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Design Approach for the Improvement of the Economic and Environmental Performances of Potable Water SupplyOTHÈSE N 4159 (2008)PRÉSENTÉE LE 11 SEPTEMBRE 2008 À LA FACULTE SCIENCES ET TECHNIQUES DE L'INGÉNIEURLABORATOIRE D'ÉNERGÉTIQUE INDUSTRIELLEPROGRAMME DOCTORAL EN ENERGIEÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNEPOUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCESPA RFrançois VINCEIngénieur diplômé de l’Ecole Polytechnique, Palaiseau, Franceet de nationalité françaiseacceptée sur proposition du jury:Prof. A. Rufer, président du juryDr F. Maréchal, Prof. M. Pontié, directeurs de thèseMme E. Aoustin, rapporteur Prof. S. Hellweg, rteur Prof. L. Serra, rapporteurSuisse2008 ABSTRACT Triggered by the Kyoto Protocol and by the aggravation of freshwater scarcity, environmental impacts should soon become key decision criteria for the planning of potable water supply projects, especially when advanced systems such as seawater desalination are at stake. In order to foster the transition of the water industry towards sustainable practices, the present work proposes an integrated design approach dedicated to potable water supply that targets both economic and environmental objectives. At first, the current industrial practices (Chapter I) and the technical characteristics of potable water supply systems (Chapter II) are analyzed via the modeling of the process units used for potable water supply: pumping systems, conventional water treatment processes ...

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Language English
POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES
PAR
Ingénieur diplômé de l’Ecole Polytechnique, Palaiseau, France
et de nationalité française
acceptée sur proposition du jury:
Suisse
2008
Prof. A. Rufer, président du jury
Dr F. Maréchal, Prof. M. Pontié, directeurs de thèse
Mme E. Aoustin, rapporteur
Prof. S. Hellweg, rapporteur
Prof. L. Serra, rapporteur
Design Approach for the Improvement of the Economic
and Environmental Performances of Potable Water Supply
François VINCE
THÈSE N
O
4159 (2008)
ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE
PRÉSENTÉE LE 11 SEPTEMBRE 2008
À LA FACULTE SCIENCES ET TECHNIQUES DE L'INGÉNIEUR
LABORATOIRE D'ÉNERGÉTIQUE INDUSTRIELLE
PROGRAMME DOCTORAL EN ENERGIE
-
3 -
ABSTRACT
Triggered by the Kyoto Protocol and by the aggravation of freshwater scarcity, environmental impacts
should soon become key decision criteria for the planning of potable water supply projects, especially
when advanced systems such as seawater desalination are at stake. In order to foster the transition of
the water industry towards sustainable practices, the present work proposes an integrated design
approach dedicated to potable water supply that targets both economic and environmental objectives.
At first, the current industrial practices (Chapter I) and the technical characteristics of potable water
supply systems (Chapter II) are analyzed via the modeling of the process units used for potable water
supply: pumping systems, conventional water treatment processes (e.g. clarification, filtration,
disinfection) and advanced water treatment processes (e.g. membrane processes, thermal processes).
Using the ISO 14040 standardized Life Cycle Assessment (LCA) method, Chapter III presents the
development of a performance indicator that assesses the environmental impacts generated through all
stages of the life cycle of potable water supply (i.e. from “cradle to grave”): from the construction of the
potable water treatment plant, to its operation and decommissioning.
This LCA-based indicator provides a holistic overview of all potential environmental impacts (e.g. green
house gases (GHG) emissions, impacts on ecosystems and on human health). It allows to stress out
the impact sources and the penalizing steps within potable water supply (Chapter IV): The production of
electricity and chemicals required by the potable water treatment plant is highlighted to generate
respectively 75% and 15% of the total impacts generated during the life cycle of potable water supply.
Different potable water supply scenarios (e.g. potable water supply from ground water, from surface
water, seawater desalination, water import from distant water resources) are benchmarked, in order to
identify the best solutions as a function of the local context (e.g. type of electricity supply, topographic
conditions, feed water quality).
Based on the results of the environmental assessment, Chapter V proposes measures for the
improvement of the industrial practices of the water sector, targeting energy and chemicals
management, electricity sourcing and effluent disposal.
Within the same perspective, Chapter VI details an optimization method for the design of the reverse
osmosis (RO) membrane process, i.e. the key treatment process for desalination and wastewater
reclamation. This method systematically synthesizes RO process configurations and evaluates their
performances on economical (total annualized costs), technical (energy requirement, water conversion
rate) and environmental criteria (GHG emissions). Evolutionary algorithms are then used to optimize
the design of these configurations (process layout and operating conditions) and to identify those
featuring the best trade-offs between economical costs and environmental impacts.
As case study, the optimization method is applied on a brackish water reverse osmosis (BWRO)
desalination project. The characteristics of the optimal BWRO process configurations are calculated as
a function of the project constraints (e.g. economical and technical settings, minimum potable water
quality), in order to illustrate how this method may support process engineers for the design of
desalination plants.
Keywords:
Potable water supply, Water treatment processes, Process design, Life cycle
assessment
(LCA),
GHG
emissions,
Reverse
osmosis
(RO),
Multi-objective
optimization
-
4 -
RESUME
Dans la lignée du protocole de Kyoto et au vue de l’aggravation des situations de manque d’eau, les
aspects environnementaux deviennent de plus en plus importants lors du choix des futures filières
d’approvisionnement en eau potable, en particulier pour les procédés avancés tels que le dessalement
d’eau de mer. Afin d’accélérer la transition du secteur de l’eau vers des pratiques durables, ce travail
développe une méthode de design dédiée aux filières d’approvisionnement en eau potable, qui intègre
simultanément les dimensions économique et environnementale
En premier lieu, les pratiques industrielles (Chapitre I) et les caractéristiques techniques des filières
existantes (Chapitre II) sont étudiées à travers la modélisation de chacun des procédés unitaires
utilisés pour l’approvisionnement en eau potable : systèmes de pompages, procédés conventionnels de
traitement d’eau (ex : clarification, filtration, désinfection), procédés avancés de traitement d’eau (ex :
procédés membranaires, procédés thermiques).
Le Chapitre III présente l’indicateur développé pour l’évaluation de la performance environnementale
des filières d’approvisionnement en eau potable. Cet indicateur est basé sur la méthode d’Analyse de
Cycle de Vie (normalisée ISO 14040), qui prend en compte l’ensemble des impacts générés lors du
cycle de vie d’un procédé ou d’un produit, ici l’alimentation en eau potable, « depuis le berceau jusqu’à
la tombe », c.-à-d. depuis la construction de l’usine de production d’eau potable, son opération jusqu’à
son démantèlement.
L’indicateur, qui intègre l’ensemble des impacts environnementaux (ex : émissions de gaz à effet de
serre, impacts sur la santé humaine, impacts sur les écosystèmes), permet de mettre en exergue les
sources d’impacts et les procédés à améliorer au sein des filières d’alimentation en eau potable
(Chapitre IV). A ce titre, la production de l’électricité et des produits chimiques nécessaires à l’usine de
production d’eau potable est identifiée comme générant respectivement 75% et 15% de l’ensemble des
impacts du cycle de vie de l’alimentation en eau potable
Différentes scénarios d’approvisionnement (ex : alimentation à partir d’eau souterraine, de rivière,
dessalement, importation d’eau) sont ensuite comparés, afin de déterminer quelles sont les meilleures
solutions selon le contexte local du projet (ex : contraintes topographiques, qualité de l’eau brute,
alimentation électrique de la zone ciblée).
A partir de ces résultats, le Chapitre V propose un plan d’action afin d’améliorer la performance
environnementale des industriels de l’eau. Ces mesures d’améliorations ciblent l’efficacité énergétique
des procédés, la contractualisation d’une alimentation électrique de haute qualité pour l’usine de
production d’eau potable, la gestion des produits chimiques ainsi que le traitement des effluents de
l’usine.
Toujours dans la même optique, le Chapitre VI propose une méthode d’optimisation pour le design du
procédé membranaire d’osmose inverse (OI), i.e. le procédé clé pour le dessalement et la réutilisation
des eaux usées. Cette méthode conçoit de manière systématique des configurations de procédé OI,
dont elle évalue les performances sur des critères économiques (coût totaux annualisés), techniques
(consommation électrique, taux de conversion d’eau) et environnementaux (émissions de gaz à effet de
serre). La méthode s’appuie ensuite sur des algorithmes génétiques qui optimisent le design de ces
configurations en fonction des contraintes du projet et identifient celles qui présentent le meilleur
compromis entre coûts et impacts environnementaux.
Cette méthode d’optimisation est appliquée à un projet de dessalement d’eau saumâtre comme cas
d’étude. Les caractéristiques optimales du procédé de dessalement sont calculées en fonction des
contraintes du projet, afin d’illustrer comment la méthode développée peut aider les ingénieurs chargés
du design des usines de dessalement
Mots clés :
Alimentation en eau potable, Procédé de traitement d’eau, Conception de filières,
Analyse de Cycle de Vie (ACV), Gaz à effet de serre (GES), Osmose Inverse (OI),
Optimisation multi-objectif.
-
7 -
SUMMARY
GLOSSARY
13
INTRODUCTION
15
1.
CURRENT INDUSTRIAL PRACTICES
18
1.1.
P
O T A B L E W AT E R S U P P L Y A N D O T H ER H U M A N W AT E R U S A G ES
18
1.1.1.
Water resources availability
18
1.1.2.
Human water withdrawals
20
1.2.
D
E S IG N A N D P ER FO R M A N C E S O F P O T A B L E W AT ER S U P P L Y S Y ST E M S
21
1.2.1.
Conventional potable water supply from freshwater resources
22
1.2.2.
Potable water supply from polluted or distant freshwater resources
22
1.2.3.
Potable water supply from alternative resources
23
1.3.
D
R IV E R S F O R T H E W AT E R IN D U S T R Y
24
1.3.1.
Increasing human water withdrawals
24
1.3.2.
Water stress situations
26
1.3.3.
Environmental governance
27
2.
TARGETED DESIGN APPROACH
28
2.1.
P
R O BL E M S T A T E M E N T
28
2.2.
R
E S E A R C H M E T H O D O L O G Y
30
2.2.1.
Technical modeling of potable water supply systems
30
2.2.2.
Environmental performance indicator
30
2.2.3.
Systematic process design under environmental and economic objectives
31
1.
PROCESS UNIT MODELING APPROACH
34
1.1.
B
O T T O M
-
U P M O D E L IN G
34
1.1.1.
Water quality parameters
35
1.1.2.
Generic process unit model
36
1.2.
S
T AT IS T IC A L C A L IB R A T IO N
38
2.
RAW WATER INTAKE, POTABLE WATER DISTRIBUTION
39
3.
INSTRUMENTATION, HEATING AND AUXILIARIES
40
4.
CONVENTIONAL TREATMENT PROCESSES
40
4.1.
C
L A R IF IC A T IO N
40
4.1.1.
Coagulation and flocculation
40
4.1.2.
Settling
42
4.2.
F
IL T R A T IO N
45
4.3.
C
H E M IC A L D IS IN F E C T IO N
48
4.3.1.
Ozonation
48
4.3.2.
Chlorination
50
4.3.3.
UV radiation
50
4.3.4.
Powdered activated carbon injection
51
4.4.
S
L U D G E T R E A T M E N T
52
4.5.
P
H,
H AR D N E S S A N D A L K A L IN IT Y C O N T R O L
54
CHAPTER I -
CHALLENGES FOR FUTURE POTABLE WATER SUPPLY
17
CHAPTER II -
MODELING OF POTABLE WATER SUPPLY SYSTEMS
33
-
8 -
5.
ADVANCED TREATMENT PROCESSES
55
5.1.
D
EN IT R AT A T IO N
,
D EC A R B O N AT AT IO N
,
D E M A N G AN IS A T IO N
,
D E IO N IZ A T IO N
55
5.1.1.
Ion exchange resins
55
5.1.2.
Electrodialysis
55
5.2.
M
E M B R A N E P R O C E S S E S
56
5.2.1.
Dead-end filtration membrane processes
57
5.2.2.
Cross-flow filtration membrane processes
60
5.3.
T
H E R M A L D E S A L IN AT IO N P R O C E S S E S
74
5.3.1.
Multi-stage flash
74
5.3.2.
Multi-effect evaporation (MEE)
75
6.
CONCLUSIONS
77
1.
STATE OF THE ART
80
1.1.
L
IF E C YC L E A S S E S S M E N T
(LCA)
80
1.1.1.
General definition of environmental impacts
80
1.1.2.
LCA approach and method
80
1.2.
L
IT E R A T U R E R E V IE W
82
1.2.1.
LCA studies on water treatment processes
82
1.2.2.
LCA studies on potable water supply systems
82
1.2.3.
LCA studies on urban water systems including wastewater treatment
83
1.3.
I
M P R O V IN G T H E S C O P E O F T H E
LCA
84
1.3.1.
Impact assessment of effluent discharges from water treatment
84
1.3.2.
Impact assessment of freshwater resources depletion
84
2.
LCA PROCEDURE
85
2.1.
G
O A L A N D S C O P E D E F IN IT IO N
85
2.2.
L
IF E
C
YC L E
I
N V E N T O R Y
(LCI)
86
2.2.1.
Foreground processes
86
2.2.2.
Background processes
88
2.3.
L
IF E
C
YC L E
I
M P A C T
A
S S E S S M E N T
(LCIA)
90
2.3.1.
IMPACT 2002+ LCIA method
90
2.3.2.
Complementary performance indicators
93
2.4.
U
N C E R T A IN T Y A N A L YS IS
94
2.4.1.
Parameter uncertainty indicators
94
2.4.2.
Parameter variation and Monte-Carlo analysis
95
3.
CHARACTERIZATION OF EFFLUENT DISCHARGES
96
3.1.
E
FF L U EN T S E L E C T IO N
96
3.2.
C
AL C U L A T IO N O F T H E IM P A C T C H A R A C T E R IZ A T IO N F A C T O R S
98
3.2.1.
Aquatic acidification
98
3.2.2.
Aquatic eutrophication
98
3.2.3.
Aquatic ecotoxicity
99
4.
ACCOUNTING OF FRESHWATER RESOURCES DEPLETION WITHIN THE LCA
104
4.1.
E
XT EN S IO N O F T H E
LCI
F R A M E W O R K
104
4.2.
D
E F IN IT IO N O F IM P AC T P A T H W A Y S R E L A T E D T O W AT E R U S E
104
5.
CONCLUSIONS
105
CHAPTER III -
ENVIRONMENTAL PERFORMANCE INDICATOR
79
-
9 -
1.
IMPACT SOURCES WITHIN THE LIFE-CYCLE OF POTABLE WATER SUPPLY
108
1.1.
M
ID P O IN T IM P A C T A S S E S S M EN T
108
1.1.1.
Construction phase
109
1.1.2.
Operation phase
109
1.2.
E
N D PO IN T D AM A G E A S S E S S M E N T
111
1.2.1.
Climate change
111
1.2.2.
Resources depletion
112
1.2.3.
Damage to human health
112
1.2.4.
Damage to ecosystems
113
1.3.
N
O R M A L IZ E D E N V IR O N M EN T A L S C O R E
115
2.
BENCHMARK OF ENVIRONMENTAL PERFORMANCES
116
2.1.
C
A S E S T U D Y
116
2.2.
L
IF E
C
YC L E E L E C T R IC IT Y C O N S U M P T IO N
118
2.3.
GHG
F O O T P R IN T
120
2.4.
L
IF E
-
C YC L E W A T E R W IT H D R AW A L S
122
2.5.
B
R E A K
-
E V E N D IST AN C E
122
3.
SENSITIVITY ANALYSIS
124
3.1.
LCA
R E S U LT S C O M P A R IS O N U S IN G
IMPACT
2002+
A N D O T H ER
LCIA
M E T H O D S
124
3.1.1.
Midpoint impact assessment using EDIP 2003
124
3.1.2.
Endpoint damage assessment using Eco Indicator 99
125
3.2.
F
E E D B A C K O N T H E IM P A C T A S S E S S M E N T M E T H O D D EV E L O P E D F O R L IQ U ID D IS C H A R G E S
127
3.2.1.
Aquatic eutrophication
127
3.2.2.
Aquatic ecotoxicity
127
3.3.
I
N FL U E N C E O F E L E C T R IC IT Y S U P P L Y O N IM P A C T A S S E S S M E N T
131
3.3.1.
Potable water supply from ground water using UCTE or French electricity supply
131
3.3.2.
Desalination using either the UCTE electricity grid mix or wind turbines
133
3.3.3.
Proposals for country-specific LCI
134
4.
CONCLUSIONS
135
1.
ENERGY MANAGEMENT AND EFFICIENCY
138
1.1.
E
L E C T R IC IT Y C O N S U M P T IO N FO R W AT E R IN T A K E
,
D IS T R IB U T IO N A N D IM P O R T
138
1.2.
E
L E C T R IC IT Y C O N S U M P T IO N FO R C O N V EN T IO N AL T R E AT M E N T PR O C E S S E S
140
1.3.
H
E A T A N D E L E C T R IC IT Y C O N S U M P T IO N F O R A D V A N C E D T R E AT M E N T P R O C E S S E S
141
1.3.1.
NF/RO membrane processes
141
1.3.2.
Thermal desalination processes
147
1.3.3.
Other desalination technologies
151
1.3.4.
Hybrid desalination and integration with other processes
152
1.4.
H
E A T A N D E L E C T R IC IT Y C O N S U M P T IO N F O R A U X IL IA R IE S
154
CHAPTER IV -
ENVIRONMENTAL IMPACTS OF POTABLE WATER SUPPLY
107
CHAPTER V -
IMPROVEMENT MEASURES FOR IMPACT MITIGATION
137
-
10 -
2.
ENERGY SOURCING
155
2.1.
C
O N T R AC T IN G O F G R E E N E L E C T R IC IT Y
155
2.2.
I
N T E G R A T ED P O W E R A N D W AT ER P L A N T S
156
2.3.
P
O T A B L E W AT E R S U P P L Y A S EL EC T R IC IT Y S T O R A G E S Y ST E M S
157
3.
CHEMICALS MANAGEMENT
157
3.1.
M
IN IM IZ IN G T H E C H EM IC A L S D O S E S
157
3.2.
E
N V IR O N M EN T A L
-
FR IE N D L Y C H E M IC A L S S E L E C T IO N
158
3.2.1.
Example of coagulant selection
158
3.2.2.
Environmental information from chemical suppliers
158
4.
LIQUID DISCHARGES MANAGEMENT
159
4.1.
M
E A S U R E M E N T A N D B IO M O N IT O R IN G O F L IQ U ID D IS C H A R G ES
159
4.2.
T
R E A T M EN T A N D D IS P O S A L O F L IQ U ID D IS C H A R G ES
160
5.
WASTE MATERIALS RECYCLING
160
6.
CONCLUSIONS
161
1.
CONCEPTUAL RO PROCESS DESIGN
164
1.1.
M
A T H E M AT IC A L FO R M U L A T IO N O F T H E O PT IM IZ A T IO N PR O BL E M
164
1.2.
L
IT E R A T U R E R E V IE W
165
1.3.
A
L G O R IT H M IC R E S O L U T IO N
165
1.3.1.
Resolution of the MILP problem
166
1.3.2.
Resolution of the NLP problem
167
2.
RO PROCESS OPTIMIZATION METHOD
168
2.1.
S
U P E R S T R U C T U R E O F
RO
P R O C E S S C O N F IG U R A T IO N S
170
2.1.1.
General superstructure principle
170
2.1.2.
Implementation of process units within the superstructure
171
2.1.3.
Design constraints
174
2.1.4.
Technical performances estimation
176
2.1.5.
Linear objective function for the superstructure MILP resolution
178
2.2.
P
ER FO R M A N C E S IN D IC A T O R S
180
2.2.1.
Environmental performances
180
2.2.2.
Economic performances
180
3.
APPLICATION TO A CASE STUDY
184
3.1.
P
R O C E S S L A Y
-
O U T O F O P T IM A L S O L U T IO N S
185
3.2.
O
P T IM A L W A T E R C O N V ER S IO N R A T E
187
3.3.
M
E M B R A N E P ER M E A T E FL U X
189
3.4.
D
E S IG N S EN S IT IV IT Y T O T EC H N IC A L A N D E C O N O M IC C H AN G E S
190
3.4.1.
Influence of membrane and electricity prices
190
3.4.2.
Influence of membrane lifetime
191
4.
CONCLUSIONS
192
CHAPTER VI -
OPTIMIZATION OF REVERSE OSMOSIS PROCESS DESIGN
163
-
11 -
CONCLUSIONS
195
NOMENCLATURE
197
FIGURE LISTS
201
TABLE LISTS
203
BIBLIOGRAPHIC REFERENCES
205
PUBLICATIONS
220
APPENDIXES
221
A
P P E N D IX
I.
A
V ER AG E EL E C T R IC IT Y C O N S U M P T IO N P ER P R O C E S S U N IT
222
A
P P E N D IX
II.
M
E M B R AN E W A T E R P E R M EA B IL IT Y
223
A
P P E N D IX
III.
M
E M B R AN E D A T A B A S E
224
A
P P E N D IX
IV.
I
M P A C T C A T E G O R IE S D E F IN E D B Y
I
M P A C T
2002+
225
A
P P E N D IX
V.
E
C O IN V E N T D AT AS E T S U S E D D U R IN G T H E
LCI
226
A
P P E N D IX
VI.
LCA
O F P O T AB L E W A T ER S U P P L Y F R O M G R O U N D W AT E R
227
A
P P E N D IX
VII.
LCA
O F P O T AB L E W A T ER S U P P L Y F R O M S U R F A C E W A T E R
234
A
P P E N D IX
VIII.
LCA
O F P O T AB L E W A T ER S U P P L Y F R O M S E A W AT E R
240