Numerical and experimental investigation of brine discharge from desalination plants into coastal waters

Abstract

Among common disposal methods of brine, the disposal into surface waters requires the least capital cost. Therefore, it is a common practice for desalination plants located near coastal waters to discharge the brine into them through submerged outfalls. Normally, two different types of jets can be formed during the discharge, which are: (a) jets denser than ambient waters; e.g. jets formed after the disposal of brine from reverse osmosis desalination plants, and (b) jets less dense than ambient waters; e.g. jets formed after the disposal of brine from thermal desalination plants. The mixing region of brine discharges can be divided into the near field region and the far field region. The near field region extends from the outfall up to the point that the jet impinges on a boundary (on the bottom or the surface if the jet is denser or less dense than the ambient, respectively) and beyond this point the far field region starts.The purpose of the present study is to develop numerical models for the calculation of the geometrical and dilution characteristics of brine discharge from desalination plants. These models can be employed for the selection of the proper design and location of the brine outfall that increases the brine dilution and therefore the mitigation of the adverse impacts of salinity and/or temperature (and other possible chemical additives) of brine on marine ecosystems. The research aims of the present work are: (1) the development of numerical models for brine discharges, (2) the validation of these models with experimental measurements from the literature and experiments performed in the present thesis, and (3) the application of the numerical models in a brine discharge case from a desalination plant. Experimental investigation:Experiments were performed for inclined denser than ambient jets to investigate: (A1) the geometrical characteristics (jet trajectory and outer jet boundary) in the near field region, and (A2) the geometrical characteristics and dilution in the beginning of the far field region. Additional experiments were performed for vertical and horizontal denser jets, discharged at a height above the bottom, to investigate their geometrical and dilution characteristics in the near and far field regions. From the experimental investigation the derived conclusions are the following: (1) the geometrical characteristics of the inclined jets are in reasonable agreement with experimental data derived from other researchers, (2) the density currents developed on inclined bottoms after the impingement of denser jets can be approximated by using two semi-ellipses centered on the jet axis impingement point, (3) the presence of a horizontal bottom affects the dilution field of vertical jets up to a height from the bottom, and (4) in the vicinity of the jet impingement point, large concentration fluctuations appear due to the high turbulent nature of the flow. The fluctuations seem to decay with distance due to turbulence collapse under the influence of density stratification. The dilution in the density current can be linear correlated with either the distance form source or the distance from the impingement point.Part of the experimental measurements was used to develop the near field MCM model. Numerical investigation:Two integrated models, consisting of a near field and a far field model, were developed for brine discharges from (a) reverse osmosis, and (b) thermal desalination plants. In the first case, the integrated model was consisted of the near field model Modified CorJet Model and the far field model Princeton Ocean Model (POM). The MCM was based on the CorJet model which was properly modified to take into account the escape of mass from the main flow of inclined denser than ambient jets. With this modification the geometrical and dilution characteristics of inclined denser jets discharged into stagnant and uniform ambient are better described. The connection of the near and far field models was performed with the development of a coupling algorithm. The validation of the model was performed with measurements from the literature and the (A2) experiments of the experimental investigation. In the second case, the integrated model was consisted of the near field model CorJet, without modification, and the far field model FLOW-3DL. The connection of the near and far field models was performed with the development of a coupling algorithm that permits the interaction of the near and far field models in flowing and uniform ambient. The validation of the model was performed with experiments from the literature. The model was applied in a fictitious case to calculate the geometrical and dilution characteristics of brine discharge from a thermal desalination plant into the coastal waters of Mantoudi, Evia.

Η περισσότερο διαδεδομένη και οικονομική μέθοδος διάθεσης της άλμης από εγκαταστάσεις αφαλάτωσης είναι η παροχέτευσή της στα παράκτια νερά με υποθαλάσσιο αγωγό και κατάλληλο έργο διάθεσης (διαχυτήρες). Όταν η άλμη διατίθεται στα παράκτια νερά ακολουθεί τροχιά φλέβας: (α) βαρύτερης από το θαλασσινό νερό, όταν διατίθεται από εγκαταστάσεις αντίστροφης όσμωσης ή (β) ελαφρύτερης από το θαλασσινό νερό, όταν διατίθεται από εγκαταστάσεις θερμικής επεξεργασίας. Και στις δυο περιπτώσεις διακρίνονται δυο κύριες περιοχές κίνησης της φλέβας: (α) του κοντινού, και (β) του μακρινού πεδίου. H περιοχή του κοντινού πεδίου θεωρείται ότι εκτείνεται μέχρι το σημείο πρόσπτωσης σε όριο, δηλ. στον πυθμένα στην πρώτη περίπτωση διάθεσης και στην ελεύθερη επιφάνεια στη δεύτερη, μετά το οποίο ξεκινά η περιοχή του μακρινού πεδίου.Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η δόμηση μαθηματικών μοντέλων για την περιγραφή των γεωμετρικών χαρακτηριστικών και των χαρακτηριστικών αραίωσης της άλμης. Τα μοντέλα αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην επιλογή της κατάλληλης διάταξης διάθεσης που επιφέρει τη μέγιστη αραίωση της άλμης, ώστε να μειωθούν οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις από τις υψηλές συγκεντρώσεις αλατότητας και θερμοκρασίας (και ενδεχομένως άλλων χημικών).Οι ερευνητικοί στόχοι της διατριβής είναι: (1) η δόμηση ολοκληρωμένων μοντέλων για την περιγραφή των χαρακτηριστικών της άλμης κατά τη διάθεση της σε παράκτια νερά, (2) η εξασφάλιση της αξιοπιστίας των μοντέλων με τον έλεγχο, βαθμονόμηση και επιβεβαίωσή τους με μετρήσεις που θα συγκεντρωθούν είτε από υφιστάμενες εργασίες είτε από πειράματα που θα διεξαχθούν στο πλαίσιο της διατριβής, και (3) η εφαρμογή ενός ολοκληρωμένου μοντέλου σε περίπτωση διάθεσης άλμης.Πειραματική διερεύνηση: Πραγματοποιήθηκαν πειράματα με τα οποία προσδιορίστηκαν για κεκλιμένες βαρύτερες φλέβες: (Α1) τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά (τροχιά άξονα και το εξωτερικό όριο της φλέβας) του κοντινού πεδίου, και (Α2) τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά και αραίωση στην αρχή του μακρινού πεδίου. Επίσης, πραγματοποιήθηκαν πειράματα για τον προσδιορισμό των γεωμετρικών χαρακτηριστικών και της αραίωσης (Β1) στο κοντινό και (Β2) το μακρινό πεδίο βαρύτερων φλεβών που εκβάλλουν από οριζόντιο ή κατακόρυφο στόμιο διάθεσης σε ύψος από τον πυθμένα.Από την πειραματική διερεύνηση που πραγματοποιήθηκε εξάγονται τα ακόλουθα συμπεράσματα: (1) τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των κεκλιμένων φλεβών βρίσκονται σε ικανοποιητική συμφωνία με τις τιμές που έχουν παρατηρηθεί από άλλους ερευνητές, (2) τα ρεύματα πυκνότητας που σχηματίζονται πάνω σε κεκλιμένο πυθμένα από την πρόσπτωση βαρύτερων φλεβών μπορούν να προσεγγιστούν με δύο ημι-ελλείψεις που έχουν ως κέντρο το σημείο πρόσπτωσης του άξονα της φλέβας, (3) η παρουσία του οριζόντιου πυθμένα επηρεάζει την αραίωση των κατακόρυφων φλεβών μέχρι ενός ύψους από τον πυθμένα, και (4) στη γειτονία του σημείου πρόσπτωσης του άξονα των φλεβών στον πυθμένα εμφανίζονται μεγάλες διακυμάνσεις της συγκέντρωσης εξαιτίας της τυρβώδους ροής, οι οποίες εξασθενούν με την απόσταση από το σημείο πρόσπτωσης ακολουθώντας τη μείωση της έντασης της τύρβης. Η αραίωση που επιτυγχάνεται στην τελευταία περίπτωση μπορεί να συνδεθεί γραμμικά με την απόσταση τόσο από το στόμιο εκβολής όσο και από το σημείο πρόσπτωσης. Μέρος των παραπάνω συμπερασμάτων χρησιμοποιήθηκαν για τη δόμηση του μοντέλου MCM.Υπολογιστική διερεύνηση:Δομήθηκαν δυο ολοκληρωμένα μοντέλα που προκύπτουν από τη σύνδεση μοντέλων κοντινού και μακρινού πεδίου και εφαρμόζονται στις δυο περιπτώσεις διάθεσης από εγκαταστάσεις (α) αντίστροφης όσμωσης, και (β) θερμικής επεξεργασίας. Στην πρώτη περίπτωση ως μοντέλο κοντινού πεδίου χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο CorJet της USEPA, το οποίο τροποποιήθηκε και καλείται Modified CorJet Model (MCM). Η τροποποίηση αυτή έγινε ώστε να λαμβάνεται υπόψη η διαφυγή μάζας που παρατηρείται κατά τη ροή της κεκλιμένης βαρύτερης φλέβας, με αποτέλεσμα να περιγράφονται καλύτερα τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά και η αραίωση της άλμης στο κοντινό πεδίο κατά τη διάθεσή της σε ακίνητο και ομογενή αποδέκτη. Στο μακρινό πεδίο χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο Princeton Ocean Model (POM). Η σύνδεση των δύο υπο-μοντέλων έγινε με την ανάπτυξη κατάλληλου αλγόριθμου. Οι υπολογισμοί του ολοκληρωμένου μοντέλου επαληθεύτηκαν με πειραματικά δεδομένα από τη βιβλιογραφία, καθώς και με τα πειράματα Α2 της πειραματικής διερεύνησης.Στη δεύτερη περίπτωση, χρησιμοποιήθηκε στο κοντινό πεδίο το μοντέλο CorJet, χωρίς τροποποίηση, και στο μακρινό πεδίο χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο FLOW-3DL του Εργαστηρίου Εφαρμοσμένης Υδραυλικής του ΕΜΠ. Η σύνδεση των δύο υπο-μοντέλων έγινε με την ανάπτυξη κατάλληλου αλγόριθμου που επιτρέπει την αλληλεπίδραση των δύο υπο-μοντέλων σε κινούμενο και ομογενή αποδέκτη. Αρχικά, οι υπολογισμοί του μοντέλου επαληθεύτηκαν με πειραματικά δεδομένα της βιβλιογραφίας, και στη συνέχεια το μοντέλο εφαρμόστηκε σε μια πρακτική περίπτωση για τον υπολογισμό των γεωμετρικών χαρακτηριστικών και της αραίωσης ελαφρύτερης φλέβας που εκβάλει στα παράκτια ύδατα της περιοχής Μαντουδίου.