In molti luoghi, inclusa la California meridionale, il cambiamento climatico ha aumentato la minaccia della siccità e la necessità di risorse idriche nuove e continue. Per alleviare tale scarsità, vengono presi in considerazione flussi d'acqua a maggiore salinità, e talvolta acqua di mare, ma richiedono maggiori investimenti energetici a causa della necessità di desalinizzare questi flussi. La vicinanza di alcuni impianti di desalinizzazione agli impianti di bonifica delle acque reflue offre l'opportunità di coordinare le due diverse risorse idriche. I ricercatori della USC Viterbi School of Engineering hanno esplorato tali opportunità per recuperare più acqua, a un costo ridotto.

Nella ricerca pubblicata su Desalinizzazione , Amy Childress, Gabilan Distinguished Professor in Science and Engineering, la studentessa di dottorato dell'USC Viterbi Xin Wei e Kelly Sanders, Dr. Teh Fu Yen Early Career Chair, hanno studiato gli scenari attuali e futuri del trattamento delle acque reflue, in particolare per quanto riguarda i flussi di salinità più elevati. L'obiettivo:fornire la maggior quantità di acqua possibile, utilizzando la minor quantità di energia possibile e tenendo conto della tutela dell'ambiente.

"Sebbene il riutilizzo e la desalinizzazione dei potabili siano stati tradizionalmente considerati parti separate del portafoglio di approvvigionamento idrico", ha affermato Childress, professore presso il Dipartimento di ingegneria civile e ambientale di Sonny Astani, "ha senso considerare i modi in cui possiamo unire il trattamento delle acque reflue e la desalinizzazione per raggiungere gli obiettivi in ​​materia di acqua ed energia, garantendo nel contempo il rispetto degli standard ambientali."

Per comprendere questa opportunità, bisogna considerare il contesto attuale. In primo luogo, la salinità delle acque reflue è in aumento, in parte a causa della conservazione dell'acqua. Questo flusso d'acqua a maggiore salinità è più costoso da trattare e potrebbe richiedere un processo di desalinizzazione. I progressi negli impianti di recupero delle acque reflue significano che i processi di desalinizzazione (come l'osmosi inversa, che filtra l'acqua contaminata attraverso un materiale semipermeabile per pulirla) possono aiutare a trattare flussi d'acqua a salinità più elevata in modo relativamente efficiente.

Sfruttare la pressione dell'acqua esistente

La bambina ha detto:"La salinità sta aumentando nelle acque reflue a causa della conservazione dell'acqua e di altri motivi. Ad esempio, nelle zone costiere, l'acqua di mare può intromettersi nelle infrastrutture degli impianti di bonifica delle acque reflue, aumentando anche la salinità. L'impatto diretto dell'aumento della salinità è che potrebbe essere necessario per azionare i processi di desalinizzazione esistenti a pressioni più elevate o potrebbe essere necessario introdurre un nuovo processo di desalinizzazione per trattare l'acqua."

Tradizionalmente, i corsi d'acqua a maggiore salinità sono stati una risorsa idrica con priorità inferiore a causa dell'intensità energetica della desalinizzazione di tali flussi e della pulizia dell'acqua per soddisfare gli standard ambientali e normativi. Tuttavia, se un processo di desalinizzazione esistente può essere adattato o può essere aggiunto un nuovo processo di desalinizzazione, flussi di salinità più elevati che sfruttano la capacità di desalinizzazione diventano flussi più praticabili per soddisfare la domanda di approvvigionamento idrico.

Ci sono tecnologie che possono essere adattate alle strutture. Questi includono:dispositivi di recupero energetico (ERD), che sfruttano l'energia nella salamoia prodotta dai processi di desalinizzazione e la applicano al flusso che viene appena trattato; e osmosi inversa a circuito chiuso (CCRO), che mantiene la pressione nel sistema invece di rilasciarla nella salamoia risultante. Questo aiuta a mitigare il carico di sale aggiuntivo senza aggiungere un carico energetico aggiuntivo, ha affermato Childress.

Strategie di gestione dell'energia per la bonifica delle acque

Lo scarico della salamoia è regolato da determinati standard, ha affermato Childress, il che significa che la salinità dei corsi d'acqua scaricati deve essere inferiore a determinati livelli e probabilmente simile alla salinità dell'acqua oceanica, che è di circa 35 grammi per litro. Inizialmente, il dottorato di ricerca lo studente Wei si è concentrato sulla miscelazione di corsi d'acqua provenienti da diverse fonti d'acqua con la prospettiva di soddisfare gli standard normativi per le concentrazioni di salinità nel corso d'acqua. Tuttavia, recentemente ha reindirizzato la sua ricerca a considerare una prospettiva diversa.

Childress ha detto:"Abbiamo considerato invece, beh, se siamo in grado di soddisfare i requisiti utilizzando le acque reflue in una modalità di riutilizzo potabile, invece di miscelare semplicemente i flussi di rifiuti per lo scarico nell'oceano, possiamo riutilizzarli e prendere la risorsa idrica in modo da hai quella scorta d'acqua aggiuntiva?"

Negli impianti avanzati di purificazione dell'acqua, l'uso di membrane ad osmosi inversa, che applicano pressione per spingere l'acqua attraverso un materiale semipermeabile mentre filtrano i contaminanti, per pulire l'acqua è diventato uno standard del settore, offrendo l'opportunità di trattare flussi di acque reflue a maggiore salinità.

Gli elevati costi energetici nel settore idrico hanno portato molti impianti di trattamento dell'acqua e delle acque reflue a includere strategie di gestione dell'energia. Ad esempio, i ricercatori hanno affermato che i dispositivi di recupero energetico sono comunemente utilizzati in combinazione con processi di osmosi inversa ad alta salinità per ridurre il consumo energetico del processo di desalinizzazione.

I dispositivi di recupero energetico riducono il consumo di energia trasferendo la pressione rimasta nel flusso di salamoia concentrata (già trattata) al flusso di alimentazione. I ricercatori hanno affermato che i dispositivi di recupero energetico possono ridurre il consumo di energia negli impianti di desalinizzazione dell'acqua di mare ad osmosi inversa fino al 67%, a seconda delle condizioni operative.

I processi di osmosi inversa ad alto recupero (ad es. Osmosi inversa a circuito chiuso) sono presi in considerazione in strutture avanzate di purificazione dell'acqua per migliorare il recupero dell'acqua mantenendo basso il consumo di energia. I processi a membrana in cui l'acqua di alimentazione è più salata richiedono pressioni (o energia) più elevate. In un normale processo di osmosi inversa, la pressione viene fissata a un livello elevato che può superare la pressione finale nel concentrato. Nell'osmosi inversa a circuito chiuso, la pressione viene aumentata gradualmente fino a diventare appena superiore alla pressione richiesta. Utilizzando una pressione di alimentazione variabile nel tempo, l'osmosi inversa a circuito chiuso può fornire maggiori risparmi energetici rispetto ai dispositivi di recupero energetico. Un altro vantaggio dell'osmosi inversa a circuito chiuso è che può scaricare meno acqua.

Childress ha detto:"Stiamo cercando di muoverci verso la flessibilità nel trattamento dell'acqua, valutando le differenze nelle qualità dell'acqua e utilizzando metodologie diverse per trattare quel flusso specifico per la massima efficienza e il minor spreco".

Il futuro dell'acqua

Le considerazioni su come essere flessibili e sostenibili nell'affrontare le risorse idriche stanno diventando sempre più importanti poiché la siccità causata dai cambiamenti climatici continua a minacciare le fonti idriche tradizionali.

"Invece di creare una nuova tecnologia o un nuovo processo di trattamento, stiamo cercando sinergie che potrebbero esistere nel coordinamento delle strutture adiacenti, cosa che al momento non è stata realizzata", ha affermato Childress.

Guardando al futuro, Childress ha affermato che guardare l'acqua in modo diverso potrebbe essere la chiave per utilizzarla nel modo più efficiente possibile. Città come Los Angeles hanno iniziato ad adottare un'iniziativa chiamata "One Water", che mira a considerare tutte le risorse idriche della città come un'unica entità e ad adoperarsi per gestirle in modo più vantaggioso dal punto di vista ambientale, economico e sociale.

"Invece di classificare l'acqua come acqua piovana rispetto alle acque reflue rispetto all'acqua di mare, e se dicessimo che è tutta l'acqua che deve essere trattata?" ha detto la bambina. "Poi possiamo dare un'occhiata ai nostri sistemi e valutare ciò di cui abbiamo bisogno per raggiungere questo obiettivo. L'obiettivo finale per una città costiera come Los Angeles è chiudere il circuito dell'acqua, non inviare acqua nell'oceano ma identificare ogni risorsa preziosa in il flusso di scarico e trovare modi per riutilizzarlo. In questo momento è troppo costoso farlo, ma si spera che questo sia il punto in cui ci stiamo dirigendo".