للطبيعة وسائلها الخاصة لتنظيف ذاتها من الملوثات. فالكائنات الدقيقة، أو الجراثيم، التي تعيش في التربة والمياه الجوفية تلتهم بعض المواد الكيميائية، مثل تلك الموجودة في التسربات النفطية. وعندما تهضم هذه المواد بشكل كامل، تحولها الى ماء وغازات غير ضارة، مثل ثاني أوكسيد الكربون، اذا تسربت الى الهواء أو التربة أو المياه الجوفية فلا تشكل خطراً.

لا تستعمل في المعالجة البيولوجية مواد كيميائية خطرة. والمغذيات التي تضاف لجعل الجراثيم تنمو وتتكاثر هي أسمدة تستعمل عادة في الحقول والبساتين والحدائق. ويمكن تنظيف التربة والمياه الجوفية الملوثة في موقعها من دون حاجة لنقلها الى مكان آخر. واذا توافرت الظروف المناسبة تحت سطح الأرض، أو أمكن إحداثها، يمكن التنظيف من دون حاجة الى حفر الأرض أو ضخ المياه. وهذا يجنّب عمال التنظيف ملامسة التربة والمياه الجوفية الملوثة، كما يمنع انطلاق غازات ضارة في الهواء. ولأن الجراثيم تحول المواد الكيميائية الى ماء وغازات غير ضارة، فلا ينتج عنها إلا القليل من المخلفات إن وجدت.

المعالجة البيولوجية غالباً لا تتطلب كثيراً من المعدات والعمال كما هي الحال في معظم المعالجات الأخرى. لذلك فهي أرخص عادة. وقد اعتمدت، وتعتمد حالياً، في مئات المواقع الشديدة التلوث في البلدان المتقدمة صناعياً.

برزت في العقود الثلاثة الأخيرة تكنولوجيات علاجية كثيرة لتنظيف المياه الجوفية الملوثة. وشهدت الصناعة البيئية خلال هذه الفترة تغيرات في الاستراتيجية والتقنية. وقد اعتمدت التقنيات التقليدية على ضخ المياه الجوفية ومعالجتها، أو ازالة الأتربة الملوثة. ولكن من كان يعلم في ذلك الوقت أن تغذية جراثيم في الأرض بمشتقات ألبان يزيد من تحلل المواد الكيميائية السامة؟ ومن كان يعلم أن أشجار الحور تزيل معادن ومواد سامة من التربة والمياه الجوفية؟

المؤتمــر الدولـي الثـالث حـول معـالجة المركبـات المكلـورة والمتمـردة (chlorinated and recalcitrant compounds) الذي عقد في أيار (مايو) الماضي في مونتيري بولاية كاليفورنيا الأميركية، وحضره عدد كبير من المهندسين والعلماء البيئيين من أنحاء العالم، شكل مؤشراً لتوجّه التكنولوجيات التي يعتمدها المستشارون البيئيون في معالجة المواقع الملوثة. ولئن تكن التقنيات التقليدية ما زالت تستخدم في هذا الحقل، فقد أخذت تبرز تقنيات بديلة مبتكرة وواعدة. وقد برزت في هذا المؤتمر ثلاث تقنيات مستجدة لتنظيف المياه الجوفية يبدو أنها ستطغى قريباً على هذا القطاع، وهي: حقن مركّبات اطلاق الهيدروجين تحت سطح الأرض، وحقن برمنغانات الصوديوم أو البوتاسيوم تحت سطح الأرض، وتركيب حواجز تفاعلية نفّاذة.

الهدف من هذا المقال تعريف القراء العرب على هذه التكنولوجيات البديلة المستحدثة التي تستخدم الآن في العالم الغربي ضمن المعالجة البيولوجية. ويمكننا الاستفادة من خبرة الآخرين من أجل استخدام هذه التكنولوجيات بفعالية ونجاح، حيثما أمكن ذلك، لتحسين عملية تنظيف التربة والمياه الجوفية.

يستعمل مركَّب اطلاق الهيدروجين (HRC) لتسريع تحلل عدد من المذيبات التي توجد أحياناً كثيرة في المياه الجوفية والتربة الملوثة. وقد استخدم لمعالجة مذيبات مثل الايثيلين العالي نسبة الكلور والايثيلين الثلاثي الكلور، وتبين أنه يستهدف المذيب في مكانه، مجنباً النفقات والتشوهات المرافقة للمعالجات الهندسية المعقدة.

هذا المركّب مأمون بيئياً، وصحياً، وقد تم إعداده لكي يطلق حمض اللبنيك (أسيد اللاكتيك) ببطء عند ملامسته الماء. وهو سائل عالي اللزوجة، يمكن حقنه بواسطة الضغط في المياه الجوفية الملوثة، باستخدام تكنولوجيات "الجيوبروب" (المسبار الجيولوجي) أو الآبار أو الخنادق. وهو يحقن عادة في نمط شبكي فوق الامتداد الهوائي وعبر المدى الأفقي للمياه الجوفية الملوثة. ويتحدد شكل المنطقة التي ستعالج بحسب شكل المياه الجوفية الملوثة. فمثلاً، يتم انشاء شبكات ضيقة طويلة من المركّب لمعالجة تلوث ضيق طويل. وبعد حقنه يترك في مكانه حيث يعمل على تحفيز تحلل الملوثات.

العملية التي يشتغل بها مركّب اطلاق الهيدروجين هي مجموعة معقدة من التفاعلات الكيميائية والبيولوجية. في البداية، عندما يلامس المركّب المياه الجوفية في الطبقة تحت السطحية، يطلق حمض اللبنيك ببطء. وتستهلك الجراثيم الموجودة في التربة هذا الحمض، فتنتج تركيزات منخفضة وثابتة من الهيدروجين الذائب. وبعدئذ تستهلك جراثيم أخرى في التربة هذا الهيدروجين المنتج لتعرية جزيئات المذيبات من ذراتها الكلورية والسماح بمزيد من التحلل البيولوجي. وما دام المركّب في الطبقة تحت السطحية، فانه يستمر في العمل بهذه الطريقة لمدة سنة، فيحلل مجموعة واسعة من المذيبات، بما فيها ملوثات مياه جوفية شائعة مثل الايثيلين العالي نسبة الكلور والايثيلين الثلاثي الكلور والايثان الثلاثي الكلور، اضافة الى المنتجات المتولدة عنها.

بالمقارنة مع طرق المعالجة التقليدية، تمتاز تكنولوجيا مركَّب اطلاق الهيدروجين بالحسنات الآتية: أولاً، كلفة رأسمالية منخفضة، فهذا المركَّب رخيص نسبياً، ويوضع عموماً في الطبقة تحت السطحية باستعمال تقنيات حفر بسيطة. ثانياً، حد أدنى من التشويه، فالمعالجة تتم في الموقع، لذلك لا ضرورة لمعدات ومحطات معالجة على سطح الأرض. ثالثاً، نفقات تشغيل وصيانة منخفضة، فبخلاف النظم التي تنطوي على قدر كبير من الأعمال الهندسية، لا تحتاج هذه التقنية الى عملية ميكانيكية مستمرة. رابعاً، معالجة سريعة، فمن خلال حقن مقدار منخفض وثابت من الهيدروجين مع مرور الوقت، تتزايد عملية التحلل في الطبقة تحت السطحية.

وإطلاق الهيدروجين على مركَّبات الايثيلين المكلورة يؤدي، كحالة انتقالية، الى تكوّن كلوريد الفنيل، المعروف أنه يسبب السرطان، لكن التفاعل يستمر حتى انتاج الايثيلين في النهاية. وتؤكد شركة "ريجنسيز" المصنعة لمركب اطلاق الهيدروجين أنه، في جميع المواقع التي عولجت حتى الآن، لم يحدث أي تراكم لكلوريد الفنيل بقي في الموقع أو انتقل منه.

وقد تم استخدام هذه التكنولوجيا، مثلاً، لمعالجة تسرب الايثيلين الثلاثي الكلور داخل طبقة مائية رملية في قاعدة عسكرية في ولاية فلوريدا. وحقن ما مجموعه 2725 كيلوغراماً من المركَّب في قلب المياه الجوفية الملوثة، من خلال عشرين ثقباً بقطر 2,5 سنتيمتر. فتمت معالجة منطقة ملوثة مساحتها 360 متراً مربعاً. وبعد 240 يوماً حلل المركَّب مادة الايثيلين الثلاثي الكلور بشكل كامل وحولها الى غازي الايثيلين والايثان. وقد تم انجاز المشروع بكلفة بلغت 40 ألف دولار.

وفي "مصبغة" لتنظيف الثياب والأقمشة في ولاية واشنطن، أدى انكسار أحد الانابيب الى تسرب الايثيلين العالي نسبة الكلور وتلويث المياه الجوفية بتركيزات مرتفعة جداً. فتم حفر التراب عند مصدر التلوث حتى الطبقة الأرضية، ووضع مركَّب اطلاق الهيدروجين ضمن الحفرية قبل ردمها بتراب نظيف. وبعد 328 يوماً، انخفض تركيز المادة الملوثة 99 في المئة، من 76,400 ميكروغرام في الليتر الى 259 فقط.

وفي مصبغة أخرى بولاية وسكونسن، استخدم مركَّب اطلاق الهيدروجين لمعالجة تلوث مماثل للمياه الجوفية. وكان معدل تركيزات الايثيلين العالي نسبة الكلور الذائب أكثر من 22,000 ميكروغرام في الليتر. وبعد 250 يوماً، انخفضت كميته بنسبة 80 في المئة، وبلغ معدل التركيزات أقل من 3000 ميكروغرام في الليتر في المنطقة المعالجة.

أظهرت دراسات أجريت مؤخراً أن مادة البرمنغانات، التي يتم إنتاجها في شكل برمنغانات الصوديوم أو البوتاسيوم (NaMnO₄ أو KMnO₄) ، قادرة على تحليل الايثيلين العالي نسبة الكلور والايثيلين الثلاثي الكلور. وقد استخدمت برمنغانات البوتاسيوم في معالجة مياه الشفة ومياه الصرف طوال عقود. وهي مادة صلبة بلورية يمكن أن تحضَّر منها في الموقع المعالج محاليل بتركيز معين، باستخدام مياه جوفية او ماء حنفية، وبذلك يستغنى عن نفقات نقل كميات كبيرة من المحاليل المخفَّفة.

يتم حقن البرمنغانات عادة عند توافر الشروط الآتية: أولاً، عندما تكون الملوثات ألكينات (alkenes) (ايثيلين عالي نسبة الكلور، وايثيلين ثلاثي الكلور، وغيرهما)، ولا تستعمل في معالجة معظم مبيدات الآفات ومركبات الايثان المكلورة (ايثان ثلاثي الكلور، ايثان ثنائي الكلور، وغيرهما). ثانياً، عندما تكون المادة الملوِّثة موجودة في شكل ذائب لا شكل طليق. ثالثاً، عندما تستهدف المعالجة منطقة صغيرة نسبياً (وإلا تكون الكلفة عالية جداً). رابعاً، عندما تكون الطبقة تحت السطحية عالية المسامية نسبياً لكي تسمح للبرمنغانات بالتحرك. خامساً، عندما لا توجد آبار قريبة لمياه الشفة.

في موقع تابع لوزارة الطاقة في ولاية اوهايو، تم استخراج مياه جوفية من احدى الآبار، ومزجت مع برمنغانات البوتاسيوم، وأعيد حقنها في بئر أخرى على بعد 27 متراً. ومن خلال مراقبة المياه الجوفية، تبين أن تركيزات الايثيلين الثلاثي الكلور انخفضت من 700,000 ميكروغرام في الليتر الى أقل من 5 ميكروغرامات في الليتر خلال 12 اسبوعاً.

وفي قاعدة بوردن العسكرية في اونتاريو، كندا، عولجت طبقة مياه جوفية تحتوي على ايثيلين ثلاثي الكلور بتركيز 1,200 ميكروغرام في الليتر وايثيلين عالي نسبة الكلور بتركيز 6,700 ميكروغرام في الليتر، بحقن محلول برمنغانات البوتاسيوم بتركيز 8 غرامات في الليتر لمدة 500 يوم. وأظهر تحليل للمياه زوال 99 في المئة من المادتين الملوثتين.

تستعمل الحواجز التفاعلية النفّاذة (PRBs) حالياً في مجالات واسعة النطاق لمعالجة واحتواء المياه الجوفية الملوثة بمذيبات وكرومات. وهذه الحواجز هي "جدران" تحت الأرض تحتوي على مادة تفاعلية صممت لاعتراض المياه الجوفية الملوثة، وتوفير مسلك لجريان تفاضلي عبر هذه المادة، وتحويل الملوثات الى مستويات مقبولة من النظافة على الجانب الآخر من الجدار الذي تخرج منه المياه.

المادة التفاعلية هي الحديد. وقد تبين ان الايثيلين الثلاثي الكلور والكرومات (اضافة الى كثير من المواد الكيميائية الأخرى) يتحللان بفعل الحديد، مما يؤدي الى تفكك الأول وترسب الثاني وشل حركته. فالحديد يعطي الالكترونات اللازمة لتحلل الملوثات. والحاجز التفاعلي مصمم لتوفير الوقت الكافي لمكوث الملوثات، مما يسمح أيضاً بتحلل منتجات جانبية وسيطة مثل كلوريد الفنيل.

يستخدم تصميمان أساسيان لانشاء الحواجز التفاعلية النفّاذة، أحدهما نظام القمع والبوابة، والآخر نظام الخندق المتواصل.

في التصميم الأول، يثبت قمع غير نفّاذ، يتكون عادة من ركائز صفائحية متشابكة أو جدران من ملاط، لاحتواء جريان المياه الملوثة وتوجيهه الى بوابة (أو بوابات) تحتوي على مقطع نفّاذ من الحديد التفاعلي. والتصميم يجب أن يمنع المياه من الجريان حول الحاجز. والخندق المتواصل بسيط التصميم، اذ يتم حفره ثم طمره بالحديد التفاعلي، مما يسمح للمياه الملوثة بالمرور عبره.

وهناك طرق متعددة لانشاء الحاجز التفاعلي النفّاذ. والطريقة الأسهل والأقل كلفة هي الحفر غير المدعَّم. ويجب أن تكون التربة متماسكة الى حد يسمح ببقاء الحفرية مفتوحة من دون أن تنهار طوال المدة اللازمة لردمها بالمادة التفاعلية. وقد استخدمت هذه الطريقة بنجاح لتركيب حاجز تفاعلي نفّاذ حتى أعماق بلغت سبعة أمتار. ويمكن تدعيم الخندق اذا كانت التربة لا تستطيع الثبات مفتوحة من دون أن تنهار. وتستخدم طرق تدعيم موقتة مثل الأقفاص التي توضع في الخنادق.

في قاعدة وارن الجوية في ولاية وايومنغ الأميركية، تم تركيب حاجز لمعالجة مركبات هيدروكربونية مكلورة. وتألفت المادة التفاعلية من مزيج الحديد والرمل. وقد أظهرت النتائج أن التركيزات انخفضت الى مستويات يصعب اكتشافها في المياه الخارجة من الجدار.

وفي موقع صناعي في سياتل بولاية واشنطن، تم تركيب حاجز مكون من قمع وبوابة لمنع مركبات هيدروكربونية مكلورة من الوصول الى قناة مكشوفة. والمادة التفاعلية كانت حديداً. وسجلت تخفيضات في التركيزات وصلت الى 99 في المئة، ومنعت المواد الكيميائية من الوصول الى القناة.

وفي مرفق تابع لشركة "دوبون" في كينستون بولاية نورث كارولينا، تم تركيب حاجز تفاعلي متواصل لمعالجة تسرب مادة الايثيلين الثلاثي الكلور. وقد انخفضت التركيزات بنسبة 95 في المئة، وأظهرت القياسات أن التركيزات في 13 بئراً من أصل 16 انخفضت الى مستويات يصعب اكتشافها.

التكنولوجيات الثلاث جميعها واعدة. واختيار التكنولوجيا التي ينبغي استعمالها يتوقف على عدة عوامل، منها المواد الكيميائية التي يجب معالجتها، ونفاذية الطبقة التحتية التي يوجد فيها التلوث، وأهداف المعالجة، ووجهة استخدام الموقع، والفوائد الصحية، والوصول الى الموقع، والنفقات، والفعالية، وعمق المعالجة. وفي كثير من الحالات حيث يتقرر الاختيار من بين عدة تكنولوجيات في أحد المواقع، تكون للنفقات الكلمة الفصل.

يتزايد اكتشاف مذيبات عضوية في التربة والمياه الجوفية. وأكثرها انتشاراً الايثيلين العالي نسبة الكلور والايثيلين الثلاثي الكلور والايثان الثلاثي الكلور. وابتداء من ستينات القرن الماضي، كانت هذه المذيبات تستعمل أساساً لازالة الدهون في محلات التنظيف الجاف (المصابغ) والصناعات الالكترونية والتحويلية وصيانة الماكينات. ونتيجة تسربها من الخزانات والماكينات، أخذت تظهر الآن ذائبة في المياه الجوفية بتركيزات ثبت أنها غير صحية ومسببة لأمراض السرطان.

بخلاف المنتجات النفطية، فان معظم المذيبات هي أكثف من الماء، ويمكن أن تتواجد كمنتجات صرفة، لا تتوقف عند النطاق المائي (water table) وتجري من خلال الطبقة المشبعة الى الطبقة الصخرية الحابسة للماء. وهذه الميزة تجعل تنظيف المذيبات أصعب كثيراً من تنظيف الهيدروكربونات النفطية. فالمذيبات، عندما تكون في الطبقة المشبعة، تشكل "أصابع" تؤدي الى تجمع كميات كبيرة من المذيب في بركة أو أكثر في أعلى الطبقات الأقل نفاذية. والمذيبات التي لا تتبخر تنتقل الى الطبقة المشبعة وتكوّن أصابع يصعب تحديد أماكنها لكي تكون طرق المعالجة التقليدية ناجعة.

وساعدت عوامل أخرى على تلويث كبير للمياه الجوفية بالمذيبات، وتصعيب ازالة الملوثات بالطرق الميكانيكية. ومنها أن اللزوجة المنخفضة نسبياً للمذيبات تسمح لها بالتحرك السريع نزولاً الى الطبقة تحت السطحية، اضافة الى أن قدرتها العالية على الذوبان تجعل التسرب يلوِّث المياه الجوفية الى مستويات تضر بصحة الانسان.