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Evaluation- of- desalination- techniques- for- treating the- brackish- water- of- Olushandja- sub‐basin- 

Bewertung von Entsalzungstechniken zur Behandlung von Brackwasser aus dem Olushandja Einzugsgebiet

  • The groundwater of Olushandja sub-basin as part of Cuvelai basin in central-northern Namibia is saline with TDS content varying between 4,000ppm to 90,000ppm. Based on climatic conditions, this region can be classified as a semi-arid to arid region with an annual rainfall during summer time varying between 200mm to 500mm. The mean annual evaporation potential is about 2,800mm, which is much higher than the annual rainfall. The southern block of this sub-basin is of low population density. It has not been covered by the supply networks for electricity and water. Therefore, the inhabitants are forced to use the untreated groundwater from the hand-dug wells for their daily purposes. This groundwater is not safe for human consumption and therefore needs to be desalinated for that purpose. The goal of this thesis has been to select a suitable desalination technology for that region. The technology to be selected is from those which use renewable energy sources, which have capacity of production from 10m3 to 100m3 per day, which are simple and robust against existing harsh environmental conditions and have already been implemented successfully in some place. Based on these criteria, the technologies which emerged from the literature are: multistage flashing (MSF), multi effect distillation (MED), multi effect humidification (MEH), membrane distillation (MD), reverse osmosis (RO) and electro dialysis reversed (ED). Out of these technologies, RO & ED are based on membrane techniques and MSF, MED & MEH use thermal processes whereas MD technology uses a hybrid process of thermal and membrane techniques for desalinating the water. For evaluation of technical performance, environmental sustainability and financial feasibility of the above mentioned desalination techniques, the following criteria have been used: gained output ratio, recovery rate, pretreatment requirements, sensitivity to feed water quality, post treatment, operating temperature, operating pressure, scaling and fouling potential, corrosion susceptibility, brine disposal, prime energy requirement, mechanical and electrical power output, heat energy, running costs and water generation costs. The data regarding the performance standards of the successfully implemented desalination techniques have been obtained from the literature of performance benchmarks. The Utility Value Analysis Tool of the Rafter-Group of Multi-Criteria Analysis (MCA) has been used for measuring the performance score of a technology. To perform the utility analysis, an evaluation matrix has to be constructed through the following procedures: selection of the decision options (or assessment groups), identification of the evaluation criteria, measurement of performance and transformation of the units. Then the criteria under the objective groups are assigned a level of importance for determining their weights.To perform the sensitivity analysis the level of importance of a criterion is changed by giving more weight or rate to the assessment group of interest (or study). Within the assessment group of interests, the best performing desalination technology has been selected according to the outcome of the sensitivity analysis. The important conclusions of this study are the identification of the capabilities of thermal and membrane based small scale desalination technologies and their applicability based on site specific needs. The sensitivity analysis indicates that the MED technology is the most environmental friendly technology that uses minimum energy and produces least concentrated brine for disposal. The ED technology has emerged to be technically suitable, but it is only applicable when source water has less than 12.000 ppm salt content. The MSF process has favorable thermal efficiency and it is insensitive to feed water quality. Its major drawbacks are energy needs and post treatment requirements that affected its net score. The MD and MSF process have scored the lowest for the technical and economic assessment groups and are concluded not to be suitable for Olushandja sub-basin. The MEH process is cheaper and technically more appropriate than the MED in the two assessment groups. Based on the above mentioned evaluations, this study concluded that Olushandja sub-basin needs more data collection on the geological profile, distinctive identification of aquifers and evidence on the interaction between the aquifers. From the best available data obtained, it could not be established with certainty where the highest level of salinity can be found in the profile, or how the geological profile is layered. More data on ground water quality for spatial overview of the trends and pattern of the sub-basin will be useful in drawing better conclusion on the specific desalination technology needed which is suitable for a specified village or living space.
  • Das Olushandja Wassereinzugsgebiet im zentralen Norden Namibias zeichnet sich durch semiarides bis arides Klima aus. In der Regenzeit fallen Niederschläge von 200 bis 500mm p.a., die aber infolge der hohen potenziellen Verdunstung von bis zu 2.800 mm p.a. nur begrenzt nutzbar sind. Es ist Teil des Cuvelaibeckens und beinhaltet aufgrund der insgesamt geringen Austauschrate Grundwasser mit einer Salinität von ca. 4.000 ppm bis 90.000 ppm. Der südliche Teil des Olushandja Einzugsgebietes ist dünn besiedelt und es gibt keine sichere Wasserversorgungs- und Energieinfrastruktur. Die dort lebenden Bewohner sind gezwungen sich über handgegrabene Brunnen mit oberflächennahem Grundwasser zu versorgen. Der Konsum dieses Wassers stellt für die Bevölkerung eine Gesundheitsgefahr dar und muss für den menschlichen Gebrauch einer Entsalzung unterzogen werden. Im Rahmen dieser Studie werden zur Auswahl geeigneter Entsalzungstechnologien für diese Region eine Reihe von Randbedingungen definiert, unter denen u.a. durch Einsatz erneuerbarer Energien, salzhaltiges Wasser mit einer täglichen Produktionsleistung von 10m-³ bis 100m-³ zu Trinkwasser aufzubereiten werden kann. Darüber hinaus sollten die Technologien unter den gegebenen Standortbedingungen möglichst technisch einfach und nachweislich robust für einen sicheren, dauerhaften und ökonomisch leistbaren Betrieb sein. Entsprechend wurden nach einer Literaturanalyse folgende Entsalzungstechnologien ausgewählt: Multi-stage Flash Distillation (MSF), Multi-effect Distillation (MED), Multi-effect Humidification (MEH), Membrane Distillation (MD), Reverse Osmosis (RO) und Electro-dialysis Reversed (ED). Die RO- und die ED-Verfahren basieren auf einem Membrantrennungsprozess, während die MSF-, MED- und MEH-Technologien auf einem thermalen Prozess mit Phasenübergang beruhen. The MD-Technologie stellt diesbezüglich ein hybrides Verfahren unter Verwendung eines Phasenübergangs und einer Membranbarriere dar. Zur Bewertung der verschiedenen Entsalzungsverfahren wurden die folgenden Kriterien verwendet: Gained-Output-Ratio (GOR) und Recovery Rate, Anforderungen an die Vorreinigung, Sensitivität gegenüber der Qualität des Rohwassers, Anforderungen an die Nachbehandlung, Betriebstemperatur, Betriebsdruck, Scaling-/Foulingpotential, Korrosionsanfälligkeit, Entsorgung der Brine, Primärenergieeinsatz, Einsatz mechanischer und elektrischer Energie, Wärmeenergie, Betriebskosten und Wassergenerierungskosten. Die Erfüllung der Kriterien wurde dabei aus historischen Leistungsbenchmarks von erfolgreich arbeitenden (Demonstrations-)Anlagen auf Basis in der Literatur beschriebener Ergebnisse abgeleitet. Die genannten Bewertungskriterien sind dabei darauf ausgelegt, die technische Leistung, die ökologische Nachhaltigkeit sowie die finanzielle Durchführbarkeit der ausgewählten Entsalzungsverfahren miteinander zu vergleichen.Zur Bewertung wurde eine Nutzwertanalyse mit den identifizierten Kriterien und den erhobenen Leistungsdaten durchgeführt und gewichtet verschiedenen Oberzielen zugeordnet. Anhand einer Sensitivitätsanalyse, bei der eine Variation der Gewichtungen erfolgte, wurde die Stabilität der Reihung der Verfahren überprüft. Innerhalb der jeweiligen Bewertungskategorie wird die Entsalzungstechnologie mit der höchsten Punkteanzahl gewählt. Das Ergebnis dieser Studie ist die Identifikation der Leistungsfähigkeit kleinskaliger Verfahren zur Entsalzung mit und ohne Phasenübergang und ihre Anwendbarkeit unter den ortsspezifischen Anforderungen. Die Sensitivitätsanalyse deutet darauf hin, dass der MED-Prozess der umweltfreundlichste ist, nämlich jener mit dem geringsten Primärenergieverbrauch und einer gering konzentrierten Brine. Der ED-Prozess ist grundsätzlich ebenfalls technisch geeignet, ist aber nur sinnvoll einsetzbar bei Rohwässern mit weniger als ca. 12.000ppm Salzgehalt. Der MSF-Prozess ist vorteilhaft in seiner thermalen Effizienz und ist unempfindlich gegenüber hohen Salzgehalten im Rohwasser. Seine größten Nachteile sind der hohe Energieverbrauch und die Anforderungen an die Nachbehandlung des Wassers, welche seine Bewertung verschlechtert haben. Der MD- und der MSF-Prozess haben die niedrigste Bewertung im technischen und ökonomischen Bereich erhalten und sind daher nicht für den Einsatz in der Region geeignet. Der MEH-Prozess ist günstiger und technisch besser angepasst als der MED-Prozess in diesen beiden Bewertungskategorien. Im Ausblick kommt diese Studie zu dem Ergebnis, dass weitere Datenerhebungen im Projektgebiet im Hinblick auf das lokal stark differierende geologische Profil, die genaue Analyse der Grundwasseraquifere und deren räumliche Ausdehnung bzw. Verbindungen notwendig sind. Die Summe aller räumlich höher aufgelösten Daten, insbesondere zur sehr stark variierenden Grundwasserqualität im Einzugsgebiet, könnten bessere Rückschlüsse auf die Auswahl und nachhaltige Bewertung der standortspezifisch besser geeigneteren Entsalzungstechnologie geben.

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Metadaten
Author:Kaliki Kambanda
URN:urn:nbn:de:hbz:385-9084
Advisor:Wolfhard Symader
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2015/01/26
Publishing institution:Universität Trier
Granting institution:Universität Trier, Fachbereich 6
Date of final exam:2013/05/08
Release Date:2015/01/26
Tag:Cuvelai Etoscha Becken; Nutzwertanalyse; Prozessbenchmarking; Solarthermische Entsalzungstechnologie
Cuvelai Etosha-basin; Process benchmarking; Solar thermal desalination technique; Utility analysis
GND Keyword:Brackwasser; Einzugsgebiet; Entsalzung; Kosten-Nutzen-Analyse
Institutes:Fachbereich 6 / Geographie und Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften

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