凈零排放：海水淡化的轉(zhuǎn)型故事
IWA全球水行業(yè)動(dòng)態(tài)
海水淡化
摘要：淡水短缺是我們這個(gè)時(shí)代最緊迫的挑戰(zhàn)之一，這種問(wèn)題在全球許多地區(qū)愈發(fā)嚴(yán)重，尤其是在一些人口快速增長(zhǎng)、天然水資源匱乏的地區(qū)。
淡水短缺是我們這個(gè)時(shí)代最緊迫的挑戰(zhàn)之一，這種問(wèn)題在全球許多地區(qū)愈發(fā)嚴(yán)重，尤其是在一些人口快速增長(zhǎng)、天然水資源匱乏的地區(qū)。中東就是這樣一個(gè)地區(qū)，屬于世界上最干旱的地區(qū)之一。預(yù)計(jì)未來(lái)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(jì)體淡水需求的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)手段。
在這些海水淡化技術(shù)中，基于膜的海水反滲透（SWRO）技術(shù)因其高效的淡化能力和相對(duì)較小的占地面積而被廣泛采用。反滲透海水淡化通過(guò)半透膜分離海水中的水和無(wú)機(jī)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(zhǎng)，對(duì)SWRO的依賴性也在增加。因此，優(yōu)化現(xiàn)有的SWRO工廠和設(shè)計(jì)新型高效工廠變得至關(guān)重要。
SWRO工藝在過(guò)去十年中經(jīng)歷了多次改進(jìn)，但它仍然是一個(gè)高能耗和高化學(xué)需求的過(guò)程，這加劇了環(huán)境壓力。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，ACWA Power在大規(guī)模海水淡化工廠的設(shè)計(jì)中開(kāi)創(chuàng)了一種新的模式，將能源需求作為所有設(shè)計(jì)工作的核心，并通過(guò)借鑒其他核心業(yè)務(wù)的知識(shí)應(yīng)用于淡化工廠的新設(shè)計(jì)方法。
僅在過(guò)去的十幾年中，我們就將能耗從每立方米22千瓦時(shí)減少到不到3千瓦時(shí)——幾乎減少了90%的電力消耗。這不僅有利于我們的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)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(dòng)者。從一開(kāi)始，技術(shù)創(chuàng)新就一直是我們業(yè)務(wù)基因的一部分，并繼續(xù)成為我們運(yùn)營(yíng)方式的核心以及成功的關(guān)鍵。我們的研發(fā)旨在優(yōu)化效率，以可靠、負(fù)責(zé)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(dòng)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(kāi)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(kāi)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(dāng)前淡化研究方法中進(jìn)行模式轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)向合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及工藝操作的優(yōu)化。為了讓SWRO工廠達(dá)到其長(zhǎng)期最大潛力并始終保持高水質(zhì)的產(chǎn)水，預(yù)處理系統(tǒng)的有效性是一個(gè)關(guān)鍵因素。高效的預(yù)處理可以提高海水進(jìn)入RO膜的水質(zhì)，減少結(jié)垢的可能性，從而減少RO膜的損壞，延長(zhǎng)其使用壽命并降低能耗。生物污染是SWRO過(guò)程中的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，我們?cè)诙鄠�(gè)方面努力，包括測(cè)試新型預(yù)處理技術(shù)，例如基于陶瓷和石墨烯的超濾膜，測(cè)試先進(jìn)的過(guò)濾介質(zhì)，甚至開(kāi)發(fā)更高效的水質(zhì)測(cè)試方法，以便在問(wèn)題發(fā)生之前就可以預(yù)測(cè)和檢測(cè)生物污染。在RO膜上沉積無(wú)機(jī)礦物質(zhì)或結(jié)垢問(wèn)題發(fā)生在RO膜上的鹽濃度超過(guò)溶解度限制時(shí)。為緩解結(jié)垢問(wèn)題，在進(jìn)水預(yù)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(guò)螯合、分散和/或阻止晶體生長(zhǎng)來(lái)抑制礦物質(zhì)的形成。通過(guò)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(wú)機(jī)結(jié)垢，但它們可能增加生物污染的風(fēng)險(xiǎn)，而生物污染被認(rèn)為是最難處理的結(jié)垢問(wèn)題。根據(jù)其化學(xué)成分，阻垢劑可以作為微生物生長(zhǎng)的磷和碳來(lái)源。我們與沙特阿拉伯的阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)（KAUST）的合作伙伴共同開(kāi)發(fā)了一種方法，通過(guò)使用核磁共振（NMR）光譜來(lái)評(píng)估阻垢劑的細(xì)菌生長(zhǎng)潛力和化學(xué)結(jié)構(gòu)，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(kāi)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(jìn)步，以改進(jìn)傳感技術(shù)，使我們能夠轉(zhuǎn)向預(yù)測(cè)性分析。這與我們整體研究項(xiàng)目的方向高度一致，使我們能夠開(kāi)發(fā)出一個(gè)全面的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)最新技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化工廠的性能。我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)模型，利用基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法來(lái)優(yōu)化混凝劑的化學(xué)用量。該模型用于根據(jù)混凝劑的投加率預(yù)測(cè)過(guò)濾海水的淤泥密度指數(shù)（SDI）。所開(kāi)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(yùn)營(yíng)成本。我們使用淡化廠的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)了一個(gè)自動(dòng)化膜性能追蹤和診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含來(lái)自超過(guò)20個(gè)海水淡化廠的數(shù)據(jù)，總產(chǎn)能超過(guò)500萬(wàn)立方米/天。此系統(tǒng)提供寶貴的見(jiàn)解，例如預(yù)測(cè)下一次在線清洗（CIP）的時(shí)間，識(shí)別膜性能下降的根本原因。這種系統(tǒng)使SWRO工廠能夠進(jìn)行預(yù)防性和糾正性維護(hù)，從而優(yōu)化日常運(yùn)營(yíng)并降低運(yùn)營(yíng)成本。我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)逆滲透性能模型（PMRO），可以實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)工廠性能并識(shí)別最佳節(jié)能點(diǎn)，以最小化每單位水的能耗（SEC）并降低運(yùn)營(yíng)成本。PMRO程序是第一個(gè)將SWRO過(guò)程視為一個(gè)完整耦合系統(tǒng)的公共領(lǐng)域模型，它旨在滿足所有參與SWRO工廠優(yōu)化過(guò)程的利益相關(guān)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(kāi)發(fā)了一項(xiàng)新的顛覆性淡化技術(shù)。預(yù)計(jì)這種技術(shù)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(shù)不需要任何化學(xué)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(biāo)是生產(chǎn)一種無(wú)毒、潔凈、低鹽度的排放物，同時(shí)能耗減少三分之一，將碳足跡進(jìn)一步降低30%。隨著創(chuàng)新的不斷推進(jìn)，我們將繼續(xù)推動(dòng)向凈零排放淡化的過(guò)渡，目標(biāo)是提供更潔凈、更經(jīng)濟(jì)和更高效的淡水解決方案。作為一項(xiàng)必不可少的淡水生產(chǎn)技術(shù)，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/
