معالجة المياه الجوفية

إذا أظهرت دراسة قابلية المعالجة عدم وجود تحلل (أو فترة مختبرية طويلة قبل تحقيق تحلل ملحوظ) للتلوث الموجود في المياه الجوفية، فقد يكون التلقيح بسلالات معروفة بقدرتها على تحليل الملوثات مفيدًا. تزيد هذه العملية من تركيز الإنزيمات التفاعلية داخل نظام المعالجة الحيوية ، وبالتالي قد تزيد من معدلات تحلل الملوثات مقارنةً بالمعدلات غير المُعززة، على الأقل في البداية بعد التلقيح. ^{[ 2 ]}

التهوية البيولوجية هي تقنية معالجة موضعية تستخدم الكائنات الدقيقة لتحليل المكونات العضوية في نظام المياه الجوفية. تعزز هذه التقنية نشاط البكتيريا والعتائق المحلية، وتحفز التحلل البيولوجي الطبيعي للهيدروكربونات في الموقع عن طريق إدخال الهواء أو الأكسجين إلى المنطقة غير المشبعة، وإضافة المغذيات عند الضرورة. ^{[ 3 ]} خلال عملية التهوية البيولوجية، يمكن توفير الأكسجين عن طريق حقن الهواء مباشرة في التلوث المتبقي في التربة. تساعد التهوية البيولوجية بشكل أساسي في تحلل مخلفات الوقود الممتصة، كما تساعد في تحلل المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) حيث تتحرك الأبخرة ببطء عبر التربة النشطة بيولوجيًا. ^{[ 4 ]}

المعالجة الحيوية بالهواء هي تقنية معالجة موضعية تستخدم الكائنات الحية الدقيقة المحلية لتحليل المكونات العضوية في المنطقة المشبعة. في هذه التقنية، يُضخ الهواء (أو الأكسجين) والمغذيات (إذا لزم الأمر) إلى المنطقة المشبعة لزيادة النشاط البيولوجي للكائنات الحية الدقيقة المحلية. يمكن استخدام المعالجة الحيوية بالهواء لتقليل تركيزات مكونات البترول المذابة في المياه الجوفية، والممتصة على التربة أسفل مستوى الماء الجوفي ، وفي نطاق الشعيرات الدموية .

تجمع عملية الامتصاص الحيوي بين عناصر التهوية الحيوية والضخ المعزز بالفراغ للمنتج الحر الأخف من الماء ( السائل غير المائي الخفيف أو LNAPL) لاستخلاص هذا المنتج من المياه الجوفية والتربة، ولإجراء المعالجة الحيوية للتربة. يستخدم نظام الامتصاص الحيوي أنبوبًا يمتد إلى طبقة المنتج الحر. وكما يسحب القش السائل من الكوب، تسحب المضخة السائل (بما في ذلك المنتج الحر) وغاز التربة عبر الأنبوب في نفس مسار العملية. يرفع الضخ السوائل غير المائية الخفيفة، مثل النفط، من أعلى مستوى المياه الجوفية ومن المنطقة الشعرية (أي المنطقة الواقعة فوق المنطقة المشبعة مباشرة، حيث يُحتفظ بالماء بفعل الخاصية الشعرية). يُنقل السائل غير المائي الخفيف إلى السطح، حيث يُفصل عن الماء والهواء. تشير العمليات البيولوجية في مصطلح "الامتصاص الحيوي" إلى التحلل البيولوجي الهوائي للهيدروكربونات عند إدخال الهواء إلى التربة الملوثة في المنطقة غير المشبعة. ^{[ 5 ]}

في عملية المعالجة النباتية ، تُزرع أنواع معينة من النباتات والأشجار التي تمتص جذورها الملوثات من المياه الجوفية بمرور الوقت. ويمكن تنفيذ هذه العملية في المناطق التي تستطيع فيها الجذور الوصول إلى المياه الجوفية. ومن الأمثلة على النباتات المستخدمة في هذه العملية: سرخس السلم الصيني (Pteris vittata)، المعروف أيضًا باسم سرخس الفرامل، وهو مُراكم فعال للغاية للزرنيخ . كما تُعد أشجار الحور المعدلة وراثيًا ماصة جيدة للزئبق ، بينما تمتص نباتات الخردل الهندي المعدلة وراثيًا السيلينيوم بكفاءة عالية. ^{[ 6 ]}

تستخدم أنواع معينة من الحواجز التفاعلية النفاذة الكائنات الحية من أجل معالجة المياه الجوفية.

تُستخدم عملية الترسيب الكيميائي بشكل شائع في معالجة مياه الصرف الصحي لإزالة العسر والمعادن الثقيلة . تتضمن هذه العملية إضافة عامل إلى تيار مياه الصرف الصحي في وعاء تفاعل مُحَرَّك، إما على دفعات أو بتدفق مستمر. يمكن تحويل معظم المعادن إلى مركبات غير قابلة للذوبان عن طريق التفاعلات الكيميائية بين العامل وأيونات المعادن الذائبة. تُزال المركبات غير القابلة للذوبان (الرواسب) عن طريق الترسيب و/أو الترشيح.

تُجرى عملية التبادل الأيوني لمعالجة المياه الجوفية عادةً بتمرير الماء إلى أسفل تحت ضغط عبر طبقة ثابتة من وسط حبيبي (إما وسط تبادل كاتيونات أو وسط تبادل أنيونات) أو حبيبات كروية. تُستبدل الكاتيونات بكاتيونات أخرى من المحلول، وتُستبدل الأيونات بأنيونات أخرى. من أكثر أوساط التبادل الأيوني استخدامًا في المعالجة الزيوليت (الطبيعي والاصطناعي) والراتنجات الاصطناعية. ^{[ 2 ]}

يُستخلص الكربون المنشط الأكثر شيوعاً في عمليات المعالجة من الفحم البيتوميني . يمتص الكربون المنشط المركبات العضوية المتطايرة من المياه الجوفية، حيث تلتصق هذه المركبات بسطح الكربون المنشط الشبيه بالجرافيت.

في هذه العملية، التي تُسمى الأكسدة الكيميائية الموضعية (ISCO)، تُضخّ المؤكسدات الكيميائية إلى باطن الأرض لتدمير الجزيئات العضوية (تحويلها إلى ماء وثاني أكسيد الكربون أو إلى مواد غير سامة). تُضخّ هذه المؤكسدات إما في صورة سوائل أو غازات. تشمل هذه المؤكسدات الهواء أو الأكسجين، والأوزون ، وبعض المواد الكيميائية السائلة مثل بيروكسيد الهيدروجين ، وبرمنجنات البوتاسيوم ، وبيرسلفات البوتاسيوم . يمكن توليد غاز الأوزون والأكسجين في الموقع من الهواء والكهرباء، ثم حقنهما مباشرةً في التربة والمياه الجوفية الملوثة. تتميز هذه العملية بقدرتها على أكسدة و/أو تعزيز التحلل الهوائي الطبيعي. وقد أثبتت الأكسدة الكيميائية فعاليتها في معالجة السوائل الكثيفة غير المائية (DNAPL) عند وجودها.

تعمل تقنية الاستخلاص المعزز بالمواد الفعالة سطحياً على زيادة حركة وذوبان الملوثات الممتصة في مصفوفة التربة المشبعة أو الموجودة على شكل سائل كثيف غير مائي . وتقوم هذه التقنية بحقن مواد فعالة سطحياً (وهي مكونات أساسية في الصابون والمنظفات) في المياه الجوفية الملوثة. يستخدم النظام النموذجي مضخة استخراج لإزالة المياه الجوفية من نقطة الحقن. تُعالج المياه الجوفية المستخرجة فوق سطح الأرض لفصل المواد الفعالة سطحياً المحقونة عن الملوثات والمياه الجوفية. وبمجرد فصل المواد الفعالة سطحياً عن المياه الجوفية، يُعاد استخدامها. المواد الفعالة سطحياً المستخدمة غير سامة، وصالحة للاستخدام في الأغذية، وقابلة للتحلل الحيوي. يُستخدم الاستخلاص المعزز بالمواد الفعالة سطحياً في أغلب الأحيان عندما تكون المياه الجوفية ملوثة بسوائل كثيفة غير مائية (DNAPLs). تغوص هذه المركبات الكثيفة، مثل ثلاثي كلورو الإيثيلين (TCE)، في المياه الجوفية لأن كثافتها أعلى من كثافة الماء. ثم تعمل كمصدر مستمر لانتشار الملوثات التي قد تمتد لأميال داخل طبقة المياه الجوفية. قد تتحلل هذه المركبات بيولوجيًا ببطء شديد. وعادة ما توجد بالقرب من مكان الانسكاب أو التسرب الأصلي حيث تحاصرها قوى الشعرية. ^{[ 7 ]}

تستخدم بعض الحواجز التفاعلية النفاذة عمليات كيميائية لتحقيق معالجة المياه الجوفية.

تُعدّ تقنية الضخ والمعالجة من أكثر تقنيات معالجة المياه الجوفية استخداماً. في هذه العملية، تُضخ المياه الجوفية إلى السطح وتُعالج إما بيولوجياً أو كيميائياً لإزالة الشوائب. ^{[ 8 ]}

تُعرف عملية ضخ الهواء بأنها عملية نفخ الهواء مباشرةً في المياه الجوفية. ومع صعود الفقاعات، تُزال الملوثات من المياه الجوفية عن طريق التلامس المباشر مع الهواء (أي التجريد)، وتُحمل إلى المنطقة غير المشبعة (أي التربة). وعندما تنتقل الملوثات إلى التربة، يُستخدم عادةً نظام استخلاص أبخرة التربة لإزالة هذه الأبخرة. ^{[ 9 ]}

الاستخلاص الفراغي ثنائي الطور (DPVE)، المعروف أيضًا بالاستخلاص متعدد الأطوار، هو تقنية تستخدم نظام فراغ عالي لإزالة كل من المياه الجوفية الملوثة وبخار التربة. في أنظمة DPVE، يُركّب بئر استخلاص فراغي عالي مع قسمه المُصفّى في منطقة التربة والمياه الجوفية الملوثة. تعمل أنظمة استخلاص السوائل/البخار على خفض منسوب المياه الجوفية، مما يُسرّع تدفق المياه إلى بئر الاستخلاص. يزيل DPVE الملوثات من أعلى وأسفل منسوب المياه الجوفية. مع انخفاض منسوب المياه الجوفية حول البئر نتيجة الضخ، تنكشف التربة غير المشبعة. غالبًا ما تكون هذه المنطقة، التي تُسمى بالهامش الشعري ، شديدة التلوث، لاحتوائها على مواد كيميائية غير ذائبة، ومواد كيميائية أخف من الماء، وأبخرة متسربة من المياه الجوفية الذائبة في الأسفل. يمكن إزالة الملوثات في المنطقة المكشوفة حديثًا عن طريق استخلاص البخار. بمجرد خروجها من السطح، تُفصل الأبخرة المستخرجة والمواد العضوية السائلة والمياه الجوفية وتُعالج. يمكن أن يؤدي استخدام تقنية الاستخلاص الفراغي ثنائي الطور مع هذه التقنيات إلى تقصير وقت التنظيف في الموقع، لأن منطقة الشعيرات الدموية غالباً ما تكون المنطقة الأكثر تلوثاً. ^{[ 10 ]}

تُحفر آبار المراقبة عادةً لجمع عينات من المياه الجوفية لتحليلها. ويمكن استخدام هذه الآبار، التي يبلغ قطرها عادةً ست بوصات أو أقل، لإزالة الهيدروكربونات من بقعة التلوث داخل طبقة المياه الجوفية باستخدام كاشطات الزيت ذات الحزام. وتُستخدم كاشطات الزيت ذات الحزام، ذات التصميم البسيط، على نطاق واسع لإزالة الزيت والملوثات الهيدروكربونية الأخرى العائمة من أنظمة المياه الصناعية.

تقوم كاشطة الزيت في آبار المراقبة بمعالجة أنواع مختلفة من الزيوت، بدءًا من زيوت الوقود الخفيفة كالبنزين والديزل الخفيف والكيروسين، وصولًا إلى المنتجات الثقيلة كزيت رقم 6 والكريوزوت وقطران الفحم. تتكون الكاشطة من سير متحرك باستمرار يعمل على نظام بكرات مدفوع بمحرك كهربائي. يتميز السير بقدرة عالية على امتصاص السوائل الهيدروكربونية وطرد الماء. يُنزل السير، الذي قد يصل ارتفاعه الرأسي إلى أكثر من 30 مترًا، إلى داخل بئر المراقبة متجاوزًا منطقة التماس بين السوائل الهيدروكربونية الخفيفة غير القابلة للامتزاج بالماء (LNAPL) والماء. أثناء مرور السير عبر هذه المنطقة، يلتقط الملوثات الهيدروكربونية السائلة التي تُزال وتُجمع على مستوى سطح الأرض عند مروره عبر آلية مسح. في حال ترسب الهيدروكربونات الخفيفة غير القابلة للامتزاج بالماء (DNAPL) في قاع بئر المراقبة، ووصول البكرة السفلية لكاشطة السير إليها، يمكن أيضًا إزالة هذه الملوثات بواسطة كاشطة الزيت في آبار المراقبة.

عادةً، تزيل الكاشطات الحزامية كمية قليلة جدًا من الماء المحمل بالملوثات، لذا يمكن استخدام فواصل بسيطة من نوع السد لجمع أي سائل هيدروكربوني متبقٍ، مما يجعل الماء في كثير من الأحيان مناسبًا لإعادته إلى طبقة المياه الجوفية. ولأن المحرك الكهربائي الصغير يستهلك القليل من الكهرباء، يمكن تشغيله بواسطة الألواح الشمسية أو توربينات الرياح ، مما يجعل النظام مكتفيًا ذاتيًا ويُلغي تكلفة مدّ الكهرباء إلى موقع بعيد. ^{[ 11 ]}