Alhalimi, Farah (2026) Surrogate-Based Optimization of Seawater–treated Wastewater Blending for Robust Reverse Osmosis Desalination Under Feedwater Variability and Membrane Aging. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Farah_Alhalimi_MSc_Thesis.pdf Restricted to Repository staff only until 3 August 2027. Download (5MB)

Arabic Abstract

أدى شح المياه في المناطق الساحلية الجافة إلى تكثيف البحث عن استراتيجيات تحلية موفرة للطاقة قادرة على تلبية الطلب المتنامي بشكل مستدام. ويُعدّ خلط مياه البحر مع المياه العادمة المعالجة الناتجة عن محطات المفاعلات الحيوية الغشائية (Membrane Bioreactor – MBR) قبل دخولها وحدات التناضح العكسي (Reverse Osmosis – RO) نهجاً واعداً لخفض ملوحة التغذية، وتقليل استهلاك الطاقة، وتعزيز استرداد الموارد المائية. غير أن تحديد نسبة الخلط المثلى يُعدّ مسألة معقدة، إذ يجب أن تستوفي في آنٍ واحد قيود سلامة الغشاء، ومعايير جودة المياه المنتجة، وأهداف كفاءة الطاقة، في ظل تباين موسمي في جودة المياه وتقادم تدريجي في أداء الأغشية. تقدّم هذه الدراسة إطار عمل مُعتمد على البيانات لتحديد نسبة الخلط المثلى بين مياه البحر والمياه العادمة المعالجة في منظومة تحلية ساحلية بالمملكة العربية السعودية. ويتكامل هذا الإطار في أربع مراحل: فحص الجدوى للمياه الواردة، ومحاكاة عملية التناضح العكسي باستخدام برنامج AquaGRID عبر 300 سيناريو تم توليدها بطريقة العينات الفائقة اللاتينية (Latin Hypercube Sampling – LHS)، وبناء نماذج بديلة (Surrogate Models) قائمة على عملية غاوس بطريقة التحديد التلقائي للأهمية (Automatic Relevance Determination Gaussian Process – ARD-GP)، وأخيراً التحسين المُقيَّد عبر منهج هجين يجمع بين خوارزمية التطور التفاضلي والبرمجة التربيعية المتسلسلة (Differential Evolution–Sequential Quadratic Programming – DE–SLSQP)، ويُقيَّم على ثلاث مراحل من عمر الغشاء: بدايته، ومنتصفه، ونهايته. استُبعدت نسب الخلط التي تقل فيها مياه البحر عن 35% (SW% < 35%) لكونها تُخالف قيد جدوى الفوسفات. ومن بين النماذج البديلة المُقارَنة، حقّق نموذج ARD-GPR أعلى دقة في جميع المخرجات الثلاث: التركيز الكلي للأملاح الذائبة في المياه المنتجة (perm_TDS)، وتركيز البورون في المياه المنتجة (perm_B)، والاستهلاك النوعي للطاقة (Specific Energy Consumption – SEC)، وذلك بقيمة معامل تحديد ‎R² ≥ 0.982‎ ضمن تحقق متقاطع من عشر طيات. وقد أظهر التحسين الحتمي أن نسبة ‎SW% = 35%‎ هي النسبة المثلى من حيث الطاقة عند جميع مراحل عمر الغشاء، مع انخفاض معدل الاسترجاع الأمثل من 60% في بداية العمر التشغيلي (Beginning of Life – BOL) إلى 52.3% في نهايته (End of Life – EOL) نتيجة فعالية قيد البورون. كما ارتفع الاستهلاك النوعي للطاقة من ‎1.80 kWh/m³‎ في بداية العمر إلى ‎2.05 kWh/m³‎ في نهايته، أي بزيادة قدرها نحو 14% تُعزى أساساً إلى انخفاض معدل الاسترجاع. وعلى امتداد 500 سيناريو سنوي يعكس تباين الظروف، أظهر تحليل مظروف التشغيل القوي (Robust Operating Envelope) أنه لا يوجد أي نقطة تشغيل ثابتة قادرة على تحقيق نسبة امتثال 95% لمعيار البورون السعودي للمياه الصالحة للشرب (≤ 0.5 mg/L) عند نهاية عمر الغشاء، إذ بلغت أعلى نسبة امتثال 82.6% عند ‎SW% = 35%‎. أما عند تطبيق إرشاد منظمة الصحة العالمية (WHO) بحد قدره ‎2.4 mg/L‎، فقد تحقق امتثال كامل بنسبة 100% على امتداد كامل نطاق الخلط، مع ‎SW% = 35%‎ بوصفه نقطة التشغيل المثلى من حيث الطاقة (الوسيط ‎SEC = 1.89 kWh/m³‎). ويُحدِّد هذا الإطار حدّاً هندسياً واضحاً: التحسين الثابت لنسبة الخلط كافٍ لتلبية إرشاد منظمة الصحة العالمية، لكنه يعجز عن استيفاء المعيار السعودي عند نهاية عمر الغشاء في ظل التباين السنوي الواقعي. كما تبيّن أن طاقة المعالجة الأولية لإزالة الفوسفات، وليست متغيرات عملية التناضح العكسي ذاتها، هي القيد الفعلي على وفورات الطاقة. ويستلزم استيفاء المعيار السعودي إما تحكماً ديناميكياً لحظياً، أو إضافة معالجة لاحقة كمرحلة تناضح عكسي ثانية أو وحدة تلميع انتقائية للبورون، أو تطبيق الإطار في نطاقات تنظيمية تعتمد إرشاد منظمة الصحة العالمية الأقل صرامة.

English Abstract

Water scarcity in arid coastal regions has intensified the search for energy-efficient desalination strategies that can sustainably meet growing demand. Blending seawater (SW) with treated wastewater (TWW) from membrane bioreactor (MBR) plants before reverse osmosis (RO) treatment offers a promising approach to reducing feed salinity, lowering energy consumption, and improving resource recovery. However, identifying the optimal blend ratio is complex, as it must simultaneously satisfy membrane safety constraints, permeate quality standards, and energy efficiency objectives across variable seasonal water quality and membrane ageing. This study presents a data-driven optimization framework for identifying the optimal SW–TWW blending ratio for a coastal RO desalination system in Saudi Arabia. The methodology integrates four stages: feedwater feasibility screening, RO process simulation using AquaGRID across 300 Latin hypercube sampling (LHS) scenarios, Automatic Relevance Determination Gaussian Process (ARD-GP) surrogate modelling, and constrained optimization via a hybrid Differential Evolution–Sequential Quadratic Programming (DE–SLSQP) approach evaluated over three membrane ages (beginning, middle, and end of life). Blends with seawater fractions (SW%) below 35% were excluded as they violated the phosphate feasibility constraint. Among the surrogate models compared, ARD-GPR achieved the highest accuracy across all three predicted outputs — permeate TDS, permeate boron, and specific energy consumption (SEC) with R² ≥ 0.982 in 10-fold cross-validation. Deterministic optimization identified SW% = 35% as the energy-optimal blending ratio at all membrane ages, with optimal recovery decreasing from 60% at beginning of life (BOL) to 52.3% at end of life (EOL) as the boron constraint became active. SEC increased from 1.80 kWh/m³ at BOL to 2.05 kWh/m³ at EOL, a 14% rise driven by the recovery reduction. Across 500 annual uncertainty scenarios, robust envelope analysis revealed that no fixed operating point achieves 95% boron compliance against the Saudi 0.5 mg/L drinking-water standard at EOL, with maximum compliance of 82.6% at SW% = 35%; under the WHO 2.4 mg/L drinking-water guideline, however, full compliance is achieved across the entire SW% range, with the energy-optimal robust point at SW% = 35% (median SEC = 1.89 kWh/m³). The framework defines a clear engineering boundary: static blending optimization is sufficient under the WHO guideline but cannot meet the Saudi standard at end of life under realistic annual variability. Pretreatment phosphate capacity, rather than RO process variables, is the binding constraint on energy savings; meeting the Saudi limit requires either dynamic real-time control, post-treatment such as a second RO pass or boron-selective polishing, or operation under jurisdictions adopting the less stringent WHO guideline.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Civil Engineering Civil Engineering > Water and Environmental Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Thesis Advisor:	Haitham Elnakar,
Thesis Committee Members:	Syed Rahman, Ahmed Al Areeq,
Depositing User:	FARAH ALHALIMI
Date Deposited:	04 Aug 2026 11:00
Last Modified:	04 Aug 2026 11:00
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144684