مقدمة
في تحلية مياه البحر، يُعرَّف معدل الاستخلاص بأنه نسبة معدل تدفق المُرشَّح إلى معدل تدفق التغذية للنظام. في تحلية مياه البحر بتقنية التناضح العكسي، يتوافق معدل الاستخلاص الأمثل مع السيناريو الذي يُقلِّل التكلفة الإجمالية لتحلية مياه البحر لمشروع مُحدَّد. يؤدي ارتفاع معدل الاستخلاص إلى انخفاض التكاليف الرأسمالية، ولكنه يزيد من تكاليف التشغيل، وذلك بسبب زيادة استهلاك الطاقة نتيجة ارتفاع ملوحة المُركَّز. أما انخفاض معدل الاستخلاص فيؤدي إلى انخفاض استهلاك الطاقة، ولكنه يزيد من التكاليف الرأسمالية، حيث يتطلب إنتاج كمية مُحدَّدة من المُرشَّح معدات أكبر، مما يُؤدي إلى زيادة النفقات.
في معظم محطات التناضح العكسي لمياه البحر، يتحقق الحد الأدنى لتكلفة إنتاج المياه عند معدل استخلاص يتراوح بين 40% و45%. مع ذلك، تتطلب محطات التناضح العكسي لمياه البحر معدلات استخلاص أعلى في حال محدودية أو ارتفاع تكلفة مياه التغذية أو تصريف المحلول الملحي، أو في حال ارتفاع تكلفة أو صعوبة المعالجة المسبقة، أو في حال ارتفاع تكاليف رأس المال والمعدات. بالنسبة لمحطات التناضح العكسي القائمة، يمكن زيادة معدل الاستخلاص وإنتاج كمية أكبر من المياه المُرشحة عن طريق رفع تركيز المحلول الملحي دون الحاجة إلى زيادة سعة مياه التغذية أو المعالجة المسبقة.
في الوقت الحالي، يعد تحلية مياه البحر ذات معدل الاستخلاص العالي أمراً ممكناً من الناحية التقنية ويمكن أن يحقق وفورات كبيرة في التكاليف الرأسمالية.
ملخص
الطريقة التقليدية لتركيز المحلول الملحي هي التبخير الحراري. إلا أن تكاليف رأس المال واستهلاك الطاقة في هذه العملية مرتفعة للغاية بالنسبة للعديد من التطبيقات. يناقش هذا القسم استراتيجيات لتحقيق تركيز عالٍ للمحلول الملحي باستخدام أغشية التناضح العكسي للوصول إلى معدلات استخلاص عالية.
العوامل المحددة للتوسع
عند ارتفاع تركيز المحلول الملحي، يزداد خطر ترسب الأملاح قليلة الذوبان على سطح الغشاء (أي الترسّب). يوضح الشكل 1 مخططًا لتوقع جرعة مثبط الترسّب، مبينًا نسب تشبع الأملاح الرئيسية في مياه البحر بتركيز إجمالي للمواد الصلبة الذائبة (TDS) يبلغ 130 غ/لتر [1]. ويشير المخطط إلى إمكانية تجنب الترسّب من خلال استخدام جرعات قياسية من مثبط الترسّب ومعادلة درجة حموضة مياه التغذية.
التناضح العكسي المدعوم بالخاصية الأسموزية: في التناضح العكسي التقليدي، يزداد ضغط التغذية مع ارتفاع معدل الاستخلاص، نظرًا لإمكانية إهمال الضغط الأسموزي لمُرشَّح التناضح العكسي. مع ذلك، إذا كان مُرشَّح التناضح العكسي يحتوي على نسبة عالية نسبيًا من الأملاح، فإن ضغط التغذية المطلوب يتناسب طرديًا مع فرق الضغط الأسموزي بين التغذية ومُرشَّح التناضح العكسي. يستفيد التناضح العكسي المدعوم بالخاصية الأسموزية (OARO) من هذه الظاهرة، مما يُتيح إنتاج محلول ملحي فائق التركيز عند ضغوط تغذية منخفضة نسبيًا. تسمح أغشية OARO، والتي تُعرف أيضًا بأغشية التناضح العكسي منخفضة رفض الأملاح (LSSRO)، بمرور كميات كبيرة من الأملاح [2]. تشترك هذه الأغشية في نفس التكوين الحلزوني لأغشية التناضح العكسي القياسية لمياه البحر (SWRO)، وتُرتب في نظام متعدد المراحل، حيث يؤدي ازدياد عدد المراحل إلى زيادة عامل التركيز. مع ذلك، يختلف الترتيب المتتالي لأغشية OARO عن ترتيب التناضح العكسي التقليدي متعدد المراحل، كما هو موضح في الشكل أدناه. في عملية التناضح العكسي التقليدية متعددة المراحل الموضحة في الشكل 2، تُستخدم مضخة واحدة أو أكثر بين المراحل لرفع ضغط التغذية للتغلب على ارتفاع الضغط الأسموزي في تيار التغذية المركز. ورغم فعالية هذه الطريقة، إلا أنها مقيدة بأقصى مقاومة للضغط لأغشية ومعدات التناضح العكسي، وتتطلب مضخات بين المراحل قادرة على تحمل ضغوط عالية.
عملية التناضح العكسي مع تعزيز بين المراحل
عملية التناضح العكسي مع تعزيز بين المراحل
الشكل 3 - عملية OARO بدون تعزيز بين المراحل
في عملية التناضح العكسي المائي (OARO) الموضحة في الشكل 3، لا يرتفع ضغط التغذية بين المراحل المتتالية. ينخفض الضغط انخفاضًا طفيفًا في كل مرحلة لاحقة نتيجة للمقاومة الهيدروليكية (المعروفة باسم انخفاض الضغط) في قنوات التغذية/المحلول المركز. وبناءً على ذلك، ينبغي اختيار أغشية OARO ذات نفاذية أعلى ونسبة رفض ملح أقل للمراحل اللاحقة حيث تكون ملوحة التغذية أعلى. يشبه هذا المفهوم التصميم الداخلي أو المختلط المستخدم عادةً في أنظمة التناضح العكسي، حيث تُستخدم أغشية ذات نفاذية عالية عند مقدمة الوعاء وأغشية ذات نفاذية منخفضة عند نهايته [3]. يُوجَّه المحلول الملحي الناتج من مراحل تركيز OARO إلى المراحل السابقة. يُؤدي الترتيب الأمثل لأنواع الأغشية في مصفوفة OARO إلى إنشاء تدرج في النفاذية يُوازن التدفق ويُعظِّم التركيز في كل مرحلة، مع تقليل حجم المحلول الملحي المُعاد تدويره داخل العملية. إلى جانب إلغاء الحاجة إلى مضخات التعزيز بين المراحل، تعمل أنظمة OARO أيضًا على تحسين استخدام أجهزة استعادة الطاقة متساوية الضغط عالية الكفاءة، مثل مبادل الضغط PX® (PX) من شركة Energy Recovery Inc.، الموضح أدناه.
من خلال استخدام تقنية PX الخاصة بشركة Energy Recovery، تُمكّن OARO من تحقيق كفاءة عالية في التناضح العكسي متعدد المراحل وعالي الضغط دون الحاجة إلى تعزيز مكلف بين المراحل.
مقارنة بتقنية التناضح العكسي التقليدية لمياه البحر
كيف تُقارن هذه التكاليف بتكاليف محطات تحلية مياه البحر التقليدية أحادية المرحلة بتقنية التناضح العكسي؟ مع أن التحليل السابق يركز على معدات التناضح العكسي، إلا أن تدفقات العمليات عند معدلات استخلاص مختلفة يجب أن تأخذ في الحسبان المرافق المساعدة، بما في ذلك مآخذ المياه ومصباتها ووحدات المعالجة الأولية. يوفر موقع Global Water Intelligence (GWI) [5] بيانات عن تكاليف رأس المال والتشغيل لمحطات التحلية التقليدية. يبلغ استهلاك الطاقة النوعي المحسوب 2.3 كيلوواط ساعة لكل متر مكعب من الماء المُرشَّح [6، 7]، منها 0.8 كيلوواط ساعة/م³ تُعزى إلى مآخذ المياه ووحدات المعالجة الأولية.
تُقارن سيناريوهات الاستخلاص العالي الأقل تكلفة المذكورة أعلاه (والتي تستخدم كل من تقنية التناضح العكسي بمساعدة الماء وتقنية التناضح العكسي باستخدام البولي إيثيلين جليكول) مع سيناريو استخلاص بنسبة 45% باستخدام تقنية التناضح العكسي باستخدام البولي إيثيلين جليكول في الجدول 4 أدناه. وكما هو متوقع، تستهلك سيناريوهات الاستخلاص العالي طاقةً أكبر، ولكنها تتطلب نفقات رأسمالية أقل مقارنةً بسيناريو الاستخلاص المنخفض، مع زيادة صافية بنسبة 10% في إجمالي تكلفة وحدة المُرشَّح للمحلول الملحي المُركَّز. ومع ذلك، ولأن المحلول الملحي المُركَّز الناتج عن تقنية التناضح العكسي لا يتطلب أي مدخلات أو تصريفات أو معالجة مسبقة إضافية، فإن تكلفة وحدته تُعادل تكلفة التناضح العكسي التقليدي. وهذا يُشير إلى أن تركيز المحلول الملحي يُمكن أن يكون نهجًا عمليًا لزيادة إنتاج المُرشَّح دون الحاجة إلى إنشاء محطات تناضح عكسي أولية جديدة. علاوة على ذلك، يُمكن تنفيذ عمليات تحديث محطات تركيز المحلول الملحي بشكل أسرع بكثير من إنشاء محطات جديدة نظرًا لقلة البنية التحتية المطلوبة.
بما أن محلول التناضح العكسي لمياه البحر لا يتطلب أي تكاليف رأسمالية أو تشغيلية للسحب أو المعالجة المسبقة، فإن تكلفة تحليته مماثلة لتكلفة تحلية مياه البحر.
الجدول 4 - مقارنة تكلفة البدائل عالية الاستخلاص مع التناضح العكسي التقليدي لمياه البحر باستخدام PX
ستُسهم الاتجاهات الاقتصادية التي ترفع تكاليف البنية التحتية، مثل ارتفاع أسعار الفائدة، وزيادة تكاليف المواد، أو نقصها، في تعزيز تصميم وتشغيل أنظمة التناضح العكسي لمياه البحر (SWRO) ذات معدلات الاستخلاص العالية. وبالمثل، قد تجد المناطق ذات أسعار الكهرباء المنخفضة، أو المحطات القادرة على استخدام الطاقة الشمسية الكهروضوئية منخفضة التكلفة، أن أنظمة التناضح العكسي لمياه البحر ذات معدلات الاستخلاص العالية أو أنظمة التناضح العكسي لمياه البحر ذات التركيز العالي أكثر جدوى من الناحية الاقتصادية. الخلاصة: يُظهر التحليل أن أنظمة التناضح العكسي لمياه البحر ذات معدلات الاستخلاص العالية، والتي تستخدم أجهزة استعادة طاقة PX، تُقلل من إجمالي تكلفة إنتاج المياه بنسبة 14-20% مقارنةً بالأنظمة التي تستخدم شاحنين توربينيين. علاوة على ذلك، تُشير النتائج إلى أن إجمالي تكلفة إنتاج المياه باستخدام تقنية OARO أقل بكثير من تكلفة تقنية UHPRO، ويعود ذلك أساسًا إلى التوفير الكبير في الطاقة الذي تُحققه أجهزة استعادة طاقة PX. على الرغم من أن أنظمة التناضح العكسي لمياه البحر تستهلك طاقة أعلى، إلا أن تكلفة تركيزها تُقارن بتكلفة تحلية مياه البحر، مع تجنب جزء كبير من نفقات البنية التحتية، مما يُتيح تنفيذها بشكل أسرع. تُظهر هذه النتائج بقوة مزايا تقنية التناضح العكسي لمياه البحر عالية الاستخلاص في كل من مشاريع تحلية المياه الجديدة والقائمة، وخاصة في المناطق ذات التكاليف الرأسمالية المرتفعة، ومرافق السحب أو التصريف أو المعالجة المسبقة المعقدة أو المكلفة، والكهرباء منخفضة التكلفة.