سائل غير مائي

لطالما شكلت المياه الجوفية مصدراً مهماً للمياه لشبكات المياه العامة والآبار الخاصة والأنظمة الزراعية على مر الأجيال. وكان يُعتقد على نطاق واسع أن المياه، أثناء مرورها عبر التربة، تُزال منها الشوائب قبل أن تصل إلى خزانات المياه الجوفية؛ ونتيجة لذلك، لم يكن هناك قلق كبير بشأن تلوث البيئة تحت السطحية. ^{[ 3 ]}

في عام 1960، لوحظ وجود ملوثات عضوية، بما في ذلك الهيدروكربونات البترولية ومشتقات قطران الفحم والمنظفات الاصطناعية والمبيدات الحشرية، في دراسة شاملة للأدبيات العلمية حول تلوث المياه الجوفية، مما قدم أول مؤشر على وجود سوائل غير قابلة للامتزاج بالماء (NAPLs) في باطن الأرض. ^{[ 4 ]} وبحلول أوائل سبعينيات القرن العشرين، وفر التطور التكنولوجي لتقنية كروماتوغرافيا الغاز طريقة جديدة للكشف عن ملوثات المياه الجوفية التي لا يمكن إدراكها بالحواس البشرية. وأدى هذا التطور إلى اكتشاف وتحليل المذيبات المكلورة، وهي من أخطر أنواع سوائل NAPL. ^{[ 2 ]} وأصبح من المعلوم أن سوائل NAPLs تشكل تحديًا في كل من الكشف عنها وإزالتها من باطن الأرض. ^{[ 1 ]} ولأن سوائل NAPLs تشارك في سلسلة بيولوجية من التحلل، فإنها تنتج مواد كيميائية وسيطة تشكل مخاطر جسيمة على صحة الإنسان. ^{[ 2 ]}

ازدادت هذه المخاوف الصحية وضوحًا في الرأي العام بعد تقرير صحيفة "نياجرا فولز غازيت" عام 1976 حول تلوث التربة قرب قناة لوف . وقد أدى اكتشاف هذه الكميات الكبيرة من الملوثات، وانتشارها الجغرافي الواسع، وآثارها الصحية الخطيرة، في نهاية المطاف إلى سنّ قانون الاستجابة البيئية الشاملة والتعويض والمسؤولية (CERCLA) وقانون الصندوق الخارق (Superfund ). وقد ساهم هذا الاهتمام المتزايد بتلوث المياه الجوفية في زيادة تمويل الأبحاث، وكشفت الدراسات اللاحقة عن انتشار واسع النطاق لتلوث المياه الجوفية في الولايات المتحدة. ونتيجة لذلك، توسع فهم آليات انتقال الملوثات العضوية، بما في ذلك السوائل غير القابلة للامتزاج بالماء (NAPLs)، وتطوير استراتيجيات معالجتها. ^{[ 2 ]}

ركزت استراتيجيات المعالجة المبكرة على استعادة جودة المياه الجوفية عبر حفر الآبار لاستخراجها ومعالجتها (استراتيجية الضخ والمعالجة)، ولكن سرعان ما اتضح أن حجم المياه المطلوب استخراجها ومعالجتها كبير بشكل غير معقول وغير عملي. ^{[ 2 ]} إضافةً إلى ذلك، قد يكون حفر الآبار مُضرًا بالبيئة تحت السطحية، وقد يتسبب في تسرب السوائل غير القابلة للامتزاج بالماء (NAPLs) إلى أعماق أكبر، وهو ما يُعدّ مُعاكسًا للنتائج المرجوة. ^{[ 3 ]} في حين يرى بعض الخبراء أن الإزالة الكاملة لهذه السوائل من البيئة تحت السطحية أمرٌ مُستحيل، ينظر آخرون إلى هذا التحدي كفرصة لتوسيع نطاق تقنيات المعالجة وتطويرها. ^{[ 2 ]} ونتيجةً لذلك، طُوّرت مجموعة متنوعة من الابتكارات للكشف عن هذه السوائل والحدّ من آثارها خلال الفترة من ثمانينيات القرن الماضي وحتى منتصف العقد الأول من الألفية الثانية، مما وفّر بدائل لاستراتيجية الضخ والمعالجة. ^{[ 5 ]}

تُحدد الخصائص المجهرية للسوائل غير المائية غير القابلة للامتزاج بالماء (NAPLs) سلوكها في البيئة. ^{[ 1 ]} عند دخولها منطقة التشبع، تُحدد كثافتها النسبية مقارنةً بكثافة الماء سلوكها. ونتيجةً لذلك، تُصنف هذه السوائل بناءً على كثافتها النسبية إلى نوعين رئيسيين: السوائل غير المائية الخفيفة (LNAPLs) والسوائل غير المائية الكثيفة (DNAPLs) . تميل السوائل غير المائية الخفيفة إلى الطفو على سطح الماء الجوفي ، بينما تميل السوائل غير المائية الكثيفة إلى الغرق، وفي بعض الحالات، تتجمع في القاع. وبالمقارنة مع السوائل غير المائية الخفيفة، تُعد السوائل غير المائية الكثيفة أكثر سمية وأقل قابلية للتحلل البيولوجي. ^{[ 3 ]}

توجد مجموعة متنوعة من المعايير الخاصة بالبيئة تحت السطحية، والتي تُعدّ مهمة عند وضع نماذج كمية لسلوك السوائل غير القابلة للامتزاج بالماء. تشمل بعض هذه المعايير نفاذية التربة ، والرطوبة، وتوزيع حجم الجسيمات، والقوة الشعرية ، وقابلية التبلل ، وسرعة تدفق المياه الجوفية. ^{[ 1 ] [ 3 ]} وتتسم عملية جمع هذه البيانات بالتنوع والتعقيد. ^{[ 3 ]}

تتضمن المنطقة غير المشبعة وسطًا مساميًا يتكون من جزيئات صغيرة، تحيط بها طبقة رقيقة من الماء تعمل كغشاء . أما باقي الفراغ بين هذه الجزيئات فيتكون من الهواء. وبالتالي، يمكن أن تبقى السوائل العضوية غير القابلة للامتزاج بالماء (NAPLs) على شكل هيدروكربون غير قابل للامتزاج، أو تذوب في الماء، أو تُمتص على مادة صلبة مسامية، أو تتبخر إلى الحالة الغازية. ^{[ 3 ]}

يُعدّ هذا النموذج رباعي الأطوار شديد التباين، بل وقد يتغير داخل الموقع نفسه خلال مراحل معالجة الموقع المختلفة. لذا، من المهم مراقبة توزيع الأطوار باستمرار لكل حالة على حدة. يختلف كل طور من هذه الأطوار من حيث حركته وتقنيات المعالجة المتاحة له. أكثر أطوار السوائل العضوية غير القابلة للامتزاج (NAPL) حركةً هي الطور المتطاير/الغازي والطور المذاب/المائي، بينما أقلها حركةً هي الطور الممتز/الصلب والطور السائل غير القابل للامتزاج. ^{[ 1 ]} وبسبب هذه التعقيدات، يصعب قياس التدفق في المنطقة غير المشبعة مقارنةً بالمنطقة المشبعة. ^{[ 3 ]}

يُعدّ تلوث المنطقة غير المشبعة خطيرًا نظرًا لاحتمالية تسرب الملوثات إلى المنطقة المشبعة، حيث توجد طبقات المياه الجوفية، واحتمالية إلحاق الضرر بالحياة البيئية. ^{[ 3 ]} ويتحدد وصول السوائل غير القابلة للامتزاج بالماء (NAPL) إلى المنطقة المشبعة بمعامل يُسمى التشبع المتبقي. وينتج التشبع المتبقي عن الخاصية الشعرية، التي تُثبّت السوائل غير القابلة للامتزاج بالماء وتُحدّ من تسربها إلى المنطقة المشبعة. ^{[ 1 ]}

في المنطقة المشبعة، تمتلئ الفراغات بين الجزيئات بالماء. ولذلك، يُستخدم نموذج ثلاثي الأطوار لتوزيع أطوار السوائل العضوية غير القابلة للامتزاج بالماء (NAPL) في هذه المنطقة، والذي يستثني الطور الغازي. ^{[ 3 ]} بمجرد وصول السوائل العضوية غير القابلة للامتزاج بالماء (NAPL) إلى مستوى المياه الجوفية في المنطقة المشبعة، تطفو السوائل العضوية غير القابلة للامتزاج بالماء (LNAPL) بينما تغوص السوائل العضوية غير القابلة للامتزاج بالماء (DNAPL). يمكن لكل من السوائل العضوية غير القابلة للامتزاج بالماء (LNAPL) والسوائل العضوية غير القابلة للامتزاج بالماء (DNAPL) البقاء في مستوى المياه الجوفية لفترات طويلة، حيث تذوب ببطء وتُشكّل أعمدة كيميائية ضارة؛ ولهذا السبب، تُعدّ معالجة المنطقة المشبعة ذات أهمية خاصة للعلماء. ^{[ 3 ] [ 5 ]}

عادةً ما تكون معالجة الملوثات العضوية غير القابلة للامتزاج بالماء (LNAPLs) أقل تعقيدًا وتتطلب استراتيجيات هندسية أبسط. في المقابل، يمكن أن تتسرب الملوثات العضوية غير القابلة للامتزاج بالماء (DNAPLs) إلى الشقوق في الطبقة الأصلية للتربة تحت السطحية، مما يُعقّد حركتها والتقنيات اللازمة لمعالجتها. ^{[ 3 ]} في أفضل الأحوال، تكون الملوثات العضوية غير القابلة للامتزاج بالماء متصلة ومتجمعة كخزان فوق الطبقة غير المنفذة. في هذه الحالة، يمكن حفر بئر استخراج وتركيبها. عندما يتعلق الأمر بمعالجة الملوثات العضوية غير القابلة للامتزاج بالماء، كلما أُزيلت مبكرًا، كان ذلك أفضل. ^{[ 6 ]}

تتضمن استراتيجيات المعالجة الكيميائية عادةً تفاعلات الأكسدة والاختزال ، وأكثرها شيوعًا الأكسدة الكيميائية المباشرة، والاختزال الكيميائي المباشر، والأكسدة الثانوية للاختزال، وإزالة الكلور المعززة بالمعادن . وتعتمد المعالجة المناسبة بشكل كبير على نوع الملوث. تُعدّ الاستراتيجيات الكيميائية الطريقة الأسرع والأكثر مباشرة لمعالجة المذيبات المكلورة، وهي من أكثر أنواع السوائل العضوية غير القابلة للامتزاج بالماء شيوعًا. ^{[ 6 ]}

يتمثل أحد التحديات المتعلقة بالاستراتيجيات الكيميائية في وجود تفاعلات تنافسية تحد من فعالية المعالجة. كما يتمثل تحدٍ آخر في وجود نواتج ثانوية قد تؤدي إلى انتشار الملوث المستهدف. ^{[ 6 ]}

تشمل تقنيات التطبيق الحقن عبر الآبار أو وضع مصفوفة معالجة صلبة . في نهاية المطاف، يُعد العامل الأهم الذي يحدد جدوى أسلوب المعالجة الكيميائية هو ما إذا كانت ظروف باطن الأرض تسمح بالتطبيق الفعال. ^{[ 6 ]}

أصبح من الممكن تسريع العمليات البيولوجية الطبيعية الهوائية واللاهوائية ، والعمليات البيولوجية المتتابعة الهوائية و/أو اللاهوائية، لتقليل وجود السوائل العضوية غير القابلة للامتزاج بالماء (NAPLs) في البيئة تحت السطحية. تعتمد معظم استراتيجيات المعالجة البيولوجية على وجود مجموعات محددة من البكتيريا/الكائنات الدقيقة، وإضافة الكربون العضوي لتحفيز التحلل البيولوجي. يمكن توفير هذا الكربون العضوي عن طريق حقن مصادر الكربون العضوي القابلة للذوبان، مثل اللاكتات والكحولات ومصل الجبن، وغيرها، ووضع مانحات إلكترونات بطيئة الإطلاق، مثل مستحلبات الزيوت النباتية وزيت فول الصويا . ^{[ 6 ]}

يجب توفر كمية كافية من الأكسجين المذاب لحدوث التحلل البيولوجي الهوائي، ويمكن توفيره من خلال استراتيجيات تشمل ضخ الهواء واستخلاص بخار الماء. ومع ذلك، فإن القدرة على توفير كمية كافية من الأكسجين تُعد عاملاً مُحدداً يؤثر على نجاح هذا النوع من استراتيجيات المعالجة. كما تتطلب العديد من الحالات وجود مُحفزات مثل الميثان أو البروبان أو الأمونيا أو التولوين ، وهي ملوثات بحد ذاتها ضارة بطبيعتها بالبيئة تحت السطحية. ^{[ 6 ]}

يُمثل الحفاظ على أعداد كافية من البكتيريا/الكائنات الدقيقة في ظل منافسة البكتيريا المحلية والضغوط الخارجية الأخرى تحديًا آخر. كما توجد معارضة تنظيمية لاستخدام البكتيريا المعدلة وراثيًا . علاوة على ذلك، قد لا تكون السوائل العضوية غير القابلة للامتزاج بالماء (NAPLs) متاحة بيولوجيًا بسهولة ، مما يحد من فعالية استراتيجيات التحلل البيولوجي. من هذا المنطلق، قد لا يكون التحلل البيولوجي حلاً مناسبًا بمفرده، ولكنه بالتأكيد يُمكن استخدامه بالتزامن مع استراتيجيات أخرى. ^{[ 6 ]}