تكنولوجيا معالجة مياه الصرف الصحي عالية الملوحة وعالية التركيز

نظراً لتركيزاتها العالية من الأملاح والملوثات، يصعب معالجة مياه الصرف الصحي عالية الملوحة والتركيز، وقد أصبحت مشكلةً شائكةً في مجال حماية البيئة الصناعية. تتطلب تقنية معالجتها تضافر عمليات متعددة لإيجاد حلٍّ منهجي. مع التطور الصناعي والمتطلبات البيئية المتزايدة الصرامة، لا تقتصر معالجة مياه الصرف الصحي عالية الملوحة على التزام الشركات بتصريفها، بل ترتبط ارتباطاً وثيقاً بإعادة تدوير الموارد والتنمية المستدامة. ستتناول هذه المقالة نظام تقنية المعالجة، وتطبيقاتها الحالية، وتوجهاتها المستقبلية.

1. المعالجة المسبقة: وضع الأساس وحل المشكلات الأمامية

تُعد المعالجة المسبقة خطوةً حاسمةً لضمان استقرار سير العمليات اللاحقة. أولًا، تُزيل الطرق الفيزيائية، مثل المصافي وخزانات الترسيب، المواد الصلبة العالقة الكبيرة والمواد العائمة لمنع انسداد المعدات. بعد ذلك، تُؤدي تقنية التخثر والترسيب، من خلال إضافة مواد مُركِّبة (مثل بولي كلوريد الألومنيوم وبولي أكريلاميد)، إلى تخثر وترسيب الجسيمات الغروية والمواد الصلبة العالقة الدقيقة، مما يُقلل بشكل كبير من عكارة مياه الصرف. في حالات الصلابة العالية، تُزيل طرق الترسيب الكيميائي (مثل عملية الجير والصودا) أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم بفعالية، مما يمنع تكوُّن الترسبات على الأغشية أو المُبخِّرات. أما فيما يتعلق بإزالة المواد العضوية، فإن تقنيات الأكسدة المتقدمة، مثل أكسدة فينتون (باستخدام Fe²⁺ وH₂O₂ لتوليد جذور هيدروكسيل عالية الأكسدة)، يُمكنها تحلل المواد العضوية المقاومة بكفاءة وتحسين قابلية التحلل البيولوجي لمياه الصرف. بالنسبة لمياه الصرف الصحي التي تحتوي على تركيز ملح أقل من 5% وقابلية تحلل بيولوجية معينة، تُعدّ المعالجة الميكروبية المسبقة المقاومة للملوحة (مثل المفاعلات الحيوية للبكتيريا المحبة للملوحة) خيارًا مجديًا اقتصاديًا، إذ تُحلل المواد العضوية من خلال الأيض الميكروبي، ولكن يلزم التحكم الصارم في تقلبات تركيز الملح وحمل التدفق الداخل. علاوة على ذلك، تُمكّن تقنيات التعويم بالهواء المذاب (DAF) من إزالة الشحوم والمواد الصلبة العالقة الدقيقة بشكل أكبر، مما يُهيئ ظروفًا مواتية للعمليات اللاحقة.

2. تحلية المياه الأساسية: تقنيات متنوعة قابلة للتكيف مع سيناريوهات مختلفة

يجب اختيار تقنيات تحلية المياه الأساسية بمرونة بناءً على خصائص مياه الصرف الصحي، ونطاق المعالجة، ومتطلبات التكلفة. تُبخّر تقنية التبلور بالتبخير، باعتبارها العملية الرئيسية، الماء بالتسخين، مما يُؤدي إلى تبلور الملح وترسبه. أما التبخير متعدد التأثيرات (MEE)، فيستخدم البخار الناتج عن التأثير السابق كمصدر حرارة للتأثير التالي، مستخدمًا الطاقة الحرارية تدريجيًا، مما يُقلل استهلاك الطاقة بشكل كبير، وهو مناسب لمياه الصرف الصحي ذات أحجام المعالجة الكبيرة وتركيبات الملح البسيطة. أما إعادة الضغط الميكانيكي للبخار (MVR)، فتستخدم ضاغطًا لضغط وتسخين البخار الثانوي الناتج عن التبخير لإعادة التدوير، مستهلكةً نصف طاقة إعادة الضغط الميكانيكي للبخار فقط. وهي مناسبة بشكل خاص لمعالجة مياه الصرف الصحي عالية الملوحة على نطاق واسع، ولكنها تتطلب استثمارًا أكبر في المعدات وتخضع لمتطلبات صارمة فيما يتعلق بتآكل المواد. أما في تقنيات فصل الأغشية، فيستخدم التناضح العكسي (RO) ضغطًا عاليًا لدفع جزيئات الماء عبر غشاء شبه منفذ، محققًا معدل تحلية يتراوح بين 95% و99%. إنها مناسبة للمعالجة المسبقة أو التحلية العميقة لمياه الصرف الصحي ذات تركيزات الملح المتوسطة إلى المنخفضة، ولكن في البيئات عالية الملوحة، يكون الغشاء عرضة للتكلس وتقليل التدفق، مما يتطلب تنظيفًا متكررًا، ويحتاج التركيز إلى مزيد من المعالجة. يستخدم التحليل الكهربائي (ED) مجالًا كهربائيًا لدفع هجرة الأيونات، مما يُظهر تحملًا جيدًا للملوحة العالية واستهلاكًا منخفضًا نسبيًا للطاقة، ولكنه يعاني من تآكل القطب ومشاكل استقطاب التركيز. يستخدم التقطير الغشائي (MD) فرق درجة الحرارة عبر غشاء كاره للماء لدفع نقل بخار الماء، وهو قادر على معالجة المحاليل المشبعة وحتى تبلور مياه الصرف الصحي، ولكن تدفق الغشاء المنخفض يحد من تطبيقه على نطاق واسع. علاوة على ذلك، تستخرج تقنية التناضح الأمامي (FO) جزيئات الماء من مياه الصرف باستخدام محلول سحب عالي الضغط التناضحي، ويستهلك القليل من الطاقة، ولكن تجديد محلول السحب معقد، وهو حاليًا في الغالب في مرحلة النطاق التجريبي.

3. المعالجة العميقة واستخدام الموارد: دورة الحلقة المغلقة، واستخراج القيمة

تُعدّ المعالجة العميقة واستغلال الموارد الهدفين الأساسيين لمعالجة مياه الصرف الصحي عالية الملوحة. حتى بعد تحليتها، لا تزال المياه المعالجة بحاجة إلى مزيد من التنقية: إذ يزيل امتصاص الكربون المنشط بقايا المواد العضوية والألوان، وتُحلّي راتنجات التبادل الأيوني المياه بعمق وتُنظّم جودتها، بينما تضمن تقنيات التطهير بالأشعة فوق البنفسجية أو الأكسدة المتقدمة السلامة الميكروبية. تُعدّ معالجة المُركّزات أساسية لتحقيق "عدم التصريف". تُحقق تقنية فصل وتبلور الأملاح، من خلال الجمع بين التبخير والتبلور بالتبريد والترشيح النانوي/التحليل الكهربائي، فصل الأملاح مثل كلوريد الصوديوم وكبريتات الصوديوم واستغلال مواردها. على سبيل المثال، يُمكن معالجة مياه الصرف الكيميائي الناتجة عن الفحم باستخدام عملية "المعالجة المسبقة + التناضح العكسي + التبلور بالتبخير + فصل الأملاح" لاستعادة منتجات الملح الصناعية، مما يُخفّض تكاليف التخلص منها. علاوة على ذلك، قد تحتوي مياه الصرف المركزة الناتجة عن بعض الصناعات (مثل الصناعات الدوائية والكيميائية) على مكونات عالية القيمة (مثل المذيبات العضوية والمعادن النفيسة)، والتي يمكن استعادتها من خلال تقنيات الاستخلاص أو الامتزاز أو التحويل الحيوي لتحسين المنافع الاقتصادية. غالبًا ما تتطلب عمليات المعالجة تحسينًا مشتركًا. على سبيل المثال، يمكن لمزيج "الترسيب بالتخثر + أكسدة فينتون + التناضح العكسي + التناضح العكسي" أن يحقق في الوقت نفسه إزالة المواد العضوية وتحلية المياه وتوفير الطاقة، بينما يمكن لمزيج "التحلل المائي بالتحلل المائي + التناضح العكسي" أن يقلل من استهلاك الطاقة ويعالج مياه الصرف عالية التركيز.

4. التحديات والاتجاهات المستقبلية: الاختراقات التكنولوجية والتحول الأخضر

لا تزال معالجة مياه الصرف الصحي عالية الملوحة تواجه تحديات عديدة: فالاستهلاك المرتفع للطاقة يؤدي إلى ارتفاع التكاليف؛ وتلوث الأغشية وتآكل المعدات يؤثران على استقرارها؛ كما أن عدم نقاء تبلور فصل الأملاح يحد من قيمة استرداد الموارد. تركز اتجاهات التطوير المستقبلية على المجالات التالية:

4.1. الابتكار في مجال المواد: تطوير مواد غشائية مقاومة للأوساخ وعالية التدفق (مثل أغشية الجرافين المركبة وأغشية الألياف النانوية) لتقليل استهلاك الطاقة وتكاليف الصيانة لفصل الأغشية؛ والبحث والتطوير لمواد معدات التبلور بالتبخر المقاومة للتآكل وعالية الكفاءة في نقل الحرارة.

4.2. تحسين العملية: من خلال النمذجة الرياضية والذكاء الاصطناعي، يتم التحكم بدقة في معلمات المعالجة (مثل درجة الحرارة، ودرجة الحموضة، ومعدل التدفق) لتحقيق عملية التحسين الديناميكي؛ وتعزيز التقنيات المتكاملة لكامل عملية "المعالجة الأولية - تحلية المياه - استعادة الموارد" لتقليل الخسائر في المراحل المتوسطة.

4.3. فصل الأملاح والاستفادة من الموارد العميقة: استخدام تقنيات التبلور الجديدة (مثل التبلور في طبقة مميعة) لتحسين نقاء منتجات الملح واستكشاف الاستخدام عالي القيمة للأملاح (مثل تحضير مواد البطاريات وعوامل إذابة الثلوج).

4.4 ربط الطاقة الجديدة: استخدام الطاقة الشمسية والطاقة الحرارية الأرضية والحرارة الصناعية المهدرة لتشغيل أنظمة التبخير بهدف تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري؛ والجمع بين التحليل الكهربائي للمياه لإنتاج الهيدروجين لدمج معالجة مياه الصرف الصحي مع إنتاج الطاقة المتجددة.

4.5. تكنولوجيا التحسين البيولوجي: اختيار وزراعة سلالات ميكروبية تتحمل مستويات عالية من الملح وتعمل على تحلل الملوثات المحددة بكفاءة؛ وتطوير مفاعلات الأغشية الحيوية وتقنيات الاقتران الكهروكيميائي لتقليل تكاليف المعالجة المسبقة.

5. آثار دراسة الحالة

دمج التكنولوجيا والممارسة: لنأخذ مشروعًا "خاليًا من الانبعاثات" لشركة بتروكيماويات كمثال: باستخدام عملية "الترسيب بالتخثر + الأكسدة التحفيزية بالأوزون + التناضح العكسي + التبلور بالتبخير بالترشيح المتغير + التحلل الحراري بالملح المختلط"، تُعالَج 100,000 طن من مياه الصرف الصحي سنويًا، مع استعادة كلوريد الصوديوم بنقاء 99.5%. يتم التخلص من الأملاح المختلطة دون ضرر من خلال التحلل الحراري، مما يوفر أكثر من عشرة ملايين يوان من تكاليف التخلص، محققًا وضعًا مربحًا للجميع، سواءً للبيئة أو الاقتصاد. توضح هذه الحالة أن الجمع بين التقنيات المخصصة وإدارة تكاليف دورة الحياة الكاملة هما مفتاح نجاح معالجة مياه الصرف الصحي عالية الملوحة.

تتحول معالجة مياه الصرف الصحي عالية الملوحة والتركيز من "الالتزام بمعايير الصرف" إلى "إعادة تدوير الموارد". سيدفع الابتكار التكنولوجي المستمر والتكامل متعدد التخصصات القطاعَ إلى تجاوز العقبات والمساهمة في التحول الأخضر للصناعة وتحقيق أهداف "الكربون المزدوج". في المستقبل، سيساهم دعم السياسات، والتعاون بين الصناعة والأوساط الأكاديمية والبحثية، وتحسين آليات السوق، في تسريع تطبيق التقنيات المتقدمة وبناء نظام جديد مستدام لإدارة موارد المياه.