Kan vi koordinere vandkilder for at genvinde mere vand bæredygtigt?

Mange steder, herunder det sydlige Californien, har klimaændringer øget truslen om tørke og behovet for nye og vedvarende vandressourcer. Vandstrømme med højere saltholdighed, og nogle gange havvand, kommer i betragtning for at afhjælpe en sådan knaphed, men kræver større energiinvesteringer på grund af behovet for at afsalte disse vandløb. Nogle afsaltningsanlægs nærhed til spildevandsgenvindingsanlæg giver mulighed for at koordinere de to forskellige vandressourcer. Forskere ved USC Viterbi School of Engineering udforskede sådanne muligheder for at genvinde mere vand til en reduceret pris.

I forskning offentliggjort i Desalination , Amy Childress, Gabilan Distinguished Professor in Science and Engineering, USC Viterbi ph.d.-studerende Xin Wei og Kelly Sanders, Dr. Teh Fu Yen Early Career Chair, studerede nuværende og fremtidige scenarier for spildevandsrensning, især med hensyn til vandløb med højere saltholdighed. Målet:sørge for den mest mulige vandforsyning ved at bruge så lidt energi som muligt og med miljøforvaltning for øje.

"Mens genbrug og afsaltning af drikkevarer traditionelt er blevet betragtet som separate dele af vandforsyningsporteføljen," sagde Childress, en professor i Sonny Astani Department of Civil and Environmental Engineering, "det giver mening at overveje, hvordan vi kan blande spildevandsbehandling og afsaltning. at opfylde vand- og energimål og samtidig sikre overholdelse af miljøstandarder."

For at forstå denne mulighed skal man overveje den aktuelle kontekst. For det første er saltholdigheden af ​​spildevand stigende, delvist på grund af vandbesparelse. Denne vandstrøm med højere saltholdighed er dyrere at behandle og kan kræve en afsaltningsproces. Fremskridt i spildevandsgenvindingsanlæg betyder, at afsaltningsprocessen (såsom omvendt osmose, som filtrerer forurenet vand gennem et semipermeabelt materiale for at rense det) kan hjælpe med at behandle vandstrømme med højere saltholdighed relativt effektivt.

Udnyttelse af eksisterende vandtryk

Said Childress:"Saltholdigheden stiger i spildevandet på grund af vandbesparelse og andre årsager. For eksempel i kystområder kan havvand trænge ind i infrastrukturen af ​​spildevandsgenvindingsanlæg, hvilket også øger saltindholdet. Den direkte virkning af at øge saltindholdet er, at du måske har brug for at drive eksisterende afsaltningsprocesser ved højere tryk, eller du skal muligvis introducere en ny afsaltningsproces for at behandle vandet."

Traditionelt har vandløb med højere saltholdighed været en lavere prioriteret vandressource på grund af, hvor energikrævende det er at afsalte sådanne vandløb og rense vandet for at opfylde miljø- og reguleringsstandarder. Men hvis en eksisterende afsaltningsproces kan eftermonteres, eller en ny afsaltningsproces kan tilføjes, bliver strømme med højere saltholdighed, der udnytter afsaltningskapaciteten, mere levedygtige vandløb for at imødekomme efterspørgslen efter vandforsyning.

Der er teknologier, der kan eftermonteres i faciliteterne. Disse omfatter:energigenvindingsanordninger (ERD'er), som udnytter energien i saltvandsproduktionen fra afsaltningsprocesser og anvender den til den strøm, der for nylig behandles; og lukket kredsløb omvendt osmose (CCRO), som opretholder trykket i systemet i stedet for at frigive det til den resulterende saltvand. Dette hjælper med at afbøde den ekstra saltbyrde uden at tilføje en yderligere energibyrde, sagde Childress.

Energistyringsstrategier for vandindvinding

Udledningen af ​​saltlage er reguleret af visse standarder, sagde Childress, hvilket betyder, at saltheden af ​​udledte vandløb skal være under visse niveauer og sandsynligvis svare til saltindholdet i havvand, som er ligesom 35 gram pr. liter. I første omgang blev ph.d. studerende Wei fokuserede på blanding af vandløb fra forskellige vandkilder med henblik på at opfylde regulatoriske standarder for saltholdighedskoncentrationer i vandstrømmen. Men for nylig har hun omdirigeret sin forskning til at overveje et andet perspektiv.

Sagde Childress:"Vi overvejede i stedet, ja, hvis vi kan opfylde kravene ved at bruge spildevandet på en måde, der kan genbruges til drikkevand, i stedet for blot at blande affaldsstrømmene til udledning til havet, kan vi genbruge det og tage vandressourcen, så vi har den ekstra vandforsyning?"

På avancerede vandrensningsanlæg er brugen af ​​omvendt osmose-membraner - som påfører tryk for at skubbe vand gennem et semipermeabelt materiale, mens de filtrerer forurenende stoffer - til rent vand blevet industristandard, hvilket giver mulighed for at behandle spildevandsstrømme med højere saltholdighed.

Høje energiomkostninger i vandsektoren har fået mange vand- og spildevandsbehandlingsanlæg til at inkludere energistyringsstrategier. For eksempel bruges energigenvindingsanordninger almindeligvis i forbindelse med omvendt osmose-processer med høj salinitet for at reducere energiforbruget til afsaltningsprocessen, sagde forskerne.

Energigenvindingsanordninger reducerer energiforbruget ved at overføre trykket tilbage i den (allerede behandlede) koncentrerede brinestrøm tilbage til fødestrømmen. Energigenvindingsanordninger kan reducere energiforbruget på havvandsanlæg til omvendt osmose afsaltning med så meget som 67 %, afhængigt af driftsforholdene, sagde forskerne.

Højgenvindende omvendt osmose-processer (f.eks. lukket kredsløb omvendt osmose) overvejes på avancerede vandrensningsanlæg for at forbedre vandgenvinding og samtidig holde energiforbruget lavt. Membranprocesser, hvor fødevandet er mere salt, kræver højere tryk (eller energi). I en regulær omvendt osmose proces er trykket fastgjort på et højt niveau, der kan overvinde det endelige tryk i koncentratet. Ved omvendt osmose med lukket kredsløb øges trykket gradvist for at blive lige højere end det nødvendige tryk. Ved at bruge tidsvarierende fødetryk kan omvendt osmose med lukket kredsløb give større energibesparelser end energigenvindingsenheder. En anden fordel ved lukket kredsløb omvendt osmose er, at det kan udlede mindre vand.

Sagde Childress:"Vi forsøger at bevæge os i retning af fleksibilitet i vandbehandling – vi vurderer forskelle i vandkvaliteter og bruger forskellige metoder til at behandle det specifikke vandløb for at opnå størst mulig effektivitet og mindst spild."

Fremtiden for vand

Overvejelser om, hvordan man kan være fleksibel og bæredygtig i forhold til vandressourcer, bliver mere og mere relevante, efterhånden som klimaforandringer-drevet tørke fortsætter med at true traditionelle vandkilder.

"I stedet for at skabe en ny teknologi eller en ny behandlingsproces, ser vi på synergier, der kunne eksistere i koordinering af tilstødende faciliteter - noget, der ikke bliver gjort i øjeblikket," sagde Childress.

Når vi ser fremad, sagde Childress, at det at se anderledes på vand kunne være nøglen til at udnytte det så effektivt som muligt. Byer som Los Angeles er begyndt at vedtage et initiativ kaldet "One Water", som har til formål at se på alle byens vandressourcer som én enhed og arbejde hen imod at forvalte dem på en mere miljømæssigt, økonomisk og socialt gavnlig måde.

"I stedet for at kategorisere vand som regnvand versus spildevand versus havvand, hvad nu hvis vi sagde, at det hele er vand, der skal behandles?" sagde Barnekjolen. "Så kan vi tage et kig på vores systemer og evaluere, hvad vi har brug for for at opnå dette. Det ultimative mål for en kystby som Los Angeles er at lukke vandkredsløbet – ikke at sende vand til havet, men i stedet identificere enhver værdifuld ressource i udledningsstrømmen og finde måder at genbruge den på. Lige nu er det for dyrt at gøre dette, men forhåbentlig er det her, vi er på vej hen."