På många platser, inklusive södra Kalifornien, har klimatförändringarna ökat hotet om torka och behovet av nya och kontinuerliga vattenresurser. Vattenströmmar med högre salthalt, och ibland havsvatten, kommer i beaktande för att lindra sådan brist, men kräver högre energiinvesteringar på grund av behovet av att avsalta dessa strömmar. Vissa avsaltningsanläggningars närhet till återvinningsanläggningar för avloppsvatten ger en möjlighet att samordna de två olika vattenresurserna. Forskare vid USC Viterbi School of Engineering undersökte sådana möjligheter för att återvinna mer vatten till en reducerad kostnad.

I forskning publicerad i Desalination , Amy Childress, Gabilan Distinguished Professor in Science and Engineering, USC Viterbi doktorand Xin Wei och Kelly Sanders, Dr Teh Fu Yen Early Career Chair, studerade nuvarande och framtida scenarier för rening av avloppsvatten, särskilt med hänsyn till strömmar med högre salthalt. Målet:tillhandahålla så mycket vatten som möjligt, använda så lite energi som möjligt och med miljövård i åtanke.

"Medan återanvändning och avsaltning av dricksvatten traditionellt sett har betraktats som separata delar av vattenförsörjningsportföljen," sa Childress, professor vid Sonny Astani Department of Civil and Environmental Engineering, "det är vettigt att överväga hur vi kan blanda avloppsvattenrening och avsaltning. att uppfylla vatten- och energimål samtidigt som man säkerställer att miljöstandarder följs."

För att förstå denna möjlighet måste man överväga det aktuella sammanhanget. För det första ökar salthalten i avloppsvattnet, delvis på grund av vattenbesparing. Denna vattenström med högre salthalt är dyrare att behandla och kan kräva en avsaltningsprocess. Framsteg vid återvinningsanläggningar för avloppsvatten innebär att avsaltningsprocesser (som omvänd osmos, som filtrerar förorenat vatten genom ett semipermeabelt material för att rengöra det) kan hjälpa till att behandla vattenströmmar med högre salthalt relativt effektivt.

Använda befintligt vattentryck

Said Childress:"Salthalten ökar i avloppsvattnet på grund av vattenbesparing och andra skäl. Till exempel i kustområden kan havsvatten tränga in i infrastrukturen för återvinningsanläggningar för avloppsvatten, vilket också ökar salthalten. Den direkta effekten av att öka salthalten är att du kan behöva för att driva befintliga avsaltningsprocesser vid högre tryck eller så kan du behöva införa en ny avsaltningsprocess för att behandla vattnet."

Traditionellt har strömmar med högre salthalt varit en lägre prioriterad vattenresurs på grund av hur energikrävande det är att avsalta sådana bäckar och rena vattnet för att uppfylla miljö- och regleringsstandarder. Men om en befintlig avsaltningsprocess kan eftermonteras eller en ny avsaltningsprocess kan läggas till, blir strömmar med högre salthalt som utnyttjar avsaltningskapaciteten mer livskraftiga strömmar för att möta kraven på vattenförsörjning.

Det finns tekniker som kan eftermonteras i anläggningarna. Dessa inkluderar:energiåtervinningsanordningar (ERDs), som utnyttjar energin i saltlösningen från avsaltningsprocesser och applicerar den på strömmen som nyligen behandlas; och sluten krets omvänd osmos (CCRO), som upprätthåller trycket i systemet istället för att släppa ut det till den resulterande saltlösningen. Detta hjälper till att mildra den extra saltbördan utan att lägga till en extra energibörda, sa Childress.

Energihanteringsstrategier för vattenåtervinning

Utsläppet av saltlake regleras av vissa standarder, sade Childress, vilket betyder att sältan i utsläppta strömmar måste vara under vissa nivåer och sannolikt liknar salthalten i havsvatten, som är ungefär 35 gram per liter. Inledningsvis har Ph.D. Student Wei fokuserade på blandning av bäckar från olika vattenkällor med perspektivet att uppfylla regulatoriska standarder för salthaltskoncentrationer i vattenbäcken. Men nyligen har hon omdirigerat sin forskning för att överväga ett annat perspektiv.

Sa Childress:"Wei övervägde istället, ja, om vi kan uppfylla kraven genom att använda avloppsvattnet på ett drickbart återanvändningssätt, istället för att bara blanda avfallsströmmarna för utsläpp till havet, kan vi återanvända det och ta vattenresursen så att vi har den extra vattentillförseln?"

Vid avancerade vattenreningsanläggningar har användningen av omvänd osmosmembran – som utövar tryck för att trycka vatten genom ett semipermeabelt material samtidigt som de filtrerar bort föroreningar – till rent vatten blivit industristandard, vilket ger en möjlighet att behandla avloppsvattenströmmar med högre salthalt.

Höga energikostnader inom vattensektorn har fått många vatten- och avloppsreningsanläggningar att inkludera energihanteringsstrategier. Till exempel används energiåtervinningsanordningar ofta i samband med processer med omvänd osmos med hög salthalt för att minska energiförbrukningen vid avsaltningsprocessen, sa forskarna.

Energiåtervinningsanordningar minskar energiförbrukningen genom att överföra trycket som finns kvar i den (redan behandlade) koncentrerade saltlösningsströmmen tillbaka till matningsströmmen. Energiåtervinningsanordningar kan minska energiförbrukningen vid anläggningar för avsaltning av omvänd osmos av havsvatten med så mycket som 67 %, beroende på driftsförhållanden, sa forskarna.

Högåtervinningsprocesser för omvänd osmos (t.ex. omvänd osmos med sluten krets) övervägs vid avancerade vattenreningsanläggningar för att förbättra vattenåtervinningen samtidigt som energiförbrukningen hålls låg. Membranprocesser där matarvattnet är saltare kräver högre tryck (eller energi). I en vanlig omvänd osmosprocess fixeras trycket på en hög nivå som kan övervinna sluttrycket i koncentratet. Vid omvänd osmos med sluten krets ökas trycket gradvis för att bli precis högre än det erforderliga trycket. Genom att använda tidsvarierande matningstryck kan omvänd osmos med sluten krets ge större energibesparingar än energiåtervinningsanordningar. En annan fördel med omvänd osmos med sluten krets är att den kan släppa ut mindre vatten.

Sade Childress:"Vi försöker gå mot flexibilitet i vattenrening – att bedöma skillnader i vattenkvaliteter och använda olika metoder för att behandla den specifika strömmen för mest effektivitet och minst avfall."

Vattnets framtid

Överväganden om hur man kan vara flexibel och hållbar när det gäller att ta itu med vattenresurserna blir allt mer relevanta eftersom torkan orsakad av klimatförändringar fortsätter att hota traditionella vattenkällor.

"Istället för att skapa en ny teknik eller en ny behandlingsprocess, tittar vi på synergier som kan finnas i samordning av intilliggande anläggningar - något som för närvarande inte görs," sa Childress.

När vi ser fram emot sa Childress att det kan vara nyckeln att se på vatten på ett annat sätt för att använda det så effektivt som möjligt. Städer som Los Angeles har börjat anta ett initiativ kallat "One Water", som syftar till att se alla stadens vattenresurser som en enhet och arbeta för att hantera dem på ett mer miljömässigt, ekonomiskt och socialt fördelaktigt sätt.

"Istället för att kategorisera vatten som dagvatten kontra avloppsvatten kontra havsvatten, tänk om vi sa att det är allt vatten som måste behandlas?" sa barnklänning. "Då kan vi ta en titt på våra system och utvärdera vad vi behöver för att åstadkomma detta. Det slutliga målet för en kuststad som Los Angeles är att stänga vattenslingan – inte skicka vatten till havet utan istället identifiera alla värdefulla resurser i utsläppsströmmen och hitta sätt att återanvända den. Just nu är det för dyrt att göra det här, men förhoppningsvis är det dit vi är på väg."