هل ستكون تحلية مياه البحر هي العلاج لنقص المياه لدينا؟

هناك إغراء كبير لتحلية مياه البحر من أجل الحصول على مياه عذبة يمكن استخدامها للأنشطة البشرية ، وخاصة للشرب. في الواقع ، المياه المالحة وفيرة ويمكن الوصول إليها: فهي تغطي 75٪ من الكوكب ، وتمثل أكثر من 97٪ من حجم المياه على الأرض ، ويعيش 11٪ من سكان العالم على بعد أقل من 10 كيلومترات من المياه المالحة.

تتوفر تقنيات تحلية المياه وتستخدم منذ حوالي خمسين عامًا في المناطق التي تعاني من الإجهاد المائي. يمكن أن تكون ضرورية في بعض الأحيان لأن الحل الوحيد للوصول إلى مياه الشرب للسكان ، ولكن في بعض الأحيان يكون استخدامها موضع تساؤل.

اليوم ، في سياق كل من الإجهاد المائي والطاقة والتحول البيئي ، يمكننا أن نتساءل عن المكان الذي سيتم تخصيصه لتحلية المياه. عندما تتوفر المياه الجوفية أو السطحية العذبة ، والتي لا تزال هي الحال إلى حد كبير في فرنسا ، فمن الأفضل استخدامًا اقتصاديًا وبيئيًا لجعل المياه صالحة للشرب. من ناحية أخرى ، عندما يكون مصدر المياه الوحيد المتاح هو مياه البحر ، فإن تحلية المياه تتيح الوصول إلى مياه الشرب للجميع.

نقوم بشكل أساسي بتحلية مياه البحر أو المياه الجوفية القريبة من السواحل المتأثرة بمياه البحر وتسمى المياه قليلة الملوحة. تحتوي مياه البحر بشكل أساسي على أملاح (وبصورة رئيسية كلوريد الصوديوم ، ملح الطعام) ، بتركيز يمكن أن يختلف حسب البحر أو المحيط ومكان أخذ العينات والذي يعتبر بمتوسط ​​35 جرامًا من الملح لكل لتر من مياه البحر. يحتوي أيضًا على جزيئات دقيقة ومواد عضوية وطحالب وكائنات دقيقة. من بين الجسيمات ، نلاحظ الوجود المتزايد للجسيمات البلاستيكية الدقيقة والنانوية بسبب النشاط البشري.

لتحويل مياه البحر أو المياه قليلة الملوحة إلى مياه عذبة ، يجب فصل الأملاح وجزيئات الماء. عند تحلية متر مكعب واحد من مياه البحر ، يتم استرداد ما يقرب من 500 لتر من المياه المحلاة و 500 لتر من المركز أو المحلول الملحي المخصب بالأملاح. قبل هذا الفصل ، الذي يشكل عملية التحلية بالمعنى الدقيق للكلمة ، يجب معالجة مياه البحر مسبقًا لتخليصها من جزء كبير من الجزيئات والمواد العضوية والطحالب والكائنات الحية الدقيقة ، لضمان إنتاجية فصل الملح عن الماء.

بشكل عام ، تشتمل محطة التحلية على ضخ المياه المالحة لتزويد محطة التحلية ، والمعالجات المسبقة ، وعملية تحلية المياه ، وتشتيت المحاليل الملحية في البحر ، باستخدام التقنيات المناسبة حتى لا تزعج البيئة. إذا كانت المياه المحلاة مخصصة للاستهلاك البشري ، فمن الضروري إجراء عملية إعادة التمعدن.

اليوم لدينا تقنيتان رئيسيتان لتحلية مياه البحر أو المياه قليلة الملوحة:

• التناضح العكسي ، والذي يقوم على الفصل المادي للأملاح والماء بفضل غشاء يسمح بمرور جزيئات الماء مع الاحتفاظ بالأملاح. لتمرير الماء من خلال الغشاء ، هناك حاجة لمضخات لممارسة ضغط قوي (50 إلى 70 بار ؛ يجب أن يكون الضغط أكبر عندما يزيد تركيز الملح اعتمادًا على موقع أخذ العينات) ؛
• التقطير ، الذي يعتمد على تغيير حالة الماء ، والذي يتبخر بجلب الحرارة إليه. لا يحتوي بخار الماء على أملاح ويتم تكثيفه على الجدران الباردة ، مما يجعل من الممكن استعادة الماء.

أين يتم تحلية مياه البحر اليوم؟

من الناحية الفنية ، نحن قادرون على تحلية المياه وتحلية المياه تتطور. في عام 2020 ، يتم إنتاج ما يقرب من 100 مليون متر مكعب (100 مليار لتر) من المياه المحلاة يوميًا في العالم وتحلية المياه قيد التطوير الكامل ، بمتوسط ​​معدل نمو سنوي يبلغ 7.5٪ منذ عام 2010.

أكبر المستخدمين هم الدول الغنية التي تعاني من نقص في المياه العذبة ولديها غاز أو نفط لتشغيل المنشآت ، مثل المملكة العربية السعودية والإمارات العربية المتحدة. تقوم الولايات المتحدة الأمريكية بتحلية المياه الجوفية الساحلية المالحة أو الملونة لفترة طويلة جدًا.

في أوروبا ، الدولة الأكثر استخدامًا لتحلية المياه هي إسبانيا ، التي تفتقر إلى المياه العذبة على سواحلها المتوسطية ولديها ألف محطة لتحلية المياه (عامة أو خاصة). تم تجهيز مدينة برشلونة بمحطة لتحلية مياه البحر ، يمكنها توفير 200000 متر مكعب من مياه الشرب يوميًا. منذ جفاف عام 2022 ، تم دفعها إلى أقصى طاقتها لتزويد ، وفقًا لمشغليها ، بما يصل إلى 33 ٪ من سكان برشلونة والعاصمة. قبل ذلك بعامين ، تم إنتاج 3٪ فقط من المياه الموزعة عن طريق تحلية المياه. تم بناء هذا التركيب في عام 2009 بعد فترات من الجفاف ، مما دفع المدينة إلى الحصول على إمدادات المياه من الحاويات من مرسيليا وتقنين كميات المياه الموزعة.

تحلية المياه كثيفة الاستهلاك للطاقة ولها تأثيرات بيئية قوية

تساهم تحلية المياه في انبعاثات غازات الاحتباس الحراري ، ولا سيما من خلال استخدامها للطاقة. بشكل إجمالي في جميع أنحاء العالم ، تشير التقديرات إلى أن تحلية المياه بالتناضح العكسي تستخدم 100 تيراواط ساعة من الطاقة الكهربائية وتصدر 76 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون في عام 2014 ، مع توقع 400 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون في عام 2050.

تتطلب عملية فصل الملح / الماء المنفردة ، سواء عن طريق التناضح العكسي أو بالتقطير ، طاقة نظرية لا تقل عن 1 كيلو وات في الساعة لكل متر مكعب من الماء المنتج. لهذا يجب أن يضاف في كل موقع الطاقة اللازمة لإمدادات المياه ، وتوزيع المياه المعالجة وتوزيع المحلول الملحي ، والتي تعتمد على موقع التركيب ، والطاقة اللازمة للمعالجة المسبقة للمياه وإعادة تمعدنها ، التي تعتمد على نوعية مياه البحر.

من الناحية العملية ، بالنسبة لتحلية المياه ، ما زلنا نتجاوز بكثير الحد الأدنى النظري للقيمة. يستهلك التناضح العكسي حاليًا 2 كيلوواط ساعة فقط لإنتاج متر مكعب واحد من المياه المحلاة من مياه البحر ، وبالنسبة لمحطة تحلية كاملة يمكن أن تصل تكلفة الطاقة الإجمالية إلى 4 كيلو واط في الساعة لكل متر مكعب. ومع ذلك ، فإن التناضح العكسي يستهلك طاقة أقل من التقطير ، وهذا هو السبب في أنه يتطور أكثر (خاصة في البلدان غير المنتجة للغاز والنفط) وهو حاليًا أكثر تقنيات تحلية المياه استخدامًا في العالم حاليًا.

من المشجع أن نلاحظ أنه في السبعينيات كانت تكلفة الطاقة للتناضح العكسي 20 كيلو واط / ساعة لكل متر مكعب وأن البحث والتطوير للأغشية الجديدة ، وخاصة معدات استرداد الطاقة بالضغط ، قلل من تكاليف الطاقة لتحلية المياه بالتناضح العكسي بعامل من 10.

جهود البحث والابتكار جارية في العديد من فرق البحث الدولية لمحاولة الاقتراب من الحد الأدنى ، على سبيل المثال عن طريق تطوير أغشية جديدة أو تحسين عملية التناضح العكسي أو المعالجة المسبقة.

وتجدر الإشارة إلى أن استخدام الطاقة الكهربائية ذات الأصل المتجدد (طاقة الرياح أو الطاقة الشمسية أو طاقة المد والجزر) لتحلية مياه البحر عن طريق التناضح العكسي كان موضوع عمل بحثي في ​​العديد من المختبرات في جميع أنحاء العالم. يهتم معهد تولوز للتقنية الحيوية باستخدام الطاقة الشمسية لتحلية المياه عن طريق التناضح العكسي والتقطير. يتم تسويق محطات تحلية صغيرة قائمة بذاتها من قبل الشركات الفرنسية ، ولكن أقل من 1٪ من المياه المحلاة في جميع أنحاء العالم في عام 2018 تم إنتاجها باستخدام الطاقة المتجددة.

ما هي الاستخدامات لتحلية المياه في مواجهة هذه الطاقة والتكاليف البيئية؟

وبالتالي فإن المياه التي يتم الحصول عليها عن طريق التحلية هي مياه باهظة الثمن وذات تأثير بيئي كبير: يجب إنتاجها بعد الانعكاس واستخدامها باعتدال. لذلك يجب أن يقتصر استخدامه على الاحتياجات الحيوية ، مثل مياه الشرب للسكان الذين لا يستطيعون الوصول إليها.

على سبيل المقارنة ، يعتبر إنتاج مياه الشرب من المياه الجوفية أو السطحية أقل استهلاكًا للطاقة بكثير وبالتالي أكثر استدامة. هنا مرة أخرى ، يعتمد استهلاك الطاقة على المورد: بالنسبة للمياه الجوفية شديدة النقاء ، فإن 0.02 كيلو وات / ساعة لكل مكعب من المياه ضرورية ؛ مقارنة بـ 0.75 كيلو وات / ساعة لكل مكعب من المياه للمياه السطحية الملوثة بالملوثات الدقيقة (بدون احتساب نقل المياه إلى المحطة والتوزيع) – بعبارة أخرى ، فإن تكلفة الطاقة تقل 2.5 إلى 100 مرة عن تحلية المياه عن طريق التناضح العكسي (حسب الموقع ).

من الضروري اللجوء إلى تحلية المياه فقط عندما تكون البدائل الأخرى الأقل استهلاكًا للطاقة غير ممكنة.

آثار تغير المناخ على توافر المياه العذبة

في المستقبل ، سيؤدي ارتفاع مستوى سطح البحر المرتبط بتغير المناخ إلى تضخيم آثار المد والجزر عن طريق زيادة تسرب مياه البحر إلى الأنهار من مصبات الأنهار. سيؤدي هذا الاقتحام وحركة المد والجزر لأعلى ولأسفل إلى تعديل جودة مياه النهر ، والتي ستختلف بشكل كبير بمرور الوقت ، خاصة وأن المياه ستكون مالحة عند ارتفاع المد.

وبالتالي ، فإن مسألة تحلية مياه النهر سوف تنشأ. هذا هو الحال بالفعل في البلدان المتأثرة بالفعل بتغير المناخ ، مثل فيتنام ، حيث المياه السطحية للنهر الأحمر أو نهر ميكونغ شديدة الملوحة حتى 100 كيلومتر من المصب.

يتمتع العلماء بخبرة في معالجة مياه الأنهار أو المياه المالحة ، لكن ليس مياه الأنهار المالحة المتأثرة بالمد والجزر ، والتي تختلف في تكوين وتركيز الأملاح والمكونات الأخرى بمرور الوقت. لذلك من المهم لفريقنا في معهد Toulouse Biotechnology أن يواصل العمل البحثي حول هذه الموضوعات.

مهما كانت طبيعة المياه المستخدمة لإنتاج المياه العذبة والصالحة للشرب ، يجب أخذها في الاعتبار بعناية ورصانة كبيرين وإعادة النظر في طبيعة استخداماتها ، من خلال منظور المعرفة العلمية ، والتحديات المناخية والاقتصادية والمجتمعية بإشراك مستخدمي المياه والأفراد. السلطات المحلية.