معاملة فضلات الصناعات النفطية

مما لا شك فيه انه بقدر ما يقوم به النفط من خدمات فانه يجنح الى النواحي السلبية أكثر، وتحتاج فضلات صناعته وحوادث انتشاره الى المعالجات وتستعمل لذلك مجسات حيوية خاصة به.

المجسات الحيوية

استخدمت المجسات في معالجة  التلوث البيئي بالمعادن الثقيلة، ولكن المجسات المستعملة في اكتشاف التلوث النفطي وان كانت تبنى على الاسس نفسها الا ان لها بعض الخصوصية. وتستعمل في هذا المجال لأغراض :

• تسجيل التلوث البيئي بالنفط.
• السيطرة على عمليات معالجة البيئة الحيوية.
• تحديد تراكيز المواد الملوثة السامة.

وتستعمل المجسات الحيوية لتسجيل التلوث بالمواد الاكثر خطورة مثل المركبات الحلقية وكذلك المواد المتطايرة مثل مجموعة (o- xylene Benezene , Toluene , Ethylbeneze , Xylene , m- xylene , p- xylene (BTEX) في التربة والمياه الجوفية. وذلك لأن العمليات التقليدية التي تجرى بطرق تحليلية للكشف عنها تحتاج الى معاملات أولية وأجهزة وتكون مكلفة وغيرها من الأسباب الذي دفع الى ايجاد المجسات الحيوية Biosensors او المجسات البكتيرية بشكل اخص التي تكون لها بعض المزايا الجيدة. ومنها ان الطرق التقليدية لا تستطيع التمييز بين المواد الجاهزة حيويا وغيرها الجاهزة، فالطرق التقليدية يمكن ان تحدد تراكيز المواد في الأطوار الملوثة ولكن لا تستطيع ان تحدد فيما اذا كانت المواد يمكن استغلالها من قبل الاحياء والتي تكون مهمة في المعالجات الحيوية ، في حين ان المجسات الحيوية او البكتيرية تسجل التراكيز بصورة مقاربة للطرق الكيماوية اضافة الى امكانية تحديد سميتها، كما انها تكون ذات تكاليف واطئة بعد اعدادها وتحضيرها ويمكن استعمالها في مواضع التلوث في الحقول.

وقد استغلت الهندسة الوراثية بشكل كبير في هذا المجال فأمكن انتاج مجسات تقيس الملوثات بإعطاء الضوء الخاص بالبكتريا البحرية Photobacterium phosphoreum ويكون انتاج الضوء مرتبطا بتنفس الخلايا ووجود اي مادة تؤدي الى اضطراب هذه الفعالية الحيوية يؤدي الى تقليل انبعاث الضوء.

وتم أيضاً تحضير مجسات بكتيرية لتحديد التلوث بالنفثالين وذلك بإقحام جين lux (الذي يشفر لأنزيم Luciferase في ذبابة النار) أما الجين nahG المسئول عن هدم النفثالين في البكتريا Ps. Fluorescens وكانت السلالات الناتجة تظهر الاستجابة عند تعرضها للنفثالين ببعث الضوء.

وحضرت مجسات اخرى باستعمال Ps. Fluorescens HK44 لتحسس النفثالين والساليسلات (المركب الناتج من هدم النفثالين) ويمكن ان تبعث الوميض الحيوي وتتحسس وجود النفثالين بتراكيز تصل الى 45 جزء بالمليون ويمكن استعمال المجس في النماذج المائية او التربة.

واستعملت السلالة أعلاه HK44 في تحضير مجسات للكشف عن المركبات الحلقية الاخرى في نماذج تحت سطح التربة.

اضافة الى تحضير مجسات اخرى لتحديد المركبات الحلقية والمواد الكارهة للماء باستعمال البكتريا المضيئة السلالة GC2 الحاوية على lac::luxCDABE والتي تنتج الضوء باستمرار وعند وجود المواد الملوثة او السامة يقل انبعاث الضوء، وصمم المجس ليستعمل في المواقع البيئية الخارجية.

كما حضرت مجسات خاصة للكشف عن benzene والبنزوات ومشتقاتها باستعمال ممهدات Pm , Pu ومنشطات او منظمات الانتساخ Xyl_s , Xyl_R التي ربطت الى جينات اعلان مثل Luciferase او β – galactosidase ويمكن استعمال العناصر الوراثية لتركيب المجسات لقياس عدد من الملوثات. وهناك عددا آخر من المجسات التي تقيس ملوثات مختلفة كما موضح بعضها في الجدول (2).

وقد استغلت بروتينات الصدمة الحرارية كونها من مظاهر الاستجابات السريعة في الخلايا عند تعرضها للاجهادات ونظرا لان وجود النفط ومشتقاته يعد احد الاجهادات الكيماوية لذلك حضرت مجسات تحوي على جينات اعلان دمجت مع ممهدات هذه البروتينات لتشكل نوعا اخر من المجسات.

جدول 1 : بعض المجسات الحيوية المستعملة في الكشف عن التلوث

وبالرغم من التطورات الحاصلة في مجال Nano technology فانه لا تزال هناك معوقات امام استعمال المجسات البكتيرية ذات الوميض الحيوي، وذلك لان الخلايا البكتيرية هي انظمة معقدة وانتاج الوميض لا يعتمد فقط على التعبير عن الجينات الخاصة بالوميض وانما يعتمد على حالة الفسلجية للخلايا وجوانبها المتشبعة مثل :

• معدل انتساخ الجينات.
• معدل تخليق البروتينات.
• نضوحيه الأغشية.
• الحالة الفسلجية والايضية للخلايا.

كما ان الخلايا المقيدة في المجسات تكون ذات عمر محدود لذلك فان هذه المسجات تحتاج الى تطوير أكثر لغرض استعمالها في المعالجات الحيوية، ولكن تبقى ميزة المجسات المعتمدة على الخلايا مهمة وهي تشير الى الكشف عن الملوث واعطاء الضوء يعني ان الخلايا تستطيع استهلاكه وانه جاهز حيويا.

معاملة الفضلات حيويا

منذ مدة بدأت عملية معاملة الفضلات سواء الصناعية او اي نوع من التلوث بالطرق الكيماوية وبعدها بدأت المعاملات الحيوية. وكانت بداية الأمر تعتمد على استعمال الفلورا الداخلية للمواد الملتصقة الى قطيرات النفط واستعمال عمليات التدوير بدون اضافة اللقاحات. وبتوسع عمليات تصنيع النفط وازدياد حوادث التلوث والتي في معظم الاحياء تؤدي الى تكوين حمأة النفط Oily   Sludge ، اذ تلتصق الهايدروكاربونات بشدة الى حبيبات التربة وهذه من المشاكل المعقدة. اما الهايدروكاربونات الخفيفة والتي تكون عادة سامة فتميل للتطاير الى الهواء مؤدية الى تلويثه وتهديد الكائنات الحية، اضافة الى ملوثات الكبريت التي ترافق عمليات تكوير النفط.

وأغلب عمليات المعاملة تجرى على الترب وتمتاز المعاملات الحيوية عن المعاملات الفيز وكيماوية عند المعالجة، ان اغلبية جزيئات نظام النفط الخام ومنتجات تكويره تكون قابلة للتحلل الحيوي والاحياء التي تقوم بهذه المهمة منتشرة بكثرة. ويمكن ان تتم المعالجات الحيوية بعدة اشكال مثل استعمال المفاعلات الحيوية او طريقة الاكوام Biopiling والتي تسمى بعض الأحيان الكمر او استعمال Bioventing .

العوامل المؤثرة على المعاملات الحيوية

تتحكم بعمليات تفكيك النفط الخام وفضلاته بالأحياء المجهرية عدة عوامل منها :

• الظروف الفيزياوية المطبقة مثل درجة الحرارة والضوء فيما اذا كانت الاحياء المستعملة تقوم بعملية التخليق الضوئي.
• طبيعة الملوثات هل هي سائلة ام صلبة.
• الجاهزية الحيوية للمواد.
• صفات الانظمة الحيوية المستعملة للمعالجة.
• وتترتب المركبات النفطية وفق جاهزيتها الحيوية بداية n- alkanes وهي التي تستخدم بسهولة، تأتي بعدها مشتقاتها المتفرعة، ثم alkanes المتفرعة السلاسل، ثم مركبات n-alkyl aromatics ذات الوزن الجزيئي الواطئ ثم المركبات الحلقية ذات الحلقة الواحدة وتتدرج الى ان تصل الى المركبات الصلبة ذات السلاسل الكاربونية الطويلة.

وفي جميع الأحوال تحتاج المواد الى الانتشار في الطور المائي الذي يؤثر على الجاهزية

ويمكن الاعتماد على الاحياء الطبيعية الموجودة في المواد الملوثة ولكنها تحتاج الى مصادر نتروجين وفوسفات لذلك عند المعالجة تضاف المخصبات الحاوية على العنصرين، او تضاف مخصبات عضوية مثل مسحوق عظام السمك لغرض تحفيزها حيويا، وكذلك تضاف المشتتات الحيوية.

والمعالجات الطبيعية تحتاج الى وقت طويل وجهد بشري قليل، اما في المعالجات المسيطر عليها والتي تجري في مفاعلات حيوية فهي تحتاج الى استغلال التقنيات المستعملة مع الاحياء المجهرية في صناعات التخمر، اضافة الى تدخلات هندسية لتصميم المفاعلات الحيوية وملحقاته وذلك لجعل عملية التفكيك بأمثل حال من حيث معدل التفكيك ومداه، ويجب الاخذ بنظر الاعتبار ازالة المواد الناتجة لأن بعضها قد تكون سامة، ويمكن اجراء معاملة ثانوية عليها الى ان تحلل الى مركبات غير سامة.

المعالجات الحيوية المفتعلة

وهي التي تعتمد على الفلورا الطبيعية في المواقع المراد معالجتها في التربة وفيها تشارك الاحياء المجهرية الموجودة في محيط الجذور النباتية الموجودة وكذلك النباتات. فالأخيرة تفرز جذورها العديد من المواد التي تزود الميكروبات بالمواد الغذائية تساعدها على النمو وزيادة اعدادها في المناطق المحيطة بالجذر مقارنة بالمناطق البعيدة عنه. ويمكن لهذه المعالجات ان تتم بواسطة النباتات بشكل أفضل.

Landfarming

وهذه الطريقة غير مقبولة من الناحية البيئية ولكنها لا تزال مستعملة في معالجة الحمأة النفطية. فالمصانع التي سعة انتاجها تتراوح بين 200000 – 500000 برميل / يوم تنتج حمأة بحدود 10000 م³/ موسم، وتتطاير من عمليات التصنيع غازات حاوية على مركبات عضوية تؤدي الى التأثير على طبقة الأوزون.

وباستعمال الطريقة يمكن التخلص من 0.5 – 1% من الهايدروكاربونات الملوثة / شهر، ولكن المعاملة يمكن ان تتحسن بإضافة لقاحات ميكروبية دون الاعتماد على الفلورا الطبيعية وتحفيزها بإضافة المواد الغذائية والمشتتات الحيوية وتقليب التربة باستمرار ومحاولة المحافظة على درجة الحرارة بحدود 25م◦ وهذه الظروف تساعد في التخلص من 90% من التلوث في غضون شهر.

المعاملات الحيوية المعتمدة على البكتريا المزرقة

تكون البكتريا المزرقة حساسة جدا لمركبات النفط لأنها تمنع التخليق الضوئي والنمو وتقلل  من الفعاليات الانزيمية وبالتالي من الكتلة الحيوية، وتكون المجموعة أكثر تأثرا بالمركبات الحلقية منها بالمركبات المستقيمة مثل Alkanes مؤدية الى تغيرات كيماوية في تركيب البكتريا ولذلك تستعمل كدالات حيوية للكشف عن التلوث، ولكن تعرض بعض البيئات لتلوث مزمن بمركبات النفط أدى الى نشؤ مجتمعات ميكروبية متطبعة لاستهلاك الهايدروكاربونات، وتكون البكتريا المزرقة هي السائدة في المناطق التي تتعرض للضوء اضافة الى وجود أنواع بكتريه اخرى ولكن التنوع الحيوي يكون محدودا نظراً لوجود الضغط الانتخابي في هذه البيئات وهي المركبات النفطية التي تكون سامة لعموم الاحياء.

وقد استغلت المناطق المتعرضة للضوء لمعالجة التلوث او على الاقل استعمالها كلقاحات لمناطق ملوثة اخرى. وهذه المجتمعات يمكن مساعدتها لزيادة التخلص من الملوثات بـ :

• اضافة المواد التي تزيد من ذوبان الملوثات كي تستطيع الاحياء استهلاكها.
• امتزاز الاحياء على سطوح صلبة مثل الطين والراتنجات وذلك لان الاحياء تميل الى تكوين الأغشية الحيوية على السطوح الصلبة لتساعدها في الحماية.

والمجتمعات المتباينة تحوي على احياء تعمل على تفكيك الملوثات بشكل مباشر وغير مباشر، اضافة الى وجود حالات التآزر فيما بينها. فبعض البكتريا المزرقة التي تفكك المركبات بشكل مباشر نظراً لاحتوائها على الأنظمة الانزيمية Monooxygenases ومن الانواع المشتركة Anabaena cylindrica, Phormidium flaveolarum , Agmenellum quadruplicatum , Oscillatoria spp.

واضافة الى قابلية البكتريا المزرقة على تفكيك المواد فهي تنتج مواد مخاطية Mucilage التي تساعد في تثبيت البكتريا المرافقة لها ومنعها من الانجراف.

وتوجد مجاميع طبيعية اخرى في البيئات البحرية المعرضة للتلوث بالنفط ومناطق الفضلات وهي مجموعة Cytophaga – Flavobacter التي تلعب دورا مهما في ازالة التلوث النفطي في البيئات التي تشغلها. وقد استخدمت الاحياء في معالجة بعض كوارث التلوث بالنفط مثل تلك التي حصلت في حرب الخليج وغيرها من الحوادث. والاحياء تكثر في المواقع الملوثة وتقوم بعمليات التخليق الضوئي في البيئة الملوثة الطبيعية وليست المقصودة والتي تضاف لها الاحياء لغرض المعالجة. والبكتريا المزرقة وكما هو الحال مع غيرها من الاحياء التي تتعرض للاجهادات فانها تحمي نفسها بتكوين تراكيب خارجية خاصة هي الحصيرة Mat والتي تشابه الأغشية الحيوية (Biofilms) التي تكونها البكتريا وهذه الحصائر المكونة لها دور كبير في ازالة التلوث النفطي.

وتستطيع الاحياء تخليص البيئة من عدة أصناف من مركبات النفط مثل السلاسل المستقيمة من Alkanes والسلاسل المتفرعة من Alkanes والهيدروكربونات الحلقية ومركبات الكبريت العضوية.

وتوجد في الخمائر انواع وأجناس من البكتريا المزرقة مختلفة، منها التي تكون الخيوط  Trichomes بأحجام مختلفة، ومنها أحياء مشابهة للـ Phormidium وعرض الترخوم لبعضها يصل الى 1 مايكرومتر واخرى يصل الى 2-4. وهناك احياء مشابهة للـ Oscillatoria وترخومها بعرض يتراوح بين 3-8 مايكرومتر، والبعض يمكن زراعتها على اوساط مختبرية.

واضافة الى ذلك وجدت انواع اخرى من البكتريا المزرقة في مناطق التلوث امكن زراعتها في المختبر، مثل Phormidium و Oscillatoria و Leptolyngbya و Plectonema وأنواع من البكتريا العادية. وعندما تبدأ البكتريا المزرقة بتفكيك الهايدروكاربونات تظهر بعدها او بشكل مرافق مجاميع من البكتريا تعود الى مجموعة β و γ ومجموعة Cytophaga – Flavobacter لاستهلاك المواد الناتجة من فعالية البكتريا المزرقة، وتكمل عمليات التحلل مجاميع اخرى منها البكتريا المزيلة للفوسفات واخرى مزيلة للكبريتات.

ويكون التفكك اللاهوائي أكثر أهمية في بعض الحالات وتقوم به بعض مجاميع البكتريا المزرقة مثل Geothrix fermentans اللاهوائية المختزلة للحديديك و Holophaga foetida اللاهوائية المجبرة، اضافة الى وجود أحياء اخرى لم يسجل وجودها بالطرق العادية.

الترشيح الحيوي لمعالجة الهايدروكاربونات المتطايرة

توجد العديد من الملوثات وبكميات كبيرة تتطاير في الجو دون ان تتعرض للتفكك الحيوي ومنها BTEX ومعالجتها بالطرق التقليدية تكون مكلفة وغير مقبولة، لذلك تستعمل المعاملات الحيوية لأكسدة أبخرة المواد بواسطة الاحياء المجهرية المقيدة على أغشية حيوية ان تكون في محاليل مواد غذائية تحوي على النتروجين والفوسفات، وفي هذه الطريقة تمرر الأبخرة على السطوح الصلبة المغطاة بالأغشية الحيوية والمواد الغذائية التي تقوم بامتصاص الأبخرة بعد ضخها الى الطور السائل. ومن المفاعلات المستعملة Silicon membrane bioreactor system الذي يسمح بانتشار كميات كبيرة من الابخرة العضوية الاوكسجين لغرض تفكيكها، ويمكن لهذه المفاعلات ازالة 30 مايكروغرام من BTEX / ساعة / سم² وبكفاءة تصل الى 77 – 99 % اعتمادا على تركيز المواد ومعدل سريان الأبخرة. ويمكن زيادة قابلية المفاعلات بزيادة كثافة الاحياء المجهرية الى كثافة عالية، ويمكن استعمال المشتتات لإذابة الأبخرة في الطور السائل المحيط بالطور الصلب الذي تستقر فيه الاحياء المجهرية.

وتكون طريقة الترشيح الحيوي Biofiletration سريعة مقارنة بالطرق الاخرى المستعملة لمعالجة الملوثات الصلبة او السائلة التي تستغرق أشهر وتسمح بتطاير المواد. وطريقة الترشيح الحيوية يمكن ان تستعمل لمعالجة فضلات اخرى اضافة الى المتطايرة في الوقت نفسه، اذ ان المواد المتطايرة تساعد في اذابة المواد قليلة الذوبان مؤدية الى جعلها أكثر جاهزية للأحياء وتساعد أيضاً على تفكيك المواد العصية منها benzo [ a ] pyrene في مزارعها.

المعالجات باستعمال المفاعلات الحيوية

استعمال المفاعلات يؤدي في العادة الى السيطرة على بعض المؤشرات المتغيرة التي تؤثر على العمليات. والمفاعلات استعملت بشكل واسع في مجال الترشيح الحيوي لمعالجة الملوثات المتطايرة كما ذكر اعلاه، الا انه يمكن في بعض الأحيان استعمالها لمعالجة الترب الملوثة. وفيها تستعمل الترب او المواد الصلبة بعد تكسيرها لزيادة سحب وفك امتزاز الهايدروكاربونات من سطوح الحبيبات وتعريض اكبر مساحة ممكنة لتأثير الاحياء المستعملة. وتستعمل المواد الصلبة بنسبة 5 – 50 (وزن / حجم). وتستعمل المفاعلات لمعاملة حمأة النفط بشكل أساسي. وتحتاج المفاعلات الهوائية الى ضخ كميات كبيرة من الهواء لأكسدة الهايدروكاربونات ذات الدرجة العالية من الاختزال.

المصادر

الخفاجي , زهرة محمود (2008) . التقنية الحيوية الميكروبية (توجهات جزيئية ) . معهد الهندسة الوراثية والتقنية الحيوية . جامعة بغداد .