Oczyszczanie i uzdatnianie wód podziemnych

• 1. Wprowadzenie do wód podziemnych
• 2. Definicja warstwy wodonośnej i rodzaje warstw wodonośnych
• 3. Zanieczyszczenie wód gruntowych
• 4. Kontrola jakości wód podziemnych
• 5. Proces uzdatniania wód podziemnych
• 6. Podsumowanie

1. Wprowadzenie do wód podziemnych

Wody podziemne to wody znajdujące się pod powierzchnią ziemi, w porowatych glebach lub w szczelinach formacji skalnych. Zbiornik wód podziemnych uznaje się zawarstwę wodonośną, gdymoże dostarczyć ilość wody wystarczającą do spożycia przez ludzi. Głębokość, na której znajdują się te przestrzenie, w których skały zawierają wodę, nazywana jestpoziomem wodonośnym.

Woda deszczowa przenika przez glebę, aż dociera do warstwy skalnej, która ją zatrzymuje. Strumień ten powoli spływa w dół pod wpływem grawitacji i ostatecznie trafia do strumieni, jezior i oceanów.

Powszechnie uważa się, że wody podziemne zawsze wypełniają pustki i krążą w korytarzach; jednak nie zawsze tak jest, ponieważ mogą one również wypełniać szczeliny podłoża skalnego lub osadowego, które zatrzymują je niczym gąbka. Jedynym znaczącym wyjątkiem są skały rozpuszczalne, takie jak wapień, ponieważ są one podatne na proces zwanykrasowaniem, w którym woda drąży studnie, jaskinie i inne drogi przepływu.

Zazwyczaj wodę podziemną czerpie się z powierzchni za pomocą agregatów pompowych, choć może ona również wypływać w sposób naturalny poprzez źródła i wycieki, tworząc zbiorniki wodne, takie jak oazy, bagna czy jeziora. Z drugiej strony wodę podziemną pozyskuje się również poprzez budowę studni, a następnie wykorzystuje się ją w rolnictwie, przemyśle oraz do spożycia przez ludzi.

Wody podziemne stanowią około 30% wszystkich zasobów słodkiej wody na naszej planecie, a ich objętość jest większa niż masa wody zgromadzonej w jeziorach i rzekach, choć mniejsza niż masa wody zgromadzonej w lodowcach.

Woda z wód podziemnych zaopatruje jedną trzecią światowej populacji, jednak jej zarządzanie jest trudne ze względu na wysokie zanieczyszczenie spowodowane działalnością człowieka (rolnictwo, przemysł, wydobycie węglowodorów, odpady itp.) oraz zawartość minerałów w podłożu (fluorek, arsen, żelazo itp.).

Ponowne wykorzystanie tych wód – zarówno jako wody pitnej, jak i do celów przemysłowych lub rolniczych – wymaga zastosowania specjalnych metod uzdatniania dostosowanych do konkretnego zbiornika wodonośnego, dlatego konieczne jest przeprowadzenie kompleksowej analizy i monitorowanie jej wyników, ponieważ występują różnice zależne od opadów, położenia i rodzaju terenu.

2. Definicja warstwy wodonośnej i rodzaje warstw wodonośnych

Warstwa wodonośna to zbiornik wody zgromadzonej w porach lub szczelinach masy skał przepuszczalnych, które umożliwiają jej przepływ. Warstwa wodonośna składa się z jednej lub kilku podziemnych warstw skalnych lub innych warstw geologicznych, które charakteryzują się wystarczającą porowatością i przepuszczalnością, aby umożliwić przepływ wody.

Warstwa wodonośna składa się zasadniczo z dwóch stref:

• Strefa nasycenia, czyli obszar położony powyżej warstwy nieprzepuszczalnej, w którym woda całkowicie wypełnia pory skał. Górną granicą tej strefy, oddzielającą ją od strefy przepływu powierzchniowego lub napowietrzonej, jest poziom wody gruntowej, który zmienia się w zależności od warunków. Strefa nasycenia obniża się w okresach suszy, kiedy warstwa wodonośna nie jest zasilana lub jest zasilana w tempie wolniejszym niż tempo jej wydobycia, a z drugiej strony podnosi się w okresach wilgotnych.                                 
• Strefa napowietrzania lub strefa vadosa, czyli obszar pomiędzy poziomem wody gruntowej a powierzchnią, w którym nie wszystkie pory są wypełnione wodą.

W zależności od budowy można wyróżnić warstwy wodonośne swobodne i warstwy wodonośne zamknięte.

• Warstwy wodonośne zamknięte: są to formacje, w których woda podziemna znajduje się pomiędzy dwiema nieprzepuszczalnymi warstwami i podlega ciśnieniu wyższemu od atmosferycznego. Woda deszczowa przedostaje się do nich wyłącznie przez obszar, w którym występują materiały przepuszczalne.
• Warstwy wodonośne półzamknięte: Warstwa wodonośna nazywana jest półzamkniętą, gdy pokrywająca ją warstwa gruntu ma znacznie mniejszą przepuszczalność niż sama warstwa wodonośna, ale nie jest całkowicie nieprzepuszczalna, dzięki czemu tego typu warstwy wodonośne mogą być zasilane i opróżniane przez tę warstwę gruntu.

Warstwy wodonośne można również klasyfikować według ich składu lub struktury:

• Warstwy wodonośne porowate. W takich warstwach woda podziemna jest zatrzymana w porach połączonych między sobą, co utrudnia jej przepływ wewnątrz warstwy. Przykładem są formacje piasków i żwirów aluwialnych, gdzie gliny charakteryzują się maksymalną porowatością i zdolnością magazynowania wody, ale zerową przepuszczalnością.

Warstwy wodonośne szczelinowe. Są to warstwy, w których woda gromadzi się w szczelinach lub diaklach, które są ze sobą połączone i rozmieszczone w taki sposób, że wewnętrzne przepływy wody zachowują się w sposób niejednorodny. Jako przykład można podać warstwy wodonośne krasowe.

Warstwy wodonośne na wybrzeżu

Warstwy wodonośne na wybrzeżu mogą być również swobodne, zamknięte lub półzamknięte. Różnica polega na obecności płynów o dwóch różnych gęstościach: słodkiej i słonej wody, przy czym ta pierwsza ma mniejszą gęstość.

Ta różnica w gęstości sprawia, że woda słodka unosi się nad wodą słoną w strefie przybrzeżnej. Woda słona wnika w głąb lądu w postaci klinu słonego, który pogłębia się w miarę przemieszczania się w głąb lądu.

Zlewisko przybrzeżnych warstw wodonośnych zasilane jest również przez opady atmosferyczne lub podziemne przepływy z innych zlewni. Z kolei odpływ wody następuje w wyniku ewapotranspiracji, parowania oraz podziemnego odpływu wody do morza.

Uzupełnianie zasobów wodonośnych

Wody podziemne odnawiają się zazwyczaj w wyniku aktywnych procesów zasilania z powierzchni, dlatego czas potrzebny do całkowitego odnowienia zbiornika może być bardzo długi. W niektórych przypadkach proces ten zostaje przerwany z powodu nieprzepuszczalności górnych warstw geologicznych lub z powodu wystąpienia suszy.

Zasilanie może być bezpośrednie lub pośrednie, w zależności od tego, czy woda deszczowa przedostaje się bezpośrednio do warstwy wodonośnej, czy też opady muszą najpierw przeniknąć przez różne warstwy gleby, zanim zostaną włączone do wód podziemnych.

Woda pochodząca z opadów (deszcz, śnieg itp.) może trafić w różne miejsca po dotarciu na ziemię:

• Wypływ to woda spływająca po powierzchni terenu, tworząc strumienie i rzeki.
• Część wody wyparowuje z wierzchnich warstw gleby lub przedostaje się do atmosfery wraz z transpiracją organizmów, zwłaszcza roślin.
• Wreszcie kolejna część wsiąka w grunt i staje się wodą gruntową.

Udział infiltracji w całkowitej ilości opadów zależy od kilku czynników:

• Litologia, która odnosi się do charakteru materiałów geologicznych występujących na powierzchni, ma wpływ poprzez swoją przepuszczalność, która zależy od porowatości, spękania oraz mineralogii podłoża.
• Kolejnym czynnikiem wpływającym na przenikanie wody jestmniej lub bardziej wyraźne nachylenie terenu.
• Obecnośćgęstej roślinnościma złożony wpływ. Z jednej strony ogranicza ona ilość wody docierającej do gleby, z drugiej jednak strony korzenie są bardziej przepuszczalne, a skapująca z roślinności woda przedłuża w czasie efekt opadów.

Prędkość przepływu wody zależy od objętości przestrzeni międzyporowych (porowatości) oraz stopnia ich wzajemnego połączenia. Jeśli pory są wystarczająco szerokie, część wody swobodnie przepływa przez nie pod wpływem grawitacji, ale inna część pozostaje zatrzymana przez siły kapilarne lub przez oddziaływanie między wodą a cząsteczkami minerałów,

Wysychanie i nadmierna eksploatacja

Studnie mogą wyschnąć, jeśli poziom wód gruntowych spadnie poniżej ich pierwotnej głębokości, co zdarza się sporadycznie w latach suszy. Proces zasilania studni może ulec zmianie z innych przyczyn, takich jak:

• Zalesianie sprzyja infiltracji wody w przeciwieństwie do spływu powierzchniowego, ale w jeszcze większym stopniu sprzyja parowaniu.
• Wzrost powierzchni nieprzepuszczalnych nawierzchni, na przykład w obszarach miejskich i przemysłowych.

Spadek średniego poziomu wód gruntowych następuje zawsze, gdy z warstwy wodonośnej pobierana jest woda w sposób ciągły. Nie oznacza to jednak, że warstwa wodonośna jest nadmiernie eksploatowana. Do nadmiernej eksploatacji dochodzi wtedy, gdy całkowite pobranie wody przewyższa jej zasilanie.

3. Zanieczyszczenie wód gruntowych

Woda podziemna jest zazwyczaj słodka i nadaje się do picia, ponieważ przepływ podziemny oczyszcza ją z cząstek i organizmów zanieczyszczających. Jednak woda może dostać się do warstwy wodonośnej w stanie zanieczyszczonym z różnych powodów:

• Działalność rolnicza, która powoduje przedostawanie się azotanów i innych łatwo rozpuszczalnych nawozów chemicznych do gleby.
• Zrzuty ścieków z zakładów przemysłowych.
• Niewłaściwe gospodarowanie odpadami komunalnymi.
• Środki chemiczne przeznaczone do użytku domowego.
• Zbiorniki na wodę, szamba i wysypiska śmieci.
• Czynniki naturalne. Na przykład gdy warstwy wodonośne zawierają zbyt duże ilości soli rozpuszczonych lub gdy dochodzi do naturalnej erozji niektórych formacji skalnych.

Najczęściej występujące zanieczyszczenia w wodach podziemnych to:

• Przemysłowe związki organiczne, takie jak rozpuszczalniki, pestycydy, farby, lakiery itp.
• Paliwa, takie jak węglowodory.
• Azotany pochodzące z różnych źródeł: nawozy, nieprawidłowo działające szamba, nieuszczelnione zbiorniki retencyjne odpadów stałych lub przedostawanie się nieoczyszczonych ścieków.

Zanieczyszczenia mogą utrzymywać się w wodach podziemnych przez długi czas z następujących powodów:

• Niski wskaźnik odnowień.
• Jego długi okres pobytu.
• Nie da się jej łatwo wyleczyć ze względu na trudny dostęp.

W przypadku bardzo ograniczonych obszarów zanieczyszczenia można zastosować technikępompowania i oczyszczania, polegającą na pobraniu wody z warstwy wodonośnej, odpowiednim jej oczyszczeniu, a następnie ponownym wtłoczeniu do warstwy wodonośnej.

Wody gruntowe na obszarach przybrzeżnych mogą ulec zanieczyszczeniu w wyniku zmieszania się z wodą morską. Dzieje się tak, gdy tempo poboru wody jest bardzo wysokie, co ułatwia przedostawanie się wody morskiej do warstw wodonośnych słodkiej wody. Problem ten można rozwiązać poprzez zmianę lokalizacji studni lub wykopanie nowych, które będą utrzymywać wodę słoną z dala od warstwy wodonośnej słodkiej wody. W każdym razie, dopóki pobór wody przewyższa jej zasilanie słodką wodą, zanieczyszczenie słoną wodą pozostaje realnym zagrożeniem.                                                                  

Główne źródła zanieczyszczenia wód podziemnych

Źródło źródło źródło źródło źródło źródło źródło źródło źródło źródło źródło źródło źródło źródło źródło źródło źród	Rodzaj zanieczyszczenia
Działalność rolnicza	Azotany, amoniak, pestycydy, mikroorganizmy pochodzenia kałowego
Oczyszczanie ścieków na miejscu	Azotany, mikroorganizmy kałowe, śladowe ilości węglowodorów syntetycznych
Stacje benzynowe i warsztaty	Benzen, inne węglowodory aromatyczne, fenole, niektóre węglowodory chlorowcowane
Składowisko odpadów stałych	Amoniak, zasolenie, niektóre węglowodory chlorowcowane, metale ciężkie
Przemysł metalurgiczny	Trichloroetylen, tetrachloroetylen, inne węglowodory chlorowcowane, metale ciężkie, fenole, cyjanek
Warsztaty malarskie i emalierskie	Alkalobenzeny, tetrachloroetylen, inne węglowodory chlorowcowane, metale, niektóre węglowodory aromatyczne
Przemysł drzewny	Pentachlorofenol, niektóre węglowodory aromatyczne
Pralnie chemiczne	Trichloroetylen, tetrachloroetylen
Produkcja pestycydów	niektóre węglowodory chlorowcowane, fenole, arsen, metale ciężkie
Składowiska osadów ściekowych z gospodarstw domowych	Azotany, ołów, cynk, różne węglowodory chlorowcowane
Odpady z produkcji skór	Chrom, zasolenie, niektóre węglowodory chlorowcowane, fenole
Wydobycie ropy naftowej i gazu ziemnego	Zasolenie (chlorek sodu), węglowodory aromatyczne
Kopalnie węgla i metali	Kwasowość, różne metale ciężkie, żelazo, siarczany

4. Kontrola jakości wód podziemnych

Kontrola jakości wody w warstwach wodonośnych wymaga podjęcia środków zapobiegawczych w celu ochrony właściwości fizykochemicznych wód podziemnych oraz przywrócenia ich do pierwotnego stanu w przypadku zanieczyszczenia.

Oczyszczanie wód podziemnych wiąże się z pewnymi specyficznymi wyzwaniami, między innymi:

• Wysokie wydajności wydobycia, zazwyczaj rzędu kilkudziesięciu metrów sześciennych na godzinę.
• Stosunkowo niskie stężenia zanieczyszczeń.
• Duża różnorodność występujących zanieczyszczeń.
• Bardzo surowe wymagania dotyczące jakości uzdatnionej wody.
• Konieczność ciągłego działania, 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu.

Chociaż wody podziemne ulegają częściowemu oczyszczeniu podczas przechodzenia przez warstwy gruntu, ich uzdatnianie może być utrudnione, jeśli zostaną zanieczyszczone substancjami koloidalnymi lub rozpuszczonymi, zarówno organicznymi, jak i nieorganicznymi (takimi jak węglowodory, szkodliwe sole, np. azotany, metale, np. żelazo, czy pierwiastki toksyczne, np. arsen). Z tego powodu konieczne jest przeprowadzenie szczegółowych analiz, które pozwolą zidentyfikować obecne zanieczyszczenia i opracować konkretny proces oczyszczania w oparciu o uzyskane wyniki.

Bardzo przydatnym narzędziem w tym zakresie są mapy ryzyka. W 2016 roku grupa naukowców opracowała platformę Groundwater Assessment Platform (GAP), na której eksperci z całego świata mogą wykorzystywać i wizualizować swoje dane analityczne w celu tworzenia map ryzyka dla konkretnych obszarów. Platforma GAP służy również jako forum dyskusyjne służące wymianie wiedzy, przyczyniając się do opracowywania lepszych metod usuwania szkodliwych substancji z wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi.

5. Proces uzdatniania wód podziemnych

Nie ma jednego uniwersalnego sposobu uzdatniania wszystkich wód podziemnych. W zależności od ich pochodzenia i przeznaczenia ustala się konkretny proces uzdatniania, który może obejmować następujące etapy:

5.1 Leczenie pierwotne

Celem oczyszczania wstępnego jest usuwanie substancji zawieszonych, takich jak mikrocząstki stałe i koloidy.

W zależności od wykrytych zanieczyszczeń konieczne może być dodanie środka utleniającego, takiego jak podchloryn sodu (NaOCl), który ułatwia usuwanie metali, np. żelaza, a także regulację pH, jeśli woda jest zbyt kwaśna lub zasadowa.

Środek utleniający pomaga również w eliminacji wirusów i bakterii, zapewniając mikrobiologiczne bezpieczeństwo wody, co ma szczególne znaczenie w przypadku uzyskania wody pitnej lub wody o wysokiej jakości.

Koagulacja i flokulacja koloidów to procesy o zasadniczym znaczeniu dla zapewnienia oddzielenia tych cząstek poprzez sedymentację lub flotację z wykorzystaniem rozpuszczonego powietrza.

Flotacja powietrzem rozpuszczonym (DAF) jest doskonałym rozwiązaniem, ponieważ oferuje następujące zalety:

• Jest to najbardziej wydajna technologia służąca do oddzielania substancji stałych, tłuszczów, olejów, węglowodorów oraz kłaczków powstałych w procesie koagulacji i flokulacji.
• Osady powstające w systemie DAF charakteryzują się wyższym stężeniem suchej masy niż osady powstające w procesie konwencjonalnej sedymentacji.
• Dodatkowe powietrze ułatwia usuwanie lotnych związków obecnych w wodzie.

5.2 Oczyszczanie oczyszcz oczysto

W wielu przypadkach wystarczy oczyszczanie wstępne, aby uzyskać wodę nadającą się do ponownego wykorzystania w zastosowaniach, które nie wymagają najwyższej jakości, takich jak na przykład:

• Woda do nawad nawie nawie nawie nawie
• Woda do mycia przemysłowego.
• Systemy przeciwpożarowe.
• Sprzątanie ulic.
• Ścieki Ścig Ś Ś Ś Ś Ś Ś Ś Ś Ś Ś Ś Ś Ś Ś Ś Ś Ś Ś Ś Ś Ś Ś Ś Ś Ś Ś Ś Ś Ś Ś Ś Ś Ś Ś

Jeśli chce się uzyskać wodę wysokiej jakości do zastosowań przemysłowych, a nawet do spożycia przez ludzi, konieczne będzie uzupełnienie uzdatniania pierwotnego o uzdatnianie wtórne, a nawet trzeciorzędne. Zastosowane technologie będą zależały od stopnia zanieczyszczenia warstwy wodonośnej. Do najczęściej stosowanych procesów uzdatniania wód podziemnych należą:

• Filtry z warstwami piasku, węgla aktywnego lub mieszanymi.
• Systemy filtracji membranowej z wykorzystaniem ultrafiltracji (UF) lub odwróconej osmozy (RO).

W przypadku wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi zazwyczaj konieczne jest dodatkowe uzdatnianie, które usuwa nadmiar CO₂ i dodaje sole w celu zrównoważenia niskiego zasolenia wody, dzięki czemu staje się ona zdatna do spożycia.

W bardziej wymagających przypadkach, takich jak uzdatnianie wody demineralizowanej lub ultraczystej, stosuje się systemy wymiany jonowej (IX), które obejmują złoża żywic selektywnych oraz proces elektrodejonizacji (EDI).

6. Podsumowanie

Około jedna trzecia słodkiej wody na naszej planecie znajduje się pod powierzchnią ziemi i nazywana jest wodą podziemną. Złoża tej wody, zwane warstwami wodonośnymi, mogą być ruchome lub statyczne. Dzięki naturalnej filtracji przez warstwy piasku, żwiru i skał woda ta ma tendencję do samooczyszczania się podczas krążenia.

Wody podziemne mogą wypływać na powierzchnię w postaci mokradeł, bagien i studni artezyjskich pod wpływem naturalnego ciśnienia lub być wydobywane za pomocą pomp.

Jednak działalność człowieka powoduje przedostawanie się znacznych ilości zanieczyszczeń do warstw wodonośnych, głównie poprzez rolnictwo (nawozy i pestycydy), działalność przemysłową oraz odpady komunalne, które przedostają się do gleby.

Aby uzdatnić i wykorzystać wody podziemne, konieczne jest przeprowadzenie kompleksowej analizy w celu zidentyfikowania obecnych zanieczyszczeń oraz opracowania odpowiedniego procesu uzdatniania w zależności od przeznaczenia wody.

Flotacja powietrzem rozpuszczonym (DAF) to technologia szeroko stosowana do usuwania metali, koloidów, substancji pływających (takich jak węglowodory i koloidy), części substancji organicznych oraz związków lotnych. SIGMADAF dysponuje doświadczeniem, zasobami oraz szeroką gamą urządzeń do specjalistycznego uzdatniania każdego rodzaju wód podziemnych.

Bibliografia i źródła

Cechy charakterystyczne oczyszczalni wód podziemnych | 2024 (cesuma.mx)

Oczyszczanie wód podziemnych: proces i etapy – pełna wersja czasopisma

Czym są wody podziemne? | Międzynarodowe Centrum Oceny Zasobów Wód Podziemnych (un-igrac.org)

Jakość wód podziemnych: kontrola i 3 różne zastosowania (rs-ingenieria.es)