المحلول الملحي وتحديات علاجه والتخلص منه

بقلم  كيميائية/ المروه خالد شهاب 

القيود المستمرة على الموارد المائية أدت إلي  استخدام محطات تحلية المياه التي أخذت في التوسع في الآونة الأخيرة. أهم المعوقات المرتبطة بتشغيل محطة تحلية المياه هو إنتاج المحلول المركز المعروف بالمحلول الملحي “Brine” ويمكن أن يؤدي إلى تحديات حرجة في البيئة بسبب ارتفاع مستوى الملوحة فيها. وهي تشمل المعادن الثقيلة ، والمغذيات التي تحتوي على النيتروجين والفوسفور “الأمونيا (NH₃) ، والنترات   (    NO^-3 )   والفوسفور  (K)” ، والملوثات العضوية بتركيزات دقيقة (الهرمونات ، الأدوية ومنتجات العناية الشخصية ، الميكروبات القابلة للذوبان ، والمواد العضوية المتحللة بشكل غير كامل الموجودة في مياه الصرف الصحي السائلة) ، والكائنات الحية الدقيقة المسببة للأمراض.

المحلول الملحي : هو مياه البحر شديدة التركيز التي تسبب تأثيرات بيئية ضارة بسبب ارتفاع ملوحة المياه فيها ووجود ملوثات متنوعة.  حيث تتطور عملية تحلية المياه في العالم بسرعة كبيرة، حيث يتم يوميا تحلية أكثر من 100 مليار لتر من مياه البحر، ينتج عنها محلول ملحي مركز، يعاد إلى البحر ثانية، مما يزيد من كلفة التحلية. تتضمن المعالجة بمحلول ملحي تحلية المحلول الملحي لإعادة استخدامه وإنتاج محلول ملحي مركز (حجم نفايات سائلة أقل) ، أو بقايا صلبة (بدون تصريف سائل)“Zero liquid discharge”.

في هذا الصدد ، فإن العديد من خيارات المعالجة المختلفة المستخدمة مؤخرًا للتحكم في المشكلات البيئية ومنعها قد تكون ناجمة عن محلول ملحي. تعتبر أحواض التبخير ، وتصريف المياه السطحية ، وحقن الآبار العميقة من أكثر الخيارات المعروفة للتخلص المناسب من المحلول الملحي المركز. إن طرق التخلص من المحلول الملحي هذه غير مستدامة ومقيدة بتكاليف رأس المال المرتفعة والتطبيق غير الشامل.

طرق معالجة المحلول الملحي

MEMBRANE TREATMENT SYSSTEM

التناضح العكسي (RO) هو نظام الغشاء الأكثر استخدامًا لتحلية المياه المالحة. ينتج التناضح العكسي مياه عذبة ومحلول ملحي أكثر تركيزًا يشار إليه غالبًا بالمحلول الملحي RO . عادة ما يصل تركيز المحلول الملحي هذا إلى تركيزات الأملاح الذائبة والمواد الكيميائية التي ستكون قريبة من حدود القياس. يتطلب هذا علاجًا لتخفيف إمكانية التحجيم إذا تم القيام بإستخدام نظامًا حراريًا لزيادة تركيز المحلول الملحي أو لإنتاج المواد الصلبة.  إذا كان المحلول الملحي يحتوي على هيدروكربونات أو مواد عضوية ، فقد يكون انعكاس الغسيل الكهربي  (EDR) “Electrodialysis reversal” وهو نظام منخفض الضغط يقوم بتدفق الأملاح من خلال أغشية التبادل الأيوني بإستخدام شحنة كهربائية مطبقة” applied electrical charge  “وهو أكثر ملاءمة من التناضح العكسي نظرًا لإنخفاض متطلبات المعالجة.

Thermal Treatment Systems

 الأنظمة الحرارية تتكون من نوعان يعتمدان على مخرجاتهما المتبقية:

(1) المبخرات  ” Evaporators” التي تنتج محلول ملحي مركّز ومنخفض الحجم ولكنها لا تعجّل بترسيب المواد الصلبة

(2) أجهزة التبلور ” Crystallizers “ التي تتجاوز تشبع الملح وتنتج مواد صلبة. بالنسبة لمعدل التدفق المرتفع لتطبيقات تصريف السوائل الصفرية ، تُستخدم المبخرات لتركيز المحلول الملحي مسبقًا قبل عملية التبلور لإنتاج المواد الصلبة النهائية. في التدفقات المنخفضة ، يمكن إرسال المحلول الملحي للنفايات مباشرة إلى جهاز التبلور بعد معالجته بنظام ” Membrane system ”

ومن التكنولوجيات الحديثة التي تستخدم في معالجة المحلول الملحي كما نشرت مجلة “Nature Catalysis” حول التخليق الكهربائي المباشر لهيدروكسيد الصوديوم وحمض الهيدروكلوريك من مجاري المحلول الملحي و الفكرة هي في تحليل الماء بإستخدام تيار كهربائي إلى أيون الهيدروجين الموجب “H⁺” وأيون الهيدروكسيد السالب “OH^–”  ونتيجة التفاعل مع محلول ملح الطعام،  نحصل على هيدروكسيد الصوديوم “NaOH” وحمض الهيدروكلوريك “HCl”، اللذين يستخدمان في عملية التحلية التي تعمل وفق مبدأ التناضح العكسي” RO”، حيث يتم معالجة الماء المطلوب تحليته أولا بهيدروكسيد الصوديوم لتخفيض درجة حموضته، كما يستخدم الحامض في تنظيف بعض أجزاء محطة التحلية.

وينتج من عملية معالجة مخلفات تحلية المياه كميات كبيرة من هيدروكسيد الصوديوم وحمض الهيدروكلوريك، تزيد عن الكمية التي تستخدم في عملية التحلية. ولكن المركبين ينتشر استخدامهما في الصناعات الكيميائية، وبمثابة كواشف في العديد من العمليات التكنولوجية والبحثية.

التركيب الكهربائي المباشر لهيدروكسيد الصوديوم (NaOH) وحمض الهيدروكلوريك (HCl) من محلول تحلية مياه البحر كحل بديل ناشئ. في عملية التخليق الكهربائي المباشر (DE) ، يتم استخدام تفاعل تقسيم الماء لإنتاج H ⁺ و OH^– ، والتي تتحد مع تيار المحلول الملحي لإنتاج NaOH و HCl   ولتقليل التكاليف المرتبطة بإدارة المحلول الملحي، تم اقتراح أن معالجة المحلول الملحي يمكن أن تقترن بإنتاج هيدروكسيد الصوديوم ₃ (NaOH)، وهي مادة كيميائية مهمة لها أغراض كثيرة في تحلية المياه، تتعلق في الغالب برفع درجة الحموضة  من خلال رفع درجة الحموضة أثناء التناضح العكسي (RO)  وهي تقنية رئيسية لتحلية المياه – يمكن أن تصبح الأملاح المعدنية مثل CaCO₃ فائقة التشبع في النفايات السائلة مما يؤدي إلى ترسيبها على الغشاء. هذه الظاهرة، المعروفة باسم التحجيم” scaling “، يمكن أن تقلل بشكل كبير من الأداء .  لقد ثبت أن المعالجة المسبقة للنفايات السائلة باستخدام هيدروكسيد الصوديوم لرفع الأس الهيدروجيني تتسبب في ترسب Ca(OH)₂ وأيونات أخرى ، مما يمنع بدوره التحجيم لاحقًا في العملية . بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لبعض العناصر الضارة مثل البورون في شكل حمض البوريك أن تمر عبر أغشية التناضح العكسي بسبب شحنتها. تؤدي إضافة هيدروكسيد الصوديوم إلى تفكك حمض البوريك ويتحول في النهاية إلى Borate ، وهو مشحون ولا يمكنه المرور عبر غشاء التناضح العكسي.

إن التخلص النهائي من المخلفات مهم في تحديد ما إذا كانت هناك حاجة إلى خطوات عملية إضافية. تعمل المبخرات على تقليل حجم المحلول الملحي للتخلص النهائي، مما يضمن أننا بحاجة إلى عدد أقل من الشاحنات لنقل المحلول الملحي أو سعة أقل في آبار التخلص. ومع ذلك،   قد نكون  بحاجة إلى معالجة إضافية للبقايا الصلبة قبل أن يقبلها مكب النفايات للتخلص منها. تتطلب جميع مدافن النفايات تقريبًا مواد صلبة لإجتياز اختبار مرشح الطلاء، بينما يتطلب البعض أيضًا تحليل الأس الهيدروجيني والمعادن القابلة للغسل.

عمليات التخلص من المحلول الملحي

 تفريغ المحلول الملحي في المسطحات السطحية لأنظمة المياه أو الصرف الصحي

إذا كان المحلول الملحي  يفي بالمتطلبات التنظيمية، فإن تصريف المحلول الملحي في أقرب مسطح مائي أو إلى المجاري الصحية غالبا ما يكون الخيار الأقل تكلفة للتخلص منه. وتختلف اللوائح أو المبادئ التوجيهية المتعلقة بالتنفيذ اختلافا واسعا من منطقة إلى أخرى، أو تحدد أحيانا على أساس كل مشروع على حدة.

يجوز للوائح أن تحظر التخلص ” discharge“ استنادا إلى أي مما يلي:

• تركيزات مكونات معينة مثيرة للقلق (مثل الحدود القصوى للمعادن أو الملوحة أو المركبات)
• مجموع الكتلة اليومية لبعض المكونات المثيرة للقلق
• معدلات التدفق الحجمي
• التخلص فقط خلال وقت معين من اليوم
• خصائص محددة، مثل درجة الحرارة وpH

هناك حلول منخفضة التكلفة متاحة لإزالة مكونات معينة ، مثل استخدام الرمل الأخضر لإزالة الحديد. في حين أن تفريغ المحلول الملحي مباشرة في أنظمة المياه السطحية أو المجاري هو غالبًا الحل الأكثر فعالية من حيث التكلفة.

حقن الابار العميقة  

يمكن التخلص من المحلول الملحي عن طريق حقنه في الآبار العميقة. يتم تركيب آبار الحقن هذه على عمق آلاف الأقدام في باطن الأرض ، بعيدًا عن طبقات المياه الجوفية العلوية التي تغذي مصادر مياه الشرب.

 برك التبخير المالحة

هي الحل الإصطناعي لتصريف المياه السطحية الداخلية من محلول ملحي. في ظل الظروف المناخية الصحيحة ، يتبخر الماء ، مما يسمح  بتصريف المزيد من المحلول الملحي إلى البرك. يتمثل أحد قيود البرك في أنها تتطلب مساحات كبيرة من الأرض لزيادة مساحة السطح حيث يمكن أن تتبخر المياه ، ويمكن أن تمثل مسؤولية بيئية مستقبلية بسبب دخول الحيوانات أو إيقاف التشغيل في المستقبل. إذا أدت الحاجة إلى استعادة المواد الصلبة للتخلص منها أو إعادة استخدامها ، فقد يكون من الضروري وجود برك تبخير متعددة للتنقل بين تبخر المحلول الملحي واستخراج المواد الصلبة.

 حرق محلول ملحي

يمكن إرسال محلول ملحي إلى مرفق حرق ، حيث يتم خلطه عادةً مع النفايات الصلبة الأخرى للمعالجة. يؤدي الحرق إلى تبخير الماء ، بينما تصبح الأملاح الموجودة في المحلول الملحي جزءًا من الرماد المتبقي الذي يتطلب مزيدًا من الإدارة. يعتبر الحرق شائعًا في البلدان ذات الأراضي المتاحة بشكل محدود لمدافن النفايات.

أصبحت إدارة المياه المالحة جانبًا مهمًا في صناعة معالجة المياه. يعتبر تصريف المحاليل الملحية في المسطحات المائية المفتوحة ، إلى جانب طرق التخلص الأخرى ، غير مستدام بيئيًا ولا يتوفر دائمًا. وفي الوقت نفسه ، تعد المخاوف البيئية واللوائح التنظيمية من العوامل التي أدت إلى زيادة الطلب على تركيز المحلول الملحي. يمكن أن تكون أنظمة ZLD بديلاً قابلاً للتطبيق لطرق التخلص حيث أن هدفها المزدوج هو استعادة المياه العذبة والأملاح الصلبة ، وبالتالي تجنب التخلص من مياه الصرف الصحي في البيئة. إلى جانب إعادة تدوير المياه ، قد يكون استرداد الموارد حافزًا اقتصاديًا إضافيًا لتطوير تقنيات  ZLD . يمكن استخدام تقنيات مختلفة تعتمد على الأغشية والحرارة .

المراجع:

• Backer, S. N., Bouaziz, I., Kallayi, N., Thomas, R. T., Preethikumar, G., Takriff, M. S., … & Atieh, M. A. (2022). Brine Solution: Current Status, Future Management and Technology Development. Sustainability, 14(11), 6752.
• Panagopoulos, A., Haralambous, K. J., & Loizidou, M. (2019). Desalination brine disposal methods and treatment technologies-A review. Science of the Total Environment, 693, 133545.
• Pramanik, B. K., Shu, L., & Jegatheesan, V. (2017). A review of the management and treatment of brine solutions. Environmental science: water research & technology, 3(4), 625-658.