Op veel plaatsen, waaronder Zuid-Californië, heeft klimaatverandering de dreiging van droogte en de behoefte aan nieuwe en continue watervoorraden vergroot. Waterstromen met een hoger zoutgehalte, en soms zeewater, komen in aanmerking om dergelijke schaarste te verminderen, maar vereisen hogere energie-investeringen vanwege de noodzaak om deze stromen te ontzilten. De nabijheid van sommige ontziltingsinstallaties bij afvalwaterzuiveringsinstallaties biedt de mogelijkheid om de twee verschillende waterbronnen te coördineren. Onderzoekers van de USC Viterbi School of Engineering onderzochten dergelijke mogelijkheden om meer water te winnen tegen lagere kosten.

In onderzoek gepubliceerd in Ontzilting , Amy Childress, Gabilan Distinguished Professor in Science and Engineering, USC Viterbi-doctoraatsstudent Xin Wei en Kelly Sanders, Dr. Teh Fu Yen Early Career Chair, bestudeerden huidige en toekomstige scenario's van afvalwaterbehandeling, met name met betrekking tot stromen met een hoger zoutgehalte. Het doel:een zo groot mogelijke watervoorziening bieden, zo min mogelijk energie verbruiken en rekening houden met het milieu.

"Hoewel hergebruik en ontzilting van drinkwater traditioneel werden beschouwd als afzonderlijke onderdelen van de watervoorzieningsportfolio," zei Childress, een professor in de Sonny Astani Department of Civil and Environmental Engineering, "is het zinvol om na te denken over manieren waarop we afvalwaterbehandeling en ontzilting kunnen combineren. om de water- en energiedoelstellingen te halen en tegelijkertijd de milieunormen na te leven."

Om deze kans te begrijpen, moet men rekening houden met de huidige context. Ten eerste neemt het zoutgehalte van afvalwater toe, mede door waterbesparing. Deze waterstroom met een hoger zoutgehalte is duurder om te behandelen en kan een ontziltingsproces vereisen. Door de vooruitgang in afvalwaterzuiveringsinstallaties kunnen ontziltingsprocessen (zoals omgekeerde osmose, waarbij verontreinigd water door een semi-permeabel materiaal wordt gefilterd om het te reinigen) helpen om waterstromen met een hoger zoutgehalte relatief efficiënt te behandelen.

Bestaande waterdruk benutten

Said Childress:"Het zoutgehalte in afvalwater neemt toe vanwege waterbesparing en andere redenen. In kustgebieden kan bijvoorbeeld zeewater de infrastructuur van afvalwaterzuiveringsinstallaties binnendringen, waardoor ook het zoutgehalte toeneemt. Het directe effect van een toenemend zoutgehalte is dat u mogelijk om bestaande ontziltingsprocessen bij hogere drukken te laten werken of u moet mogelijk een nieuw ontziltingsproces introduceren om het water te behandelen."

Traditioneel zijn stromen met een hoger zoutgehalte een waterbron met een lagere prioriteit geweest vanwege de energie-intensieve manier om dergelijke stromen te ontzilten en het water te zuiveren om te voldoen aan milieu- en regelgevingsnormen. Als een bestaand ontziltingsproces echter kan worden aangepast of een nieuw ontziltingsproces kan worden toegevoegd, worden stromen met een hoger zoutgehalte die profiteren van de ontziltingscapaciteit meer levensvatbare stromen om aan de vraag naar watervoorziening te voldoen.

Er zijn technologieën die achteraf in de faciliteiten kunnen worden ingebouwd. Deze omvatten:energieterugwinningsapparatuur (ERD's), die de energie in de pekeloutput van ontziltingsprocessen benutten en toepassen op de stroom die nieuw wordt behandeld; en omgekeerde osmose met gesloten circuit (CCRO), die de druk in het systeem handhaaft in plaats van deze af te geven aan de resulterende pekel. Dit helpt de extra zoutbelasting te verminderen zonder een extra energiebelasting toe te voegen, zei Childress.

Energiebeheerstrategieën voor waterterugwinning

De lozing van pekel wordt gereguleerd door bepaalde normen, zei Childress, wat betekent dat de zoutheid van geloosde stromen onder bepaalde niveaus moet zijn en waarschijnlijk vergelijkbaar met het zoutgehalte van oceaanwater, dat ongeveer 35 gram per liter is. Aanvankelijk was Ph.D. student Wei richtte zich op het mengen van stromen uit verschillende waterbronnen met het oog op het voldoen aan wettelijke normen voor zoutconcentraties in de waterstroom. Onlangs heeft ze haar onderzoek echter omgebogen naar een ander perspectief.

Zei Childress:"We hebben in plaats daarvan overwogen, nou, als we aan de vereisten kunnen voldoen door het afvalwater op een drinkbare manier te gebruiken, in plaats van alleen de afvalstromen te mengen voor lozing in de oceaan, kunnen we het hergebruiken en de waterbron gebruiken zodat we heb je die extra watervoorziening?"

In geavanceerde waterzuiveringsinstallaties is het gebruik van omgekeerde osmosemembranen - die druk uitoefenen om water door een semipermeabel materiaal te duwen terwijl ze verontreinigingen eruit filteren - om water te zuiveren de industriestandaard geworden, wat een mogelijkheid biedt om afvalwaterstromen met een hoger zoutgehalte te behandelen.

Hoge energiekosten in de watersector hebben ertoe geleid dat veel water- en afvalwaterzuiveringsinstallaties energiebeheerstrategieën hebben toegepast. Apparaten voor energieterugwinning worden bijvoorbeeld vaak gebruikt in combinatie met omgekeerde osmoseprocessen met een hoog zoutgehalte om het energieverbruik van het ontziltingsproces te verminderen, aldus de onderzoekers.

Energieterugwinningstoestellen verminderen het energieverbruik door de druk die achterblijft in de (reeds behandelde) geconcentreerde pekelstroom terug te brengen naar de voedingsstroom. Apparaten voor energieterugwinning kunnen het energieverbruik bij ontziltingsinstallaties voor omgekeerde osmose van zeewater met maar liefst 67% verminderen, afhankelijk van de bedrijfsomstandigheden, aldus de onderzoekers.

Omgekeerde osmoseprocessen met hoog herstel (bijv. omgekeerde osmose met gesloten circuit) worden overwogen bij geavanceerde waterzuiveringsinstallaties om de waterterugwinning te verbeteren en tegelijkertijd het energieverbruik laag te houden. Membraanprocessen waarbij het voedingswater zouter is, vereisen hogere drukken (of energie). Bij een regulier proces van omgekeerde osmose wordt de druk op een hoog niveau gefixeerd dat de einddruk in het concentraat kan overwinnen. Bij omgekeerde osmose met gesloten circuit wordt de druk geleidelijk verhoogd tot net boven de vereiste druk. Door gebruik te maken van tijdsafhankelijke voedingsdruk, kan omgekeerde osmose met gesloten circuit grotere energiebesparingen opleveren dan apparaten voor energieterugwinning. Een ander voordeel van omgekeerde osmose met gesloten circuit is dat er minder water kan worden afgevoerd.

Said Childress:"We proberen te evolueren in de richting van flexibiliteit in waterbehandeling - het beoordelen van verschillen in waterkwaliteiten en het gebruiken van verschillende methoden om die specifieke stroom te behandelen voor de meeste efficiëntie en minste verspilling."

De toekomst van water

Overwegingen over hoe flexibel en duurzaam om te gaan met watervoorraden worden steeds relevanter nu door klimaatverandering veroorzaakte droogte de traditionele waterbronnen blijft bedreigen.

"In plaats van een nieuwe technologie of een nieuw behandelingsproces te creëren, kijken we naar synergieën die zouden kunnen bestaan ​​in de coördinatie van aangrenzende faciliteiten - iets wat momenteel niet wordt gedaan," zei Childress.

Vooruitkijkend zei Childress dat anders kijken naar water de sleutel kan zijn om het zo efficiënt mogelijk te gebruiken. Steden als Los Angeles zijn begonnen met het aannemen van een initiatief genaamd 'One Water', dat tot doel heeft alle waterbronnen van de stad als één geheel te beschouwen en te werken aan het beheer ervan op een meer milieuvriendelijke, economische en sociaal voordelige manier.

"In plaats van water te categoriseren als regenwater versus afvalwater versus zeewater, wat als we zouden zeggen dat het allemaal water is dat moet worden behandeld?" zei Childress. "Dan kunnen we onze systemen bekijken en evalueren wat we nodig hebben om dit te bereiken. Het uiteindelijke doel van een kuststad als Los Angeles is om de waterkringloop te sluiten - niet om water naar de oceaan te sturen, maar om in plaats daarvan elke waardevolle hulpbron in de afvoerstroom en manieren vinden om het opnieuw te gebruiken. Op dit moment is het te duur om dit te doen, maar hopelijk is dit waar we naartoe gaan."