Puiser dans les eaux usées comme source alternative d’eau douce

Transformer les eaux usées des villes en eau douce utilisable est une victoire environnementale.

Concevoir le système pour qu’il soit plus économe en énergie rend une bonne idée encore meilleure.

Utiliser un gaz à effet de serre, le dioxyde de carbone, pour alimenter le processus ?

C’est une approche potentiellement transformationnelle, selon Arup SenGupta, chercheur, éducateur, auteur et inventeur de renommée mondiale, qui a consacré sa carrière de plus de 35 ans à développer des solutions aux problèmes liés au manque d’eau potable.

« Les ressources naturelles en eau douce – lacs, rivières, eaux souterraines – sont soumises à de graves pressions en raison des effets néfastes du changement climatique, associés à une augmentation progressive de la population dans les métropoles du monde entier », explique SenGupta, professeur de génie civil et environnemental et de génie chimique et biomoléculaire. au PC Rossin College of Engineering and Applied Science de la Lehigh University. « Les usines de traitement des eaux usées municipales dans les grandes villes sont isolées des effets négatifs du changement climatique, et les eaux usées traitées peuvent servir de source d’eau potentielle, à condition que des technologies appropriées durables et rentables soient disponibles. »

En 2019, SenGupta et ses doctorants à Lehigh ont obtenu un brevet américain pour leur procédé innovant de dessalement par échange d’ions au CO2, HIX-Desal, qu’il qualifie de « candidat légitime pour transformer les eaux usées en eau utilisable ».

Les systèmes de dessalement des eaux usées existants, tels que ceux utilisés en Californie par le Orange County Water District et dans la ville de San Diego, utilisent des procédés à membrane d’osmose inverse (OI) semi-perméable qui nécessitent une source d’énergie électrique et/ou mécanique séparée. Environ 1 à 1,5 kWh d’énergie est nécessaire pour produire 1 000 litres (264 gallons) d’eau traitée, soit un peu plus que la quantité moyenne que trois Américains utilisent à la maison chaque jour.

HIX-Desal exploite la chimie unique du CO2 pour remplacer ce besoin énergétique. Et, selon SenGupta, lorsqu’il est associé aux générateurs existants de dioxyde de carbone (tels que les cimenteries et les processus de digestion anaérobie des déchets), le processus peut être effectivement négatif en carbone.

« Le dioxyde de carbone, qui est sûr à manipuler et non dangereux, peut servir à la fois d’acide faible et de base faible dans un seul processus de dessalement », dit-il, « en évitant le besoin de processus à membrane RO à forte intensité énergétique ». Le système réduit également le prétraitement de l’eau requis pour protéger la membrane dans les installations d’osmose inverse, ce qui entraîne des économies de coûts.

Les premières études de HIX-Desal ont été menées aux portes de Lehigh en collaboration avec la ville de Bethléem en Pennsylvanie. L’équipe de SenGupta, qui comprend l’étudiant diplômé Hao Chen, un doctorant PC Rossin étudiant en génie de l’environnement, et Nick Donato, un chercheur universitaire de premier cycle, acquerra de nouvelles connaissances sur les avantages énergétiques et l’évolutivité de la technologie dans une nouvelle collaboration avec l’autorité du comté de Lehigh plan de traitement des eaux usées dans la ville voisine d’Allentown.

Le projet de deux ans a été récemment financé par le Bureau of Reclamation des États-Unis, une agence fédérale relevant du ministère américain de l’Intérieur, dans le cadre d’un investissement de 5,8 millions de dollars dans 22 projets de recherche en laboratoire et à l’échelle pilote sur le dessalement pour permettre un déploiement plus large du dessalement et technologies de l’eau recyclée.

L’usine de Kline’s Island à Allentown traite près de 35 millions de gallons chaque jour, dit SenGupta, et les enquêtes en cours montrent que la salinité des eaux usées traitées peut être réduite de plus de 60 pour cent par le procédé HIX-Desal, sans nécessiter d’osmose inverse. Si elle est déployée avec succès en utilisant le dioxyde de carbone du digesteur anaérobie de l’installation, explique-t-il, la technologie pourrait entraîner une économie d’environ 1 million de kWh par jour (ou environ assez d’énergie pour alimenter 94 foyers américains pendant un an).

De plus, des tests récents ont confirmé un autre avantage potentiel : en juillet 2021, l’équipe de SenGupta a collecté des échantillons d’eaux usées traitées de l’usine et a terminé le premier processus cyclique. Les résultats, dit-il, ont révélé que le phosphate (responsable de la croissance des algues et de l’eutrophisation) présent dans les eaux usées de l’usine peut être sélectivement éliminé, concentré et récupéré comme engrais potentiel sous forme pure, prêt pour une application directe sur le terrain.

Dans l’ensemble, SenGupta voit un énorme potentiel dans la validation du fait que les déchets de dioxyde de carbone, qu’ils proviennent des décharges ou des gaz d’échappement des turbines à gaz, peuvent être utilisés pour dessaler les eaux usées municipales et l’eau provenant d’autres sources altérées (comme ce qui est utilisé pour les applications de refroidissement dans les centrales électriques ou les installations industrielles).

« Ce concept constitue la base d’une économie circulaire, dans laquelle les déchets d’un processus sont une ressource potentielle dans un autre processus », dit-il. « C’est un grand défi, mais qui est aussi passionnant.

—Katie Kackemeister, directrice adjointe des communications, PC Rossin College of Engineering and Applied Science

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