في مختبر البروفيسور أوري لاهاف في التخنيون، يتم تطوير طرق تسمح بتحلية مياه البحر بطريقة أكثر كفاءة واقتصادية. زيارة المختبر
من: تال جولديرت، أنجل – وكالة أنباء العلوم والبيئة
وبعد أن شاهدنا بفارغ الصبر بارنانا راز وهو يجف، واقتصد في الاستحمام وجفف المروج، وصلت محطات تحلية المياه وغيرت صورة قطاع المياه في إسرائيل.
هناك نقص مستمر في المياه الطبيعية في إسرائيل، لذا فإن محلول تحلية المياه مستخدم بالفعل اليوم، وسيتم استخدامه بشكل أكبر في المستقبل، وهو مصدر مهم ومركزي للمياه لمجموعة متنوعة من الاستخدامات. وبحسب خطط سلطة المياه، فإن كمية المياه المحلاة بنهاية عام 2015 ستبلغ 600 مليون متر مكعب سنويا، وذلك فيما يقدر استهلاك المياه للاستخدامات المنزلية والعامة والصناعية بنحو 800 مليون متر مكعب. وهذا يعني أن نظام المياه الحميدة (الصالحة للشرب) يعتمد على مرافق التحلية بنسبة حوالي 75 في المائة، ونظام المياه الذي يشمل الري الزراعي يعتمد على المياه المحلاة بنسبة 30-40 في المائة.
تحت أنوفنا، أصبحت دولة إسرائيل إمبراطورية لتحلية المياه، تفتح للباحثين عوالم كاملة من التحديات التطبيقية، وتركز على تحسين أداء أنظمة تحلية المياه، وكفاءتها في استخدام الطاقة والهدف الرئيسي - النجاح في إنتاج المزيد من المياه المحلاة من كل منها. متر مكعب من مياه البحر، بأقل قدر ممكن من الطاقة.
سعر تحلية المياه
على الرغم من أن الماء والكهرباء لا يسيران معًا بشكل جيد، إلا أنه يجب ألا ننسى أن إنتاج المياه يستهلك الكهرباء، والكثير منها. ويستهلك ضخ المياه الحميدة ونقلها في جميع أنحاء دولة إسرائيل، بحسب معطيات شركة الكهرباء ووزارة الطاقة، ما يقارب ستة بالمائة من استهلاك الكهرباء الوطني، من خلال المصادر وشركات المياه والسلطات المحلية. ولعملية التحلية نفسها أيضًا تكلفة طاقة تبلغ 3.5 كيلووات ساعة (كيلووات ساعة) لكل متر مكعب، أو بمعنى آخر - استهلاك 2,100 جيجاوات ساعة سنويًا، وهو ما يمثل أربعة بالمائة إضافية من استهلاك الكهرباء السنوي في إسرائيل. هناك مرافق لتحلية المياه، مثل تلك الموجودة في عسقلان، والتي تم بناء محطة كهرباء لها خصيصًا لتزويدهم بالكهرباء فقط.
إن الأعباء الثقيلة بالفعل المفروضة على اقتصاد الطاقة في دولة إسرائيل تتطلب البحث المستمر عن حلول لكفاءة استخدام الطاقة في العملية وتقليل استهلاكها للطاقة، حتى نتمكن من الاستمتاع بالكثير من المياه، ولكن ليس على حساب الأضرار التي قد تلحق بالبيئة نتيجة لزيادة إنتاج الكهرباء.
وإلى جانب الاستخدامات المنزلية والتجارية، يتم أيضًا تحويل المياه في إسرائيل لأغراض الري والاستخدام الزراعي. ومن مصادر المياه الرئيسية لهذا القطاع مياه الصرف الصحي المستقرة: مياه الصرف الصحي (مياه الصرف الصحي والنفايات الصناعية) التي خضعت لعملية تنقية حتى أصبحت صالحة لري المناطق الزراعية. إن دولة إسرائيل هي البطل العالمي في معدل استصلاح مياه الصرف الصحي، حيث يتم تنقية 75% من مياه الصرف الصحي وتحويلها لإعادة استخدامها، ومعظمها للاستخدام الزراعي. ومع تزايد استخدام مياه الصرف الصحي في القطاع الزراعي، يمكن تحويل المزيد من المياه الحميدة إلى القطاع المنزلي، وتعتزم سلطة المياه الاستمرار في تطوير محطات استصلاح مياه الصرف الصحي للزراعة، ليصل حجمها بحلول عام 2020 إلى 600 مليون متر مكعب سنويا .
يبدو مسار استخدام المياه في دولة إسرائيل كما يلي:
إن أي تغيير في التركيبة بين المياه الحميدة والمياه المحلاة يؤثر بالطبع على المستهلك المنزلي، لكن من المهم أن نتذكر أنه يستمر أيضًا في التأثير على المستهلك الزراعي المتعطش للمياه في نهاية السلسلة.
في مختبر أبحاث البروفيسور أوري لاهاف، في كلية الهندسة الزراعية والمدنية في التخنيون، انخرطت أجيال عديدة من الطلاب في مجموعة متنوعة من الدراسات التي تهدف إلى تحسين عملية تحلية المياه، والحصول على المياه من الطرف الآخر من العالم. الأنابيب التي ستكون ذات نوعية جيدة بما فيه الكفاية، ليس فقط للشرب، ولكن أيضًا للري الذي سيأتي في تجسيده التالي، بعد معهد معالجة مياه الصرف الصحي.
البرتقال لا يحب البورون
أحد العناصر الموجودة بشكل طبيعي في مياه البحر، والتي يمكن معالجتها بسهولة لجعلها مناسبة لمياه الشرب، هو البورون. البورون هو عنصر كيميائي يوجد بشكل طبيعي بتركيز منخفض نسبياً في مياه البحر، وينخفض تركيزه إلى حوالي الثلث في عملية التحلية العادية. وهو لا يضر بصحة الإنسان إلا بتركيزات عالية، ولكنه يسبب ضرراً لبنية التربة، بل ويضر بشكل مباشر ببعض المحاصيل، وخاصة الحمضيات، التي تبدأ حساسيتها من تركيز منخفض جداً من البورون.
ومن أجل تجنب الآثار السلبية التي قد يخلفها البورون بعد وصوله إلى أنظمة الري مع المياه، لا بد من إيجاد طريقة لفصله بشكل فعال عن مياه البحر الموجودة بالفعل في عملية التحلية. ويمكن القيام بذلك باستخدام طريقتين رئيسيتين. إحدى الطرق، التي يتم تنفيذها حاليًا في منشآت التحلية في إسرائيل، هي الترشيح الإضافي في منشأة التحلية، الأمر الذي يستلزم بالطبع زيادة في استهلاك الطاقة لعملية التحلية بأكملها. الطريقة الثانية، التي تم اختبارها في هذه الدراسة، تعتمد على إزالة البورون في مرشح واحد. تعتمد هذه الطريقة على الظروف التي يتم فيها تحلية المياه - وبشكل أساسي قيمة الرقم الهيدروجيني لها.
في سلسلة من الدراسات السابقة، حدد الباحثون في المختبر نموذجا رياضيا يميز عملية تحلية المياه وكفاءة إزالة البورون (كجزء من أطروحة الدكتوراه للدكتور عوديد نير في التخنيون)، ليرون أوفيك، الباحث الذي يعمل حاليا تعمل على درجة الماجستير، وتقوم بتطوير نهج تشغيلي جديد يجمع بين المزايا في جميع المجالات. تسمح سلسلة من الإجراءات الكيميائية والهندسية (خفض قيمة الطفو في الماء، مما يؤدي إلى عملية كيميائية لتكسير المعادن من الماء وانبعاث ثاني أكسيد الكربون، ومن ثم رفع قيمة الطفو عن القيمة الأصلية في مياه البحر) لتصفية المياه بعناية دون ترسب المعادن التي تسبب انسداد المرشحات وهذا يتيح الترشيح مع تقليل استهلاك الطاقة، وخفض تكلفة تحلية المياه.
"بمجرد إزالة حد الترسيب على الغشاء (الفلتر) أثناء إزالة كمية كافية من البورون، تمكنا من استخدام أغشية تتميز بتدفق مياه أعلى. "عندما يدخل المزيد من المياه إلى النظام، يمكن زيادة نسبة الاسترداد - أي أنه يمكن إنتاج المزيد من المياه النظيفة من كل متر مكعب من مياه البحر، مع طاقة أقل"، يوضح أوفيك. "في جميع أنحاء العالم يقومون بالبحث ويحاولون تحسين العملية وتقليل تكلفتها. إن العملية التي نقترحها تجعل من الممكن تقليل استهلاك الطاقة بحوالي عشرة بالمائة (7 سنتات لكل متر مكعب من المنتج)، ومع أحجام تحلية المياه الموجودة اليوم في العالم، فإن هذا أمر مهم للغاية.
ومن الجدير بالذكر أن الطريقة التي تم تطويرها حتى الآن مناسبة للعديد من الأماكن في العالم، ولكن ليس لإسرائيل. متطلبات المعيار الإسرائيلي لتخفيض تركيز الأملاح بشكل كبير مستمدة من استخدام المياه لأغراض الري، لذلك تعمل مجموعة البحث الآن على استكمال العملية بحيث تلبي أيضًا المتطلبات في إسرائيل.
سلة المهملات الخاصة بي هي موردك
هناك مادة أخرى متوفرة بكثرة في مياه البحر ويمكن أن تكون مورداً مطلوباً وهي المغنيسيوم، الذي تتم إزالته في عملية تحلية المياه ويوجد بتركيز عالٍ في الماء الملحي المتبقي. يمكن استخدام المغنيسيوم الموجود في هذا المحلول الملحي كمصدر رخيص ومتوفر لعمليات إنتاج سماد الفوسفور/النيتروجين الذي تم إنتاجه في السنوات الأخيرة من المصارف المنزلية ويسمى ستروفيت. لترسيب الوميض من مياه الصرف الصحي المنزلية، يجب أيضًا إضافة المغنيسيوم إليها، وطريقة الإنتاج الشائعة هي إضافة مادة كيميائية باهظة الثمن من المغنيسيوم لترسيبها.
وأظهر الباحثون أنه يمكن فصل المغنيسيوم بشكل انتقائي عن مياه البحر من خلال عملية تسمى الترشيح النانوي. ويمكن إضافة المغنيسيوم في مرحلة لاحقة إلى مياه الصرف الصحي، تقريبًا دون إضافة أملاح غير مرغوب فيها، وبالتالي يمكن استخدامها لاحقًا في الري الزراعي. ومن خلال الطريقة المبتكرة التي طورها الباحثون، يمكن تقليل عملية إنتاج الأسمدة القوية بشكل كبير (عشرات بالمائة)، نتيجة لاستخدام المغنيسيوم المشتق من مياه البحر (أو المركز المنتج في مرافق تحلية مياه البحر) وليس تكلفة خارجية باهظة الثمن. المواد الكيميائية.
إن القدرة على استخدام الموارد الموجودة في مياه البحر والتي تم فصلها بالفعل في عمليات تحلية المياه تقلل بشكل كبير من إنتاج الومضات، وتتيح أقصى استغلال للإمكانات الكيميائية الكامنة في مياه البحر.
التحدي التالي: البحر الدافئ
مجموعة البحث مشغولة بالفعل بالتحديات التالية - دراسة تأثير درجة حرارة مياه البحر على إزالة البورون في عملية التحلية وانعكاسات طريقة التخطيط لمرحلة ثانية لتحلية المياه، في الأماكن التي ستكون مطلوبة فيها (على سبيل المثال في إسرائيل) . يقول أوفيك: "تشتهر مياه البحر الأبيض المتوسط بتقلبات شديدة في درجات الحرارة - 14 درجة في الشتاء و31 درجة في الصيف". "ولهذه الاختلافات تأثير كبير على العملية، وبشكل خاص على تركيزات البورون التي يتم الحصول عليها في المنتج، لدرجة أنه في فصل الصيف تضطر مرافق التحلية إلى تغيير ظروف تشغيل المرافق من أجل تلبية التركيزات المطلوبة ". ويسعى الفريق جاهدا إلى تحديد الظروف المثلى لتشغيل المنشأة في أي درجة حرارة، بحيث يتم تحقيق الأهداف - مع أقصى قدر من الانتعاش، والحد الأدنى من الطاقة.
