Renewables-driven membrane distillation for drinking water purification: Main Ethiopian Rift Valley case study

Abstract

[ES] El flúor está presente en todo tipo de recursos hídricos, pero consumir agua con niveles más allá de la actual pauta de la Organización Mundial de la Salud, 1.5mg/L, puede ser muy dañinos para la salud de las personas. Debido a la naturaleza volcánica de las rocas en el Valle del Rift de Etiopía, el agua subterránea está contaminada con flúor, y los estudios incluso han registrado niveles de hasta 26 mg/l. Estos niveles excesivos están afectando a más de 14 millones de mujeres y niños de Etiopía. Proporcionar a esa población agua segura y limpia podría ayudar a alcanzar el Objetivo de Desarrollo Sostenible 6 (Garantizar la disponibilidad y la gestión sostenible del agua y el saneamiento para todos) de la ONU. Los sistemas de destilación de membrana han sido probados y han demostrado ser efectivos para eliminar el flúor incluso con agua con concentraciones altas de flúor (500 mg/L). La destilación por membrana es un sistema impulsado por calor que funciona con temperaturas por debajo de los 100ºC. Fuentes de energía renovables como geotermia, solar o biomasa pueden usarse para proporcionar ese calor. Este informe evalúa tecno-económicamente diferentes tecnologías usando TRNSYS: colectores planos, colectores de tubos de vacío y biogás a partir de estiércol animal, como fuente de calor para la unidad de destilación de membrana. El tamaño de las instalaciones hipotéticas se optimizó para cubrir la demanda de 30 hogares. Se calcularon varios indicadores para comparar las diferentes tecnologías: consumo térmico específico, producción de agua y la eficiencia de los sistemas. Se consideraron los costes de inversión y los costes de operación y mantenimiento para calcular los costes totales de la instalación y el período de amortización de las diferentes instalaciones. Los resultados muestran que la mejor opción tecno-económica para instalar es un modelo híbrido que combina colectores de tubos de vacío y una unidad de producción de calor y electricidad alimentada con biogás. Ésta puede satisfacer no solo la demanda con una unidad de destilación de membrana sino también suministrar electricidad y biogás para cocinar. Sin embargo, dependiendo de la ubicación específica, la disponibilidad de radiación solar y el estiércol puede variar y, en consecuencia, la mejor opción cambiará. En caso de que la existencia de ganado sea limitada, tres unidades de destilación de membrana junto con 85m2 de colectores de tubo evacuados pueden cubrir la demanda. Si la disponibilidad de sol es limitada, se puede considerar dos unidades de membrana con una unidad de biogás autónoma. Los colectores planos nunca son la mejor opción, ya que requieren el coste de inversión más alto. Sin embargo, la existencia de fabricantes locales puede disminuir los costes.

[EN] Fluoride is present in all type of water sources, but levels beyond the current World Health Organization guideline of 1.5mg/L can be very harmful for people s health. Due to the volcanic nature of rocks in the Ethiopian Rift Valley, groundwater is contaminated with fluoride, and studies have even recorded levels up to 26mg/L. These excessive levels are affecting more than 14 million women and children from Ethiopia. Providing that population with safe and clean water could help to achieve the Sustainable Development Goal 6 (Ensure availability and sustainable management of water and sanitation for all) from the UN. Membrane distillation systems have been tested and showed to be effective in removing fluoride even at high feed levels (500 mg/L). Membrane distillation is a heat driven system that works under feed water temperatures below 100ºC. Renewable energy sources such as geothermal, solar or biomass can be used to provide that heat. This report evaluates techno-economically different technologies using TRNSYS: flat plate collectors, evacuated tube collectors and biogas from animal dung, as heat source for the membrane distillation unit. The size of the hypothetical installations was optimized to cover the demand of 30 households. Several indicators were calculated to compare the different technologies: specific thermal consumption, water production and the efficiency of the systems. Investment and operation and management costs were considered to calculate the total costs and payback period of the different installations. The results show that the best techno-economic option to install is a hybrid model that combines a combined heat and power unit powered by biogas and evacuated tube collectors, as it can meet not only the demand with one membrane distillation unit but also supply electricity and biogas for cooking. However, depending on the specific location, the availability of solar radiation and manure can vary, and consequently the best option will change. In case the existence of livestock is limited, three membrane distillation units coupled with 85m2 of evacuated tube collectors can cover the demand. If the availability of sun is limited one membrane unit couple with a standalone biogas unit can be considered. Flat plate collectors are never the best option, as they require the biggest investment cost. Nevertheless, the existence of local manufacturers can decrease the costs.