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在許多地方,包括南加州,氣候變化增加了干旱的威脅和對新的和持續的水資源的需求。高鹽度的水流,有時是海水,被考慮用來緩解這種稀缺性,但由于需要對這些水流進行脫鹽,需要更高的能源投資。一些海水淡化設施與廢水回收設施相鄰,為協調這兩種不同的水資源提供了機會。南加州大學維特比工程學院的研究人員探索了這種機會,以便在降低成本的情況下回收更多的水。
在發表于《海水淡化》的研究中,Gabilan科學與工程學院特聘教授Amy Childress、南加州大學維特比學院博士生Xin Wei和Teh Fu Yen博士早期職業講座的Kelly Sanders研究了當前和未來的廢水處理方案,特別是在高鹽度的水流方面。目標是:提供盡可能多的水供應,使用盡可能少的能源并考慮到環境管理。
桑尼-阿斯塔尼土木與環境工程系教授柴爾德里斯說:"雖然飲用水再利用和海水淡化傳統上被認為是供水組合的獨立部分,但考慮我們如何混合廢水處理和海水淡化以滿足水和能源目標,同時確保符合環境標準是有意義的。"
要了解這個機會,必須考慮當前的背景。首先,廢水的鹽度正在增加,部分原因是水資源保護。這種鹽度較高的水流處理起來更加昂貴,可能需要進行海水淡化處理。污水處理設施的進步意味著海水淡化過程(如反滲透,通過半滲透材料過濾被污染的水,使其清潔)可以幫助相對有效地處理高鹽度水流。
利用現有的水壓
由于水資源保護和其他原因,廢水中的鹽度正在增加。例如,在沿海地區,海水會侵入廢水回收設施的基礎設施,也會增加鹽度。鹽度增加的直接影響是,你可能需要在更高的壓力下運行現有的脫鹽工藝,或者你可能需要引入新的脫鹽工藝來處理水。
傳統上,較高鹽度的水流是一種較低優先級的水資源,因為對這種水流進行淡化并對水進行凈化以滿足環境和監管標準是多么的耗費能源。然而,如果可以改造現有的脫鹽工藝或增加新的脫鹽工藝,利用脫鹽能力的高鹽度水流成為更可行的水流,以滿足供水需求。
有一些技術可以加裝到設施中。這些技術包括:能量回收裝置(ERD),利用海水淡化過程中輸出的鹽水中的能量,并將其應用到新處理的水流中,以及閉路反滲透(CCRO),保持系統中的壓力,而不是將其釋放到產生的鹽水中。這有助于減輕額外的鹽分負擔,而不增加額外的能源負擔。
水回收的能源管理策略
鹽水的排放受到某些標準的管制,這意味著排放的水流的鹽度必須低于某些水平,很可能與海水的鹽度相似,即每升35克。最初,博士生Wei以滿足水流中鹽度濃度的監管標準為視角,專注于不同水源的水流混合。然而,最近她重新調整了研究方向,考慮不同的角度。
柴爾德里斯說:"Wei反過來考慮,如果我們可以通過以飲用水回用的方式使用廢水來滿足要求,而不是僅僅混合廢水流排放到海洋,我們是否可以回用它,并采取水資源,以便我們有這種額外的水供應?"
在先進的水凈化設施中,使用反滲透膜--施加壓力使水通過半透性材料,同時過濾掉污染物--來凈化水,已經成為行業標準,為處理高鹽度的廢水流提供了機會。
水務部門的高能源成本導致許多水和廢水處理設施包括能源管理戰略。研究人員說,例如,能源回收裝置通常與高鹽度反滲透工藝一起使用,以減少脫鹽過程的能源消耗。
能量回收裝置通過將(已經處理過的)濃縮鹽水流中剩余的壓力轉移到進水流中來減少能源消耗。研究人員說,能量回收裝置可以減少海水反滲透脫鹽設施的能源消耗高達67%,這取決于操作條件。
先進的水凈化設施正在考慮高回收反滲透工藝(例如閉路反滲透),以提高水的回收率,同時保持低能耗。進水較咸的膜工藝需要更高的壓力(或能量)。在常規的反滲透過程中,壓力被固定在一個較高的水平,可以克服濃縮物的最終壓力。在閉路反滲透中,壓力逐漸增加,使其剛好高于所需壓力。利用時間變化的進料壓力,閉路反滲透可能比能量回收裝置提供更大的能源節約。閉路反滲透的另一個好處是,它可以排放更少的水。
柴爾德里斯說我們正在努力實現水處理的靈活性--評估水質的差異,并使用不同的方法來處理該特定的水流,以獲得最大的效率和最少的浪費。
水的未來
由于氣候變化導致的干旱繼續威脅著傳統水源,如何靈活和可持續地處理水資源的考慮變得越來越重要。
Childress說我們不是創造一種新的技術或新的處理過程,而是尋找在協調相鄰設施中可能存在的協同作用--這是目前沒有做到的。
展望未來,以不同方式看待水可能是盡可能有效利用水的關鍵。像洛杉磯這樣的城市已經開始采用一項名為 "一個水 "的倡議,其目的是將城市的所有水資源視為一個實體,并努力以更環保、更經濟和更有益于社會的方式管理它們。
與其把水分為雨水和廢水和海水,不如說它是所有需要處理的水,怎么樣?然后我們可以看看我們的系統,評估我們需要什么來實現這個目標。像洛杉磯這樣的沿海城市的最終目標是關閉水循環--不把水送入海洋,而是確定排放流中的每一種有價值的資源,并找到再利用的方法。現在,這樣做的成本太高,但希望這就是我們的方向。