凈零排放：海水淡化的轉(zhuǎn)型故事
IWA全球水行業(yè)動態(tài)
海水淡化
摘要：淡水短缺是我們這個時代最緊迫的挑戰(zhàn)之一，這種問題在全球許多地區(qū)愈發(fā)嚴重，尤其是在一些人口快速增長、天然水資源匱乏的地區(qū)。
淡水短缺是我們這個時代最緊迫的挑戰(zhàn)之一，這種問題在全球許多地區(qū)愈發(fā)嚴重，尤其是在一些人口快速增長、天然水資源匱乏的地區(qū)。中東就是這樣一個地區(qū)，屬于世界上最干旱的地區(qū)之一。預計未來幾十年，該地區(qū)面臨的淡水壓力將顯著增加。由于能夠輕松獲得海水，海水淡化成為了滿足該地區(qū)居民和經(jīng)濟體淡水需求的一個關鍵技術手段。
在這些海水淡化技術中，基于膜的海水反滲透（SWRO）技術因其高效的淡化能力和相對較小的占地面積而被廣泛采用。反滲透海水淡化通過半透膜分離海水中的水和無機鹽溶質(zhì)，利用能量克服海水的滲透梯度，從而產(chǎn)生低鹽度的淡水和高濃度的濃鹽水。隨著工業(yè)和人口的快速增長，對SWRO的依賴性也在增加。因此，優(yōu)化現(xiàn)有的SWRO工廠和設計新型高效工廠變得至關重要。
SWRO工藝在過去十年中經(jīng)歷了多次改進，但它仍然是一個高能耗和高化學需求的過程，這加劇了環(huán)境壓力。為了應對這一挑戰(zhàn)，ACWA Power在大規(guī)模海水淡化工廠的設計中開創(chuàng)了一種新的模式，將能源需求作為所有設計工作的核心，并通過借鑒其他核心業(yè)務的知識應用于淡化工廠的新設計方法。
僅在過去的十幾年中，我們就將能耗從每立方米22千瓦時減少到不到3千瓦時——幾乎減少了90%的電力消耗。這不僅有利于我們的經(jīng)濟效益，對地球也有積極作用。
ACWA Power一直是降低反滲透海水淡化的比能耗（specific energy consumption-SEC）的推動者。從一開始，技術創(chuàng)新就一直是我們業(yè)務基因的一部分，并繼續(xù)成為我們運營方式的核心以及成功的關鍵。我們的研發(fā)旨在優(yōu)化效率，以可靠、負責地低成本生產(chǎn)淡化水。將能耗壓縮至接近理論水平的迫切需求推動了研究，主要集中在提高工藝的能源效率方面。新型材料的使用被廣泛探索，以開發(fā)具有超高水滲透性和高水-溶質(zhì)選擇性的下一代淡化膜。然而，盡管在開發(fā)高效膜方面做出了大量研究努力，但能耗的減少仍然有限。這要求在當前淡化研究方法中進行模式轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)向合理的系統(tǒng)設計以及工藝操作的優(yōu)化。為了讓SWRO工廠達到其長期最大潛力并始終保持高水質(zhì)的產(chǎn)水，預處理系統(tǒng)的有效性是一個關鍵因素。高效的預處理可以提高海水進入RO膜的水質(zhì)，減少結垢的可能性，從而減少RO膜的損壞，延長其使用壽命并降低能耗。生物污染是SWRO過程中的一個常見問題。為了應對這一挑戰(zhàn)，我們在多個方面努力，包括測試新型預處理技術，例如基于陶瓷和石墨烯的超濾膜，測試先進的過濾介質(zhì)，甚至開發(fā)更高效的水質(zhì)測試方法，以便在問題發(fā)生之前就可以預測和檢測生物污染。在RO膜上沉積無機礦物質(zhì)或結垢問題發(fā)生在RO膜上的鹽濃度超過溶解度限制時。為緩解結垢問題，在進水預處理中添加阻垢劑是一種最具成本效益的方法。阻垢劑通過螯合、分散和/或阻止晶體生長來抑制礦物質(zhì)的形成。通過這些措施，我們能夠保持更清潔的膜表面，降低清洗頻率，并最終提高膜的壽命。盡管阻垢劑可以緩解無機結垢，但它們可能增加生物污染的風險，而生物污染被認為是最難處理的結垢問題。根據(jù)其化學成分，阻垢劑可以作為微生物生長的磷和碳來源。我們與沙特阿拉伯的阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）的合作伙伴共同開發(fā)了一種方法，通過使用核磁共振（NMR）光譜來評估阻垢劑的細菌生長潛力和化學結構，從而能夠理性地選擇阻垢劑。該行業(yè)還需要更高質(zhì)量和新型的傳感器，以便從工廠獲取更多數(shù)據(jù)，并開發(fā)工具以智能方式使用這些數(shù)據(jù)。我們正在研究人工智能（AI）的進步，以改進傳感技術，使我們能夠轉(zhuǎn)向預測性分析。這與我們整體研究項目的方向高度一致，使我們能夠開發(fā)出一個全面的監(jiān)測系統(tǒng)，通過最新技術進一步優(yōu)化工廠的性能。我們開發(fā)了一個模型，利用基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的算法來優(yōu)化混凝劑的化學用量。該模型用于根據(jù)混凝劑的投加率預測過濾海水的淤泥密度指數(shù)（SDI）。所開發(fā)的算法使混凝劑消耗量減少了11.7%，從而降低了海水淡化廠的運營成本。我們使用淡化廠的運營數(shù)據(jù)開發(fā)了一個自動化膜性能追蹤和診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含來自超過20個海水淡化廠的數(shù)據(jù)，總產(chǎn)能超過500萬立方米/天。此系統(tǒng)提供寶貴的見解，例如預測下一次在線清洗（CIP）的時間，識別膜性能下降的根本原因。這種系統(tǒng)使SWRO工廠能夠進行預防性和糾正性維護，從而優(yōu)化日常運營并降低運營成本。我們開發(fā)了一個逆滲透性能模型（PMRO），可以實時預測工廠性能并識別最佳節(jié)能點，以最小化每單位水的能耗（SEC）并降低運營成本。PMRO程序是第一個將SWRO過程視為一個完整耦合系統(tǒng)的公共領域模型，它旨在滿足所有參與SWRO工廠優(yōu)化過程的利益相關者的需求，從管理人員到操作人員以及研究人員。我們最近與一家歐洲初創(chuàng)公司合作開發(fā)了一項新的顛覆性淡化技術。預計這種技術可以處理含鹽量為42,000 ppm的海水，總工廠能耗（SEC）將等于或小于2.2 kWh/m³。該技術不需要任何化學添加劑，并且比典型的海水淡化廠產(chǎn)生更低鹽度的濃鹽水。我們的目標是生產(chǎn)一種無毒、潔凈、低鹽度的排放物，同時能耗減少三分之一，將碳足跡進一步降低30%。隨著創(chuàng)新的不斷推進，我們將繼續(xù)推動向凈零排放淡化的過渡，目標是提供更潔凈、更經(jīng)濟和更高效的淡水解決方案。作為一項必不可少的淡水生產(chǎn)技術，海水淡化的潛力仍然巨大，但我們也必須為環(huán)境的可持續(xù)性而努力。Dr Ratul Das is Executive Manager, Research and Development, at ACWA Power.原文刊于2024年10月《The SOURCE》雜志https://thesourcemagazine.org/
