروخته شوند.
دریافت داده‌های مرتبط‌تر و به‌موقع‌تر در مورد فرآیندهای آنها به شرکت‌ها کمک میکند تا کارآمدتر عمل کنند و فن‌آوری‌هایی مانند ابزارهای دیجیتال فعال و اتصال LoRaWAN می‌توانند به این هدف کمک کنند.
با عملیات کارآمدتر و ردپای کربن کمتر، تاسیسات آب می توانند پایدارتر شوند و اطمینان حاصل شود که آب پاک همچنان برای همه در دسترس خواهد بود.
