ایالات متحده – و در واقع جهان – در بحبوحه بحران آب قرار دارد.
به ویژه وضعیت در غرب آمریکا بحرانی است، که به عنوان “مرگ خشکسالی” واجد شرایط است زیرا برای چندین دهه ادامه داشته است. بر اساس اعلام سامانه ملی اطلاعات یکپارچه خشکسالی، 19 درصد از کشور با خشکسالی «شدید» مواجه هستند. این تقریباً 90 درصد کالیفرنیا و یوتا و تقریباً دو سوم نوادا، مونتانا، آیداهو و اورگان را شامل می شود.
و در حالی که وضعیت در غرب ممکن است وخیم به نظر برسد، بقیه کشور از جنگل خارج نشده است.
جاروم پولسکی، رئیس بخش ادغام سیستم‌های انرژی ORNL، گفت: «ما در بسیاری از نقاط کشور با وضعیتی مواجه شده‌ایم که در آن منابع آبی که به طور سنتی استفاده می‌کردیم، اکنون کمتر و کمتر در دسترس هستند. همه از مشکلاتی که در حال حاضر گریبانگیر کالیفرنیا هستند آگاه هستند، اما برای مثال در شهرهایی مانند آتلانتا نیز با موقعیت هایی روبرو می شوید.
آتلانتا حوضه آبخیز بسیار وسیعی ندارد. البته باران زیادی می بارد. حوضه های آبخیز و منابع آب سطحی نسبتا خوبی دارند. اما جمعیت بسیار زیادی وجود دارد و آنها با وضعیتی مواجه هستند که این منابع سنتی آب روز به روز کمتر در دسترس هستند.
هر بحثی در مورد اقتصاد دایره ای و پایداری باید شامل استفاده و استفاده مجدد ما از آب باشد. افزایش جمعیت و تغییر آب و هوا به این معنی است که ما باید در تامین نیازهای آبی خود خلاق باشیم.
البته حفاظت باید بخشی از راه حل باشد، اما تنها بخشی است. رویکرد ما به آب همچنین باید شامل توسعه منابع آب غیر سنتی و تصفیه هوشمندتر و استفاده مجدد از آبی باشد که از زهکشی ما خارج می شود.
منابع غیر سنتی در جاهای مختلف یافت می شود. این دسته شامل آب دریا و آب شور کمتری است که در سفره‌های زیرزمینی یا جایی که رودخانه‌ها به اقیانوس می‌رسند یافت می‌شود. علاوه بر این، حفاری نفت و گاز نیز منجر به تولید آبی می شود که به «آب تولیدی» معروف است. و رویکرد ما همچنین باید شامل فاضلاب های استفاده مجدد از کل اقتصاد، از جمله منابع صنعتی، کشاورزی، معدنی و شهری باشد.
یک تلاش ملی
وزارت انرژی در سال 2018 با ایجاد یک مرکز نمک‌زدایی انرژی و آب با تمرکز بر تحقیق و توسعه اولیه در نمک‌زدایی و ترویج منابع آب غیر سنتی، به بحران آب پاسخ داد. در پاسخ، کنسرسیومی متشکل از سه آزمایشگاه ملی (آزمایشگاه برکلی، آزمایشگاه ملی انرژی های تجدیدپذیر ملی، و ORNL)، دانشگاه ها و شرکای صنعتی، اتحاد ملی برای نوآوری آب را در سال 2020 تشکیل دادند.
هدف آن در دسترس قرار دادن منابع جایگزین آب با هزینه ای مشابه منابع سنتی مانند رودخانه ها، دریاچه ها و سفره های زیرزمینی است.
پولسکی که به عنوان رهبر NAWI برای نوآوری فرآیند و تشدید تحقیق و توسعه خدمت می کند، گفت: “هدف کنسرسیوم کاهش چشمگیر شدت انرژی و هزینه تصفیه آب و به ویژه در دسترس قرار دادن منابع آب غیر سنتی برای استفاده است.” این می تواند برای مصرف انسان باشد، اما می تواند برای استفاده های دیگر نیز باشد.
«دستیابی به این هدف حول مفهومی است که DOE چندین سال پیش به نام برابری لوله ایجاد کرد. هدف اصلی تصفیه آب با هزینه ای قابل مقایسه با منابع سنتی این منطقه است.
رویکرد NAWI با مناطق چالشی مشخص شده با نام اختصاری A-PRIME، که مخفف عبارت
- “عملیات خودکار”، به ویژه در تصفیه آب و توسعه سنسورهای پیشرفته برای نظارت بر کیفیت آب
- “جداسازی دقیق” بر حذف آلاینده ها در فاضلاب صنعتی متمرکز شد
- به عنوان مثال، “تصفیه و حمل و نقل پایدار”، که با کیفیت های مختلف آب سازگار است
- “مدیریت پیشرفته آب نمک” بر مدیریت آب نمک های فوق شور متمرکز شده است
- “سیستم های مدولار” با استفاده از مواد بهبود یافته و فرآیندهای ساخت
- “سیستم های تصفیه برقی”، از جمله توسعه فرآیندهای الکتروکاتالیستی و سیستم های تصفیه که با شبکه برق یکپارچه می شوند.
پولسکی گفت، این چالش‌ها پروژه‌های تحقیقاتی را در سراسر اتحاد، از جمله در ORNL هدایت می‌کنند.
«همه پروژه‌های تحقیقاتی ما اساساً توسط حوزه‌های موضوعی A-PRIME تعریف می‌شوند. ما پروژه هایی در منطقه چالش آب خودمختار، منطقه چالش مدیریت فشرده آب نمک و منطقه چالش پایداری داریم. و سپس ما پروژه هایی داریم که بر درمان برقی نیز تمرکز دارد.
نوسازی تصفیه آب
رویکرد NAWI تشخیص می دهد که سیستم های تصفیه آب نیاز به مدرنیزه شدن دارند.
پولسکی گفت: “بسیاری از رویکردهای مرسوم برای تصفیه آب بسیار قدیمی هستند — برخی از آنها بیش از 100 سال قدمت دارند.” “رویکردهای درمانی مستلزم استفاده از قطارهای درمانی متوالی هستند: شما از یک فرآیند برای حذف یک جزء استفاده می کنید، سپس از فرآیند دیگری برای حذف دیگری و غیره استفاده می کنید.”
او توضیح داد که این رویکرد متکی بر ترکیب آب ورودی است که به طور چشمگیری تغییر نمی کند. هنگامی که ترکیب آب تغییر می کند، نیازهای تصفیه نیز می تواند تغییر کند و سیستم های موجود می توانند ناکارآمد یا ناکارآمد شوند.
بنابراین یکی از اهداف مرکز تحقیقات شکستن این پارادایم خطی است تا قطارهای تصفیه با هم کارآمدتر کار کنند و بتوانند انواع بسیار بیشتری از انواع آب ورودی را مدیریت کنند. در آینده، ممکن است لازم باشد در مورد اینکه آب خود را از کجا تامین می‌کنیم، انعطاف‌پذیرتر باشیم.»
تمیز نگه داشتن آب در نهر
انرژی زیستی، در حالی که برای اقتصاد دایره ای حیاتی است، می تواند چالش های کیفیت آب نیز ایجاد کند. از یک طرف، این خطر وجود دارد که تلاش برای رشد سریع محصولات بیوانرژی – به ویژه با استفاده از کودها و علف کش ها – منجر به آلودگی رودخانه ها شود.
این خطرات تمرکز پروژه ای به رهبری ORNL بود که اثرات زیست محیطی تولید کاج لوبلی را بررسی کرد که می تواند برای گرمایش، سوخت حمل و نقل و تولید برق استفاده شود.
ناتالی گریفیث، دانشمند محیط زیست ORNL، گفت که این آزمایش در سه حوزه آبخیز به هم پیوسته در سایت رودخانه ساوانا در کارولینای جنوبی انجام شد. حوضه ها در نهرهای جداگانه تخلیه می شوند و به محققان این امکان را می دهد تا تأثیر بر کیفیت آب را در هر مکان آزمایش کنند.
از آنجایی که درختان برای انرژی زیستی در نظر گرفته شده‌اند، محققان می‌خواستند آنها سریع‌تر از آنچه برای جنگل‌داری سنتی لازم است رشد کنند، بنابراین تیم در طول رشد اولیه درختان بارها از مواد شیمیایی استفاده کرد.
گریفیث توضیح داد: “اگر درختانی را برای انرژی زیستی پرورش می دهیم، می خواهیم مطمئن شویم که بر محیط زیست و کیفیت آب تاثیر نمی گذاریم.” در این صورت، ممکن است کودها و علف‌کش‌های مصرف‌شده به رودخانه‌ها یا آب‌های زیرزمینی سرازیر شوند.»
تیم یکی از حوضه ها را در حالی که آن را پیدا کردند ترک کردند و به آن اجازه دادند به عنوان یک مکان کنترل برای آزمایش عمل کند. با دو تای دیگر، نیمی از درختان حوضه آبخیز را قطع کرد و کاج لوبلی کاشت و آنها را با کود و علف کش درمان کرد.
محققان این منطقه را در مجموع هشت سال، از جمله دو سال قبل از کاشت درختان جدید، زیر نظر گرفتند. مهم‌ترین اندازه‌گیری‌ها با هدف ردیابی جایی که کود اعمال شده به پایان می‌رسد انجام شد.
گریفیث گفت: «مهمتر از همه، ما به محتوای نیتروژن آب، به ویژه نیترات نگاه کردیم. نیترات نوعی نیتروژن است که به آسانی برای جذب توسط میکروب ها و جلبک ها در دسترس است. این می تواند باعث مشکلات کیفیت آب شود اگر در سطح بالایی باشد زیرا می تواند باعث شکوفایی جلبک شود.
وی خاطرنشان کرد که محدودیت‌هایی نیز برای نیترات‌ها در آب آشامیدنی وجود دارد، زیرا می‌توانند به ویژه برای نوزادان مضر باشند.
گریفیث دریافت که سطح نیترات در آب‌های زیرزمینی در زیر درختان کاج کاشته شده افزایش یافته است، اما تا زمانی که آب به نهرها می‌رسد، سطح نیترات کاهش می‌یابد.
تمام کودهای مصرفی جذب درختان نمی شود، اما مقداری وارد آب های زیرزمینی می شود. اما زمانی که آب های زیرزمینی به رودخانه می رسند، غلظت نیترات کاهش یافته است. ما هیچ تاثیری در این جریان ندیدیم، احتمالاً به این دلیل که فرآیندهای بیولوژیکی که در مسیر منتهی به جریان اتفاق می‌افتند، نیترات را حذف کردند.»
گریفیث خاطرنشان کرد که این آزمایش بر سال‌های اولیه کاج‌ها متمرکز بود، که شش سال پس از کاشت درختان به طول انجامید، اگرچه آنها معمولاً برای 10 تا 15 سال قبل از برداشت برای انرژی زیستی رشد می‌کنند. او گفت که این مواد شیمیایی بیشتر در آن سال‌های اولیه، زمانی که درختان هنوز جوان بودند، بر محیط زیست تأثیر می‌گذارد.
او گفت: “ما انتظار داشتیم این اثرات در ابتدا ظاهر شود، زمانی که درختان هنوز کوچک بودند و به سرعت در حال رشد بودند.” درختان احتمالاً برای جذب کل کود بسیار کوچک بودند. و همانطور که آنها بزرگتر و بزرگتر می شوند، سایر پوشش های گیاهی را از بین می برند، بنابراین نیازی به استفاده از علف کش ندارید.
او گفت که این تیم همچنین با یک محقق محاسباتی در دانشگاه ایالتی اورگان که مدل هایی را با استفاده از داده های این پروژه توسعه داد، همکاری کرد. این مرحله به آنها اجازه داد تا نتایج خود را به مناطق بزرگتر و دوره های زمانی طولانی تر تعمیم دهند.
ما به عنوان آزمایش‌کننده نمی‌توانیم درختان را به مدت 10 سال رشد دهیم، همه آنها را قطع کنیم، تا 10 سال دیگر درختان بیشتری پرورش دهیم، آنها را قطع کنیم و تا 50 سال به این کار ادامه دهیم. ما به مدل هایی برای ارزیابی آنچه در آینده رخ خواهد داد و درک تأثیرات بالقوه منطقه ای نیاز داریم.
