Solar Power Applications in Water and Wastewater Treatment Systems: a Review with Focus on the Current Status of Iran’s NWW Co.

فصلنامه آب و توسعه پایدار

Article 8, Volume 8, Issue 1 - Serial Number 19, June 2021, Pages 63-78   

Document Type: Applied Article

DOI: 10.22067/jwsd.v8i1.87348

Authors

Amirreza Mahmoudi^{* 1}; Mohammad Soltani Asl²; Bahram Taghizadeh Darban³

¹MSc of Renewable Energy Engineerin, Khorasan Razavi Water and Wastewater Co., Iran.

²Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Asrar Institute of Higher Education, Mashhad, Iran

³MSc of Decomposition Chemistry, Khorasan Razavi Water and Wastewater Co., Iran.

Abstract

Iran is located in one of the hot and arid regions of the world, the Middle East. The geo-location imposes specific conditions for water and power supply, simultaneously. Water and wastewater treatment facilities are strategic infrastructures that need to be fed with more renewable power. While having a critical look at PPA contract structure and the way governmental policies has held back private sector from investing in power plants for water and wastewater treatment facilities, this article will review the specific processes that benefit from solar power. Ultimately, the power cost that Iran’s National Water and Wastewater Engineering Co. (NWW) pays, the amount it has invested in solar PV power generation, and the economic savings of such measures in the recent year are reported. The results revealed that only 1652 kw of PV panels are installed by urban water and wastewater organizations, which is capable of producing roughly 0.1 percent of the power demand of its facilities. The challenges section boldens two major issues that addressing them will foster organizations such as NWW to invest in PV power plants for their high-consumption facilities. These challenges can be categorized as a) issues with funding renewable energy projects within NWW, and b) lack of knowledge about the matter by individuals within the organization as well as void of or poor training schedules by the system.

Keywords

Photovoltaic; Solar Energy; Water and Wastewater Treatment

References

استفاده از انرژی خورشیدی برای تأمین نیاز برق تأسیسات در شرکت آبفای قم. 1396. پورتال انرژی خورشیدی.
http://www.pvportal.ir/en/node/401 (visited May 6, 2020)
استفاده از انرژی خورشیدی در تصفیه‎خانه آب خرم‌آباد. 1395. ایسنا.
https://www.isna.ir/news/95031715535/ (visited December 7, 2019)
امکان‌سنجی استفاده از انرژی‌های خورشیدی در تأسیسات شرکت آب و فاضلاب همدان و اجرای برخی کاربری‎‌‏ها. 1392. همدان.
https://ganj-old.irandoc.ac.ir/articles/715192
ایرنا. 1398. وزیر نیرو: 51 درصد جمعیت شهری کشور تحت پوشش شبکه فاضلاب است. ایرنا. shorturl.at/gkvzR.
ایلنا. 1394. دو درصد برق کشور در آب و فاضلاب مصرف می شود. ایلنا.
https://www.ilna.news/fa/tiny/news-305112 (visited February 14, 2020)
بهره‏ برداری از مرحله دوم نیروگاه خورشیدی ستاد مرکزی شرکت آب و فاضلاب. 1397. خبرگزاری صدا و سیما.
http://www.iribnews.ir/008xjo (visited December 7, 2019)
تولید 20 کیلووات برق از انرژی خورشیدی ساختمان آبفای همدان. 1397. خبرگزاری فارس.
https://bit.ly/30u3j67 (visited December 7, 2019)
حسینی بیدار، س. ه. و متین پور، ب. 1397. امکان‌سنجی استفاده از پمپ‌های خورشیدی در صنعت آبفا (مطالعه موردی: شهر ازندریان استان همدان). دومین کنگره علوم و مهندسی آب و فاضلاب ایران، انجمن آب و فاضلاب ایران-دانشگاه صنعتی اصفهان.
درگاه ملی آمار. 1395. مصرف برق به تفکیک بخش‏‌های مختلف. درگاه ملی آمار.
https://www.amar.org.ir/Portals/0/PropertyAgent/461/Files/6874/1301z120111395.xlsx (visited February 14, 2020)
دفتر انرژی سازمان آب و فاضلاب کشور. 1398الف. ترازنامه انرژی شرکت‌های آبفا روستایی. 1397. https://www.nww.ir/energy.
دفتر انرژی سازمان آب و فاضلاب کشور. 1398ب. ترازنامه انرژی شرکت‌های آبفا شهری. 1397. www.nww.ir/energy.
راه‏‌اندازی پنل خورشیدی در آبفای روستایی. 1397. خبرگزاری صدا و سیما.
http://www.iribnews.ir/0098i4 (visited December 7, 2019)
راه‌‏اندازی نیروگاه خورشیدی در تصفیه خانه فاضلاب جنوب تهران. 1397. وب‏سایت شرکت فاضلاب تهران.
https://ts.tpww.ir/fa/news/28305/ (visited May 11, 2020)
سلیمانی، م. م.و چابک، س. م. 1397. استفاده از نیروگاه هیبریدی برقابی و فتوولتاییک برای تأمین و فروش انرژی الکتریکی در صنعت آب. دومین کنگره علوم و مهندسی آب و فاضلاب ایران. انجمن آب و فاضلاب ایران-دانشگاه صنعتی اصفهان.
صباح، س. و هوشیاری، ب. 1389. بررسی میزان کارایی و امکان‌سنجی کاربرد انرژی خورشیدی در تأسیسات آب و فاضلاب ایران. چهارمین همایش تخصصی مهندسی محیط‏زیست. دانشگاه تهران.
طراحی و اجرای نیروگاه خورشیدی متصل به شبکه به ظرفیت 15000 وات برای شرکت آب و فاضلاب منطقه 3. 1390.
http://sbe-arshid.com/2011-11-23-19-48-227/company-news2/226-15-3 (visited December 7, 2019)
طرح برق‌دارکردن چاه‌‏های کشاورزی در سال ۹۹ اجرایی می‌شود. 1398. وزارت‌جهاد‌کشاورزی.
https://www.maj.ir/Index.aspx?page_=dorsaetoolsenews&lang=1&sub=0&PageID=130467&PageIDF=0&tempname=main (visited November 5, 2020)
عملکرد شرکت‌های آبفا روستایی. 1397. 1398. www.nww.ir/energy.
عملکرد شرکت‌های آبفا شهری. 1397. 1398. www.nww.ir/energy.
فاضل، ع. 1391. بررسی امکان استفاده از انرژی‌های نو برای تأمین انرژی مورد نیاز ایستگاه‌های پمپاژ آب و فاضلاب استان آذربایجان شرقی. دانشگاه شهید مدنی آذربایجان.
https://ganj-old.irandoc.ac.ir/articles/587259
فهیمی‌نیا، م. 1390بررسی وضعیت مدیریت فاضلاب شهری ایران.” مجله سلامت و بهداشت اردبیل 2(3): 40–47.
قاسمی، م. 1394. گزارش مدیریت مصرف انرژی در صنعت آب و فاضلاب کشور. تهران، ایران.
متین پور، ب. و حسین زاده، ع. 1397. احداث و نصب نیروگاه خورشیدی به منظور کاهش هزینه‌ها (مطالعه موردی: شرکت آب و فاضلاب شهری استان همدان). دومین کنگره علوم و مهندسی آب و فاضلاب ایران. انجمن آب و فاضلاب ایران-دانشگاه صنعتی اصفهان.
مجرد، ف. و مرادی، ک. 1393. نگرشی بر ناموزونی ها و روندهای ساعات آفتابی در ایران. جغرافیا و توسعه، 153: 34–66.
مسافری، م. و مصداقی‌نیا, ندافی. 1381. مدیریت لجن تصفیه‌خانه‌های فاضلاب شهری ایران در افق 1400. پنجمین همایش ملی بهداشت محیط. دانشگاه علوم پزشکی و خدمات بهداشتی درمانی ایران.
مرکز آمار ایران. 1399. “برآوردهای جمعیتی درگاه ملی آمار.” درگاه ملی آمار. shorturl.at/bx267.
معاونت بررسی‌های اقتصادی اتاق بازرگانی تهران. 1397. چشم انداز جمعیت شهری و روستایی ایران تا سال 2050. تهران
وب‏ سایت رسمی دفتر مدیریت مصرف انرژی و سیستم‏های کنترل. 1399.
https://www.nww.ir/energy (visited May 6, 2020)
وب‏ سایت سازمان انرژی های نو و تجدیدپذیر ایران. 1399.
http://www.satba.gov.ir/ (visited May 6, 2020)
وحیدی، ج. واحدی، ا. وحیدی، ل. و علوی، س.ا. 1390. کاربرد انرژی خورشید و باد برای فرآوری پسماندهای شهری تصفیه خانه‏ها. دومین همایش بیوانرژی ایران (بیوماس و بیوگاز). تهران. ایران.
وضعیت تصفیه‌خانه‏‌های فاضلاب شهری موجود در کشور. 1397. خبرگزاری مهر.
https://www.mehrnews.com/news/4306266/ (visited May 11, 2020)
Ahmadi E., Benjamin M., Mohammadi-Ivatloo B. and Tezuka T. 2020. The Role of Renewable Energy Resources in Sustainability of Water Desalination as a Potential Fresh-Water Source: An Updated Review. Sustainability (Switzerland), 12(13)5233: 1-31.
Arashiro L. T., Montero N. Ferrer I., Gabriel Acién F., Gómez C. and Garfí A. 2018. Life Cycle Assessment of High Rate Algal Ponds for Wastewater Treatment and Resource Recovery. Science of The Total Environment, 622–623: 1118–30.
Azevedo F. 2014. Renewable Energy Powered Desalination Systems: Technologies and Market Analysis. University of Lisbon.
Beca P. 2015. Report Opportunities for Renewable Energy in the Australian Water Sector.
Bukhary S., Jacimaria B. and Sajjad A. 2020. An Analysis of Energy Consumption and the Use of Renewables for a Small Drinkingwater Treatment Plant. Water (Switzerland), 12(1)28: 1-21.
Chawaga P. 2017. Wastewater Facilities Make Solar Power Strides. Water Online Magazine. https://www.wateronline.com/doc/wastewater-facilities-make-solar-power-strides-0001 (visited June 5, 2020)
Day D. 2010. Solar Proves Its Power. TPO. https://www.tpomag.com/editorial/2010/04/solar-proves-its-power.
Energy Efficiency in Water and Wastewater Facilities. A Guide to Developing and Implementing Greenhouse Gas Reduction Programs. 2013. U.S. Environmental Protection Agency. United States.
Eva P. B. 2019. Floating Solar. WaterWorld Magazine. https://www.waterworld.com/home/article/14071045/floating-solar (visited June 5, 2020).
Fadhil Y.A. and M. El-Halwagi M. 2018. An Integrated Approach to Water-Energy Nexus in Shale-Gas Production. Processes, 6(5)52: 2-25.
Foteinis S., Jose M., Monteagudo A. D. and Efthalia Ch. 2018. Environmental Sustainability of the Solar Photo-Fenton Process for Wastewater Treatment and Pharmaceuticals Mineralization at Semi-Industrial Scale. Science of The Total Environment 612: 605–12.
Guo Z., Yongjun Sun Sh., Yuan P. and Pen Ch. Ch. 2019. Integration of Green Energy and Advanced Energy-Efficient Technologies for Municipal Wastewater Treatment Plants. International Journal of Environmental Research and Public Health, 16(7): 1–29.
Han Ch., Liu J., Liang H., Guo X. and Li L. 2013. An Innovative Integrated System Utilizing Solar Energy as Power for the Treatment of Decentralized Wastewater. Journal of Environmental Sciences, 25(2): 274–79.
Hervas B., Estefanía M., Pitarch E., Navarro P. and José M. 2017. Optimal Sizing of a Heat Pump Booster for Sanitary Hot Water Production to Maximize Benefit for the Substitution of Gas Boilers. Energy, 127: 558–70.
Hudnell H. K., Green D., Vien R., Butler S. and Rahe G. 2011. Improving Wastewater Mixing and Oxygenation Efficiency with Solar-Powered Circulation. Clean Technologies and Environmental Policy, 13(5): 731–42
IBC SOLAR Energy Is Going to Implement Solar Drinking Water Supply in Hanoi. 2020. IBC Solar Official Website. https://www.ibcsolar.com/corporate/press/article/news/detail/News/ibc-solar-energy-is-going-to-implement-solar-drinking-water-supply-in-hanoi/ (visited June 5, 2020).
IEA. 2019. World Energy Outlook 2019. Paris. International Energy Agency.
Irena. 2016. Irena Solar Pv in Africa: Costs and Market.
Jones L.E. and Gustaf O. 2017. Solar Photovoltaic and Wind Energy Providing Water. Global Challenges, 1(5): 1600022.
Khan Mamun R., Kurny A. S. W. and Gulshan F. 2017. Parameters Affecting the Photocatalytic Degradation of Dyes Using TiO2: A Review. Applied Water Science 7(4): 1569–78.
Laura Maeso Velasco, and Udo Gattenlöhner. 2019. Solar Energy Supply for a Wastewater Treatment Plant in Jordan. https://www.globalnature.org/en/wastewater-treatment-plant-jordan (visited May 6, 2020).
Luboschik U. 1999. Solar Sludge Drying—Based on the IST Process. Renewable Energy 16(1): 785–88.
Ludt B. 2019. Greenskies Finishes 137-KW Solar Array at Water Treatment Plant. Solar Power World. https://www.solarpowerworldonline.com/2019/05/greenskies-finishes-137-kw-solar-array-at-water-treatment-plant/.
Lynch N. 2015. Solar Panels Proposed for Power Generation at Ledyard Wastewater Treatment Site. The Day. https://www.theday.com/article/20151202/NWS01/151209805 (visited June 5, 2020).
Mahmoodi, V., Rohani Bastami T. and Ahmadpour A. 2018. Solar Energy Harvesting by Magnetic-Semiconductor Nanoheterostructure in Water Treatment Technology. Environmental Science and Pollution Research, 25(9): 8268–85.
Mathioudakis V L. Kapagiannidis A.G. Athanasoulia E. Diamantis V.L. Melidis P. and Aivasidis A. 2009. Extended Dewatering of Sewage Sludge in Solar Drying Plants. Desalination, 248(1): 733–39
Olsson G. 2015. Water and Energy: Threats and Opportunities. second editation. IWA Publishing.
PV Solutions for Supplying Drinking Water. 2019. https://www.pveurope.eu/News/Solar-Generator/PV-solutions-for-supplying-drinking-water (visited May 4, 2020).
Reforming Energy Subsidies Could Curb India’s Water Stress. 2019. World Watch Institute. www.worldwatch.org/reforming-energy-subsidiescould-%0Acurb-india’s-water-stress-0 (visited May 4, 2020).
Renewable Energy in the Water, Energy & Food Nexus. 2015. IRENA. https://www.irena.org/publications/2015/Jan/Renewable-Energy-in-the-Water-Energy--Food-Nexus (visited May 4, 2020).
Richards B.S. and Andrea I. S. 2009. Chapter 12. In Sustainable Water for the Future-Water Recycling versus Desalination.
Rodríguez, R et al. 2018. Life Cycle Assessment and Techno-Economic Evaluation of Alternatives for the Treatment of Wastewater in a Chrome-Plating Industry. Journal of Cleaner Production, 172: 2351–62.
Rosa-Clot M., Giuseppe M. and Sandro N. 2017. Floating Photovoltaic Plants and Wastewater Basins: An Australian Project. Energy Procedia 134: 664–74.
Sharma G. J. Choi H., Shon K., and Phuntsho S. 2011. Solar-Powered Electrocoagulation System for Water and Wastewater Treatment. Desalination and Water Treatment 32(1–3): 381–88.
Shim H. S. 2017. Solar-Powered Irrigation Pumps in India — Capital Subsidy Policies and the Water-Energy Efficiency Nexus. Global Green Growth Institute.
Shouman E., Sorour R. M. H., and Abulnour A. G. 2015. Economics of Renewable Energy for Water Desalination in Developing Countries. Journal of Engineering Science and Technology Review, 8(5): 227–31.
Solar Electricity Powers the Wastewater Treatment Plant. 2019. http://www.townofsilvercity.org/r/town_of_silver_city_NM.php?r=67,femgc (visited December 7, 2019).
Solar E.. 2019. Greenskies Installs Solar Array for Middletown Water Treatment Facility. https://elitesolarpros.com/2019/06/03/middletown-water-treatment-solar/ (visited June 5, 2020).
Solar Energy for Water Treatment | Meeco. 2019. https://www.meeco.net/references/residential/pv-energy-for-water-treatment (visited May 4, 2020).
Strazzabosco A., Kenway S.J. and Lant P.A. 2019. Solar PV Adoption in Wastewater Treatment Plants: A Review of Practice in California. Journal of Environmental Management, 248: 109337.
Taha M. and Rashed A. 2017. Potential Application of Renewable Energy Sources at Urban Wastewater Treatment Facilities in Palestine – Three Case Studies. Desalination and Water Treatment, 94: 64–71.
United Nations Sustainable Development. 2019. https://www.un.org/sustainabledevelopment/ (visited May 4, 2020).
Valero D., Ortiz J.M., Expósito E., Montiel V. and Aldaz A. 2010. Electrochemical Wastewater Treatment Directly Powered by Photovoltaic Panels: Electrooxidation of a Dye-Containing Wastewater. Environmental Science & Technology, 44(13):5182–87.
Waste Water Sewage Treatment Plants - PodTanks Sewage Systems. 2020. PodTanks Official Website.
https://www.podtanks.com/solar_powered_sewage_treatment_plant.html (visited June 5, 2020).
Wastewater Treatment Facility Solar Electric System. 2020. City of Boulder Colorado Official Website. https://bouldercolorado.gov/water/wastewater-treatment-facility-solar-electric-system (visited June 5, 2020).
Water Treatment Plants Powered by Renewable Energies. 2020. Imnovation. https://www.imnovation-hub.com/water/water-treatment-plants-powered-by-renewable-energies/ (visited May 4, 2020).
Xu J., Li Y., Wang H., Wu J., Wang X. and Li F. 2017. Exploring the Feasibility of Energy Self-Sufficient Wastewater Treatment Plants: A Case Study in Eastern China. Energy Procedia 142: 3055–61.