الاحتفاظ الحيوي

الاحتجاز الحيوي هو عملية إزالة الملوثات والرواسب من مياه الأمطار المتدفقة . والهدف الرئيسي من خلية الاحتجاز الحيوي هو تخفيف ذروة التدفق وإزالة ملوثات مياه الأمطار المتدفقة.

تُوجَّه مياه الأمطار أولاً إلى منطقة المعالجة المُصممة، والتي تتكون عادةً من طبقة رملية (تُشكل طبقة انتقالية للتربة الأصلية)، وطبقة من وسائط الترشيح (تتكون من مواد متعددة الطبقات ذات تركيبات متنوعة)، ونباتات فوق وسائط الترشيح. ^{[ 1 ]} وقد اقتُرحت على مر السنين مُحسِّنات تربة متنوعة، مثل مُخلَّفات معالجة المياه، وقشور جوز الهند، والفحم الحيوي، وغيرها. ^{[ 2 ] [ 3 ]} وقد أُفيد بأن هذه المواد تُحسِّن أداء إزالة الملوثات. يمر الجريان السطحي أولاً فوق أو عبر طبقة رملية، مما يُبطئ من سرعة الجريان، ويُوزِّعه بالتساوي على طول منطقة التجميع، والتي تتكون من طبقة عضوية سطحية و/أو غطاء أرضي ، وتربة الزراعة الأساسية. تتسرب المياه المُخزَّنة في تربة الزراعة بمنطقة الاحتفاظ الحيوي على مدى أيام إلى التربة الأساسية. ^{[ 4 ]}

يشير مصطلح "الاحتفاظ الحيوي" إلى قدرة الكتلة الحيوية في وسط المعالجة، كالنباتات والبكتيريا، على الاحتفاظ بالملوثات الموجودة في مياه الجريان السطحي، وامتصاصها، وتحليلها، وإعادة تدويرها. فالكتلة الحيوية هي التي "تحتفظ" بالملوثات وتغيرها. ^{[ 5 ]} تُعد هذه العمليات البيولوجية ضرورية لتحويل الملوثات الضارة إلى أشكال أقل سمية قبل وصولها إلى المسطحات المائية في اتجاه مجرى النهر. ومع مرور الوقت، تتكيف المجتمعات الميكروبية داخل مصفوفة التربة مع أحمال الملوثات المحلية، مما يُحسّن كفاءة المعالجة على المدى الطويل للنظام. وتُعد الترشيح والامتزاز والتحول الكيميائي والتحلل البيولوجي من الطرق الرئيسية لمعالجة الملوثات في نظام الاحتفاظ الحيوي. ^{[ 6 ]} يزيل الترشيح في المقام الأول المواد الصلبة العالقة، بينما يربط الامتزاز الملوثات الذائبة بجزيئات التربة أو الجزيئات العضوية. وتعمل الآليات الكيميائية والبيولوجية معًا لتقليل تركيزات المغذيات وتحليل الهيدروكربونات ومسببات الأمراض.

صُمم كل مكون من مكونات منطقة الاحتجاز الحيوي لأداء وظيفة محددة. يعمل الشريط العازل العشبي على تقليل سرعة الجريان السطحي الوارد وتصفية الجسيمات العالقة فيه. كما تعمل طبقة الرمل على تقليل السرعة، وتصفية الجسيمات العالقة، وتوزيع التدفق على طول منطقة الاحتجاز الحيوي. وتوفر طبقة الرمل، التي يبلغ عمقها 0.5 متر (20 بوصة)، التهوية والتصريف لتربة الزراعة . وتوفر منطقة التجميع مكانًا مؤقتًا لتخزين مياه الجريان السطحي قبل تبخرها أو تسربها إلى باطن الأرض . وتترسب بعض الجسيمات العالقة التي لم تتم تصفيتها بواسطة الشريط العازل العشبي أو طبقة الرمل داخل منطقة التجميع. ^{[ 4 ]}  

تعمل الطبقة العضوية أو طبقة النشارة أيضًا على ترشيح الملوثات وتوفير بيئة ملائمة لنمو الكائنات الدقيقة التي تُحلل المنتجات البترولية والمواد العضوية الأخرى . تعمل هذه الطبقة بطريقة مشابهة لطبقة أوراق الشجر المتساقطة في الغابات، وتمنع تآكل التربة وجفافها. كما تُقلل النباتات المزروعة من احتمالية التآكل، وبفعالية أكبر قليلًا من النشارة. تبلغ أقصى سرعة لتدفق المياه السطحية قبل حدوث التآكل 0.3 متر في الثانية (قدم واحدة في الثانية) للنباتات المزروعة، و0.9 متر في الثانية (3 أقدام في الثانية) للنشارة. ^{[ 7 ]}

يُوفر الطين الموجود في تربة الزراعة مواقع امتصاص للهيدروكربونات والمعادن الثقيلة والمغذيات والملوثات الأخرى. كما تُساهم الفراغات الموجودة في تربة الزراعة في تخزين مياه الأمطار. وبذلك ، تُصبح المياه والمغذيات المُخزنة في الماء والتربة متاحة للنباتات لامتصاصها. ويتم تحديد تصميم منطقة الاحتفاظ الحيوي بعد مراعاة قيود الموقع، مثل موقع المرافق والتربة الأساسية والغطاء النباتي الحالي ونظام الصرف. وتُعد المواقع ذات التربة الرملية الطينية مناسبة بشكل خاص للاحتفاظ الحيوي، حيث يُمكن إعادة ردم التربة المُستخرجة واستخدامها كتربة زراعية، مما يُلغي تكلفة استيراد تربة الزراعة. وقد تُعيق طبقة التربة المحيطة غير المستقرة والتربة التي يزيد محتواها من الطين عن 25% استخدام الاحتفاظ الحيوي، وكذلك المواقع ذات المنحدرات التي تزيد عن 20% أو المواقع التي تحتوي على أشجار ناضجة سيتم إزالتها أثناء تطبيق أفضل ممارسات الإدارة . ^{[ 8 ]}

تُعدّ الفوسفور والنيتروجين من أهم العناصر الغذائية الموجودة في مياه الأمطار، والتي تنتج عادةً عن أسمدة الحدائق، ومخلفات الأوراق، وقصاصات العشب، والتربة غير المخصبة، والمنظفات، والترسبات الهوائية، وهطول الأمطار. ^{[ 9 ]} إذا تُركت هذه العناصر دون معالجة، فإنها تُساهم في ظاهرة التخثث في الأنظمة المائية الواقعة في اتجاه مجرى النهر، مما يؤدي إلى ازدهار الطحالب ونقص الأكسجين. يمكن لوسائط الاحتجاز الحيوي، المصممة بتربة ومحتوى عضوي مثالي، أن تُقلل بشكل كبير من كلٍّ من النيتروجين والفوسفور، سواءً الكلي أو الذائب. يُقدّر الاحتجاز الحيوي لصغر حجمه، وتكلفته المعقولة، وجاذبيته الجمالية. تُحسّن هذه الأنظمة من تغذية المياه الجوفية، وتُقلل من معدلات التصريف القصوى وأحجام الجريان السطحي، وتُحسّن جودة مياه الأمطار بشكل كبير. ^{[ 10 ]} كما أنها تُوفر مزايا إضافية، مثل بناء الموائل، وتوفير الظل، والحد من الضوضاء، والتخفيف من آثار الجزر الحرارية الحضرية. ^{[ 11 ]} عند دمجها في شوارع المدن أو مواقف السيارات، تُوفر أنظمة الاحتجاز الحيوي مساحات خضراء وراحة بصرية في البيئات غير المنفذة للمياه. هذه المزايا الإضافية تجعلها استراتيجية مفضلة للتطوير منخفض التأثير (LID) في كل من المشاريع الجديدة وتطبيقات التحديث.

توجد آثار معادن ملوثة، مثل الزنك والرصاص والنحاس، في مياه الأمطار المتدفقة من الأسطح غير المنفذة (كالطرق والأرصفة). تستخدم أنظمة المعالجة، كحدائق المطر وأحواض تجميع مياه الأمطار، طبقة احتجاز حيوي لإزالة المعادن الثقيلة من مياه الأمطار. قد ترتبط الأشكال الذائبة من المعادن الثقيلة بجزيئات الرواسب في الطريق، والتي يتم احتجازها لاحقًا بواسطة نظام الاحتجاز الحيوي. إضافةً إلى ذلك، قد تُمتص المعادن الثقيلة على جزيئات التربة في وسط الاحتجاز الحيوي أثناء ترشيح مياه الأمطار. ^{[ 12 ]} في التجارب المخبرية، أزالت خلايا الاحتجاز الحيوي 94% و88% و95% وأكثر من 95% من الزنك والنحاس والرصاص والكادميوم ، على التوالي، من مياه ذات تركيزات معدنية نموذجية لمياه الأمطار المتدفقة. مع أن هذا يُعدّ فائدة كبيرة لتحسين جودة المياه، إلا أن لأنظمة الاحتجاز الحيوي قدرة محدودة على إزالة المعادن الثقيلة. وهذا بدوره سيؤثر على عمر هذه الأنظمة، لا سيما في المناطق ذات الأحمال العالية من المعادن الثقيلة. ^{[ 13 ]}

كانت إزالة المعادن بواسطة خلايا الاحتجاز الحيوي في المناخات الباردة مماثلة أو أقل قليلاً من تلك الموجودة في البيئات الأكثر دفئًا. تكون النباتات أقل نشاطًا في المواسم الباردة، مما يشير إلى أن معظم المعادن الثقيلة تبقى في وسط الاحتجاز الحيوي بدلاً من امتصاصها بواسطة جذور النباتات. ^{[ 14 ]} لذلك، سيصبح من الضروري إزالة طبقة الاحتجاز الحيوي واستبدالها في المناطق التي تحتوي مياه الأمطار المتدفقة فيها على ملوثات من المعادن الثقيلة لإطالة عمر نظام المعالجة.