Technoeconomic Framework for Evaluating Desalination and Brine Management Pathways across the United States

تعد المياه المورد الأكثر أهمية للحياة البشرية، ومع ذلك فإن الطريقة التي نصل بها إليها تتغير. فلقد اعتمدت المجتمعات لقرون على الأنهار والبحيرات والخزانات الجوفية لتلبية احتياجاتها. ولكن مع نمو السكان وتغير المناخ، أصبحت هذه المصادر التقليدية مجهدة أو مستنفدة. واستجابة لذلك، توجه المهندسون إلى المحيطات وطبقات الأرض الأعمق والأكثر ملوحة بحثاً عن المياه العذبة. إن عملية إزالة الملح من الماء، والمعروفة باسم تحلية المياه، هي أداة قوية، لكنها تنتج منتجاً ثانوياً: سائل كثيف ومالح يسمى "المحلول الملحي" (البرين). وتعد إدارة هذه النفايات أمراً لا يقل أهمية عن صنع المياه العذبة نفسها؛ فإذا تُركت دون معالجة، يمكن أن تضر بالبيئة، لكن التخلص منها يكلف مالاً وطاقة. والسؤال المركزي الذي يواجه مخططي المياه اليوم ليس فقط كيفية صنع المياه العذبة، بل كيفية القيام بذلك بطريقة ميسورة التكلفة وآمنة، اعتماداً على موقع المجتمع ونوع المياه المالحة المتوفرة لديهم.

لقد طور فريق من الباحثين في معهد جورجيا للتكنولوجيا طريقة جديدة للإجابة على هذا السؤال للولايات المتحدة بأكملها. فقد أنشأوا خريطة مفصلة تحسب التكلفة الحقيقية لتحويل أنواع مختلفة من المياه المالحة إلى مياه عذبة، مع مراعاة أيضاً تكلفة التعامل مع المحلول الملحي المتبقي. ويتناول عملهم ثلاثة مصادر رئيسية للمياه المالحة: مياه البحر من الساحل، والمياه الجوفية قليلة الملوحة الموجودة في الداخل، والمياه المنتجة، وهي سائل مالح يخرج إلى السطح أثناء عمليات حفر النفط والغاز. ولكل مصدر، اختبروا ثلاث طرق مختلفة للتعامل مع النفايات: صبها في المحيط، أو حقنها في أعماق الأرض، أو استخدام نظام معقد لتبخير كل الماء واستعادة الملح الصلب. ومن خلال إجراء آلاف الحسابات في جميع أنحاء البلاد، وجدوا أن الحل الأفضل يعتمد كلياً على شيئين: مدى ملوحة الماء، ومدى بُعد الموقع عن المحيط.

اكتشف الباحثون أنه بالنسبة للمدن الساحلية، فإن النهج الأبسط هو غالباً الأفضل. فإذا كان المصنع بالقرب من البحر، يمكنه ضخ مياه البحر عبر مرشح لصنع مياه عذبة ثم إعادة المحلول الملحي المالح إلى المحيط. هذه الطريقة رخيصة، حيث تتراوح تكلفتها بين دولار واحد ونصف دولار لكل متر مكعب من الماء المنتج. ومع ذلك، يصبح هذا الخيار غير عملي كلما ابتعدت المدينة عن الساحل. فنقل المياه العذبة من الساحل إلى مكان مثل دنفر، على سبيل المثال، يضيف تكلفة كبيرة تجعل السعر الإجمالي يقفز إلى حوالي ثلاثة دولارات ونصف لكل متر مكعب. وتظهر الدراسة أنه بالنسبة للمناطق الداخلية، فمن المنطقي معالجة المياه المالحة المحلية بدلاً من شحن المياه من الساحل.

وعند النظر إلى المصادر الداخلية، فإن نوع الماء يلعب دوراً كبيراً. فبالنسبة للمناطق التي تحتوي على مياه جوفية قليلة الملوحة، فإن الطريقة الأكثر اقتصادية للتعامل مع النفايات هي ضخها في أعماق الأرض في تكوينات جيولوجية، وهي طريقة تسمى الحقن في الآبار العميقة. وهذا يتجنب التكلفة العالية لنقل السائل الثقيل والمالح مرة أخرى إلى المحيط. ووجد الباحثون أنه بالنسبة للمياه منخفضة الملوحة الموجودة بعيداً عن الساحل، فإن محاولة استعادة الملح تكون عادةً عملية خاسرة مالياً. فالأجهزة اللازمة لغلي الماء وجمع الملح باهظة الثمن من حيث البناء والتشغيل، والكمية الصغيرة من الملح المستعاد لا يمكنها تغطية تكاليف العملية. وفي هذه الحالات، تظل تكلفة إنتاج الماء بين دولار واحد وثلاثة دولارات لكل متر مكعب، لكن نظام استعادة الملح يضيف نفقات إضافية كبيرة تجعل الأمر لا يستحق العناء.

يتغير الوضع عندما تكون المياه مالحة جداً، مثل المياه المنتجة من عمليات النفط والغاز. في حالات الملوحة العالية هذه، تنعكس الحسابات الاقتصادية. فبسبب وجود كمية كبيرة من الملح في الماء، يمكن لنظام استعادة الملح أن يدر ربحاً من خلال بيع الملح. وهذا الدخل يساعد في تعويض التكلفة العالية للمعدات اللازمة لتركيز وتبلور المحلول الملحي. وتقترح الدراسة أنه بالنسبة لهذه المصادر الداخلية المحددة وشديدة الملوحة، فإن نظام "التفريغ الصفري للسوائل" — حيث لا يخرج أي ماء من المصنع كنفايات — يعد خياراً قابلاً للتطبيق ومرغوباً في بعض الأحيان. وقد أشار الباحثون إلى أنه بالنسبة لهذه المدخلات عالية الملوحة، يمكن لاستعادة الملح أن تحول مشكلة نفايات مكلفة إلى مصدر دخل، مما يجعل العملية برمتها أكثر توفيراً.

ولتوضيح هذه النتائج، أنشأ الفريق دليلاً يعمل كأداة اتخاذ قرار لمخططي المياه. وهو يوضح أنه إذا كانت المنطقة تقع ضمن مسافة تقارب 500 إلى 700 كيلومتر من الساحل، فإن ضخ مياه البحر وتصريف المحلول الملحي في المحيط هو المسار الأرخص. وإذا كانت المنطقة تقع في الداخل ولكنها تمتلك مياهاً ذات محتوى ملحي منخفض، فإن حقن النفايات تحت الأرض هو الخيار الأفضل. أما إذا كانت المياه الداخلية مالحة جداً، فإن استعادة الملح تصبح الاستراتيجية الاقتصادية الأكثر منطقية. ويساعد هذا الإطار في تجاوز نهج "الحل الواحد للجميع"، مدركاً أن الحل الذي يصلح لمدينة ساحلية في كاليفورنيا لن يصلح لبلدة في وسط البلاد.

كما قارنت الدراسة طرق التحلية هذه بتقنية ناشئة أخرى: سحب الماء مباشرة من الهواء. وبينما قد يبدو التقاط الرطوبة من الغلاف الجوي حلاً مثالياً للأماكن الجافة، وجد الباحثون أنه أغلى بكثير من تحلية المياه، حيث تبلغ تكلفته حوالي أحد عشر إلى ثلاثة عشر دولاراً لكل متر مكعب. وهذه التكلفة العالية تعني أن سحب الماء من الهواء ليس سوى خيار واقعي للمجتمعات الصغيرة والنائية جداً حيث لا تتوفر مياه مالحة وحيث يستحيل نقل المياه من أي مكان آخر. فبالنسبة للغالبية العظمى من السكان، يكمن الطريق نحو المستقبل في إدارة مصادر المياه الأكثر ملوحة الموجودة بالفعل في الأرض والبحر.

في نهاية المطاف، يوفر هذا البحث خارطة طريق واضحة قائمة على البيانات لمستقبل المياه في الولايات المتحدة. فهو يؤكد أنه بينما تعد تحلية المياه أداة ضرورية لمكافحة ندرة المياه، فإن نجاحها يعتمد على مطابقة التكنولوجيا المناسبة للموقع المناسب. ومن خلال فهم تكاليف النقل المحددة، وملوحة المياه المحلية، وقيمة المنتجات الثانوية، يمكن للمجتمعات اختيار مسار ليس ممكناً من الناحية التقنية فحسب، بل ومستدام اقتصادياً أيضاً. وتشير الدراسة إلى أنه مع التخطيط الدقيق، يمكن للولايات المتحدة توسيع إمدادات المياه العذبة لديها لتلبية احتياجات سكانها المتزايدين دون إرهاق الميزانية أو الإضرار بالبيئة.