כשהאדמה חונקת את המים: ניקוי מאגרי מים תת-קרקעיים מחנקן

פורסם ב: R&D Mag, “Reducing Water Pollution with Microbes, Wood Chips”, אוגוסט 2016
קישור: http://goo.gl/6mHEdc

פרסום

רקע

מתחת לפני השטח, בשדות תירס וסויה ברחבי מערב התיכון של ארה"ב, קיימת רשת סמויה של צנרת תת-קרקעית. המערכות התת-קרקעיות, המכונות "Tile Drainage Networks (TDN)" (רשתות אריחי ניקוז), מתעלות מים עודפים מהאדמה לעבר אגמים, נחלים ונהרות. כיום, קיימים  מעל ל-38 מיליון דונם של הרשתות הללו ברחבי מדינות ה-Corn Belt בארה"ב.

הרשתות התת קרקעיות ממלאות תפקיד חיוני בייצור החקלאי, בכך שהן מונעות מהאדמה להיות רטובה יתר על המידה. אדמה שאינה ספוגה במים מעודדת גדילה ותפוקה של היבול החקלאי, מאפשרת לחקלאים שימוש נרחב ואפקטיבי יותר בטרקטורים וכן זריעה/שתילה מוקדמת באביב.

עם זאת, מערכות ה-TDN גורמות לזיהום מים משמעותי. המערכות מנקזות מהשדות מים המכילים חנקן, אשר מקורו בחומרים אורגניים המצויים באדמה ובדשן באזור. החנקן במים גורם לגדילה של אצות. לאחר שאצות אלו מתות, חיידקים מפרקים אותן תוך שימוש בחמצן המצוי במים כמקור אנרגיה.

כתוצאה מכך נוצרים "אזורים חסרי חמצן" (Hypoxic Zones), המכונים גם "אזורים מתים", בהם אין קיום של חיים. היקפם של חלק מהאזורים הללו מגיע לאלפי מיילים רבועים, כדוגמת ה"אזור המת" במפרץ מקסיקו אשר אליו מתנקזים מים מחוות חקלאיות במערב התיכון.

דניטריפיקציה – Denitrification

על מנת  לשפר את איכות המים, יש להפחית באופן משמעותי את זיהום החנקן באזור המערב התיכון ובמקומות נוספים. חוקרים אשר בוחנים דרכים לשיפור איכות המים בחקלאות, הראו כי ניתן לטפל במי ניקוז מתחת לפני הקרקע באמצעות תהליך הנקרא "דניטריפיקציה" (Denitrification). התהליך מתבסס על חיידקים הנמצאים באדמה, אשר מסוגלים להפוך ניטראט לגז חנקן. גז החנקן אינו מזיק לסביבה, ומהווה יותר מ-75% של האוויר שאנו נושמים.

בתנאים ללא חמצן, כגון ביצות או קרקעות ספוגות במים, החיידקים הללו משתמשים בפחמן שבקרקע כמקור אנרגיה. כתוצאה מכך, החיידקים "נושמים" את ה- הניטראט המצוי במי הניקוז ופולטים לאוויר גז חנקן.

Woodchip Bioreactors

מחקר זה מתמקד ב-"ביוריאקטור משבבי עץ" (Woodchip Bioreactors). מדובר בתעלות פשוטות אשר ניתן לבנותן בשדות חקלאיים, במטרה לנקות את מי הניקוז מחנקן בשיטת הדניטריפיקציה (Denitrification).

במסגרת תהליך התקנת ביוריאקטורים המבצעים דניטריפיקציה, יש לחפור תעלות גדולות בין השדות לבין השקעים בהם זורמים מי הניקוז לעבר הנחלים. את התעלות ממלאים בשבבי עץ, אשר מכילים "מושבות" חיידקים טבעיים מאדמת האזור. המים מהשדות החקלאיים עוברים דרך התעלות, החיידקים "אוכלים" את הפחמן המצוי בשבבי העץ, "נושמים" את הניטראט מהמים ופולטים גז חנקן לאוויר. באמצעות התהליך ניתן להפחית את זיהום החנקן במים החל מ-15% ועד יותר מ-90%.

כמו כן, השימוש ב- Woodchip Bioreactors אינו דורש מהחקלאים להשבית אדמות מייצור חקלאי, וכן מחייב תחזוקה שנתית מזערית בלבד.

יש לציין, כי השימוש בשיטת הדניטריפיקציה על ידי הביוריאקטורים הנו חדש יחסית, אך הוכח כאפשרי ליישום בהיקף נרחב. באוסף מאמרים חדש בכתב העת Journal of Environmental Quality, חוקרת מאוניברסיטת אִילִינוֹי בארה"ב, Laura Christianson, וחוקר מאוניברסיטת Waikato בניו-זילנד, Louis Schipper, מדגימים כיצד מערכות המבוססות על שיטה זו יכולות להיות כלי יעיל לצמצום זיהום החנקן במים. כיום, חוקרים משתמשים במערכות אלו במגוון הולך וגובר של מקומות, יישומים ותנאים סביבתיים שונים.

אתגרים ושימושים ב- בביוריאקטורים בחקלאות

במסגרת חוק המים בארה"ב (Clean Water Act), לא קיים פיקוח על זיהום מים בחנקן המגיע ממקורות חקלאיים. עם זאת, מדינות המערב התיכון בארה"ב עובדות בשיתוף פעולה עם רגולטורים פדרליים, במטרה להגדיר יעדים להפחתת זיהום החנקן. על מנת לקדם יעדים אלו, המדינות מעודדות התקנה של עשרות אלפי ביוריאקטורים המבצעים את תהליך הדניטריפיקציה.

פרסום

עד כה, שבבי העץ הוכחו ככלי המעשי ביותר לביצוע התהליך. חוקרים בחנו את האפשרות להשתמש בשאריות של שדות חקלאיים ("פסולת צמחית") לטובת התהליך (כדוגמת קלחי תירס), במקום בשבבי העץ. על פי הממצאים, השאריות החקלאיות סיפקו באופן עקבי תוצאות טובות יותר בניקוי המים מחנקן. עם זאת, את השאריות נדרש להחליף בתדירות גבוהה יותר לעומת שבבי העץ (בעלי אורך חיים מוערך של כ-10 שנים).

קיימים מספר גורמים אשר משפיעים על יעילות טיהור המים מחנקן באמצעות הביוריאקטור בתוך כך, טמפרטורת המים וכן זמן השהייה של המים בתוך תעלת ה- ביוריאקטור (תלוי בקצב הזרימה ובגודל התעלה). אתגר נוסף להצלחת השיטה, הנו העובדה שה- ביוריאקטורים  פועלים טוב יותר בקיץ, כאשר קצב זרימת המים איטי והמים חמים. עם זאת, רוב המים הזורמים מהשדות מגיעים בתקופת האביב, כאשר מזג האוויר קריר ורטוב.

במקביל, נעשו מחקרים לבחינת יעילות ה- ביוריאקטורים לטיפול במי שפכים של חקלאות ימית  (Aquaculture). בדרך כלל, מים המגיעים מחקלאות ימית מכילים כמויות גבוהות של חנקן ומזהמים אחרים. המחקרים מראים כי טיפול במים אלו באמצעות ביוריאקטורים, הנו פתרון מעשי, יעיל  ובעלויות נמוכות עבור חוות הדגים.

כמו כן, לאחרונה חוקרים מניו-זילנד הראו כי דניטריפיקציה על ידי ביוריאקטורים, עשויה להיות יעילה לטיפול במי שפכים עירוניים (בהיקף קטן). בעקבות המחקר שבוצע, קיימות אינדיקציות לכך ששבבי העץ (Woodchip Bioreactors) מסוגלים להסיר מזהמים מיקרוביאליים מהמים (כדוגמת החיידק E.coli ווירוסים נוספים המסוכנים לבני אדם). יש לציין כי תהליך טיהור המים מהחיידקים והווירוסים טעון מחקר נוסף, היות ופרטי התהליך אינם ברורים.

אתגר משמעותי בתכנון ועיצוב הביוריאקטורים המבצעים דניטריפיקציה, הוא הצורך לבחון את פעילותם בשטח. לאור זאת, יש לבנות ולבחון ביוריאקטורים גדולים בשטח, כדי שיהיה אפשר לספק מידע שימושי לחקלאים, בעלי קרקעות, יועצי יבול, קבלני ניקוז, יועצי שימור, וכן לסוכנויות מדינה שונות. מושאי העניין העיקריים של המגזרים האמורים לעיל הינם: אורך החיים של שבבי העץ (בערך 7-15 שנים); עלות ההתקנה של הביוריאקטורים בשדה (בין 8,000$-12,000$), והאם הביוריאקטורים גורמים לתנועת מים הפוכה במערכת ה-TDN (התשובה היא: לא).  לאור זאת, מובילי המחקר מתכננים להמשיך בהקמת ביוריאקטורים בחוות מחקר, או בשיתוף פעולה עם חקלאיים פרטיים המעוניינים להיות מעורבים בתהליך.

באדיבות מקורות