تحلية المياه: تقنية تبدع فيها دول الشرق الأوسط

تعتبر ندرة موارد المياه العذبة والحاجة إلى إمدادات مياه إضافية أمراً بالغ الأهمية بالفعل في العديد من المناطق القاحلة من العالم، وستزداد أهميته في المستقبل، إذ ليس لدى العديد من المناطق القاحلة موارد مياه عذبة على شكل مياه سطحية مثل الأنهار والبحيرات. يتسبب ذلك في انخفاض نصيب الفرد من المياه العذبة الضرورية لاستمرارية حياته. من هنا ظهرت أهمية الاستفادة من المياه المالحة، وتحويلها إلى مياه عذبة صالحة للاستهلاك البشري، عبر تقنيات تحلية المياه.

ما هي تحلية المياه؟

تحلية المياه هي عملية إزالة الأملاح أو غيرها من المعادن والملوثات من مياه البحر والمياه قليلة الملوحة ومياه الصرف الصحي، وتهدف إلى إزالة الشوائب العضوية وغير العضوية والحيويّة من المياه لجعلها صالحة للشرب، أو للأغراض الزراعيّة أو الصناعيّة. وتنقسم تقنيات معالجة المياه إلى عدّة فروع، وذلك بحسب الحاجة لنوعيّة المعالجة المطلوبة والهدف من استخدام هذه المياه، بالإضافة إلى عدد من تقنيات المعالجة للمياه بهدف تعقيمها وقتل الميكروبات الضارّة.

تتشابه عمليات تحلية المياه مع دورة المياه في الطبيعة؛ توفر الشمس الطاقة التي تجعل الماء يتبخر من المسطحات المائية مثل البحيرات والمحيطات والأنهار. يتلامس بخار الماء في النهاية مع الهواء البارد، حيث يتكثف مرة أخرى ليشكل الندى أو المطر. عند محاكاة هذه العملية بشكل مصطنع وبسرعة أكبر من الطبيعة، باستخدام مصادر بديلة للتسخين والتبريد، نصبح أمام تقنيات تحلية المياه.

ما الذي يجعل الماء مالحاً؟

قبل الدخول في تحلية المياه، يجب أن نعرف السبب في ملوحة المياه، ومتى نقول عن الماء مالحاً؟

يعود سبب ملوحة المياه إلى وجود تراكيز مرتفعة من الأملاح الذائبة فيها، وتُقاس في جزء في المليون جزء، فإذا كان الماء يحتوي على تركيز 10 آلاف جزء في المليون من الأملاح الذائبة، هذا يعني أن 1% من وزن الماء يأتي من الأملاح الذائبة.

تُصنف المياه حسب كمية الأملاح الذائبة فيها إلى:

مياه عذبة، أقل من ألف جزء في المليون.
مياه قليلة الملوحة، من ألف جزء في المليون إلى 3 آلاف جزء في المليون.
المياه شديدة الملوحة، من 3 آلاف جزء في المليون إلى 10 آلاف جزء في المليون.
المياه الأشد ملوحة، من 10 آلاف جزء في المليون إلى 35 ألف جزء في المليون.

تطور تقنيات تحلية المياه عبر التاريخ

تحلية المياه ليست بفكرة حديثة العهد، فقد وصف أرسطو طريقة التبخر التي استخدمها البحارة اليونانيون في القرن الرابع قبل الميلاد. كما كتب عنها العرب في القرن الثامن الميلادي. وفي القرن التاسع عشر، أدى تطوير الملاحة البخارية إلى الحاجة الملحة إلى المياه العذبة وسط المحيط، وتم منح أول براءة اختراع لعملية تحلية المياه في إنجلترا عام 1869.

في نفس العام، بُنيَت أول محطة لتقطير المياه من قبل الحكومة البريطانية لإمداد السفن المتوقفة في ميناء عدن على البحر الأحمر. وبُنيت أول وحدة كبيرة لتوفير المياه للأغراض التجارية في عام 1930 في جزيرة أروبا، بالقرب من فنزويلا. بحلول عام 2019، أصبح عدد محطات تحلية المياه المنتشرة في أكثر من 120 دولة حول العالم 18 ألف محطة، تُنتج ما يزيد عن 95 مليون متر مكعب من المياه الصالحة للشرب يومياً.

في العديد من مناطق العالم، لا سيما في المناطق القاحلة والجافة ذات الكثافة السكانية المرتفعة، تعد المياه المحلاة المصدر الرئيسي لإمدادات مياه الشرب. يتم إنتاج نحو نصف كمية المياه المحلاة في منطقة الشرق الأوسط وشمال إفريقيا، حيث أن أكبر منتجي المياه المحلاة هي المملكة العربية السعودية والإمارات العربية المتحدة والكويت وقطر والبحرين بنسبة 70% من الإنتاج العالمي، أما دول شمال إفريقيا، وخاصة الجزائر وليبيا، فتستخدم 6% من الإنتاج العالمي. وتمثل الولايات المتحدة الأميركية نحو 13% من إجمالي الإنتاج، معظمها في فلوريدا وتكساس وكاليفورنيا.

مصادر الحصول على المياه المطلوبة للتحلية

تحصل محطات تحلية المياه على المياه من عدة مصادر، وهناك عدة عوامل تؤثر على اختيار مصدر المياه لتغذية محطة التحلية:

موقع المحطة وتوفر المياه المالحة فيه.
الجهة المراد توصيل المياه المعالَجة إليها.
جودة مصدر المياه.
خيارات المعالجة المسبقة المتاحة.
التأثيرات البيئية الناجمة عن تصريف نواتج عملية التحلية غير المرغوبة.

وعن المياه المالحة، يمكن الحصول عليها من المصادر التالية:

1- مياه البحر

تعتبر مياه البحار المصدر الرئيسي للمياه المراد تحليتها في منطقة الشرق الأوسط وشمال إفريقيا، وتُؤخذ المياه إلى محطة التحلية إما من سطح الماء أو من أسفل قاع البحر، ولكلا المصدرين مميزات وعيوب. يؤثر الحصول على المياه من السطح على الكائنات الحية البحرية ويتأثر بها، ويكون حل هذه المشكلة عن طريق التصميم السليم والتشغيل والصيانة المستمرة، لكن عادةً، تُصمم التقنيات اللازمة في هذه الطريقة بحيث تمنع التأثير البيئي على منطقة السحب المحيطة أو تقلله، كما تقلل المعالجة الجيدة المسبقة قبل وصول مياه التغذية إلى أنظمة المعالجة الأولية من المشكلات.

أما الحصول على المياه من قاع البحر، له تأثير أقل على الكائنات البحرية، لكنه لا يكون مجدياً إلّا إذا سمحت جيولوجيا الموقع بذلك، لأنه في حال العكس يمكن أن يضر السحب بطبقات المياه الجوفية العذبة القريبة. من ميزات هذه الطريقة أن المياه تحت السطحية يتم ترشيحها بشكل طبيعي لأنها تمر عبر التربة قبل دخولها محطة التحلية، الأمر الذي يحسن جودة مياه التغذية ويقلل من الحاجة إلى المعالجة المسبقة.

2- المياه قليلة الملوحة

تحصل بعض محطات التحلية، وخاصة الداخلية منها والبعيدة عن شواطئ البحار، على المياه من مصبات الأنهار المحلية أو آبار المياه الداخلية قليلة الملوحة. ولأنها تحتوي عادةً على نسبة ملح أقل وتركيز أقل من المواد الصلبة العالقة مقارنةً بمياه البحر، فإن المياه قليلة الملوحة تحتاج إلى معالجة أولية أقل، ما يقلل من تكاليف الإنتاج الإجمالية. في المقابل، لهذه الطريقة عيب أساسي هو أن التخلص من المحلول الملحي من موقع تحلية داخلي يزيد من التكلفة ويمكن أن يثير مخاوف بيئية.

أنواع محطات تحلية المياه

لمحطات تحلية المياه أنواع كثيرة، تختلف حسب تقنية التحلية المستخدمة فيها. تندرج هذه الأنواع الكثيرة تحت تقنيتين أساسيتين: التقطير الحراري والتقطير الغشائي. تُستخدم تقنيات التقطير الحراري على نطاق واسع في الشرق الأوسط، ويرجع ذلك أساساً إلى أن احتياطيات النفط في المنطقة تحافظ على انخفاض تكاليف الطاقة. وتُستخدم تقنيات التقطير الغشائي بشكل أساسي في الولايات المتحدة.

التقنيات الحرارية لتحلية المياه

تعتمد هذه التقنيات على وجود مصدر حراري، يؤدي إلى تبخير المياه وتكثيفها، وبالتالي الحصول على المياه العذبة.

1- التقطير الوميضي متعدد المراحل

في التقطير الوميضي متعدد المراحل، تتنقل المياه المالحة عبر غرف متعددة. يتم فيها تسخين المياه إلى درجة حرارة عالية وتعريضها إلى ضغط مرتفع. مع مرور الماء تدريجياً عبر الغرف، ينخفض الضغط، ما يتسبب في غليان الماء بسرعة، وإنتاج البخار، الذي هو عبارة عن ماء عذب، في كل غرفة من غرف الغليان ثم يتم تكثيفه وجمعه.

2- التقطير متعدد التأثير

يعتمد التقطير متعدد التأثير على نفس المبدأ المستخدم في عملية التقطير الوميضي متعدد المراحل، لكن بدلاً من أن تمر المياه في غرف متعددة في وعاء واحد، تمر المياه في أوعية متتالية. يتكثف أيضاً بخار الماء العذب الناتج عن الغليان ويُجمع للاستهلاك بعد ذلك. تُعتبر هذه الطريقة أكثر كفاءة من سابقتها.

3- التقطير بضغط البخار

في هذه الطريقة، يُعتمد على ضغط البخار فقط، وتُستخدم الحرارة الناتجة عن ضغط البخار لتبخير المياه النقية. يتم اللجوء لهذه الطريقة من أجل إنتاج المياه العذبة للأغراض الصغيرة والمتوسطة الحجم مثل المنتجعات ومواقع التنقيب عن البترول.

4- التقطير الشمسي

تستخدم تحلية المياه بالطاقة الشمسية بشكل عام للعمليات الصغيرة. وفيها، توفر الشمس الطاقة اللازمة لتبخير المياه المالحة، ويتكثف البخار الناتج على زجاج شفاف أو غطاء بلاستيكي، ويُجمع كمياه عذبة في حوض التكثيف. غالباً ما تستخدم هذه الممارسة في المناطق القاحلة حيث لا تتوفر مياه عذبة آمنة. تنتج وحدات التقطير الشمسي كميات متفاوتة من المياه العذبة حسب تصميمها وموقعها الجغرافي.

التقطير الغشائي لتحلية المياه

في هذه الطرق، يُستخدم غشاء كحاجز وقوة دافعة. يمكن أن تكون القوة الدافعة جهد كهربائي أو تدرج الضغط. غالباً ما تتطلب تقنيات الأغشية أن يخضع الماء للمعالجة الكيميائية والفيزيائية المسبقة للحد من الانسداد بسبب الشوائب المتجمعة على أسطح الأغشية.

1- التقطير الكهربائي

تُصمم الأغشية المستخدمة في التقطير الكهربائي للسماح بمرور أيونات موجبة أو سالبة الشحنة، ولكن ليس كليهما. يشيع في المياه المالحة وجود 4 أنواع من الأيونات، هي الصوديوم والكلور والكالسيوم والكربونات.

وبالاستفادة من خاصية انجذاب الأيونات الموجبة إلى القطب السالب، وانجذاب الأيونات السالبة إلى القطب الموجب عند تعريض المياه لحقل كهربائي، يسمح الغشاء بمرور أحد نوعي الأيونات (سالبة الشحنة أو موجبة الشحنة) نحو القطب المعاكس لها. يتم تبديل قطبية الأقطاب الكهربائية أو شحنتها بشكل دوري، لتنتج في النهاية مياهاً عذبة على الجانب الآخر من الغشاء، وإزالة الشوائب من الأغشية، ما يطيل العمر التشغيلي للنظام.

2- التناضح العكسي

يستخدم التناضح العكسي تدرج الضغط كقوة دافعة لتحريك مياه التغذية المالحة عالية الضغط عبر غشاء يمنع مرور أيونات الملح، ويسمح بمرور المياه النقية فقط. تختلف أحجام مسام الأغشية المستخدمة، وبسبب اختلافها يوجد العديد من عمليات المعالجة بالأغشية، بما فيها الترشيح النانوي، والترشيح الفائق، والترشيح الدقيق.

وأيضاً، في هذه الطريقة يجب معالجة مياه التغذية بشكل كافٍ قبل أن تمر من خلال الأغشية لمنع انسدادها. يمكن معالجة المياه كيميائياً، لمنع نمو الأحياء الدقيقة، وفيزيائياً لإزالة أي مواد صلبة عالقة. تتدفق مياه التغذية عالية الضغط من خلال عدة أغشية فردية متسلسلة، تُجمع المياه العذبة في أنابيب لترسل للاستهلاك.

تعتمد الغالبية العظمى من محطات التحلية في العالم على أنظمة التناضح العكسي، ويليها التقطير الوميضي متعدد المراحل في المرتبة الثانية.

مزايا تحلية مياه البحر

تساعد تحلية المياه في:

التكيف مع تغيرات المناخ، من خلال تنويع إمدادات المياه.
القدرة على التكيف مع تدهور جودة المياه لأنها يمكن أن تنتج مياهاً نقية للغاية، حتى من مصادر المياه شديدة التلوث.
تنويع إمدادات المياه من مصادر بديلة أو تكميلية للمياه عندما تكون موارد المياه الحالية غير كافية من حيث الكمية أو الجودة.
توفير مياه شرب آمنة.
توفير المياه لقطاعات أخرى مثل الصناعات التي تحتاج إلى مصادر مياه نقية جداً مثل الأدوية.

عيوب تحلية مياه البحر

تعيق بعض الأسباب عملية تحلية المياه، ومنها:

التكلفة العالية.
متطلبات الطاقة.
الآثار البيئية الناتجة عن التخلص من النفايات المركزة.
الآثار السلبية على النظم البيئية المحلية.

على الرغم من هذه العيوب، من المتوقع أن يزداد استخدام تقنيات تحلية المياه، خاصةً مع استمرارية الأبحاث الهادفة إلى تقليل استخدام الطاقة وخفض التكلفة وتخفيف الآثار السلبية البيئية. بالإضافة إلى أن النمو السكاني والتنمية الاقتصادية سيؤديان إلى زيادة سريعة في الطلب على إمدادات المياه في المناطق الساحلية وغيرها من المناطق التي تتمتع بإمكانية الوصول إلى المياه المالحة.

السعودية: من البلدان الأكثر إنتاجاً وتطويراً لتقنيات تحلية المياه

لكون المملكة العربية السعودية من أكبر منتجي المياه المحلاة في العالم، تعمل باستمرار على تطوير تقنيات التحلية، ومن أبرز مراكزها البحثية التي تعمل على إيجاد طرق أفضل للتحلية مدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية (كاكست) ممثلة في المركز الوطني لتقنيات المياه حيث تقوم بإجراء البحوث العلمية التطبيقية للتوصل إلى حلول تقنية مبتكرة لخدمة التنمية وتقديم المشورة العلمية على المستوى الوطني.

يقوم المركز الوطني لتقنيات المياه بدور ريادي يتمثل في إجراء البحوث في مجالات تقنيات تحلية المياه المالحة ومعالجتها بطرق اقتصادية ذات كفاءة عالية بالإضافة إلى تطوير تقنيات صناعة الأغشية وتطبيقاتها وتوطينها في شتى المجالات ومنها طرق معالجة المياه العادمة والصناعية لتنويع مصادر المياه.

تحلية المياه بتقنية الامتصاص

أحد مشاريع كاكست إنشاء محطة تحلية المياه بتقنية الامتصاص. يهدف المشروع إلى إنشاء محطة تحلية للمياه بتقنية الامتصاص، ومحطة التحلية والتبريد المدمجة، والربط مع نظام تحلية المياه الحراري بتقنية التقطير متعدد التأثير لمحطة تحلية المياه في مدينة القنفذة باستخدام الطاقة المهدورة كمرحلة ثانية لإنتاج المياه المحلاة بسعة 5200 متراً مكعباً يومياً. وتمتاز تقنية الامتصاص بالكفاءة العالية وإمكانية ربطها بالتطبيقات الأخرى مثل التبريد.

كما يهدف هذا المشروع إلى توطين تقنيات تحلية المياه بالامتصاص، وتطويرها لتلبية احتياج المملكة من المياه المحلاة وتطوير الكفاءات الوطنية في هذا المجال وتدريبها.

موانع الترسيب لمحطات تحلية المياه الحرارية

تسهم المواد المانعة للترسب في محطات التحلية في زيادة كفاءتها وتشغيلها، إذ تعمل على تأخير ومنع تكون القشور الكلسية التي تحد من عملية التبادل الحراري اللازمة لتحلية المياه. يهدف المشروع إلى تطوير موانع ترسيب مناسبة للاستخدام في محطات التحلية الحرارية لزيادة كفاءتها واستمرارية تشغيلها وتقليل تكاليف صيانتها.

ستطبق طرق البلمرة المناسبة في تحضير بوليمرات ذائبة في المياه لها الصفات نفسها. بالإضافة إلى تقييم المواد المحضرة مخبرياً من ناحية الكفاءة في منع تكون رواسب الكربونات، وإعداد التجارب على المنتجات لمعرفة كفاءتها وتطويرها.

أغشية بوليمر لمعالجة وتحلية المياه

هذا المشروع عبارة عن أغشية بوليمرية مجوفة لتحلية مياه البحر باستخدام بوليمر "بولي بنزيم دازول". يهدف المشروع إلى تطوير البنية التحتية لمختبر الأغشية وتجهيزه بالأجهزة العلمية المتطورة والمواد الكيميائية، والخامات المحلية اللازمة، بهدف تصنيع وإنتاج أنواع مختلفة من الأغشية فائقة الترشيح، وأغشية التناضح العكسي، وذلك بمقاسات مخبرية ليتسنى إجراء عمليات التشخيص الكيميائية والفيزيائية للأغشية المنتجة.

كما يهدف المشروع إلى إجراء اختبارات التقويم لأداء الأغشية في معالجة المياه وتحليتها باستخدام عينات مختلفة من المياه. وبعد اكتمال المراحل السابقة تبدأ مرحلة إنتاج نموذج أولي اختباري بمقياس أكبر يماثل مقاس الأغشية في محطات تحلية المياه، يحتوي غشاء فائق الترشيح بمقاس 8 - 4 بوصة، ويتم عمل اختبارات التشخيص وتقويم الأداء في تحلية مياه البحر.

كما يسعى المشروع إلى عمل دراسة مقارنة لأداء الغشاء المنتج في مختبرات المدينة مع ما يتوفر حالياً من الأغشية التجارية وتقويمها من حيث التحمل ومقاومة الأملاح، وعدة عوامل كيميائية وفيزيائية. كما سيتم تصميم محطة تجريبية لتحلية مياه البحر تناسب الغشاء المنتَج.