建模和分析揭示了提高海水淡化水回收率所面临的技术和环境挑战
气候变化导致水资源越来越稀缺。解决这一问题的一个有希望的方法是利用海水淡化技术。虽然海水淡化具有潜力，但它也带来了环境影响、成本和可及性方面的风险。零液体排放 (ZLD) 技术旨在通过从海水淡化盐水中挤出更多的水来提高海水淡化的水回收率。零液体排放可以帮助减少水资源短缺和海水淡化厂的浪费，但会增加成本，并可能增加海水淡化对环境的影响。
西北大学工程学院的詹妮弗·邓恩领导的团队使用一种新颖的优化模型进行了一项新分析，研究人员得出结论，将零排放海水淡化厂纳入海水淡化厂是应对未来水资源短缺的有效方法。然而，这一过程在能源使用、含盐水处理和低收入地区成本方面存在显著的权衡。
该研究发表在《自然水》杂志上。
在海水淡化过程中，海水通过膜过滤，去除盐分，剩下淡水和盐水。零排放可以增加盐水的回收率并减少其体积，从而更易于管理海水淡化废水。虽然以色列、澳大利亚和沙特阿拉伯等缺水严重的国家拥有丰富的海水淡化设施，但大规模淡化海水所需的能源对环境构成了重大障碍。
由于需要压力将水推过膜，高能耗是海水淡化和零排放的一大障碍。这种需求形成了一个令人困惑的循环——能源生产通常需要水，而海水淡化生产现在需要大量能源。
邓恩说：“最大的挑战是，你需要大量的能源来淡化海水，并通过零液体排放来增加水产量。这种能源的环境成本很高，特别是如果化石燃料是主要能源。可再生能源正被研究作为一种更清洁的能源，但这些选择仍然有限，取决于地点和可用的基础设施。”
邓恩是麦考密克工程学院化学与生物工程学教授。她在题为“零排放和最小液体排放海水淡化技术对能源、水、土地和成本影响的分析”的研究中报告了她的研究成果。邓恩是工程可持续性和弹性中心主任，也是西北大学阿贡科学与工程研究所副主任。
在这篇论文中，邓恩和她的同事评估了提高零排放效率的方法。他们使用了一种新的优化模型来辅助设计海水淡化处理系统（多种技术协同工作），包括七种不同的处理系统方案。这需要对整个工艺流程（一系列可实现零液体排放的步骤）中包含的每种技术进行广泛的研究。该模型名为 WaterTap，由国家水创新联盟领导。
Dunn 表示：“零排放和最小液体排放工艺可以为你提供更多的水，这对于缺水地区来说至关重要，但同时也会增加能源和成本。在每个工厂，都需要根据具体位置和可用资源做出决策。这都是权衡的问题。”
盐水处理也带来了环境问题。沿海海水淡化厂经常将盐水泵回海洋。然而，这种做法的长期影响尚不清楚。令人担忧的是，盐水比海水含盐量更高，有可能破坏敏感地区的海洋生物。
邓恩强调，随着海水淡化越来越普及，监测盐水处理将变得至关重要。
“目前还没有足够的数据来说明高盐度盐水对海洋生态系统的影响，”邓恩说。“在某些地区，损害可能很小，但在其他地区，损害可能非常严重。我们正在努力填补这些空白。”
海水淡化成本高昂，给用水问题最严重的低收入地区带来了问题。海水淡化厂的建设、运营和维护成本高昂，而且需要大量能源。一些国家确实为淡化水提供补贴；不幸的是，这些补贴可能不够。
“海水淡化不能是唯一的解决方案，”邓恩说。“在某些地区，海水淡化是必不可少的，但它必须是更广泛的水资源管理战略的一部分。”
邓恩指出，一些国家正采取多管齐下的办法解决缺水问题，将海水淡化与水循环、雨水收集和保护措施等方法结合起来。这种技术组合具有明显的优势，可以让社区更好地应对不可预测的资源和不断增长的需求。
邓恩说：“海水淡化在某些地区至关重要，但它不能成为解决水资源短缺的唯一办法。要取得真正的进展，我们需要将其视为更广泛、更可持续的水资源管理战略的一部分，该战略要适应每个地区的独特需求和制约因素。”
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