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

Fluoride is present in all type of water sources, but levels beyond the current World Health Organization guideline of 1.5 mg/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 26 mg/L. These excessive levels are affecting more than 14 million women and children in Ethiopia. Providing population with safe and clean water could help to achieve the Sustainable Development Goal 6 (i.e. Ensure availability and sustainable management of water and sanitation for all) from the United Nations. Membrane distillation systems have been extensively tested in literature, proving to be effective in removing fluoride, even at higher concentration levels (500 mg/L). Membrane distillation is a heat driven system that works under feed water temperatures below 100 ºC. 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 solar collectors, evacuated tube solar 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 energy demand, water production, and efficiency of the systems. Investment costs and operation and management costs were considered to calculate total costs and payback period of the different installations. The results show that the best techno-economic option to be installed is a hybrid model that includes a combined heat and power unit powered by biogas and evacuated tube collectors, as can meet the demand with one membrane distillation unit and also supplies 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 85 m2 of evacuated tube collectors can cover the demand. If the availability of sun is limited one membrane unit coupled 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. Fluor finns i alla typer av vattenkällor, men koncentrationer som ligger över nuvarande Världshälsoorganisationens riktlinjer (max 1.5 mg/L) kan vara skadlig för hälsan. Grundvatten vid Ethiopian Rift Valley innehåller höga fluorhalter på grund av geologiska orsaker, och studier har visat nivåer upp till 26 mg/L. Sådana höga halter påverkar över 14 millioner Etiopiska kvinnor och barn negativt. Att tillgodose befolkningen med säkert och rent dricksvatten skulle bidra till uppfyllelsen av FN:s Hållbarhetsmål nr 6 (Säkerställa tillgång till och hållbar vatten- och sanitetsförvaltning för alla). Membrandestillering har testats grundligt och har visat sig att vara en effektiv teknik för fluorseparering även vid höga halter (över 500 mg/L). Membrandestillering ar en värmedriven process som utnyttjar källor under 100 ºC. Värmen kan fås från förnybara energikällor som geotermisk energi, solenergi och biobränsle. Denna rapport presenterar en tekno-ekonomisk utvärdering av olika teknik med TRNSYS: plan solfångare, vakuumrörsolfångare och biogas från boskapsgödsel. Storleken hos de undersökta systemen optimerades för att täcka behovet av 30 hushåll. Flera indikatorer beräknades för att jämföra de olika teknikerna: specifika energibehov, vattenproduktion och systemens verkningsgrader. Investeringskostnaderna och drift- och underhållskostnaderna låg som grund för att bestämma bruttokostnaderna och återbetalningstiderna av de olika systemen. Resultaten visar att den mest fördelaktiga konfigurationen består av en hybrid av biogas och vakuumrörsolfångare. Detta system tillgodoser vattenbehovet och dessutom levererar el och gas för matlagning. Tillgången till solenergi och gödsel spelar en viktig roll när det gäller systemvalet. Om tillgång till gödsel är begränsad kan efterfrågan täcks genom tre membrandestilleringsenheter kopplade till 85 m2 vakuumrörsolfångare. Däremot om solenergin är begränsad kan ett system med en membrandestilleringsenhet kopplade till en biogasanläggning tillgodose vattenbehovet. Plan solfångare är aldrig ett bra alternativ eftersom de kräver höga investeringskostnader. Tillgång till lokal tillverkning kan dock minska sådana kostnader