Saline Groundwater from Coastal Aquifers As a Source for

מי תהום מלוחים מאקוויפרים חופים כמקור להתפלת מים

תקציר :

אוסמוזה הפוכה של מי ים הוא תהליך התפלת מים נפוץ המשמש לצמצום הפער בדרישה והספק של מים ראויים לשתייה במדינות מדבריות.

כרגע, אחד המכשולים העיקריים בתהליך התפלת מי ים בשיטת האוסמוזה הפוכה הוא צמדה, המפריע לפעולת הקרום וגורם לאיבוד לחץ, ועל ידי כן מוריד את יעילות המערכת.

מקור מים תחליפי הוא מי תהום מלוחים בעלי רמת מליחות קרובה למי ים, נשאבים מבארות באקוויפרים חופיים החודרים מתחת לשכבת המים מתוקים-מלוחים.

במחקר הזה, חקרנו את האפשרות של שימוש במי תהום מלוחים להתפלת מים לעומת מי ים ע”י חקר במעבדה ועבודת שטח.

אפיינו את הכימיה, מיקרוביולוגיה והתכונות הפיזיות של מי תהום מלוחים והשוונו אותם למי ים.

בנוסף, בוצעו ניסויים של אוסמוזה הפוכה במערכת זרם חוצה ,  בה מדדו את קצב חדירת המים  , אחוז הסרת המלח , והנטייה לצמדה של סוגי המים השונים.

התוצאות שלנו הראו שמי תהום מלוחים עדיפים על פני מי ים כמקור להתפלה מבחינת ההרכב הכימי שלהם, כמות המיקרו-אורגניזמים, צפיפות סחפת, פוטנציאל לצמדה, והראו תוצאות טובות יותר בהתפלה עם אחוז נמוך יותר של הדרדרות בזרימה.

מי תהום מלוחים יכולים להיות מקור מים טוב יותר להתפלה ע”י אוסמוזה הפוכה בגלל פוטנציאל נמוך יותר לצמדה, ועלות נמוכה יותר של טיפול מקדים.

דוגמא 1. דגם מערכת אוסמוזה הפוכה בזרם חוצה: מים ממיכל של 500 ליטר(1)מוזרמים ע”י משאבה משנית(2)דרך מסנן(3).עוצמת המשאבה העיקרית(4) נשלטת ע”י לוח הבקרה(5).המים מוזרמים דרך תא מסנן זרם חוצה(6). הזרם של המים המרוכזים נשלט ע”י שסתום(8).השסתום והמשאבה העיקרית שולטים בלחץ בתא, שמפוקח ע”י מודד לחץ(7). מודד הזרם (9)עוזר לשמור על זרם אחיד בכל הניסויים. המים המרוכזים זורמים בחזרה למיכל המים דרך יחידת המרת חום(10).תוצר המים זורם בחזרה למיכל המים(*dash line).

מבוא:

המחסור העולמי במים מתוקים רק עתיד להחמיר בעשורים הקרובים;  מדינות מדבריות ומדבריות למחצה נתונות תחת לחץ מתמיד לספק מי שתייה עקב עלייה קבועה של האוכלוסיה וירידה במקורות מים זמינים בעקבות זיהום של מי תהום.

התפלת מים, ובפרט אוסמוזה הפוכה מהווה תפקיד רב חשיבות בהתמודדות עם המחסור במים ובעלת פוטנציאל גבוהה ביכולת להתמודד עם המחסור במים.

דו”חות מארגון המים העולמי (GWI) מדווחים  שמקורות המים להתפלה מתחלקים ל60% מי ים, 20% ממי תהום בעלי מליחות נמוכה, והשאר מגיעים ממקורות מים על פני השטח וממי פסולת מלוחים.

לדוגמא בישראל כ600 מיליון m^3 של מי שתייה מגיעים ממי ים שעברו התפלה בשיטת האוסמוזה ההפוכה (כ60% מדרישת המים הארצית).

תהליך ההתפלה ע”י אוסמוזה הפוכה צורך הרבה אנרגיה ובנייה של מתקן ההתפלה ליד החוף, דבר הגורם לעלייה במחיר של המים המותפלים.

השטח הנדרש למפעל המתפיל 100 מיליון m^3 של מים לשנה ע”י האוסמוזה ההפוכה הוא בערך 25ac (101,171.4m^2) .

התפלה של מי תהום בעלי מליחות נמוכה מהווה מקור מים רב, בעיקר בגלל כמות המלח המעטה לעומת מי ים המהווה יתרון החוסך באנרגיה במהלך תהליך ההתפלה.

למרות זאת השלכת פסולת תמלחת(פסולת מתהליך ההתפלה) על היבשה מהווה בעיה חמורה בתהליך התפלת מים בעלי מליחות נמוכה, מכיוון שרוב מתקני ההתפלה נמצאים רחוק מהים.

במחקר זה חקרנו אפשרות של שימוש במקור חלופי להתפלת מים, מי תהום מלוחים המגיעים מאקוויפרים חופיים, כמשאב להתפלה באוסמוזה הפוכה.

סוג מים זה נוצר כתוצאה מחדירה של מי ים לאקוופרים חופיים המזיז את הגבול בין מים מתוקים-מלוחים קרוב יותר ליבשה ולפני השטח, תהליך זה גורם להפיכה של מים מתוקים למי תהום מלוחים.

חדירה זאת נגרמת בעיקר משאיבת יתר של מי תהום מאקוויפרים חופיים, אך נגרמת גם בצורה טבעית כתוצאה מעלייה של גבה פני הים, שינויים ברמת מי תהום הנגרמים כתוצאה מחילופי עונות, והגאות והשפל של מי תהום.

על פי כך תהליך זה אחראי להמלחה ולירידה באיכות מי תהום באקוויפרים חופיים.

נעשה שימוש מי תהום מלוחים מאקוויפרים חופיים, הנשאבים ברמה משמעותית מתחת לקו המים מתוקים-מלוחים, ובעלי ערכים קרובה למי ים מבחינת התפלה, ונערכה השוואה להתפלת מי ים.

למרות זאת,דרוש מחקר מעמיק הבודק את יתרונות השימוש בסוג מים זה מהבטים שונים על מנת לקבוע את רמת הישימות שלו.

התפלת מי תהום מלוחים צפוי להראות מספר יתרונות שביניהם (1) סינון טבעי של מי תהום העוברים דרך נקבוביות באדמה בזמן השאיבה, ובכך חוסכים בעלויות הטיפול המקדים ומצמצמים את שטח המתקן הדרוש.

(2)הטמפרטורה של מי תהום היא בעלת טווח צר של 24 מעלות בממוצע, הנמצא בטווח המתאים לתהליך ההתפלה;(3)שאיבה של מי תהום מלוחים בשביל מערכות קירור(מערכות מיזוג) ובריכות שחייה מלוחות בבתי מלון היא דבר נפוץ;ניתן לעשות שימוש במים מבארות קיימים בתהליך ההתפלה;(4)שאיבה של מי תהום מלוחים מתחת לשכבת המים מתוקים-מלוחים גורמת להזזה של שכבה זו קרוב יותר לים ולכן יכולה לשמש כיתרון במניעת חדירה של מי ים לאקוויפרים חופיים;(5) בנוסף ערך הצמדה בממברנות של אוסמוזה הפוכה צפוי להיות נמוך יותר בשימוש במי תהום מלוחים כמקור התפלה לעומת מי ים, בעקבות ערכים נמוכים של מספר ערכים שונים הקשורים לתהליך האוסמוזה ההפוכה.

ערכים אלה הם ערך כולל של פחמן אורגני, חמצן מומס, עכירות, וערך הסחפת.

לכן, עלות התחזוקה וסה”כ אנרגיה הדרושה הנגרם מניקיון תקופתי צפוי להיות נמוך יותר בשימוש במי תהום מלוחים.

מחקר עדכני מצא שתכיפות ניקוי הממברנות במתקנים שהשתמשו במי תהום מלוכים באוסמוזה הפוכה הוא נמוך ב25-75% מבמתקנים המשתמשים במי ים כמקור.

בנוסף,למי תהום מלוחים יש קצב נמוך יותר של התפתחות בקטריות וגופים שונים מזה של מי ים ולכן מצופה שיהיה פחות צמדה ממקור ביולוגי.

בנתיים, רוב יתרונות אלה הוצעו ונחקרו בצורה מקדימה, ונדרש הערכות ואישוש נוספים ליתרונות אלו.

בזמן זה” רוב מתקני ההתפלה בעולם משתמשים במי תהום מלוחים כמקור לתהליך.

אחד מהם נמצא במלטה, שם מתקן התפלת מים עובד ע”י שימוש במי תהום מלוחים הנשאבים מבארות חופיים ומספק כ50% מהספקת המים המתוקים.

עוד מתקן להתפלת מים המשתמש במי תהום מלוחים הנשאבים מתחת לקו המים מתוקים-מלוחים נמצא באלמריה(דרום-מזרח ספרד); אלמריה היא איזור חצי מדברי, ולכן מקור המים העיקרי הוא האקוויפר החופי, שאיכות המים שבו הדרדרה בשנים האחרונות.

תעשה עשר בארות הממקומים ב30-150 מטר מקו החוף, שואבים מי תהום מלוחים ומייצרים בערך 16 מיליון מטר קובייתי לשנה.

באיזורים מדבריים אחרים בהם אין מקורות מי תהום מתוקים, נעשה שימוש במי תיהום מלוחים בתהליך ההתפלה ובחלק מהמקרים, הבארות ממוקמים קרוב לים.

רוב המתקנים בעולם הם בקנה מידה הנע בין קטן לבינוני, אך בחלק מהמקומות נבנו מתקני אוסמוזה הפוכה המשתמשים במי תהום מלוחים כמקור.

דוגמא אחת היא מתקן הנמצא בסר, אומן, מתקן זה הוא המתקן הגדול ביותר השתמש במי תהום מלוחים במקור עם קצב טיהור של 60 מיליון מטר קובייתי בשנה.

ע”י שאיבת מי תהום מלוחים קו המים מתוקים-מלוחים נסוג עמוק יותר לעבר הים.

בנוסף ניתוח של המים מראה שמי תהום עוברים סינון כאשר הם עוברים דרך המשקע, דבר המפחית את כמות החלקיקים במים ביותר מ90%.

מטרת מחקר זה הייתה לקבוע את ההתאמה של מי תהום מלוחים להתפלת מים בשיטת אוסמוזה הפוכה ע”י הגדרת המאפיינים הכימיים, פיזיים וביולוגים של מי תהום מלוחים ומי ים, וע”י הערכה של הביצועים, יעילות ונטייה לצמדה בתהליך התפלה ע”י אוסמוזה הפוכה של שני סוגי המים.

התוצאות מראות ששימוש במי תהום מלוחים במקור להתפלה ע”י אוסמוזה הפוכה באקוויפרים חופיים עלולה להיות מועילה ביותר בהשוואה למי ים.

חומרים ושיטות

מדגם מים

מים מקו המים המתוקים-מלוחים ומי תהום מלוחים נאספו מבאר למטרות מחקר,הממוקמת 80 מטר מקו החוף בשמורת הטבע ניצנים (קו רוחב:31″47’31° קו אורך 58″38’34° E, בזאת מתייחס לניצנים).

עהמים נדגמו ע”י צוללת ששאבה אותם (גרונדפוס ,ברינגר, דנמרק).

מים מהקו נדגמו מעומק ~30 מטרים, ומי תהום מלוחים מעומק 45 מטר.

מי הים לניסוי ההתפלה נלקחו ישירות מהים באיזור החוף הסמוך לניצנים.

מי תהום מלוחים (500 ליטרים) נדגמו גם בחורף וגם בקיץ בבאר שאיבה פעילה הנמצאת 100 מטר מקו החוף, באר זו שואבת בעומק של 50 מטר מתחת לפני השטח בקצב של 1.7 מיליון מטר קובייתי לשנה במלון הילטון בתל אביב (קו רוחב:51″04’31° N, קו אורך 50″46’34°

E).

ריכוז העכירות כתוצאה מחלקיקים בקרבת באר השאיבה השואבת לאורך כל השנה הוא נמוך יותר יחסים לריכוז העכירות בסביבתה, דבר המשפר את איכות המים להתפלה.

מים מבאר השאיבה בסופו של דבר יספקו מקור למתקני התפלה, ובכך מדמים בצורה טובה יותר את האיכות של מי התהום מלוחים.

מי ים לניסוי הצמדה נלקחו ממפרץ מי הים למתקן ההתפלה באשקלון (קו רוחב:8″40’31°, קו אורך:27″34’34°) על מנת לדמות בצורה טובה יותר את איכות המים המשומשת במתקני התפלה תעשייתיים.

בכל אירוע דגימה, רמת חומציות, חמצן מומס ,ריכוז יונים וטמפרטורה נמדדו באתר.

ניסויים באוסמוזה הפוכה בזרם חוצה

ממברנות גיליון שטוח שנבחרו לניסוי האוסמוזה ההפוכה הם SW30-HD (Dow-FILMTEC) ,TM820-400 (Toray) ו 1SWC- (Hidranautics).

בניסויים נעשה שימוש במערכת זרם מנוגד שהכילה תא לחץ (Sterlitech) בעל מידות 9.5ס”מ X 14.6 ס”מ של שטח סינון פעיל ולחץ מופעל של 50 bar.

המים הוזרמו ממיכל מים בנפח 10 ליטר ע”י משאבה משנית על מנת לתת למים לחץ ראשוני לפני השימוש במשאבה המרכזית, דבר האפשר לחץ גבוהה.

נשמר קצב זרימה של 150 ליטר בשעה במהלך הניסויים.

הטמפרטורה נשמרה ב24°C ע”י שימוש ביחידת המרת חום של המים העודפים והייתה תחת ביקורת במשך הניסוי.

הממברנות ששומשו בניסוי קודם הוטבלו בתמיסת איזופרופנול ואז נשטפו במים מזוקקים.

לפני כל ניסוי, ביצועי הממברנה נקבעו ע”י מדידה של הזרם העובר דרכה בשימוש במים מזוקקים כמקור והלחץ שהופעל השתנה בין 30,40 ו50 bar.

נחקר הקשר בין הלחץ לזרם. נוסחה 1:

נעשה שימוש בממברנות בעלות דגימות שהשיגו אחוז דחייה NaCI גבוהה מ97%; המערכת נשמרה בלחץ של 50 bar למשך 12-20 שעות, שמאפשר דחיסה של הממברנה והגעה לקצב מעבר זרם יציב.

ניסויי השוואה החוקרים 3 סוגים שונים של ממברנות בוצעו עם 4 ליטרים של מי מתהום מלוחים.

נעשה שימוש בלחץ תא של סינון פעיל במידות 8ס”מX2.8ס”מ.

נלקחו דגימות של מעבר זרם וריכוז לניתוח כימי.

קצב מעבר הזרם של הממברנה (Lp) של סוגי המים השונים (מים מקו המים מתוקים-מלוחים, מי תהום מלוחים, מי ים) חושבו בעזרת נוסחה 2:

כאשר JV  מייצב את מעבר הזרם,  זה הלחץ שהופעל ו זה הבדל הלחץ האוסמוזי.

מייצג את הזרם דרך הממברנה כאשר לוקחים בחשבון את הלחץ על הממברנה הנרגם ע”י תופעת ריכוז קוטביות.

הניסויים בוצעו תחת לחץ של 50 bar במשך 6 שעות, בשימוש 8 ליטר מכל סוג מים.

דחיית מלח חושבה באמצעות נוסחה 3:

כאשר  זה הזרם הנמדד עם תמיסת המלח ו זה הזרם הנמדד עם מים מזוקקים;  ו זה הלחץ האוסמוזי של מרבית המים ומעבר הזרם,  בהתאמה.

ניסויים בצמדה

ניסויים בצמדה נעשו עם מי תהום מלוחים ועם מי ים.

מי ים נלקחו מצינור שאיבה של מתקן התפלת מים אשקלון(ישראל) השואב את המים במרחק קילומטר מהחוף; מי המים המלוחים נלקחו ממשאבת מי תהום של מלון הילטון בתל אביב.

הניסויים התבצעו במשך 120 שעות והשתמשו במאגר מים גדול שנפחו 500 ליטר.

נעשה שימוש בלחץ תא של 8ס”מX2.8ס”מ שטח סינון פעיל; התאמות שיטה אלו נעשו על מנת להוציא את כמות הגורמים לצמדה במים.

ניתוח כימיית המים

נעשתה בחינה של NA+,Ca2+,Mg2+,K+,Sr2+ ובורון ע”י inductively coupled plasma-optical emission* spectroscopy (ICP-OES, Optima 5300) בעל 2% דיוק.

Cl−, Br−, and SO42− עברו ניתוח בשימוש ב ion chromatography (Dionex 4000i* בכל דיוק של 2%.

HCO3− עבר ניתוח באמצעות titration device (Titrino 785 Metrohm)  המשתמש בתמיסת 0.02 N HCl .

TOC נמדד באמצעות multi N/C 2100s בעל 0.1% דיוק.

(EC), pH, ו DOנמדדו באמצעות מודד (EC), pH, ו- DO  (WTW-KS multi 3xxi).

מדידותSilt density index (SDI) * נעשו בשימוש מקור מים של 20 ליטר במיכל מים PVC המחוברת למערכת אוויר דחוס ומד לחץ המפעיל 30 psig בתוך התא.

מים עברו סינון דרך סנן 0.45 μm.

זרם המים נמדד ב t0 ((flux* at t = 0 וב t15 ( (flux* at t = 15 min ו SDI חושב באמצעות נוסחה 5:

SDI מסמל את הירידה זרם* באחוזים לדקה. (flux= זרם)

ניתוח המיקרוביולוגיה:

ניתוח המיקרוביולוגיה נעשה באמצעות לקיחת מי תהום מלוחים מצינור ה *intake של מלון הילטון בתל אביב וממתקן התפלת המים באשקלון. על מנת למדוד כלורופיל a, דגימות משולשות (300 mL) סוננו באמצעות מסננים מסיבי זכוכית (nominal pore size 0.7 μm, Whatman).

המסננים אוחסנו ב−20 °C בקופסא חשוכה למשך שבוע אחד עד לניתוח.

נלקחו דוגמיות ב5 mL 90% acetone במהלך הלילה, ב4 °C בחושך.

ריכוזי כלורופיל a  נקבעו באמצעות luminescence Trilogy fluorometer (7200−000) with a 436 nm excitation filter and a 680 nm emission filter.

ריבוי בקטריות פיקופלנקטון, הטרוטרופיק, ואוטוטרופיק נמנו ע”י מודד תאים בזרם.

		SGW			seawater
parameters	mean	range	stddev	mean	range	stddev	SGW/seawater ratio
TDS, meq L−1	1150	1052−1384, n = 46	85.6	1344	1267−1390, n = 10	41.6	0.86
Cl−	526	457−632, n = 46	40.7	624	597−637, n = 10	12	0.84
Na+	432	388−528, n = 46	36.1	506	459−534, n = 10	26.5	0.85
Mg2+	100	88−115, n = 46	8.59	117	103−122, n = 10	5.8	0.85
SO42−	53	46.1−66.1, n = 46	4	61	57.3−65.7, n = 10	3.8	0.86
K+	8	6.6−11.5, n = 46	1.3	11.5	10.3−13.9, n = 10	0.92	0.70
Ca2+	30	19.5−38.9, n = 46	3.9	23	19.8−24.4, n = 10	1.35	1.33
Br−	0.73	0.64−0.81, n = 37	0.15	0.83	0.74−0.83, n = 10	0.07	0.88
Sr2+	0.2	0.13−0.22, n = 46	0.02	0.18	0.12−0.2, n = 10	0.02	1.09
B	0.28	0.23−0.3, n = 3	0.03	0.4	0.37−0.41, n = 2	0.02	0.70
dissolved oxygen, mg L−1	3.2	0.7−6.7, n = 26	1.8	8.5	7.2−9.36, n = 5	1.0	0.38
total organic carbon, mg L−1	0.64	0−1.7, n = 3	0.75	1.63	1.48−1.78, n = 2	0.15	0.39
temperature-summer, °C	26.0	23.3−29.6, n = 18	1.77	28.6	27.5−29.6, n = 4	0.8
temperature-winter, °C	22.4	20.4−26.7, n = 16	2.1	18.6	17.7−19.5, n = 3	0.74
pH	7.1	6.58−7.42, n = 16	0.2	8.2	8−8.27, n = 7	0.09
silt density index, % min−1	3.3	2−4.4, n = 13	0.9	4.6	4.2−5.4, n = 6	0.4	0.72
osmotic pressure, bar	26.2	23.8−31.6, n = 46	2	30.8	29−31.9, n = 10	0.9	0.85

דגימות של 1.8 glutaraldehyde (Sigma G-7651) , הנמצא בטמפרטורת חדר למשך 10 דקות, מוקפא בחנקן נוזלי, ולאחר מכן נשמר ב  −80 °C עד לניתוח.

לפני הניתוח דגימות קבועות מראש עברו הפשרה מהירה לטמפרטורה של37 °C .

הניתוח נעשה בשימוש ב Attune cytometer (Applied Biosystems, MA), ביחד עם argon lasers (405 and 488 nm).

חרוזים בגודל 1 μm ,(Applied Biosystems, Massachusetts, USA) שימשו כסטנדרט.

ה taxonomic discrimination התבסס על cell side-scatter כדוגמא של נפח התא, פיזור קדמי כדוגמא של גודל התא, ופלורנסט אדום וכתום של פיקואריטרין וכלורופיל a (585nm  ו630nm, בהתאמה).

בקטריה הטרוטרופית נצבעו (200uL של הדגימה הראשונית) בשימוש  SYTO 9 Green Fluorescent Nucleic Acid Stain ונספרו ע”י אבחנה המבוססת על פלורסנט ירוק (530 nm) ופיזור צדדי.

יעילות בקטריאלית הוערכה באמצעות בשיטת איחוד [4,5-3H]leucine ) Amersham; פעילות ספציפית 160 Ci mmol−1).

למשך זמן קצר, שלושה תוצרים (כל אחד 1.7 mL) מכל דגימה עברו דגירה עם 100 nmol L−1 of [4,5-3H]-leucine (PerkinElmer, פעילות ספציפית 160 Ci mmol−1) למשך 4 שעות בטמפרטורה סובבת בחושך.

ניסויים מקדימים מצביעים על רמת רוויה של  3H-leucine , ושהאיחוד היה רציף בפעם הזו.

תוספת משלושת של חומצה טריכולואסטיק (TCA) שימשה כבקרה.

הדגירות הסתיימו עם 100 μL של TCA קר (4 °C), ומיד לאחר מכן נעשה שימוש בפרוטוקול צנטריפוגות מיקרו.

לאחר הוספה של 1 mL של קוקטייל לומינציה (Ultima-Gold ) לכל בקבוקון, הדגימות נספרו באמצעות TRI-CARB 2100 TR (Packard) מודד לומינציה נוזלי.

קצב הייצור נמדד באמצעות פקטור המרה של 1.5 kg C mol−1 עם פקטור דלול איזוטופי של 2.0.

שיעור פיקסציית פחמן פוטוסינטטית נמדד ע”י שיטת איחוד C .

כל הדגימות נעשו ברביעיות בבקרה חשוכה ובאפס זמן.

כדי לקבוע את כמות הקרינה שהתווספה, , 50 μL של כל דגימה עורבבה מיידית עם 50 μL אטנולמין ואוחסנה לניתוח.

הדגירות הסתיימו ע”י סינון מי הים המשומשים לפילטרים GF/F (Whatman) .

הדגירות עברו אינקובציה המשך הלילה ב5 mL בקבוקוני לומינציה המכילים 50 μL של32% HCl על מנת להסיר     C-bicarbonate עודף.

לאחד הוספה של 3 mL של קוקטייל לומינציה (Ultima-Gold) לכל בקבוקון, הקרינה נמדדה באמצעות TRI-CARB 2100 TR(Packard) מודד לומינציה נוזלי.

מקור מים ומאפיינים

בהתחלה, מאפיינים כימיים וביולוגיים של מי תהום מלוחים נותחו והושוו.

התוצאות של פרמטרי המים שנמדדו במחקר זה בשרטוט Table S1, מפרטים ערכים לכל מיקום בנפרד.

על מנת לתאר פרטמרים האופייניים למי תהום מלוחים ולמי ים מאיזור הים התיכון המזרחי, ערכים ממוצעים של מי תהום מלוחים ומי ים חושבו, כולל מידע ממחקר קודם.

הערכים הממוצעים שחישבנו למאפיינים הפיזיים והכימיים של מי תהום מלוחים ומי ים נראים ב Table 1; כפי שניתן לראות ב Table 1, המליחות של מי תהום מלוחים, נמוכה יותר מי ים מאיזור הים התיכון המזרחי.

Table 2

תרשים 2

ריכוז ה Cl− במי מלח מלוחים (526 mequiv L−1 ) הוא כ84% לעומת מי ים מהים התיכון, דבר המצביע על דילול של 16% של מי תהום מתוקים.

מליחות של מי תהום, שהיא נמוכה ממי הים הסמוכים לה, נמצאה באקוויפרים חופיים אחרים ברחבי העולם ונחקרה בעבר בסביבות מדבריות.

למרות זאת, בהרבה איזורים, לדוגמא בסביבות ים המלח, מי התהום בעלי מליחות גבוהה ביותר, בחלק מהמקרים אפילו יותר מהמליחות במי ים.

ריכוז היונים במי תהום מלוחים משתנה מערבוב פשוט של מי ים עם מי תהום מלוחים (84% מהערכים של מי ים).

הדוגמא הכי ברורה זה העשירות של Ca2+ במי תהום העולה מ23 mequiv L−1 במי ים ל30 mequiv L−1 במי תהום מלוחים.

Sr2+ בעל עלייה בצורה דומה ל Ca2+עם ערכי עשירות של 0.18 mequiv L−1 למי ים ו0.2 mequiv L−1 למי תהום מלוחים, דבר המראה דלדול של 30%.

הריכוז האופייני של בורון במי ים הוא 0.4 mequiv L−1 ושל מי תהום מלוחים הוא 0.28 mequiv L−1, דבר המראה 30% ירידה ודלדול מערבוב טהור של מי ים ומי תהום מתוקים.

הריכוז הנמוך בצורה משמעותית של ריכוז בורון במי תהום מלוחים מועיל בצורה גבוהה להתפלת מים, מכיוון שחדירות הבורון בממברנות אוסמוזה הפוכה היא גבוהה, והסרה בצורה מיוחדת של בורון נדרשת בתהליך התפלת מים ע”י אוסמוזה הפוכה (בעיקר לאחר ההתפלה);לכן, ערכי בורון נמוכים יותר עלולים להפטר מהצורך בטיפול בהסרת בורון לאחר התפלה ולהוריד עלויות.

תהליכים אלה של העשרה ודלדול בעיקר תוצר של חילוף יונים חיוביים, אבל תהליכים גאו-כימיים אחרים כגון משקעים והתפרקות של מינרלים (לדוגמא CaCO3 ) מתרחשים במהלך חדירה של מי ים לאקוופיר, ואחראיים בצורה חלקית לערכים אלו.

רצוי לציין שקצב שאיבה גבוהה יותר עשוי להפחית את זמן השהייה של מי ים באקוויפר ובכך להפחית את ההבדל ההרכבי הלא-אורגני בין מי ים למי תהום מלוחים; למרות זאת, דבר זה צריך מחקר נוסף.

כתוצאה מערבב עם מי תהום מתוקים, הלחץ האוסמוזי אל מי תהום מלוחים נמוך ב15% מזה של מי ים (table1 ), דבר נחוץ ליעילות של תהליך ההתפלה.

לחץ אוסמוזי נמוך יותר במי תהום מלוחים הוא מועיל ביותר בגלל דרישת אנרגיה נמוכה יותר.

הטמפרטורה של המים (גם מי תהום מלוחים וגם מי ים) היו בטווח של 22.4° ו26 °C במהלך המחקר, כאשר המי ים שנדגמו השתנו בין 18.6° ל28.6 מעלות; סטייה זו בטמפרטורת מי ים מתאימה לספרות, המצביעה על שמי ים בים התיכון המזרחי חווה מגוון עונתי רחב (16−30 °C ).

לכן, מי תהום מלוחים עלולים לצרוך פחות התאמת טמפרטורה ממי ים להתפלה.

רמת ה pH של מי ים היא אלקלינית (8.2) לעומת זאת רמת מי תהום מלוחים היא בערך 7. הירידה ברמת הpH מקושרת עם העובדה שהאקוויפר מכיל קרבונט מתהווה (בחלקו בנוי מאבן חול גירית) בעוד שבאקוויפרים סיליקטיים תופעה זאת לא בהכרח תופיע.

במתקני התפלה המשתמשים באוסמוזה הפוכה, מי המקור בד”כ עוברים חמצון לרמה של 5-7 pH על מנת למנוע עלייה בסידן פחמן.

מבחינה זו, מי תהום מלוחים ידרשו פחות כימיקלים להתאמת רמת הpH.

ובנוסף על כל, איכות ההתפלה עולה ככל שהpH  יורד, דבר הנותן למי תהום מלוחים יתרון נוסף.

חמצן מומס (DO) במי ים היה ברמת רווה (8.5 mg L−1; Table 1), כאשר החמצן המומס במי תהום מלוחים הופחת לבערך 65% מרוויה (3.2 ± 1 mg L−1 ).

ערכי חמצן מומס אופיניים במי תהום מלוחים הם אפילו נמוכים יותר, לרוב פחות מ1 mg L−1.

חמצן מומס הוא הכרחי לבקטריה אנ-אירובית, ולכן רמות גבוהות של חמצן מומס במי מקור עלול להאיץ היווצרות ביופילם על הממברנה.

לכן, מי תהום מלוחים בעלי יתרון בגלל שמצופה רמות נמוכות יוצר של צמדה על הממברנות בהשוואה למי ים.

ריכוז סה”כ הפחמן האורגני (TOC) הנמדד במי תהום מלוחים היה נמוך בכ60% מזה של מי ים (0.63 mg L−1 ו1.64 mg L−1 בהתאמה).

ריכוז סה”כ הפחמן האורגני מהחוף הים תיכוני בספרד נמדד ב סולה את אל.

הראה טרנד דומה: רמת סה”כ הפחמן האורגני של מי ים הייתה 0.76 mg·L−1 , בעוד שמי התהום המלוחים הנמצאים בסביבה היו 0.19 mg·L−1.

סה”כ הפחמן האורגני משומש ע”י בקטריה הטרוטרופית כמצע לגידול ביופילם.

לכן מי ים בעלי יותר סיכוי להווצרות צמדה על הממברנה עם הפחתה בביצועים של הממברנה.

הערכה של SDI הראתה ערך נמוך ב30% למי תהום מלוחים בהשוואה למי ים (4.6%.min−1 ו 3.3%.min−1 למי ים ולמי תהום מלוחים בהתאמה).

על מנת להמנע מתקיעה בממברנה, חברות היצרנים של הממברנות ממליצות על ערך SDI בין 2 ל4 דבר המראה על יתרון ברור לטובת מי תהום מלוחים לעומת מי ים.

ההבדלים של DO, TOC , Ph , טמפרטורה, SDI , ריכוז בורון ומליחות בין מי תהום מלוחים למי ים מראה שמי תהום מלוחים יותר מתאימים ובעלי יותר יתרונות להתפלה, מכיוון שניתן לצפות לפחות טיפול מקדים ודרישת אנרגיה נמוכה יותר.

כמות מיקרובית ואקטיביות נקבעו במי תהום מלוחים ובמי ים.

בסך הכל, הכמות המיקרובית הייתה גבוהה יותר במי ים ומבמי תהום מלוחים (Table 2).

רמת כלורופיל a הייתה גבוהה ב2 ל3 יותר במי ים מבמי תהום מלוחים, וכמויות פיקופלנקטון (סיאנובקטריה ויוקריוטות בגודל קטן)  הראו את אותה מגמה.

כמות בקטריה הטרוטרופית במי ים הייתה גבוהה בצורה בצינות מאשר במי תהום מלוחים (פי 1.5 Table 2 ).

בניגוד לכמויות מיקרוביות גבוהות יותר הנמצאות במי ים לעומת מי תהום מלוחים, ריבוי בקטריות נשאר ללא שינוי בכל הדגימות.

ערכי ריבוי עיקריים היו גבוהיים יותר במי בכפי 3 ממי תהום מלוחים במהלך הקיץ ו~50% יותר נמוכים בדגימות שנעשו בחורף.

עיקבי עם ערכים דומים של התרבות וכמות, גיוון בקטריאלי המבוסס על 16S אנליזה הראה הרכב דומה בשני סוגי המים עם דומיננטיות של פרוטאו-בקטריאלית פילוטייפס (למעלה מ80% מכל הOTU Table 2 ).

כמות ופעילות המיקרובים הקטנה יותר במי תהום מלוחים עלולה להוות כיתרון נוסך להתפלת מי תהום מלוחים, בעיקר בגלל ביומסה אוטוטרופית ופעילות נמוכה יותר (Table 2) דבר העלול לרסן הווצרות צמדה בפעילות אוסמוזה הפוכה.

התפלת מי תהום מלוחים באוסמוזה הפוכה

ניסויי התפלה במערכות זרם חוצה אוסמוזה הפוכה  בוצעו עבור מים מקו המים מתוקים מלוחים(FSI) , מי תהום מלוחים(SGW) ומי ים כדי להעריך מאפייני התפלה כגון דחיית מלח וחדירת הזרם של שלושת סוגי המים.

לפני חקירה של סוגי המים השונים, השוואה בין שלושת סוגי ממברנות אוסמוזה תעשייתיות נערכה עם מי תהום מלוחים כמקור, על מנת לבחור את הממברנה ההמתאימה ביותר למחקרים נוספים.

קצב החדירה של הזרם בניסויים בסינון באוסמוזה הפוכה עם ממברנות  SW30-HR ו SWC-1 היה נמוך מזה של ממברנת Toray TM820-400 (30 ± 1.6 L·m−2 h−1 , 31.7 ± 0.6 L·m−2 h−1 , 43.5 ± 1.8 L·m−2 h−1 בהתאמה).

הזרם החודר של TM820−400 היה גבוה בכ30% לערך מזה של שתי הממברנות האחרות, דבר הנותן לו יתרון.

דחיית המלח של TM820-400 הייתה 98% ושל SWC-1 הייתה 95.2%.

ע”י לקיחה בחשבון של התוצאות של הזרם החודר ושל דחיית המלח, ממברנת TM820-400 נבחרה להמשך ניסויים עם מי תהום מלוחים.

התפלה ע”י אוסמוזה הפוכה של שלושת סוגי המים(מי ים,FSI, ו מי תהום מלוחים) נעשו בעזרת ממברנת TM820−400, וחדירות ממברנה ניתן לראות ב Figure 2; כמצופה, חדירות הממברנה בשימוש בFDI ומי תהום מלוחים כמי מקור הייתה מזאת של מי ים.

תחת לחץ של 50 bar, חדירת הזרם הממוצעת בהתפלה של מי תהום מהFSI הייתה 75.3 L·m−2·h−1, ממי התהום המלוחים קצב חדירת הזרם הממוצע היה49.9 L.m−2·h−1  ומי ים היה 40.7 L·m·h−1.

חדירות הממברנה הממוצעות היו 1.55, 1.02ו 0.83 L·m−2·h−1bar−1 בהתאמה.

המליחות של מי FSI היא ~30% מזו של מי ים, ומליחות של מי תהום מלוחים היא בערך 85%.

הזרם החודר בניסוי סינון בשימוש במי FSI בעלי 82% גבוהה יותר ממי ים, ומי תהום מלוחים בעלי 19% גבוהה יותר מחדירה של מי ים.

נעשה קשר ליניארי בין הזרם החודר הראשוני לבין מליחות מי המקור (Figure 2b).

למרות שמי הFSI בעלי החדירה הגבוהה בין שאר סוגי המים שנחקרו, FSI לא נחשב למקור בר קיימא להתפלה בגלל הנפח הנמוך של המים באיזור הערבוב, ושאיבה מתמדת של FSI מצופה להזיז את איזור הערבוב למיקום שונה באקוויפר.

בנוסף, שאיבה מתמשכת מאיזור הFSI עלולה למשוך מי תהום מתוקים מלמעלה ועלולה לגרום לאפקט מזיק על אקוויפרים של מים מתוקים.

לכן, ניסויים עוקבים התרכזו על התפלה של מי תהום מלוחים מתחת לאיזור הFSI.

הווצרות צמדה, ווריאציות עונתיות של סוגי מים.

ניסויי הווצרות צמדה נעשו במערכת אוסמוזה הפוכה זרם חוצה בעזרת ממברנת Toray TM820−400 על מנת להעריך את ערך הווצרות הצמדה במי תהום מלוחים ובמי ים.

הניסויים נעשו באמצעות מי תהום מלוחים שנדגמו מבאר במלון הילטון בתל אביב, ועם מי ים שנשאבו מצינור שאיבה במתקן התפלה באשקלון(לפני טיפול), גם בקיץ וגם בחורף.

התוצאות מדגימות הראו שהזרם החודר השתנה לא בין הערך הראשוני בלי להתרדר גם במי תהום מלוחים וגם במי מלח (Figure 3a).

מצד שני, אירוע הדגימה בקיץ הראה התנהגות שונה למי תהום מלוחים ולמי ים : זרם מי תהום מלוחים היה בערך 41.8 L· m−2·h−1 , ולאחר בערך 10 שעות, התרדרדר לממוצע זרם של 38.1 L·m−2·h−1, שמהווה ירידה של 9% (Figure 3b).

הזרם החודר של של מי הים התדרדר בערך ב15% במהלך השעות הראשונות מזרם התחלתי של 40.6 L·.m−2·h−1 והתייצב בערך ממוצע של 34.2 L·m−2·h−1.

לכן, התדרדרות זרם במי ים הייתה יותר מודגשת במי ים מבמי תהום מלוחים, דבר היכול להיות מוסבר ע”י רמה גבוהה יותר של מזהים במי ים.

קצב חדירת זרם של מי ים במהלך דגימת הקיץ מתאימים לערך הSDI של מי ים לעומת מי תהום מלוחים.

התפלה ע”י אוסמוזה הפוכה של מי תהום מלוחים הראה פחות הווצרות צמדה מאשר התפלת מי ים, ולכן בעל יעילות גבוהה יותר.

קצב חדירת הזרם הנמדד גם למי תהום מלוחים וגם למי ים עשוי להיות מקושר עם העלייה באוכלוסיה מיקרובית במהלך הקיץ. עפ”י יאנג את טל.(2010) חומרים פולימרים חוץ תאיים(EPS), המופרשים ע”י מיקרו-אורגניזמים במהלך הקיץ הם הרבה יותר ניתנים להבחנה.

הEPS הרב מגביר הווצרות צמדה, בעיקר ספיגת חומר אורגני על פני שטח הממברנה, ולכן יש הווצרות צמדה רמה יותר בקיץ.

בנוסך, כח יוני חזק עשוי להגביר הווצרות חומר אורגני על משטחים; הכח היוני במי תהום מלוחים הוא  0.0125 mol/mol, נמוך יותר מכח יוני של מי ים (0.0136 mol/mol), מראה על ירידה של 9% כאשר ירידה של זרם מי ים בירידה של 15%.

תרשים 3

תרשים 4 מראה את הדחייה היונית הספציפית של כמה מהיונים החשובים. ניתן לראות שדחיית היונים עם מי תהום מלוחים הייתה גבוהה במעט מזאת של מי ים, אך למרות זאת הבדלים אלה אינם משמעותיים במידה רבה.

ריכוז מלח גבוהה יותר במי מקור גורם למעבר מלח גבוהה יותר דרך הממברנה.

במהלך ניסויי הקיץ, ערכי הדחייה של ה Ca2 , Na+  , SO42− ו Cl−במי תהום מלוחים היו 98.5%, 97.1%, 98.6% ו96.5% בהתאמה.

הדחייה של מי ים לאותם יונים למשך 50 השעות הראשונות הייתה 98.4%,96.6%,98.7% ו96.5% בהתאמה.

אחרי 50 שעות, ירידה בדחיית המלח נרשמה בניסויי מי המלח.

 תרשים 4

דחיית ה Ca2 , Na+  , SO42− ו Cl− הופחתה ל97.5% , 95.9%,97.6% ו95.6%, בהתאמה.

ניתן להסביר זאת ע”י חיזוק לחץ טרנס-ממברני של הממברנה המזוהמת שנגרם ע”י הווצרות ביו-שכבה הצומחת על שטח הממברנה.

העלייה ב לחץ טרנס-ממברני אוסמוזי מיוחס לשכבת הביו-צמדה (תאים בקטריאליים, EPS, וחומר אורגני)

דבר המגביר את הקטוב של מלח על שטח הממברנה, ולכן מגביר את מעבר המלח דרך הממברנה.

דחיית בורון בהתפלת מי ים הייתה 80%, כמעט זהה לדחייה שהושגה בהתפלת מי תהום מלוחים (79%).

למרות זאת, זה רלוונטי לציין שמי תהום מלוחים הם בעלי אחוז ריכוז נמוך יותר של בורון ממי ים בכ30%, לכן זה צפוי שבחדירה של מי תהום מלוחים דרך ממברנה יהיה תוכן בורון נמוך יותר, שהוא עוד יתרון בשימוש במי תהום מלוחים כמי מקור להתפלה.

ניסויי החורף הראו מגמה שונה בהקשר לדחיית מלח; דחיית המלח של מי תהום מלוחים בחורף עדיין הייתה גבוהה מזו של מי ים, אבל שניהם היו גבוהים יותר בהשוואה לניסויי הקיץ.

ניסויי היונים במי מלח ל Ca2 , Na+  , SO42− ו Cl− היו 98.8%,97.2%,99.1% ו 97.6% בהתאמה, ובשימוש במי תהום מלוחים הם 99.3%,98.5%,99.4% ו98.4%.

ניתן לתת הסבר לתופעות היחודיות לחורף ולקיץ בעזרת הטמפרטורה, שמשחקת תפקיד במעבר מלח: דחיית המלח יורדת עם עלייה בטמפרטורה עקב שינויים בחדירות הממברנה ובהעברת מסה.

לכן, דחייות בחורף הייתה לרוב גבוהה יותר מבקיץ.(Figure 4).

השלכות

עבודה זו מראה ששימוש במי תהום מלוחים כמקור להתפלה באקוויפרים חופיים עלולה להיות מאוד מועילה בהשוואה להתפלת מי ים.

סינון מדיית האקוויפר מעלה את איכות מי המקור ומפחיתה את הצורך לטיפול מקדים מקיף.

בדרך כלל, מתקני התפלת מים המשתמשים באוסמוזה הפוכה תופסים שטח גדול עכב הצורך במתקנים לטיפול מקדים.

שטח גדול זה קשה למציאה באיזורים בעלי צפיפות אוכלוסין הקרובים לחוף.

מתקני התפלת מים המשתמשים במי תהום מלוחים דורשים שטח קטן יותר עכב זה שהם דורשים שטח טיפול מקדים קטן יותר.

שטח האספקה של מי תהום מלוחים למתקן ההתפלה ולצרכן שלהם נמוך יותר ממי ים.

ישנם מאפיינים עונתיים של מי ים ואיכותם להתפלה.

איכות מי ים בקיץ מדרדרת, בעוד שאיכות מי תהום מלוחים נשארת אותו דבר.

לכן, שימוש במי תהום מלוחים בקיץ היא עדיפה.

לשימוש במי תהום מלוחים יש יתרונות נוספים לעומת שימוש במי ים כמי מקור, כגון טמפרטורה קבועה לאורך השנה, SDI נמוך יותר, חמצן מומס נמוך יותר, אחוז pH נמוך יותר וכמות והתרבות פילופלנקטון קטנה יותר.

המליחות הנמוכה יותר, והנטייה הנמוכה יותר להתצטברות צמדה הם יתרונות חשובים, וצפויים להניב חדירת זרם גבוהה ויציבה יותר.

לסיכום, התפלת מים עם מי תהום מלוחים כמי מקור מצופה להיות יותר יעיל, עם החזרים גבוהים יותר, שימוש נמוך יותר בכימיקלים, תחזוקה נמוכה יותר, ולכן עלויות אופרציה נמוכות יותר.