Biến nước thải đô thị thành nước ngọt bằng cách sử dụng CO2 tái chế
[Ngày 11 tháng 8 năm 2021: Đại học Lehigh]
Biến nước ngọt thành nước ngọt (Nguồn: Creative Commons)
Biến nước thải của các thành phố thành nước ngọt có thể sử dụng được là một chiến thắng về môi trường.
Kỹ thuật hệ thống để tiết kiệm năng lượng hơn sẽ làm cho một ý tưởng tốt thậm chí còn tốt hơn.
Sử dụng khí nhà kính - carbon dioxide - để cung cấp năng lượng cho quá trình?
Theo Arup SenGupta, một nhà nghiên cứu, nhà giáo dục, tác giả và nhà phát minh nổi tiếng thế giới, đây là một cách tiếp cận có khả năng chuyển đổi tiềm năng, người đã cống hiến sự nghiệp hơn 35 năm của mình để phát triển các giải pháp cho các vấn đề liên quan đến việc thiếu nước uống an toàn.
SenGupta, giáo sư về kỹ thuật dân dụng và môi trường, hóa học và phân tử sinh học cho biết: “Các nguồn nước ngọt tự nhiên - hồ, sông, nước ngầm - đang bị căng thẳng nghiêm trọng do tác động bất lợi của biến đổi khí hậu, cùng với sự gia tăng dân số dần dần ở các đô thị trên toàn cầu. trong PC của Đại học Lehigh Cao đẳng Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng Rossin. “Các nhà máy xử lý nước thải đô thị ở các thành phố lớn được cách ly khỏi tác động tiêu cực của biến đổi khí hậu và nước thải sau xử lý có thể đóng vai trò là nguồn nước tiềm năng, với điều kiện sẵn có các công nghệ bền vững và hiệu quả về chi phí”.
Vào năm 2019, SenGupta và các sinh viên tiến sĩ của ông tại Lehigh đã được trao bằng sáng chế của Hoa Kỳ cho quy trình khử muối trao đổi ion điều khiển bằng CO2 sáng tạo của họ, HIX-Desal, mà ông gọi là “một ứng cử viên hợp pháp để biến nước thải thành nước có thể sử dụng được”.
Thiết lập phòng thí nghiệm để mô phỏng quá trình HIX-Desal (CREDIT: Arup SenGupta)
Các hệ thống khử muối trong nước thải hiện tại, chẳng hạn như các hệ thống được sử dụng ở California bởi Orange County Water District và thành phố San Diego, sử dụng các quy trình màng thẩm thấu ngược bán thấm (RO) yêu cầu một nguồn năng lượng điện và / hoặc cơ học riêng biệt. Cần khoảng 1 đến 1,5 kWh năng lượng để sản xuất 1000 lít (264 gallon) nước đã qua xử lý, hoặc chỉ hơn lượng trung bình mà ba người Mỹ sử dụng ở nhà mỗi ngày.
HIX-Desal khai thác tính chất hóa học độc đáo của CO2 để thay thế nhu cầu năng lượng đó. Và, SenGupta cho biết, khi kết hợp với các máy phát carbon dioxide hiện có (chẳng hạn như các nhà máy xi măng và quy trình phân hủy chất thải kỵ khí), quá trình này có thể âm tính carbon một cách hiệu quả.
Ông nói: “Carbon dioxide, an toàn để xử lý và không gây nguy hiểm, có thể đóng vai trò là axit yếu và bazơ yếu đồng thời trong một quy trình duy nhất để khử muối,“ tránh sự cần thiết của các quy trình màng RO tiêu tốn nhiều năng lượng ”. Hệ thống cũng làm giảm lượng nước cần xử lý trước để bảo vệ màng trong các thiết lập thẩm thấu ngược, giúp tiết kiệm chi phí.
Các nghiên cứu ban đầu về HIX-Desal đã được thực hiện trên ngưỡng cửa của Lehigh với sự cộng tác của Thành phố Bethlehem ở Pennsylvania. Nhóm của SenGupta, bao gồm nghiên cứu sinh Hao Chen, P.C. Rossin Tiến sĩ nghiên cứu kỹ thuật môi trường và Nick Donato, một học giả nghiên cứu đại học, sẽ có được cái nhìn sâu sắc mới về lợi thế năng lượng và khả năng mở rộng của công nghệ trong một sự hợp tác mới với kế hoạch xử lý nước thải của Cơ quan Quận Lehigh ở lân cận Allentown.
Dự án kéo dài hai năm gần đây đã được tài trợ bởi Cục Khai hoang Hoa Kỳ, một cơ quan liên bang thuộc Bộ Nội vụ Hoa Kỳ, như một phần của khoản đầu tư 5,8 triệu đô la vào 22 dự án nghiên cứu khử mặn trong phòng thí nghiệm và quy mô thí điểm để cho phép triển khai rộng hơn quá trình khử muối và công nghệ nước tái chế.
SenGupta cho biết nhà máy Kline’s Island ở Allentown xử lý gần 35 triệu gallon mỗi ngày và các cuộc điều tra đang diễn ra cho thấy độ mặn của nước thải đã qua xử lý có thể giảm hơn 60% nhờ quy trình HIX-Desal mà không cần bất kỳ quá trình thẩm thấu ngược nào. Ông giải thích, nếu được triển khai thành công bằng cách sử dụng carbon dioxide từ bể phân hủy kỵ khí của cơ sở, công nghệ này có thể tiết kiệm khoảng 1 triệu kWh mỗi ngày (hoặc khoảng đủ năng lượng để cung cấp năng lượng cho 94 ngôi nhà ở Hoa Kỳ trong một năm).
Ngoài ra, các thử nghiệm gần đây đã khẳng định một lợi ích tiềm năng khác: Vào tháng 7 năm 2021, nhóm của SenGupta đã thu thập các mẫu nước thải đã qua xử lý từ nhà máy và hoàn thành quy trình tuần hoàn đầu tiên. Ông nói, kết quả cho thấy rằng phốt phát (chịu trách nhiệm cho sự phát triển của tảo và phú dưỡng) có trong nước thải của nhà máy có thể được loại bỏ một cách chọn lọc, cô đặc và thu hồi như một loại phân bón tiềm năng ở dạng tinh khiết, sẵn sàng để bón trực tiếp trên đồng ruộng.
Nhìn chung, SenGupta nhận thấy tiềm năng to lớn trong việc xác nhận rằng carbon dioxide thải, cho dù từ các bãi chôn lấp hay khí thải tuabin khí, có thể được sử dụng để khử muối nước thải đô thị và nước từ các nguồn bị suy yếu khác (chẳng hạn như những gì được sử dụng cho các ứng dụng làm mát trong các nhà máy điện hoặc cơ sở công nghiệp).
Ông nói: “Khái niệm này hình thành nền tảng của một nền kinh tế tuần hoàn, trong đó chất thải từ một quá trình này là một nguồn tài nguyên tiềm năng trong một quá trình khác. “Đó là một thử thách lớn, nhưng cũng là một thử thách thú vị.”
