استفاده از آب شیرین برای کشاورزی

دسته بندی: دستگاه تصفیه آب و آب شیرین کن

نمک‌زدایی و استفاده مجدد از آب برای کشاورزی: وضعیت فعلی و چشم‌انداز آینده

نکات مهم

• فناوری‌های شیرین سازی غشایی نقش مهمی در برآورده کردن تقاضای روزافزون آب آبیاری برای کودآبیاری ایفا می‌کنند.

• آب دریا و فاضلاب رایج‌ترین منبع ورودی برای فرآیندهای تصفیه برای تأمین آب مغذی ارزشمند هستند.

• فرآیندهای تصفیه و شیرین سازی یکپارچه آب می‌توانند به یک منبع آب مداوم برای رشد محصول تبدیل شوند.

• فرآیند نمک‌زدایی کم‌مصرف برای کودآبیاری توسط الکترودیالیز همراه با فرآیند ترکیبی اسمز مستقیم.

• باید تلاش‌ها برای کاهش هزینه و مصرف انرژی با استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر افزایش یابد.

چکیده فناوری‌های نمک‌زدایی مبتنی بر غشا برای کاربردهای کشاورزی به طور گسترده در بسیاری از کشورهای جهان مورد استفاده قرار می‌گیرند. فناوری‌های تصفیه آب پایدار و مقرون به صرفه، مانند اسمز معکوس (RO)، تقطیر غشایی، اسمز مستقیم، بیوراکتور غشایی و الکترودیالیز، برای تأمین آب تصفیه شده در دسترس هستند، اما محصول آب خالص حاوی سطح مورد نیاز مواد مغذی برای تأمین مزارع کشاورزی نیست. این مشکل را می‌توان با استفاده از آب مخلوط برای تأمین کیفیت مورد نیاز آب آبیاری برای تولید محصولات کشاورزی، که در مناطقی که فاقد منابع آب شیرین هستند،و گران است، برطرف کرد. اتخاذ یک سیستم ترکیبی مزایای بسیاری از جمله تولید آب آشامیدنی و آب غنی شده با مواد مغذی با هزینه و مصرف انرژی کم در صورت استفاده از انرژی طبیعی را ارائه می‌دهد. این بررسی بر خلاصه روندهای فعلی و اخیر در فرآیندهای نمک‌زدایی غشایی مورد استفاده برای اهداف کشاورزی تمرکز دارد. چالش‌های پیش روی نمک‌زدایی آب دریا/آب شور و فاضلاب مورد بحث قرار گرفته است. تمرکز ویژه‌ای بر قابلیت حیات فرآیندهای نمک‌زدایی هیبریدی و سایر سیستم‌های بازیابی پیشرفته برای به دست آوردن آب آبیاری ارزشمند قرار گرفته است. مقایسه‌ای بین فناوری‌های مختلف نمک‌زدایی غشایی از نظر راندمان تصفیه و پتانسیل بازیابی منابع مورد بحث قرار گرفته است. در نهایت، نتیجه‌گیری و فرصت‌های تحقیقاتی فناوری‌های غشایی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است.

مقدمه

تقاضای جهانی برای آب آشامیدنی، نگرانی‌های مربوط به امنیت غذایی و اثرات تغییرات اقلیمی بر کشاورزی، جوامع علمی را به جستجوی استراتژی‌های جایگزین مدیریت منابع ترغیب کرده است . از آنجایی که منابع نفتی در حال کاهش هستند، اکثر کشورها به دنبال مواد تولید شده در کشاورزی برای استفاده در تولید و تجارت بوده‌اند که این امر تقاضای بیشتری را برای محصولات کشاورزی ایجاد می‌کند . استفاده از ضایعات گیاهی منبعی امیدوارکننده برای استخراج انرژی و تبدیل به برق است . انتظار می‌رود تقاضای موجود برای این محصولات کشاورزی در آینده افزایش یابد و چالش‌هایی را برای کشورهای در حال توسعه ایجاد کند. بررسی منابع آب اضافی برای افزایش تولید مواد کشاورزی و پشتیبانی از نیازهای روزافزون ضروری شده است . مطالعات نشان میدهد که 70٪ از کل آب مصرفی ، به طور فشرده برای آب آبیاری استفاده می‌شود، پس از آن استفاده صنعتی، حدود 21٪ و استفاده خانگی حدود 9٪ است . و لذا علاقه جدیدی به تصفیه فاضلاب برای آبیاری محصولات کشاورزی در گلخانه‌ها ایجاد شده است. فرآیندهای نمک‌زدایی مبتنی بر غشا که برای تصفیه فاضلاب استفاده می‌شوند عبارتند از اسمز معکوس (RO) ، نانوفیلتراسیون (NF) ، بیوراکتور غشایی ، تقطیر غشایی (MD) و الکترودیالیز . به عنوان مثال، برای حذف نیتروژن از فاضلاب، برای استخراج گاز نیتروژن به انرژی ورودی بالایی در حدود 45 مگاژول به ازای هر کیلوگرم نیتروژن نیاز است . غشاهای NF می‌توانند برای جداسازی مواد مغذی مختلف مانند آمونیوم، فسفات و پتاسیم از لجن فاضلاب استفاده شوند و در فشار هیدرولیکی پایین، به میزان بالایی از این مواد مغذی دفع شوند. با این حال، محلول ورودی فاضلاب از گونه‌های شیمیایی مختلفی تشکیل شده است که ممکن است منجر به رسوب و تخریب غشا شود. رسوب به دلیل چسبندگی املاح و ذرات روی سطح غشا ایجاد می‌شود که منجر به تشکیل لایه کیک و گرفتگی منافذ می‌شود . مطالعه دیگری گزارش داد که منابع فاضلاب محدودی وجود دارد و قیمت آن در بسیاری از کشورهای در حال توسعه بالا است. بنابراین، محققان به دلیل در دسترس بودن و شوری کم ، به نمک‌زدایی آب‌های زیرزمینی طبیعی یا آب‌های شور برای رشد محصولات کشاورزی روی آوردند.

برای به حداکثر رساندن بازده کشاورزی و به حداقل رساندن تأثیرات بر منابع آب طبیعی، بسیاری از کشورها شروع به استفاده از آب آبیاری تولید شده از منابع مختلف آب شور برای مقابله با تقاضای بالای تولید مواد غذایی کرده‌اند . برخی از راه‌حل‌های بالقوه، توسعه منابع آب کم‌هزینه و مستقل از آب و هوا برای کودآبیاری است که مربوط به فناوری‌های نمک‌زدایی است. فناوری‌های کارآمد نمک‌زدایی برای کشاورزی آبی به نمک‌زدایی آب و احیای فاضلاب بستگی دارد . بسیاری از کشورها برای تأمین نیازهای آبی خود، استفاده از آب نمک‌زدایی شده را برای اهداف کشاورزی آغاز کرده‌اند. به عنوان مثال، اسپانیا 22٪ از آب نمک‌زدایی شده مورد استفاده را برای کودآبیاری از کل ظرفیت نمک‌زدایی 1.4 میلیون متر مکعب در روز مصرف کرد ، در حالی که کویت ظرفیت نمک‌زدایی بیش از 1 میلیون متر مکعب در روز و 13٪ را برای کودآبیاری دارد. با این حال، در حال حاضر تنها 0.5٪ از کل آب نمک‌زدایی شده برای کودآبیاری استفاده می‌شود. ایتالیا و بحرین ظرفیت نمک‌زدایی 64700 متر مکعب در روز و 620000 متر مکعب در روز را اجرا کردند، در حالی که تنها بخش کوچکی از آب نمک‌زدایی شده، یعنی 1.5٪ و 0.4٪ را برای کشاورزی استفاده می‌کردند. ایالات متحده آمریکا و قطر تنها 1.3٪ و 0.1٪ از آب نمک‌زدایی شده را برای مصارف کشاورزی استفاده کردند. آب شور نمک‌زدایی شده از طریق RO به دلیل خلوص بالای آب تولیدی، رایج‌ترین روش است . علاوه بر این، آب شور را می‌توان با سایر فرآیندهای نمک‌زدایی مبتنی بر غشا مانند[ رزین‌های تبادل یونی ، سیستم اسمز مستقیم (FO) اسمز معکوس مدار بسته (CCRO) و سیستم الکترودیالیز معکوس (EDR) نمک‌زدایی کرد. الکترودیالیز معکوس تک ظرفیتی انتخابی (MS-EDR) برای تغلیظ کلرید سدیم از آب دریا به کار گرفته شده است . در میان این فناوری‌های نمک‌زدایی، RO به دلیل حداقل هزینه انرژی نسبت به سایر فرآیندهای نمک‌زدایی، سیستم پیشرو برای نمک‌زدایی آب دریا است . هنگامی که آب دریا در یک کارخانه BWRO در Almeria Cuevas de Almanzora با آب شور جایگزین شد، آب حاصل برای کودآبیاری استفاده شد . مهمترین مزیت این فرآیند، تولید انواع کیفیت‌های آب بود که می‌توانست به عنوان آب آبیاری و برای آبیاری زمین‌های گلف استفاده شود. آب آشامیدنی را می‌توان با مخلوط کردن جریان تراوش شده با آب خام نیز به دست آورد. اسپانیا و استرالیا برای تولید آب آبیاری برای مصارف کشاورزی به فناوری نمک‌زدایی SWRO وابسته هستند. استرالیا در استفاده از آبیاری قطره‌ای زیرسطحی با قابلیت اسمز معکوس (ROSDI) برای کودآبیاری پیشگام بود . این فرآیند به فشار هیدرولیکی بالا نیاز ندارد زیرا بر اساس کشش در سمت خاک برای جذب آب به سیستم عمل می‌کند. مقدار قابل قبولی از مواد مغذی غنی از آب در حدود 0.25 و 1.5 لیتر در ساعت بر متر مربع و دفع نمک در حدود 50٪ قابل دستیابی بود. برخی از موانع مرتبط با فرآیند RO مانع از استفاده آن برای جنبه‌های کشاورزی شد. به عنوان مثال، آب نمک‌زدایی شده حاوی مقدار قابل قبولی از مواد مغذی یا بور یا کلرید برای آب آبیاری نیست، مقدار زیادی آب نمک به دریا تخلیه می‌شود، ممکن است گازهای مضر در هوا آزاد شوند، سدیم اضافی بر خاک تأثیر می‌گذارد و بهره‌وری و مصرف انرژی و هزینه بالا است . علاوه بر این، استراتژی‌های بازیابی برای تغلیظ مواد مغذی و تضمین کیفیت مناسب آب آبیاری پیشنهاد شده است. برخی از این روش‌ها جاذب‌هایی مانند جاذب‌های مبتنی بر کربن و سپیولیت همراه با فناوری‌های غشایی مانند FO و فرآیندهای RO هستند. این مقاله یک بررسی انتقادی به موقع از پیشرفت‌های اخیر در فناوری‌های نمک‌زدایی مبتنی بر غشاء برای تولید آبیاری کشاورزی از آب شور و فاضلاب است. این مقاله به محدودیت‌های اصلی مرتبط با توسعه فرآیندهای تصفیه مبتنی بر غشاء می‌پردازد. این مقاله عملکرد فناوری‌های غشایی پیشرفته را در طول نمک‌زدایی آب دریا/آب لب‌شور و احیای فاضلاب از نظر راندمان تصفیه و پتانسیل بازیابی منابع مورد بحث قرار می‌دهد. همچنین پتانسیل فرآیند نمک‌زدایی ترکیبی و سایر فرآیندهای مکمل برای بازیابی مواد مغذی را برجسته می‌کند. در نهایت، نتیجه‌گیری‌ها و معایب باقی‌مانده که نیاز به بررسی بیشتر دارند، خلاصه شده‌اند.

بخش‌های کوتاه کاربرد فناوری‌های نمک‌زدایی غشایی برای کودآبیاری فناوری غشایی فرآیند پیشرو برای تصفیه آب دریا و فاضلاب است که توسعه پایدار و کارایی فرآیند هدفمند را فراهم می‌کند . بسیاری از کشورهای جهان شروع به استفاده از فناوری غشایی برای تولید مواد مغذی غنی از آب برای کشاورزی کرده‌اند. غلظت مواد مغذی توسط فناوری غشایی یک گزینه تصفیه قدرتمند برای تولید ترکیبی محصولات کشاورزی و آب آشامیدنی است . یکی از مزایای نمک‌زدایی غشایی در کشاورزی، تولید آب اضافی است. کیفیت آب مورد نیاز برای آبیاری کشاورزی کیفیت آب نقش مهمی در تعیین مناسب بودن منبع آب برای استفاده در کاربردهای کشاورزی دارد. امروزه، منابع جدید با کیفیت پایین‌تر برای پروژه‌های آبیاری استفاده می‌شوند، زیرا بسیاری از منابع آب با کیفیت خوب به شدت مورد استفاده قرار گرفته‌اند . محدودیت‌هایی برای استفاده مستقیم از پساب فاضلاب برای پوشش گیاهی وجود دارد، مانند تأثیرات منفی بر خواص فیزیکی-شیمیایی خاک، افزایش فعالیت میکروبی در خاک، تشدید ... چالش‌ها در توسعه فناوری غشایی مهم‌ترین چالش‌ها در صنایع نمک‌زدایی غشایی و تصفیه فاضلاب شامل ویژگی‌های محلول ورودی، کیفیت استاندارد آب تصفیه‌شده، توسعه مواد، پیشرفت فرآیند، تخلیه آب نمک، مصرف انرژی، هزینه‌های عملیاتی و سرمایه‌ای تأسیسات و ابزارها است . آب نمک‌زدایی شده باید شوری کمی داشته باشد، مطابق با استاندارد کیفیت باشد و سطوح مواد مغذی مورد نیاز برای آب آبیاری را داشته باشد. این به این دلیل است که فرآیند RO در طول سال‌ها، غشاهای تحت فشار، مانند غشاهای RO و NF، برای نمک‌زدایی آب شور برای اهداف کشاورزی و مصرف آب آشامیدنی استفاده شده‌اند . ویژگی‌های مشترک کاربردهای غشا تحت فشار در جدول 1 آمده است. RO بیشترین ظرفیت کل را در سراسر جهان نسبت به سایر فناوری‌های غشایی دارد. غشاهای RO دارای نرخ دفع بالای نمک، نفوذ زیاد آب و تحمل خوب در فشار هیدرولیکی بسیار بالا هستند. بهبود فرآیند غشایی تحت فشار یک منبع جایگزین آب برای بسیاری از کاربردهای کشاورزی، تصفیه انواع مختلف فاضلاب است. فرآیندهای غشایی تحت فشار به دلیل بهره‌وری بالا و گزینش‌پذیری نسبت به آلاینده‌های آلی و معدنی، روش‌های موثری برای تصفیه فاضلاب هستند . بونانی و همکارانش از غشاهای اسمز معکوس آب شور (AK-BWRO) و اسمز معکوس آب دریا (AD-SWRO) در یک سیستم RO برای تولید آب آبیاری از پساب شهری تصفیه شده ثانویه مخلوط استفاده کردند. کاربرد سیستم‌های ترکیبی برای کشاورزی توسعه و عملکرد سیستم‌های یکپارچه موجود در کاربردهای مختلف کشاورزی مورد بحث قرار گرفته است. نتیجه‌گیری نمک‌زدایی آب و تصفیه فاضلاب می‌تواند تأثیرات مفیدی بر کوددهی و محیط زیست داشته باشد و منابع آب اضافی را فراهم کند و آب بی‌کیفیت را احیا کند. فناوری‌های غشایی می‌توانند آب مورد نیاز کشاورزی را تأمین کنند و تولید مواد غذایی را افزایش دهند. فرآیندهای مستقل یا ترکیبی مبتنی بر غشای RO و FO به عنوان مؤثرترین فناوری‌های نمک‌زدایی مورد استفاده در بسیاری از کشورهای جهان ثابت شده‌اند. با توجه به عملکرد جداسازی کارآمد، تمایل کم به رسوب‌گذاری، چشم‌اندازهای آینده غشاء در یک فرآیند تصفیه منفرد اغلب در تأمین کیفیت مورد نیاز آب آبیاری برای انواع مختلف شوری‌های خوراک ناموفق بوده است. تصفیه اضافی محلول رقیق‌شده برای رسیدن به مواد مغذی با کیفیت آب را می‌توان با استفاده از یک فرآیند فناوری نمک‌زدایی دیگر انجام داد. سیستم بازیابی باید حداقل هزینه انرژی و خروجی کارآمد داشته باشد. فرآیند بازیابی همراه با فرآیند نمک‌زدایی در برخی موارد برای ... ضروری است.