Behandling och rening av grundvatten

• 1. Introduktion till grundvatten
• 2. Definition av akvifer och olika typer av akviferer
• 3. Förorening av grundvattnet
• 4. Kontroll av grundvattenkvaliteten
• 5. Process för behandling av grundvatten
• 6. Sammanfattning

1. Introduktion till grundvatten

Grundvatten är det vatten som finns under jordytan, i porösa jordlager eller i hålrum i bergformationer. En ansamling av grundvatten betraktas som enakvifer närden kan tillhandahålla tillräckliga mängder vatten för mänsklig konsumtion. Det djup där dessa hålrum i berggrunden, som innehåller vatten, befinner sig kallasgrundvattennivå.

Regnvattnet sipprar genom marken tills det når det bergartsmaterial som omger det. Denna vattenström rör sig långsamt nedåt på grund av tyngdkraften och når slutligen vattendrag, sjöar och hav.

Man brukar tro att grundvattnet alltid fyller hålrum och cirkulerar genom gångar; så är dock inte alltid fallet, eftersom det kan förekomma i porerna i berg- eller sedimentmaterialet, som håller kvar vattnet som en svamp. Det enda betydande undantaget utgörs av lösliga bergarter, såsom kalksten, eftersom dessa är mottagliga för den process som kallaskarstbildning, där vattnet gräver ut grottor, hålor och andra cirkulationsvägar.

Vanligtvis pumpas grundvattnet upp från ytan med hjälp av pumpaggregat, men det kan också strömma upp naturligt genom källor och läckage och bilda vattenansamlingar som oaser, träsk eller sjöar. Dessutom utvinns grundvatten genom att man borrar brunnar för användning inom jordbruk, industri och som dricksvatten.

Grundvattnet utgör cirka 30 % av allt tillgängligt sötvatten på jorden, och dess volym är större än den vattenmassa som finns i sjöar och floder, även om den är mindre än den som finns i glaciärerna.

Grundvattnet försörjer en tredjedel av världens befolkning, men det är svårt att hantera på grund av den höga föroreningsbelastningen, som orsakas av mänsklig verksamhet (jordbruk, industri, fossila bränslen, avfall etc.), samt grundvattnets mineralinnehåll (fluor, arsenik, järn etc.).

Återanvändningen av detta vatten, såväl som dricksvatten som för industriellt eller jordbruksändamål, kräver specifika reningsmetoder anpassade efter varje akvifer. Därför krävs en fullständig analys och uppföljning av vattnet, eftersom det förekommer variationer beroende på nederbörd, läge och marktyp.

2. Definition av akvifer och olika typer av akviferer

En akvifer är en ansamling av vatten i porer eller sprickor i en massa av genomsläppliga bergarter som möjliggör vattencirkulation. Akviferen består av ett eller flera underjordiska bergskikt eller andra geologiska lager som har tillräcklig porositet och genomsläpplighet för att vatten ska kunna strömma.

En akvifer består i huvudsak av två zoner:

• Mättningszonen, som ligger ovanför det vattentäta skiktet, där vattnet helt fyller porerna i berggrunden. Den övre gränsen för denna zon, som skiljer den från vadzonen eller luftzonen, är grundvattennivån och varierar beroende på omständigheterna. Mättningszonen sjunker under torra perioder, när akviferen inte fylls på eller fylls på i en långsammare takt än den töms, och stiger däremot under fuktiga perioder.                                 
• Luftningszonen eller vadzonen, det vill säga det område som sträcker sig mellan grundvattennivån och markytan, där inte alla porer är fyllda med vatten.

Beroende på deras struktur kan man skilja mellan fria akviferer och inneslutna akviferer.

• Inneslutna eller begränsade akviferer: Det rör sig om formationer där grundvattnet är inneslutet mellan två vattentäta lager och utsätts för ett tryck som överstiger det atmosfäriska. Vattnet tillförs endast via regnvatten genom ett område där det finns genomsläppliga material.
• Halvbegränsade akviferer: En akvifer kallas halvbegränsad när det jordlager som täcker den har en betydligt lägre permeabilitet än akviferen själv, men inte är helt ogenomträngligt, vilket innebär att denna typ av akviferer kan tömmas och fyllas på genom detta lager.

Akviferer kan också klassificeras efter sammansättning eller struktur:

• Porösa akviferer. I dessa finns grundvattnet inneslutet i porer som står i förbindelse med varandra, vilket försvårar den interna vattenöverföringen. Ett exempel är sand- och grusformationer från flodavlagringar, där leran har maximal porositet och lagringskapacitet, men ingen vattenöverföring eller permeabilitet.

Sprickakviferer. Det är sådana där vattnet finns i sprickor eller diklaser, som dessutom är förbundna med varandra och fördelade på ett sådant sätt att de interna vattenflödena uppvisar ett ojämnt beteende. Som exempel kan nämnas karstakviferer.

Kustnära akviferer

Kustnära akviferer kan också vara fria, inneslutna eller halvinneslutna. Det som skiljer dem åt är förekomsten av vätskor med två olika densiteter: sötvatten och saltvatten, där sötvattnet har lägre densitet.

Denna skillnad i densitet gör att sötvattnet ligger ovanpå saltvattnet i kustområdet. Saltvattnet tränger in mot fastlandet i form av en saltkil som blir allt djupare ju längre in på fastlandet den tränger.

Vattenreservoarerna i kustområdet får också sitt vatten från nederbörd eller genom grundvattenflöden från andra avrinningsområden. Vattenförlusterna sker genom evapotranspiration, avdunstning och genom att vatten rinner under ytan ut i havet.

Återfyllning av grundvattenmagasinen

Grundvattnet förnyas normalt genom aktiva återfyllningsprocesser från ytan, vilket innebär att det kan ta mycket lång tid att helt förnya en grundvattenreservoar. I vissa fall avbryts förnyelsen på grund av att de övre geologiska formationerna är vattentäta eller på grund av plötsliga klimatförhållanden som leder till torka.

Återfyllningen kan vara direkt eller indirekt, beroende på om regnvattnet når grundvattenytan direkt eller om nederbörden måste tränga igenom olika jordlager innan det tillförs grundvattnet.

Nederbördsvatten (regn, snö osv.) kan ta olika vägar när det når marken:

• Den del av vattnet som rinner av markytan och bildar bäckar och floder kallas avrinning.
• En annan del av vattnet avdunstar från markens ytskikt eller överförs till atmosfären genom organismernas, framför allt växternas, transpiration.
• Slutligen tränger en annan del ner i marken och blir till grundvatten.

Andelen infiltration i förhållande till den totala nederbörden beror på flera faktorer:

• Litologin, som avser beskaffenheten hos det geologiska material som syns vid ytan, påverkar genom sin permeabilitet, vilken beror på underlagets porositet, sprickbildning och mineralogi.
• En annan faktor som påverkar infiltrationen är enmer eller mindre brant lutning.
• Förekomsten avtät vegetationhar en komplex inverkan. Å ena sidan minskar den mängden vatten som når marken, men å andra sidan är rötterna mer genomsläppliga och det vatten som droppar från vegetationen förlänger nederbördens effekt över tid.

Hur snabbt vattnet rör sig beror på porernas volym (porositet) och på hur väl de är sammankopplade. Om porerna är tillräckligt stora cirkulerar en del av vattnet fritt genom dem, drivet av tyngdkraften, men en annan del hålls kvar av kapillärkrafterna eller av växelverkan mellan vattnet och mineralmolekylerna,

Uttorkning och överutnyttjande

Brunnarna kan torka ut om grundvattennivån sjunker under det ursprungliga djupet, vilket ibland inträffar under torrår. Grundvattenpåfyllningen kan påverkas av andra orsaker, såsom:

• Återplantering, som främjar markgenomsläpp jämfört med ytavrinning, men som i ännu högre grad främjar avdunstning.
• En ökning av ytan med vattentäta beläggningar, såsom i stads- och industriområden.

Den genomsnittliga grundvattennivån sjunker alltid när det sker en kontinuerlig vattenuttag ur akviferen. Denna sänkning innebär dock inte att akviferen är överutnyttjad. Överutnyttjande uppstår när den totala vattenuttaget överstiger återfyllningen.

3. Förorening av grundvattnet

Grundvattnet är oftast sött och drickbart, eftersom cirkulationen under jord har förmågan att rena vattnet från förorenande partiklar och organismer. Vattnet kan dock hamna förorenat i akviferen av olika skäl:

• Jordbruksverksamhet, som leder till att nitrater och andra mycket lösliga kemiska gödningsmedel sipprar ner i marken.
• Utsläpp från fabriker.
• Felaktig hantering av kommunalt fast avfall.
• Kemikalier från hushållsbruk.
• Vattenbehållare, septiktankar och avfallsdeponier.
• Naturliga faktorer. Till exempel när grundvattenmagasinen innehåller för mycket upplösta salter, eller när vissa bergformationer utsätts för naturlig erosion.

De föroreningar som oftast förekommer i grundvattnet är:

• Industriella organiska föreningar såsom lösningsmedel, bekämpningsmedel, färger, lacker osv.
• Bränslen såsom kolväten.
• Nitrater från olika källor: gödselmedel, septiktankar som inte fungerar som de ska, icke-täta avfallsdammar eller infiltration av orenat avloppsvatten.

Föroreningar kan finnas kvar i grundvattnet under lång tid av följande skäl:

• Den låga förnyelsefrekvensen.
• Hans långa vistelse.
• Den är svår att behandla på grund av att den är svårtillgänglig.

I mycket avgränsade föroreningsområden kan man använda sig avpump- och reningsmetoden, som går ut på att pumpa upp vatten från akviferen, rena det på lämpligt sätt och sedan injicera det tillbaka i akviferen.

Grundvattnet i kustområden kan förorenas genom att det blandas med havsvatten. Detta inträffar när uttagningshastigheten är mycket hög, eftersom det underlättar för havsvatten att tränga in i sötvattenakviferen. Detta problem kan åtgärdas genom att ändra brunnarnas placering eller genom att gräva nya brunnar som håller saltvattnet borta från sötvattenakviferen. I alla fall, så länge uttaget överstiger tillförseln av sötvatten, finns risken för förorening med saltvatten kvar.                                                                  

De viktigaste källorna till förorening av grundvattnet

Föroreningskälla	Typ av förorening
Jordbruksverksamhet	Nitrater, ammoniak, bekämpningsmedel, fekala mikroorganismer
Rening på plats	Nitrater, fekala mikroorganismer, spår av syntetiska kolväten
Bensinstationer och verkstäder	Bensen, andra aromatiska kolväten, fenoler, vissa halogenerade kolväten
Slutförvaringsanläggning för fast avfall	Ammoniak, salthalt, vissa halogenerade kolväten, tungmetaller
Metallindustrin	Trikloretylen, tetrakloretylen, andra halogenerade kolväten, tungmetaller, fenoler, cyanid
Verkstäder för färg och lack	Alkalibenzener, tetrakloretylen, andra halogenerade kolväten, metaller, vissa aromatiska kolväten
Träindustrin	Pentaklorfenol, vissa aromatiska kolväten
Kemtvättar	Trikloretylen, tetrakloretylen
Tillverkning av bekämpningsmedel	vissa halogenerade kolväten, fenoler, arsenik, tungmetaller
Deponier för hushållsslam	Nitrater, bly, zink, olika halogenerade kolväten
Avfall från garvning	Krom, salthalt, vissa halogenerade kolväten, fenoler
Utvinning och utvinning av olja/gas	Salthalt (natriumklorid), aromatiska kolväten
Kol- och metallgruvor	Syra, olika tungmetaller, järn, sulfater

4. Kontroll av grundvattenkvaliteten

Kvalitetskontrollen av vattnet i akvifererna kräver förebyggande åtgärder för att skydda grundvattnets fysikalisk-kemiska egenskaper och återställa det till sitt ursprungliga tillstånd i händelse av förorening.

Behandlingen av grundvatten medför vissa specifika utmaningar, bland annat:

• Höga utvinningshastigheter, vanligtvis på tiotals kubikmeter per timme.
• Relativt låga halter av föroreningar.
• Ett stort antal olika föroreningar förekommer.
• Mycket strikta krav på kvaliteten på det renade vattnet.
• Behovet av att bedriva verksamheten kontinuerligt, dygnet runt.

Även om grundvattnet renas delvis när det sipprar genom marklagren kan reningen bli komplicerad om det förorenas av kolloidala eller lösta ämnen, både organiska och oorganiska (såsom kolväten, skadliga salter som nitrater, metaller som järn eller giftiga ämnen som arsenik). Av denna anledning är det nödvändigt att utföra detaljerade analyser som gör det möjligt att identifiera de förorenande ämnen som finns och utforma en specifik behandling utifrån de erhållna resultaten.

Ett mycket användbart verktyg för detta är riskkartor. År 2016 utvecklade en grupp forskare plattformen Groundwater Assessment Platform (GAP), där experter från hela världen kan använda och visualisera sina analysdata för att ta fram riskkartor för specifika områden. GAP-plattformen fungerar också som ett diskussionsforum för kunskapsutbyte, vilket bidrar till utvecklingen av bättre metoder för att avlägsna skadliga ämnen från dricksvatten.

5. Process för behandling av grundvatten

Det finns ingen universell behandlingsmetod som passar för allt grundvatten. Beroende på dess ursprung och användningsområde fastställs en specifik behandlingsprocess som kan omfatta följande steg:

5.1 Primärbehandling

Syftet med den primära reningen är att avlägsna suspenderade ämnen, såsom mikropartiklar och kolloider.

Beroende på vilka föroreningar som upptäcks kan det vara nödvändigt att tillsätta ett oxidationsmedel, till exempel natriumhypoklorit (NaOCl), vilket underlättar avlägsnandet av metaller som järn, samt att justera pH-värdet om vattnet är mycket surt eller alkaliskt.

Oxidationsmedlet bidrar också till att eliminera virus och bakterier, vilket garanterar vattnets mikrobiologiska säkerhet – något som är särskilt viktigt när man vill få dricksvatten eller vatten av hög kvalitet.

Koagulering och flockning av kolloider är grundläggande processer för att säkerställa separationen av dessa partiklar genom sedimentering eller flotation med hjälp av upplöst luft.

Flotation med upplöst luft (DAF) är ett utmärkt alternativ, eftersom det erbjuder följande fördelar:

• Det är den mest effektiva tekniken för att avskilja fasta ämnen, fetter, oljor, kolväten och de flockar som bildas under koagulerings- och flockningsprocessen.
• Det slam som bildas i ett DAF-system har en högre torrsubstanshalt än det slam som bildas vid konventionell sedimentering.
• Den tillförda luften underlättar avskiljningen av flyktiga ämnen i vattnet.

5.2 Efterbehandling

I många fall räcker det med en primär rening för att få vatten som är lämpligt för återanvändning i tillämpningar som inte kräver högsta möjliga kvalitet, till exempel:

• Bevattning.
• Vatten för industriell tvätt.
• Brandskyddssystem.
• Gatustädning.
• Avloppsvatten.

Om man vill få vatten av hög kvalitet för industriella processer eller till och med för mänsklig konsumtion, måste den primära reningen kompletteras med en sekundär och till och med tertiär rening. Vilka tekniker som används beror på hur förorenad akviferen är. Bland de vanligaste metoderna för rening av grundvatten ingår:

• Filter med sandbäddar, aktivt kol eller blandbäddar.
• Filtreringssystem med ultrafiltreringsmembran (UF) eller omvänd osmos (RO).

För dricksvatten krävs det oftast en efterbehandling som avlägsnar överskottet av koldioxid och tillför salter för att kompensera för vattnets låga salthalt, så att det blir lämpligt för mänsklig konsumtion.

I mer krävande fall, såsom behandling av avmineraliserat eller ultrarent vatten, används jonbytarsystem (IX) som omfattar bäddar av selektiva hartser samt elektrodejoniseringsprocessen (EDI).

6. Sammanfattning

Ungefär en tredjedel av jordens sötvatten finns under jordytan och kallas grundvatten. Dessa vattenreserver, som kallas akviferer, kan vara rörliga eller stillastående. Tack vare den naturliga filtreringen genom lager av sand, grus och bergarter renas vattnet ofta av sig självt under sin cirkulation.

Grundvattnet kan tränga upp till ytan i form av våtmarker, träsk och artesiska källor på grund av det naturliga trycket, eller pumpas upp.

Mänsklig verksamhet leder dock till att betydande mängder föroreningar hamnar i grundvattenmagasinen, främst genom jordbruket (gödselmedel och bekämpningsmedel), industriell verksamhet och hushållsavfall, som sipprar ner i marken.

För att rena och använda grundvatten krävs en fullständig analys för att identifiera förekomna föroreningar och utforma en lämplig reningsmetod utifrån vattnets avsedda användningsområde.

Flotation med upplöst luft (DAF) är en teknik som ofta används för att avskilja metaller, kolloider, flytande ämnen (såsom kolväten och kolloider), en del av det organiska materialet samt flyktiga föreningar. SIGMADAF har erfarenhet, resurser och ett brett utbud av utrustning för specifik behandling av varje typ av grundvatten.

Litteraturlista och källor

Egenskaper hos anläggningar för behandling av grundvatten | 2024 (cesuma.mx)

Behandling av grundvatten: Process och steg – Hela tidskriften

Vad är grundvatten? | International Groundwater Resources Assessment Centre (un-igrac.org)

Grundvattenkvalitet: övervakning och tre olika användningsområden (rs-ingenieria.es)