Dans de nombreux endroits, y compris le sud de la Californie, le changement climatique a accru la menace de sécheresse et le besoin de ressources en eau nouvelles et continues. Des cours d'eau à salinité plus élevée, et parfois de l'eau de mer, entrent en considération pour atténuer cette pénurie, mais nécessitent un investissement énergétique plus élevé en raison de la nécessité de dessaler ces cours d'eau. La proximité de certaines installations de dessalement avec des installations de récupération des eaux usées offre la possibilité de coordonner les deux ressources en eau différentes. Des chercheurs de l'USC Viterbi School of Engineering ont exploré de telles opportunités afin de récupérer plus d'eau, à moindre coût.

Dans une recherche publiée dans Desalination , Amy Childress, professeur émérite Gabilan en sciences et en ingénierie, Xin Wei, doctorante à l'USC Viterbi, et Kelly Sanders, titulaire de la chaire de début de carrière du Dr Teh Fu Yen, ont étudié les scénarios actuels et futurs de traitement des eaux usées, en particulier en ce qui concerne les flux de salinité plus élevée. L'objectif :fournir le plus d'approvisionnement en eau possible, en utilisant le moins d'énergie possible et dans le respect de l'environnement.

"Alors que la réutilisation potable et le dessalement ont traditionnellement été considérés comme des éléments distincts du portefeuille d'approvisionnement en eau", a déclaré Childress, professeur au Département de génie civil et environnemental de Sonny Astani, "il est logique d'envisager des moyens de combiner le traitement des eaux usées et le dessalement. pour répondre aux objectifs d'eau et d'énergie tout en garantissant le respect des normes environnementales."

Pour comprendre cette opportunité, il faut considérer le contexte actuel. Premièrement, la salinité des eaux usées augmente, en partie à cause de la conservation de l'eau. Ce flux d'eau à salinité plus élevée est plus coûteux à traiter et peut nécessiter un processus de dessalement. Les progrès réalisés dans les installations de récupération des eaux usées signifient que les processus de dessalement (comme l'osmose inverse, qui filtre l'eau contaminée à travers un matériau semi-perméable pour la nettoyer) peuvent aider à traiter relativement efficacement les flux d'eau à salinité plus élevée.

Exploiter la pression de l'eau existante

Dit Childress :"La salinité augmente dans les eaux usées en raison de la conservation de l'eau et d'autres raisons. Par exemple, dans les zones côtières, l'eau de mer peut s'introduire dans l'infrastructure des installations de récupération des eaux usées, augmentant également la salinité. L'impact direct de l'augmentation de la salinité est que vous devrez peut-être pour faire fonctionner les processus de dessalement existants à des pressions plus élevées ou vous devrez peut-être introduire un nouveau processus de dessalement pour traiter l'eau."

Traditionnellement, les cours d'eau à salinité plus élevée ont été une ressource en eau moins prioritaire en raison de la consommation d'énergie nécessaire pour dessaler ces cours d'eau et nettoyer l'eau pour répondre aux normes environnementales et réglementaires. Cependant, si un processus de dessalement existant peut être modernisé ou si un nouveau processus de dessalement peut être ajouté, les flux de salinité plus élevée qui tirent parti de la capacité de dessalement deviennent des flux plus viables pour répondre aux demandes d'approvisionnement en eau.

Il existe des technologies qui peuvent être modernisées dans les installations. Ceux-ci incluent :les dispositifs de récupération d'énergie (ERD), qui exploitent l'énergie de la saumure issue des processus de dessalement et l'appliquent au flux qui est nouvellement traité; et l'osmose inverse en circuit fermé (CCRO), qui maintient la pression dans le système au lieu de la libérer dans la saumure résultante. Cela aide à atténuer la charge de sel supplémentaire sans ajouter de charge énergétique supplémentaire, a déclaré Childress.

Stratégies de gestion de l'énergie pour la récupération de l'eau

Le rejet de saumure est réglementé par certaines normes, a déclaré Childress, ce qui signifie que la salinité des cours d'eau rejetés doit être inférieure à certains niveaux et probablement similaire à la salinité de l'eau de mer, qui est d'environ 35 grammes par litre. Initialement, Ph.D. L'étudiant Wei s'est concentré sur le mélange de cours d'eau provenant de différentes sources d'eau dans le but de respecter les normes réglementaires pour les concentrations de salinité dans le cours d'eau. Cependant, récemment, elle a réorienté ses recherches pour envisager une perspective différente.

A déclaré Childress :"Wei a plutôt considéré, eh bien, si nous pouvons répondre aux exigences en utilisant les eaux usées de manière potable, au lieu de simplement mélanger les flux de déchets pour les rejeter dans l'océan, pouvons-nous les réutiliser et prendre la ressource en eau afin que nous avez-vous cet approvisionnement en eau supplémentaire ?"

Dans les installations avancées de purification de l'eau, l'utilisation de membranes d'osmose inverse (qui appliquent une pression pour pousser l'eau à travers un matériau semi-perméable tout en filtrant les contaminants) pour nettoyer l'eau est devenue la norme de l'industrie, offrant la possibilité de traiter les flux d'eaux usées à salinité plus élevée.

Les coûts élevés de l'énergie dans le secteur de l'eau ont conduit de nombreuses installations de traitement de l'eau et des eaux usées à inclure des stratégies de gestion de l'énergie. Par exemple, les dispositifs de récupération d'énergie sont couramment utilisés en conjonction avec des processus d'osmose inverse à haute salinité pour réduire la consommation d'énergie du processus de dessalement, ont déclaré les chercheurs.

Les dispositifs de récupération d'énergie réduisent la consommation d'énergie en transférant la pression laissée dans le flux de saumure concentrée (déjà traitée) vers le flux d'alimentation. Selon les chercheurs, les dispositifs de récupération d'énergie peuvent réduire la consommation d'énergie dans les installations de dessalement d'eau de mer par osmose inverse jusqu'à 67 %, selon les conditions de fonctionnement.

Des processus d'osmose inverse à haute récupération (par exemple, l'osmose inverse en circuit fermé) sont envisagés dans les installations avancées de purification de l'eau pour améliorer la récupération de l'eau tout en maintenant une faible consommation d'énergie. Les procédés à membrane où l'eau d'alimentation est plus salée nécessitent des pressions (ou de l'énergie) plus élevées. Dans un processus d'osmose inverse régulier, la pression est fixée à un niveau élevé qui peut dépasser la pression finale dans le concentré. Dans l'osmose inverse en circuit fermé, la pression est augmentée progressivement pour devenir juste supérieure à la pression requise. En utilisant une pression d'alimentation variable dans le temps, l'osmose inverse en circuit fermé peut fournir des économies d'énergie plus importantes que les dispositifs de récupération d'énergie. Un autre avantage de l'osmose inverse en circuit fermé est qu'elle peut rejeter moins d'eau.

Dit Childress :"Nous essayons d'évoluer vers la flexibilité dans le traitement de l'eau, en évaluant les différences de qualité de l'eau et en utilisant différentes méthodologies pour traiter ce flux spécifique pour le plus d'efficacité et le moins de gaspillage."

L'avenir de l'eau

Les considérations sur la manière d'être flexible et durable dans la gestion des ressources en eau deviennent de plus en plus pertinentes alors que la sécheresse provoquée par le changement climatique continue de menacer les sources d'eau traditionnelles.

"Au lieu de créer une nouvelle technologie ou un nouveau processus de traitement, nous examinons les synergies qui pourraient exister dans la coordination des installations adjacentes, ce qui n'est pas fait actuellement", a déclaré Childress.

Pour l'avenir, Childress a déclaré que regarder l'eau différemment pourrait être la clé pour l'utiliser aussi efficacement que possible. Des villes comme Los Angeles ont commencé à adopter une initiative appelée "One Water", qui vise à considérer toutes les ressources en eau de la ville comme une seule entité et à travailler à leur gestion d'une manière plus bénéfique sur le plan environnemental, économique et social.

"Au lieu de catégoriser l'eau comme eaux pluviales versus eaux usées versus eau de mer, et si nous disions que c'est toute l'eau qui doit être traitée?" dit Childress. "Ensuite, nous pourrons jeter un coup d'œil à nos systèmes et évaluer ce dont nous avons besoin pour y parvenir. L'objectif ultime pour une ville côtière comme Los Angeles est de fermer la boucle de l'eau, sans envoyer d'eau dans l'océan, mais plutôt d'identifier chaque ressource précieuse dans le flux de décharge et trouver des moyens de le réutiliser. Pour l'instant, cela coûte trop cher, mais j'espère que c'est là que nous nous dirigeons.