تحلية مياه

تحلية المياه في جميع أنحاء العالم

وعلى صعيد آخر، تمتلك المملكة العربية السعودية بعضًا من أكبر مرافق تحلية المياه في العالم.

وفي السياق ذاته، يمكن لمجمعي الشعيبة والجبيل إنتاج أكثر من 800 مليون لتر يوميًا. وتستعمل هذه المحطات مجموعة متنوعة من تقنيات تحلية المياه.

من جهة ثانية، تعتبر محطة سوريك الإسرائيلية أكبر محطة غشائية تعمل بالتناضح العكسي لمياه البحر. ويمكن لهذا المصنع أن ينتج 540 مليون لتر يوميا.

من جانب آخر، ويوجد نحو 15 ألف محطة لتحلية المياه حول العالم. وأبرز وأكبر المصانع موجودة في دولة الإمارات العربية المتحدة والمملكة العربية السعودية

المشاكل البيئية وعوامل يجب النظر إليها

علاوةً على ذلك، هناك مشاكل أخرى تتعلق بالمواد الكيميائية المستعملة في عملية التحلية وهي إن زادت عن حدها فهي تسبب أمراضا على المدى البعيد.

وفي هذا الصدد، هناك مشاكل بيئية يجب النظر إليها عند النظر إلى تحلية المياه. فمجمل عملية التحلية تستهلك طاقة كبيرة والتي يحصل عليها من قبل حرق الوقود أو النفط أو استخدام الطاقة الكهربائية أو الطاقة النووية وبالتالي ترفع نسبة ثاني أكسيد الكربون أو مخافة مضاعفات التسريب النووي الإشعاعي.

من جانب آخر، كذلك من المشاكل البيئية هو مخلفات عملية التحلية وهو ما يعرف بالمحلول الملحي المركز والذي يزيد عند إلقائه في البحر كمية الأملاح الذائبة فيه وبالتالي يؤثر سلبا على الحياة البحرية. ويجب اختيار مكان الأخذ من مصدر المياه وكيفية ضخ المياه إلى معمل التحلية وذلك لأنها قد تزيد من الطاقة المستعملة وكذلك اختيار مكان التخلص من الماء المركز بالملح حتى لا يؤثر تأثيراً ضارا بالأحياء المائية.

خلفية تاريخية

ومن ناحية أخرى، رُكبت أول محطة رئيسية لتحلية المياه على الأرض في ظل ظروف طارئة على إحدى الجزر قبالة سواحل تونس في عام 1560. يُقال بأن الجيش التركي حاصر حامية عسكرية قوامها 700 جندي إسباني، وتمكن قائد الحامية أثناء الحصار من تصنيع جهازٍ لإنتاج 40 برميل من المياه العذبة يوميًا، لكن لم تصل إلينا أي تفاصيل عن ذلك الجهاز.

كذلك، شهدت الصين في نفس الفترة إحدى عمليات تحلية مياه البحر. ذُكر في كتاب «كلاسيكية الجبال والبحار المائية في «حقبة الممالك المتحاربة» وفي «نظرية العام نفسه» في «عهد سلالة هان الحاكمة» أن الناس صنعوا من حصائر الخيزران المستعملة في تبخير الأرز طبقةً خارجية رقيقة بعد الاستخدام لفترة طويلة. اتسم ذلك الغشاء الرقيق المتشكل بوظائف الامتصاص والتبادل الأيوني التي تمكنه من امتصاص الملح.

وفي هذا الصدد، ظهرت إمكانيات هذه الأجهزة في تحلية المياه سريعا بالتزامن مع تطوير الأنظمة التي تستعمل البخار وتحسينها (أجهزة تبخير متعددة التأثيرات). حصل ألفونس رينيه لو مير دي نورماندي في عام 1852، على براءة اختراع بريطانية لوحدة تقطير مياه البحر ذات الأنبوب الرأسي، وانتشر استخدامها على متن السفن بفضل بساطة تصميمها وسهولة بنائها. غابت الوحدات الأرضية عن المشهد حتى النصف الأخير من القرن التاسع عشر. اشترى جيش الولايات المتحدة ثلاثة مبخرات نورماندي في ستينيات القرن التاسع عشر، حيث تصل سعة كل منها إلى 7000 جالون/يوم وقام بتركيبها على جزيرتي كي ويست ودراي تورتوغاس. أنشئت محطة أرضية أخرى في سواكن خلال ثمانينيات القرن التاسع عشر وقامت بتوفير المياه العذبة للقوات البريطانية هناك. تميزت المحطة بمقطرات ذات ستة تأثير بسعة 350 طن/يوم.

وفي السياق ذاته، أُنشئ مكتب المياه المالحة التابع لوزارة الداخلية الأمريكية في عام 1955 بحسب قانون تحويل المياه المالحة لعام 1952. كان نقص المياه في كاليفورنيا والمناطق الداخلية الغربية للولايات المتحدة هو الدافع وراء إصدار القانون. خصصت وزارة الداخلية بعض الموارد مثل منح الأبحاث والموظفين الخبراء وبيانات براءات الاختراع وتوفير الأراضي لعمل التجارب وإحراز مزيد من التقدم.

وفي السياق ذاته، ذكر الفيلسوف اليوناني أرسطو في كتابه «الآثار العلوية» أن: «الماء المالح يصبح حلوًا بعد تحوله إلى حالة البخار، ولا يعود مالحًا مرةً أخرى بعد تكاثفه»، ولاحظ أن وعاء الشمع الناعم يحتفظ بالمياه الصالحة للشرب بعد غمره في مياه البحر لفترة كافية، حيث يعمل كحاجز لترشيح الملح.

علاوةً على ذلك، أسفرت هذه الجهود عن إنشاء فوق 200 محطة تحلية كهربائية وتقطير حول العالم، وأبحاث التناضح العكسي، والتعاون الدولي (مثل عقد أول ندوة ومعرض دولي لتحلية المياه في سنة 1965). شهد عام 1974 اندماج مكتب المياه المالحة في مكتب أبحاث موارد المياه.

ومن جهة أخرى، شُغل أكثر من 2000 محطة بدايةً من عام 2000. أنشئت أكبر المحطات في السعودية وإسرائيل والإمارات وكانت السعودية صاحبة أكبر محطة بحجم 1,401,000 متر مكعب يوميًا (رأس الخير).

وعلى صعيد آخر، بدأت تقنية التناضح العكسي أواخر الستينيات وأوائل السبعينيات في إظهار نتائج واعدة لتحل محل وحدات التحلية الحرارية التقليدية. أجريت عدة أبحاث في جامعات كاليفورنيا، في شركة داو للكيماويات ودوبونت. تناولت الكثير من الدراسات طرق تحسين أنظمة تحلية المياه. اُفتتحت أول محطة تناضح عكسي تجارية وهي محطة تحلية كوالينجا، بكاليفورنيا عام 1965 للمياه منخفضة الملوحة. صمّم الدكتور سيدني لوب، بالاشتراك مع طاقم جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس، محطة تجريبية كبيرة لجمع البيانات حول التناضح العكسي، ونجح بما يكفي لتوفير المياه العذبة لسكان كوالينجا. شكّلت هذه مرحلة فارقة في تكنولوجيا تحلية المياه، وأثبت جدوى التناضح العكسي ومزاياه مقارنة بالتقنيات الحالية (الكفاءة، وعدم تغيير المرحلة، والتشغيل في درجة حرارة الغرفة، وقابلية التوسع، وسهولة توحيد المعيار). بدأ تشغيل أول محطة لتحلية مياه البحر بطريقة التناضح العكسي بعد سنوات قليلة في عام 1975.

وفي هذا الصدد، كانت تحلية المياه قبل الثورة الصناعية تمثل معضلة للسفن العابرة للمحيطات، حيث كانت تحتاج بخلاف ذلك إلى الاحتفاظ على متنها بإمدادات من المياه العذبة. أفاد السير ريتشارد هوكينز (1562-1622)، الذي قام برحلات واسعة في البحار الجنوبية، أنه كان يستطيع تزويد رجاله بالمياه العذبة عن طريق التقطير على متن السفينة. نشرت الكثير من الشخصيات البارزة في أوائل القرن السابع عشر مثل فرانسيس بيكون و والتر رالي تقاريرًا عن تحلية المياه. تناولت هذه التقارير وغيرها، أول نزاع بشأن براءات الاختراع فيما يتعلق بأجهزة تحلية المياه. اُعتمدت أول برائتين للاختراع فيما يتعلق بتحلية المياه في عامي 1675 و 1683 (برائتا الاختراع رقم 184 ورقم 226، اللتان نشرهما ويليام والكوت وروبرت فيتزجيرالد (وآخرون)، على التوالي). لم يدخل أي من الاختراعين الخدمة مع ذلك بسبب صعوبات التوسع. لم تشهد عمليات تقطير مياه البحر أي تحسينات كبيرة على مدار 150 عامًا من منتصف القرن السابع عشر حتى عام 1800.

علاوةً على ذلك، شهد عام 1961 افتتاح أول محطة صناعية لتحلية المياه في الولايات المتحدة في فريبورت بولاية تكساس بعد عقد من الجفاف الإقليمي.

ومن جهة أخرى، ظهرت أمثلة عديدة لتجارب تحلية المياه في العصور القديمة والعصور الوسطى، واتسع نطاق هذه التجارب في العصر الحديث. يمثل ليوناردو دا فينشي (فلورنسا، 1452) أحد الأمثلة الجيدة على هذه التجربة، فقد أدرك أنه يمكن صنع المياه المقطرة بتكلفة زهيدة وبكميات كبيرة من خلال تركيب جهاز التقطير مع موقد الطهي. استمر العمل على تحسينات التقطير خلال العصور الوسطى في أماكن أخرى من أوروبا الوسطى، مع أن تحلية المياه لم تكن مقصودة بالضرورة من هذه الأعمال.

ومن جهة أخرى، بلغ متوسط التكلفة 0.75 دولار للمتر المكعب في سنة 2012. انخفضت التكلفة بحلول عام 2022، (قبل التضخم) إلى 0.41 دولار. نمت إمدادات تحلية المياه بمعدل مركب يفوق 10%، مع مضاعفة الوفرة كل سبع سنوات.

وعلى صعيد آخر، شكّل عام 1800 على وجه التقريب نقطة البداية لتتغير الأمور بسبب اختراع المحرك البخاري وما يُسمى بعصر البخار. أحدثت معرفة الديناميكا الحرارية لعمليات البخار والحاجة إلى مصدر مياه نقية لاستخدامه في الغلايات تأثيرًا إيجابيًا فيما يتعلق بأنظمة التقطير. أدى تمدد الاستعمار الأوروبي كذلك إلى الحاجة إلى المياه العذبة في الأجزاء النائية من العالم، وتهيئة الأجواء المناسبة لتحلية المياه.

من جهة ثانية، وصل عدد المحطات قيد التشغيل إلى 22,000 محطة اعتبارًا من عام 2021. ركّبت كتالونيا في عام 2024 محطة بحرية عائمة قرب ميناء برشلونة واشترت 12 وحدة تحلية متنقلة لشمال كوستا برافا لمكافحة الجفاف الشديد.

علاوةً على ذلك، طُورت الكثير من التقنيات في أعقاب الحرب العالمية الثانية مثل التقطير بالوميض متعدد التأثيرات والتقطير بالوميض متعدد المراحل. تشكل تقنية تحلية المياه بالتجميد والذوبان أحد أبرز الأمثلة اللافتة للانتباه. تعتمد تحلية المياه بالتجميد والذوبان (التحلية بالتبريد) على التخلص من المعادن المذابة من المياه المالحة عن طريق التبلور.

من جانب آخر، بيعت الفرقاطة بروتيكتور إلى الدنمارك في ثمانينيات القرن الثامن عشر (باسم السفينة هوسارين)، وخضعت للدراسة وسُجلت حالتها بالتفصيل. عمل توماس جيفرسون في الولايات المتحدة على فهرسة الأساليب الحرارية التي تعود إلى القرن السادس عشر، وخرج بنصائح عملية نُشرت لجميع السفن الأمريكية على الجانب الخلفي من تصاريح الإبحار.

مجالات البحث والتطوير

• اقرأ كذلك
• المعالجة الأولية التقليدية للمياه
• المعالجة الأولية الحديثة للمياه
• تبخير فجائي
• تناضح عكسي
• محطة تناضح عكسي
• تحلية المياه في السعودية
• تحلية مياه البحر عن طريق طاقة الرياح
• روابط خارجية

وعلى صعيد آخر، إيجاد بدائل للمواد الكيميائية المضافة: وذلك عن طريق استخدام الهندسة الوراثية لتسريع عملية تنقية المياه ومعالجتها باستخدام الأحياء الدقيقة

من جانب آخر، إيجاد بدائل للطرق الحالية لعملية التحلية: وذلك عن طريق ايجاد أغشية جديدة تكون أفضل من الحالية في عملية فصل الأملاح واختيار العوامل الكيميائية والتشغيلية المناسبة.

وفي السياق ذاته، في مراكز الأبحاث حول العالم تتم الأبحاث حول أحد المحاور التالية:

كذلك، إيجاد بدائل للطاقة المستعملة لعملية التحلية: وذلك عن طريق استخدام الطاقة المتجددة كالطاقة الشمسية أو طاقة الرياح، أو بطاقة أمواج البحر .

طرق تحلية المياه

من جهة ثانية، التقطير الومضي متعدد المراحل: اعتماداً على الحقيقة التي تقر أن درجة غليان السوائل تتناسب طردياً مع الضغط الواقع عليها فكلما قل الضغط الواقع على السائل انخفضت درجة غليانه. وفي هذه الطريقة تمر المياه المالحة بعد تسخينها إلى غرف متتالية ذات ضغط منخفض فتحول المياه إلى بخار ماء يتم تكثيفه على أسطح باردة ويجمع ويعالج بكميات صالحة للشرب. وتستعمل هذه الطريقة في محطات التحلية ذات الطاقة الإنتاجية الكبيرة (30000 متر مكعب أي قرابة 8 ملايين جالون مياه يوميا).

وعلى صعيد آخر، يتم كذلك استخدام أغشية أخرى لهذه العملية كالفرز الغشائي الكهربائي.

علاوةً على ذلك، هناك أنواع أخرى يجري البحث عليها كالتناضح الأمامي وفلتر النانو وغشاء التحلية، وأغلب الأبحاث الموجودة تركز على إيجاد أغشية أفضل وأكثر فعالية فيتوقع انتشار تحلية المياه في أماكن كثيرة خلال الخمس وعشرين سنة القادمة.

وفي السياق ذاته، التقطير متعدد المراحل (متعدد التأثير): تقوم المقطرات المتعددة التأثيرات بالاستفادة من الأبخرة المتصاعدة من المبخر الأول للتكثف في المبخر الثاني. وعليه، تستعمل حرارة التكثف في غلي الماء المالح في المبخر الثاني، وبالتالي فإن المبخر الثاني يعمل كمكثف للأبخرة القادمة من المبخر الأول، وتصبح هذه الأبخرة في المبخر الثاني مثل مهمة بخار التسخين في المبخر الأول. وبالمثل، فإن المبخر الثالث يعمل كمكثف للمبخر الثاني وهكذا ويسمى كل مبخر في تلك السلسة بالتأثير.

وعلى صعيد آخر، التقطير: و تكمن هذه العملية في رفع درجة حرارة المياه المالحة إلى درجة الغليان وتكوين بخار الماء الذي يتم تكثيفه لاحقًا إلى ماء مقطر فيكون الماء المقطر خاليا من الملح . هذا الماء المقطر ليس له طعم، ومن ثم يعالج بإضافات ليكون ماء صالحا للشرب أو الري. تستعمل هذه التقنية غالبا عندما يتطلب الأمر معالجة مياه شبه خالية من الأملاح للتطبيقات الصناعية والكيميائية والحيوية... إلخ.

في هذا الإطار، التقطير باستخدام الطاقة الشمسية: تعتمد هذه الطريقة على الاستفادة من الطاقة الشمسية في تسخين المياه المالحة حتى درجة التبخر ثم يتم تكثيفها على أسطح باردة وتجمع في مواسير.

وفي هذا الصدد، التقطير العادي: يتم غلي الماء المالح في خزان ماء بدون ضغط. ويصعد بخار الماء إلى أعلى الخزان ويخرج عبر مسار موصل إلى المكثف الذي يقوم بتكثيف بخار الماء الذي يتحول إلى قطرات ماء يتم تجميعها في خزان الماء المقطر. وتستعمل هذه الطريقة في محطات التحلية ذات الطاقة الإنتاجية الصغيرة.

من جانب آخر، باستخدام الأغشية: يتم في عملية تحلية المياه استخدام غشاء نصف نافذ يعرف بغشاء التناضح العكسي حيث يسمح هذا الغشاء بمرور الماء العذب في اتجاه الضغط المنخفض وعدم مرور الملح و البكتيريا من خلالها . يحتاج ذلك زيادة الضغط على ناحية الغشاء التي تملؤها مياه البحر، ويبلغ هذا الضغط نحو 70 بار (70 ضغط جوي). وعادة ينتج هذا الضغط بمضخات تعمل بالكهرباء.

وللتقطير المستعمل في عملية التحلية أربعة أنواع وهي:

وعلى صعيد آخر، الطاقة الحرارية المستعملة قد تكون ناتجة من الغاز الطبيعي أو الفحم أو من مفاعل نووي ، وبها تتم عملية تبخير الماء.

• الطرق المتبعة لتحلية المياه في الوقت الحالي تتمحور حول طريقتين وهما:
• باستخدام الأغشية وتسمى أحيانا طريقة التناضح العكسي وهي تعمل بالكهرباء.
• باستخدام التبخير بالحرارة وتلك الطريقة معروفة باسم التقطير.

مراحل تحلية المياه

ومن جهة أخرى، عملية إزالة الأملاح: ويتم فيها إزالة جميع الأملاح الذائبة في المياه والفيروسات والمواد الأخرى كالمواد الكيميائية والعضوية المنقولة والذائبة في الماء. وتتم عن طريق استخدام الأغشية أو التقطير. أنظر طرق تحلية المياه

علاوةً على ذلك، المعالجة النهائية للمياه: ويتم فيها إضافة بعض الأملاح والمواد الأخرى لجعل الماء صالحا للاستخدام البشري وهذا يتم فقط عندما يكون الهدف من العملية خدمة المرافق التابعة للاستهلاك المباشر للبشر كالشرب أو الاستخدام المنزلي أو الزراعة. لا يتم إضافة الأملاح إذا كان الغرض منها استخدامات في تطبيقات الصناعة والأدوية لأنها تؤثر سلبا على جودة المنتج.

في هذا الإطار، المعالجة الأولية للمياه: ويتم فيها إزالة جزء كبير من المواد العالقة بالمياه كالتراب والبكتيريا. وتتم إما عن طريق المعالجة الأولية التقليدية للمياه أو عن طريق المعالجة الأولية الحديثة للمياه. ويتم في هذه العملية إضافة بعض المواد الكيميائية لتسهيل عمليات المعالجة.

تحلية المياه في دول الخليج العربية

ومن ناحية أخرى، لطالما كانت دول الخليج العربية رائدة في السوق في مجال الاستثمار في تحلية المياه وتطويرها. يعود تاريخ تجربة تقنيات تحلية المياه إلى تسعينيات القرن التاسع عشر، وكانت استجابة لاحتياجات حجاج مكة من المياه. ومع ذلك، لم يتم إنشاء أولى محطات تحلية المياه الحديثة في البحرين والكويت والمملكة العربية السعودية وقطر إلا في الخمسينيات من القرن الماضي. وفي سنة 1965 أنشأت المملكة العربية السعودية إدارة عامة لتحلية المياه المالحة ضمن وزارة البيئة والمياه والزراعة، وتم بناء أول محطات تحلية المياه في البلاد في الوجه وضبا عام 1969، تليها جدة عام 1970 والخبر عام 1973.