3. ΕΜΠΛΟΥΤΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΥΠΟΓΕΙΩΝ ΥΔΡΟΦΟΡΩΝ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΥΠΟΒΑΘΜΙΣΜΕΝΩΝ ΣΕ ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΝΕΡΩΝ

3. ΕΜΠΛΟΥΤΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΥΠΟΓΕΙΩΝ ΥΔΡΟΦΟΡΩΝ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΥΠΟΒΑΘΜΙΣΜΕΝΩΝ ΣΕ ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΝΕΡΩΝ Εισαγωγή Οι υπόγειοι υδροφόροι χρησιμοποιούνται όχι μόνο ως πηγές προμήθειας νερού αλλά και ως τεράστιες εγκαταστάσεις αποθήκευσης νερού, οι οποίες παρέχουν την δυνατότητα εξέχουσας διαχειριστικής ευελιξίας με σχετικά αποδεκτό οικονομικό κόστος. Ένα κρίσιμο ερώτημα είναι: Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε για τεχνητό εμπλουτισμό (ΤΕ) νερά υποβαθμισμένης ποιότητας όταν αυτά υποβληθούν στην κατάλληλη προεπεξεργασία, μετά-επεξεργασία και στην επεξεργασία που επιτυγχάνεται από τις διαδικασίες μέσα στο έδαφος και τους υδροφόρους; Πότε τα ανακτημένα από τέτοια συστήματα νερά είναι κατάλληλα για να χρησιμοποιηθούν ως πόσιμο νερό ή σε άλλες χρήσεις. Ο τεχνητός εμπλουτισμός μπορεί να χρησιμοποιηθεί: 1. στην παρεμπόδιση της διείσδυσης της θάλασσας σε παράκτιους υδροφορείς 2. στον έλεγχο των καθιζήσεων λόγω υποχώρησης της στάθμης των υπόγειων νερών 3. στη διατήρηση της βασικής ροής των υδρορρευμάτων 4. και στη μείωση του κόστους άντλησης υπόγειων νερών Η διαφοροποίηση ως προς τον κλασσικό τεχνητό εμπλουτισμό συνίσταται στη χρησιμοποίηση υποβαθμισμένων νερών όπως. επεξεργασμένα δημοτικά υγρά απόβλητα απορροές καταιγίδων επιστροφές ροών άρδευσης Ενδεικτικές αναλύσεις των τριών αυτών τύπων νερού παρουσιάζονται στους πίνακες 3.1, 3.2 και 3.3. Τα χαρακτηριστικά της πηγής του νερού που επηρεάζουν τις λειτουργικές όψεις των εγκαταστάσεων εμπλουτισμού είναι: 1. αιωρούμενα στερεά 2. διαλυμένα αέρια 3. θρεπτικές ουσίες 4. BOD 5. μικροοργανισμοί 6. SAR (επηρεάζει την περατότητα) Τα χαρακτηριστικά που επιδρούν στην επαναχρησιμοποίηση του νερού ως πόσιμου περιλαμβάνουν: 1. τις ανόργανες και οργανικές τοξικές ουσίες 2. τις ενώσεις του αζώτου 3. τα παθογενή Τα αστικά λύματα είναι χωροχρονικά, τόσο σε ποιότητα όσο και σε ποσότητα, τα πιο σταθερά. Εξαιρέσεις αποτελούν τα ανεπεξέργαστα δημοτικά υγρά απόβλητα που αναμιγνύονται με νερά καταιγίδων ή τα διάφορα βιομηχανικά απόβλητα. Για την παρουσία ιχνοστοιχείων στα υποβαθμισμένα νερά ελάχιστα είναι γνωστά. Οι διαθέσιμες διαδικασίες επεξεργασίας καθιστούν τα λύματα αποδεκτά για τις διάφορες εφαρμογές εμπλουτισμού. Ακόμη όμως και όταν τα δημοτικά υγρά απόβλητα έχουν υποστεί επεξεργασία υψηλού βαθμού, οι εκροές που απολυμάνθηκαν μέσο χλωρίωσης θα περιέχουν παραπροϊόντα αυτής και επομένως τα ανακτημένα νερά που προορίζονται για πόσιμη χρήση θα πρέπει να εξετάζονται κατάλληλα. Στο σχήμα 3.1 παρουσιάζεται ένα ιδανικό σύστημα υπόγειου νερού. 59

απορροές καταιγίδων Η ποιότητα των απορροών καταιγίδων εξαρτάται από: 1. την ποσότητα και την ένταση των βροχοπτώσεων 2. τα φυσικά και ανθρωπογενή χαρακτηριστικά της λεκάνης απορροής 3. το χρόνο που παρήλθε από το τελευταίο επεισόδιο απορροής 4. την εποχή του έτους Πίνακας 3.1. Συνήθεις συγκεντρώσεις ρυπαντών σε ανεπεξέργαστα δημοτικά υγρά απόβλητα. συγκέντρωση σε mg/l χαμηλή μέτρια μεγάλη mg/l στερεά, σύνολο 350 720 1200 διαλυμένα, σύνολο 250 500 850 μη πτητικά 145 300 525 πτητικά 105 200 350 αιωρούμενα στερεά 100 220 350 μη πτητικά 20 55 75 πτητικά 80 165 275 καθιζάνοντα στερεά 5 10 20 BOD α 110 220 275 TOC 80 160 290 COD 250 500 1000 άζωτο (ως συνολικό Ν) 20 40 85 οργανικά 8 15 45 ελεύθερη αμμωνία 12 25 50 νιτρώδη 0 0 0 νιτρικά 0 0 0 φώσφορος (συνολικός ως Ρ) 4 8 15 1 3 5 ανόργανος 3 5 10 χλωριόντα β 30 50 100 θεϊκά β 20 30 50 αλκαλικότητα γ 50 100 ΝΑ λίπη 50 100 150 σύνολο κολοβακτηρίων no./100 ml 10 6-10 7 10 7-10 8 10 7-10 9 πτητικά οργανικά μg/l <100 100-400 >400 σημείωση: ΝΑ = μη διαθέσιμος α 5-ημέρες, 20 ο C (BOD 5, 20 o C) β οι τιμές πρέπει να αυξηθούν κατά την ποσότητα που εμφανίζεται στις παροχές οικιακού νερού γ ως ανθρακικό ασβέστιο (CaCO 3 ). πηγή:μetcalf & Eddy, Inc., 1991. Συστατικά των απορροών των καταιγίδων που εξετάζονται είναι τα ακόλουθα: 1. Ιχνοστοιχεία μετάλλων 2. οργανικές ενώσεις 3. παθογενείς οργανισμοί 4. αιωρούμενα στερεά 60

5. ΝαCl (στα βόρεια κλίματα) H προσέγγιση της ποσότητας τους (πιθανή η λανθασμένη προσέγγιση) είναι δύσκολη και συνήθως τα νερά αυτά είναι καλής ποιότητας Επιστροφές άρδευσης Παρουσιάζουν τη μεγαλύτερη - σε σχέση με τις άλλες δύο πηγές - διακύμανση στην ποιότητα. Η εξέταση της ποιότητάς τους συνήθως περιλαμβάνει μόνο τα νιτρικά και την αλατότητα. Τα άλατα μπορεί να αποτελούν πρόβλημα, ιδιαίτερα στις ξηρές και ημίξηρες περιοχές, ενώ θα πρέπει να εξετάζονται και τα αιωρούμενα στερεά, θρεπτικά άλατα, φυτοφάρμακα, ιχνοστοιχεία (σελήνιο, ουράνιο, βόριο, αρσενικό). Παρά το γεγονός ότι είναι διαθέσιμες διαδικασίες επεξεργασίας τέτοιων νερών, έτσι ώστε να απομακρύνονται τα επιβλαβή συστατικά σε αποδεκτά επίπεδα, οι επιστροφές άρδευσης παραμένουν γενικά ανεπεξέργαστες, ενώ περικλείει ερωτηματικά από οικονομικής πλευράς και η εφαρμοσιμότητα της επεξεργασίας. Πίνακας 3.2. Μέσες συγκεντρώσεις ρυπαντών σε νερά καταιγίδων για όλες τις θέσεις ανάλογα με τη χρήση γης (Nation Urban Runoff Program, NURP). αστική περιοχή μικτή χρήση γης εμπορική χρήση γης ακάλυπτη μη αστική γη διάμεσος COV διάμεσος COV διάμεσος COV διάμεσος COV BOD (mg/l) 10.0 0.4 7.8 0.5 9.3 0.3 - - COD (mg/l) 73.0 0.6 65.0 0.6 57.0 0.4 40.0 0.8 Σύνολο αιωρούμενων στερεών (mg/l) 101.0 1.0 67.0 1.1 69.0 0.9 70.0 2.9 Ολικό άζωτο κατά Kjeldahl (μg/l) 1900.0 0.7 1288.0 0.5 1179.0 0.4 965.0 1.0 Νιτρώδες συν νιτρικό άζωτο (μg/l) 736.0 0.8 558.0 0.7 572.0 0.5 543.0 0.9 Ολικός φώσφορος (μg/l) 383.0 0.7 263.0 0.8 201.0 0.7 121.0 1.7 Διαλυτός φώσφορος (μg/l) 143.0 0.5 56.0 0.8 80.0 0.7 26.0 2.1 Ολικός μόλυβδος (μg/l) 144.0 0.8 114.0 1.4 104.0 0.7 30.0 1.5 Ολικός χαλκός (μg/l) 33.0 1.0 27.0 1.3 29.0 0.8 - - Ολικός ψευδάργυρος (μg/l) 135.0 0.8 154.0 0.8 226.0 1.1 195.0 0.7 Υποσημείωση: COV = Συντελεστής διασποράς - (σταθερή απόκλιση/μέσο) Πηγή: U.S. Environmental Protection Agency, 1983 Συστήματα επεξεργασίας εδάφους/υδροφόρου (Soil Aquifer Treatment ή SAT) Το έδαφος και ο υποκείμενος υδροφόρος έχουν μεγάλη ικανότητα απομάκρυνσης ρυπαντών και παθογενών οργανισμών από το νερό εμπλουτισμού. Η ιδανική επεξεργασία μέσω συστημάτων SAT (βλέπε σχήμα 3.1) εξισορροπεί την ανάγκη για υψηλούς ρυθμούς εμπλουτισμού σε χονδρόκοκκα εδαφικά υλικά με την ανάγκη για αποτελεσματική προσρόφηση και απομάκρυνση των ρυπαντών, η οποία πραγματοποιείται καλύτερα μέσα σε λεπτόκοκκα εδάφη. Ακόρεστη ζώνη Η ακόρεστη εδαφική ζώνη (vadoze zone) μπορεί να παίξει σημαντικό ρόλο στον τεχνητό εμπλουτισμό: Η ζώνη αυτή απομακρύνει ή μειώνει τα χημικά και βιολογικά συστατικά του νερού καθώς αυτό κινείται προς τον υποκείμενο υδροφόρο. Έτσι έχουμε μείωση του δυναμικού των κινδύνων για την υγεία πριν το νερό φθάσει στον υδροφόρο. Π.χ. Το άζωτο μετασχηματίζεται πολύ γρήγορα σε νιτρικά τα οποία υπό κανονικές συνθήκες είναι πολύ κινητικά στο έδαφος, αλλά μπορούν να απομακρυνθούν μέσω απονιτροποίησης σε αναερόβιες συνθήκες. Τα επίπεδα των συγκεντρώσεων του Ρ μειώνονται μέσω προσρόφησης και καθίζησης (αν και όχι πλήρως). Τα ιχνοστοιχεία των μετάλλων καθιζάνουν κάτω από συνθήκες αερόβιες και αλκαλικές (εξαίρεση το Β). Τα οργανικά απομακρύνονται σε διαφορετικό βαθμό με εξαέρωση ή χημική ή βιολογική 61

αποσύνθεση (κατά τη διαδρομή στην ακόρεστη ζώνη). μερικώς επεξεργασμένα υγρά απόβλητα γεώτρηση ανάκτησης γεώτρηση παρατήρησης λεκάνη εμπλουτισμού προς δίκτυο παροχής αμμοθίνες με φακούς από άργιλο και ιλύ ύβωμα αρχική υδροστατική στάθμη ζώνη προοριζόμενη για επεξεργασία και αποθήκευση υγρών αποβλήτων αδιαπέρατο Σχήμα 3.1. Σύστημα SAT στο Dan Region Project, Israel. Στην ακόρεστη ζώνη συμβαίνει μερική απομάκρυνση των παθογενών με φιλτράρισμα για τους μεγαλύτερους οργανισμούς καθώς και κάποια προσρόφηση βακτηρίων και ιών. Δυστυχώς οι διαδικασίες απομάκρυνσης δεν είναι πλήρως αποτελεσματικές σε μια φυσική διάταξη, ενώ δεν κατακρατούνται ή αποσυντίθενται στον ίδιο βαθμό όλα τα συστατικά. Επί πλέον διαχειριστικές πρακτικές που βελτιώνουν την υδραυλική ικανότητα ή απομάκρυνση σε ορισμένες περιπτώσεις, μειώνουν στην πραγματικότητα την αποτελεσματικότητα απομάκρυνσης σε άλλες περιπτώσεις. Η αποτελεσματική διαχείριση και παρακολούθηση μειώνει το κόστος της προ- και μετά-επεξεργασίας. Με κατάλληλη διαχείριση της λειτουργίας ενός συστήματος SAT, που υπόκειται περιοδικά σε ξήρανση για τη μείωση της απόφραξης (clogging), αυξάνει απεριόριστα ο χρόνος λειτουργίας του. Στο σχήμα 3.2 παρουσιάζονται οι γραμμές ροής ενός συστήματος SAT. Η αργή μετανάστευση των ιχνοστοιχείων παραμένει ένα ζήτημα και η παρουσία τέτοιων συστατικών καθιστά αναγκαία 1. την προσεκτική παρακολούθηση κατά τη διάρκεια της χρήσης ενός συστήματος SAT και 2. τη ρύθμιση κατά το κλείσιμο της εγκατάστασης. Παρά το γεγονός ότι η παρακολούθηση πλησίον της επιφάνειας είναι επιθυμητή ως η πιο κατάλληλη επαγρύπνηση, η ετερογένεια του εδάφους καθιστά πολύ δύσκολο τον πλήρη έλεγχο με το διαθέσιμο σήμερα εξοπλισμό. Η παρακολούθηση πλησίον της επιφάνειας και σε απομακρυσμένα σημεία παρέχει τον καλύτερο συνδυασμό. Ζητήματα δημόσιας υγείας Η χρησιμοποίηση υποβαθμισμένων σε ποιότητα νερών για τεχνητό εμπλουτισμό απαιτεί την εξονυχιστική εξέταση τους ως προς την παρουσία χημικών και μικροβιολογικών παραγόντων που θα μπορούσαν να είναι επικίνδυνοι για την ανθρώπινη υγεία. Αυτό αφορά, τόσο το νερό που θα χρησιμοποιηθεί ως πόσιμο (μεγαλύτερος κίνδυνος) όσο και το νερό που θα χρησιμοποιηθεί σε διάφορες χρήσεις όπου υπάρχουν πιθανότητες έμμεσης έκθεσης των ανθρώπων (μικρότερος κίνδυνος). Εξακολουθεί να υπάρχει αβεβαιότητα για τους κινδύνους που συνδέονται με υποβαθμισμένα σε ποιότητα νερά από την παρουσία συνθετικών οργανικών χημικών, των παραγώγων της απολύμανσης και μερικών παθογενών οργανισμών. Θα πρέπει να αξιολογηθούν και να 62

κατανοηθούν οι σχετικοί κίνδυνοι και να αναπτυχθούν στρατηγικές για τη μείωσή τους. Το κυρίαρχο ζήτημα είναι ο βαθμός επεξεργασίας στον οποίο θα πρέπει να υποβληθούν τα υποβαθμισμένα νερά πριν τον εμπλουτισμό. Πίνακας 3.3. Ανάλυση επιστροφών άρδευσης στο San Luis Drain, Mendota, California. Συστατικό Μέσος όρος Μέγιστο mg/l Νάτριο 2230 2820 Κάλιο 6 12 Ασβέστιο 554 714 Μαγνήσιο 270 326 Αλκαλικότητα 196 213 (ως ανθρακικό ασβέστιο) 4730 6500 Θειϊκά 1480 2000 Χλωριόντα 48 60 Πυρίτιο 37 48 Σύνολο διαλυμένων αλάτων 9820 11600 αιωρούμενα στερεά 11 20 ολικός οργανικός άνθρακας 10.2 16 COD 32 80 BOD 3.2 5.8 Θερμοκρασία α 19 29 ph 8.2 8.7 μg/l Βόριο 14400 18000 Σελήνιο 325 420 Στρόντιο 6400 7200 Σίδηρος 110 210 Αργίλιο <1 <1 Κάδμιο <1 20 Χρώμιο (ολικό) 19 30 Χαλκός 4 5 Μόλυβδος 3 6 Μαγγάνιο 25 50 Υδράργυρος <0.1 <0.2 Μολυβδαίνιο 88 120 Νικέλιο 14 26 Άργυρος <1 <1 Ψευδάργυρος 33 240 α Η θερμοκρασία κυμαίνεται από 23 έως 25 ο C(θέρος) και από 12 έως 15 οc (χειμώνας) Πηγή: U.S. Bureau of Reclamation, 1985, Lee,1990. Ένα άλλο ζήτημα κλειδί είναι όχι μόνο η ελαχιστοποίηση του δυναμικού έκθεσης σε παθογενείς μικροοργανισμούς των παραγώγων της απολύμανσης αλλά και οι συγκεντρώσεις των παραγώγων της απολύμανσης. Η συμπεριφορά και καταστροφή των οργανισμών, τα παράγωγα της απολύμανσης και άλλα χημικά τοξικά στο σύστημα του υπόγειου νερού θα επηρεάσουν τις συγκεντρώσεις τους στο σημείο ανάκτησης. Ποιο είναι το κλειδί; Η κατανόηση της χημικής και μικροβιολογικής σύνθεσης του νερού και των αλλαγών που αυτές μπορούν να υποστούν στο σύνθετο υπεδαφικό περιβάλλον είναι το κλειδί για την βέλτιστη χρήση των υποβαθμισμένης ποιότητας νερών 63

για εμπλουτισμό. Πρόσφατες μελέτες έδειξαν ότι οι τριχλωρομεθάνες και οι ενώσεις του οξικού οξέως με αλογόνα (παράγωγα της απολύμανσης) μπορούν να απομακρυνθούν μέσο βιολογικής αποσύνθεσης στους υδροφόρους. Ο κίνδυνος βέβαια θανάτου από μη απολυμασμένο νερό είναι χίλιες φορές μεγαλύτερος από τον κίνδυνο εκδήλωσης καρκινογένεσης που προέρχεται από τα παράγωγα της απολύμανσης μέσο χλωρίωσης. Οι πληροφορίες από μελέτες πεδίου και εργαστηρίου δεν υποδεικνύουν ότι οι κίνδυνοι για την υγεία από τη χρήση ανακτημένων νερών είναι μεγαλύτεροι από εκείνους των υφιστάμενων συστημάτων παροχής, ούτε ότι οι συγκεντρώσεις των χημικών ή μικροοργανισμών είναι πιθανόν να είναι υψηλότερες από εκείνες που υπαγορεύονται από τα σταθερότυπα πόσιμου νερού. Υπάρχουν ορισμένες αβεβαιότητες όπως ο περιορισμένος χημικός και τοξικολογικός χαρακτηρισμός των υποβαθμισμένων νερών και η αβέβαιη περιβαλλοντικά κατάληξη χημικών και μικροοργανισμών στο σύστημα εμπλουτισμού. Δεν έχουν προσδιοριστεί ακόμη οι επιδράσεις των μεμονωμένων οργανικών ουσιών. Η παρακολούθηση των τοξικών ουσιών υψηλού δυναμικού ρύπανσης και των παθογενών μικροοργανισμών πρέπει να απαιτείται όταν πρόκειται να χρησιμοποιηθούν νερά από τέτοια συστήματα εμπλουτισμού. Στους περιορισμούς που έχουν σχέση με τις ακολουθούμενες τεχνικές ελέγχου εντάσσονται τα ανθρώπινα λάθη και η κακή λειτουργία των οργάνων. Οικονομική, νομική και θεσμική θεώρηση Η χρησιμοποίηση ΤΕ με υποβαθμισμένα σε ποιότητα νερά θα επηρεάσει το υπάρχον οικονομικό, νομικό και θεσμικό καθεστώς. Τα θεσμικά εμπόδια μπορεί να αποδειχθούν περισσότερο προβληματικά από τους ισχύοντες τεχνικούς περιορισμούς. Οικονομική πλευρά Η αυξανόμενη σπανιότητα νέων επιφανειακών πηγών και οι με αυξανόμενο ρυθμό επιβαλλόμενες αυστηρές ρυθμίσεις στις εκροές υγρών αποβλήτων θα καταστήσουν πολύ ελκυστική στο μέλλον τη χρησιμοποίηση ΤΕ με υποβαθμισμένα σε ποιότητα νερά. Το κόστος διαφέρει από θέση σε θέση αλλά ο εμπλουτισμός θα είναι οικονομικά ελκυστικός εκεί όπου θα απαιτεί το ελάχιστο κόστος σε σχέση με εκείνο άλλων συμπληρωματικών πηγών νερού. Το κόστος της επεξεργασίας για συμμόρφωση στα σταθερότυπα εκροής θα είναι μια ιδιαίτερα σημαντική παράμετρος. Το κόστος εξαρτάται σε σημαντικό βαθμό από την απόσταση που θα πρέπει να μεταφερθεί το νερό για να χρησιμοποιηθεί σε κατάκλυση ή έγχυση και από τις τεχνικές που θα χρησιμοποιηθούν. Το εφαρμόσιμο από οικονομική πλευρά εξαρτάται και από τα οφέλη που θα αποφέρει το ανακτώμενο νερό. Από οικονομικής και νομικής πλευράς υπάρχει επιτακτική ανάγκη να προσδιοριστούν τα δικαιώματα, τόσο για τα νερά που χρησιμοποιούνται στον εμπλουτισμό όσο και για τα ανακτημένα νερά. Από αυστηρά νομική πλευρά είναι αναγκαία η διατύπωση πολιτικής που θα προστατεύει την υγεία και το περιβάλλον και δεν θα επιβάλει μη κατάλληλους ή μη αναγκαίους φορτικούς ελέγχους σ αυτήν την δυναμικά σημαντική μορφή αξιοποίησης του νερού. Ένας άλλος δυναμικός περιορισμός είναι η αντίληψη του κοινού. Η σημασία της στάσης του κοινού δεν μπορεί να αγνοηθεί επειδή το κοινό είναι ο τελικός αποδέκτης του ανακτημένου νερού και αυτό που τελικά έστω και έμμεσα θα επιφορτιστεί το κόστος τέτοιων εγχειρημάτων. Η στάση του κοινού σε σχέση με την επαναχρησιμοποίηση του νερού εξαρτάται γενικά από την προέλευση του νερού και το σκοπό για τον οποίο θα χρησιμοποιηθεί. Η μη πόσιμη χρήση είναι γενικά ευρέως αποδεκτή, αλλά η χρήση τέτοιων 64

νερών για πόση ή για άλλους σκοπούς όπου υπάρχει υψηλού βαθμού επαφή των ατόμων με το νερό δεν είναι επιθυμητή λόγω των προβλημάτων της ποιότητας του νερού και των κινδύνων που αυτά συνεπάγονται για την υγεία. Επιφανειακά συστήματα εμπλουτισμού Απαιτούν υλικά όπως αμμώδη μίγματα άμμου, αργίλου και ιλύος (sandy loam), άμμοι, χονδρόκοκκα υλικά που επιδεικνύουν υψηλούς ρυθμούς διήθησης και μεταβίβασης νερού χωρίς να είναι απαραίτητος ο πλήρης κορεσμός της ζώνης πάνω από το υπόγειο νερό. Τέτοια συστήματα παρουσιάζονται στα σχήματα 3.2 και 3.3. συστήματα εντός της κοίτης ποταμοφράκτες αναχώματα σχήματος Τ ή L. Τμήματά τους διαβρώνονται κατά τις μεγάλες απορροές φράγματα που διαθέτουν επαρκείς υπερχειλιστές, εύκολα ανακατασκευάσιμα φράγματα από ελαστικό που φουσκώνει και επιτρέπουν ξεφουσκώνοντας τη διέλευση των μεγάλων απορροών. συστήματα εκτός της κοίτης παλαιές τάφροι σε χονδρόκοκκα υλικά ειδικά κατασκευασμένες λεκάνες υδρόρρευμα εκροής υγρών αποβλήτων γραμμή αποστράγγισης γραμμή παροχής αντλιοστάσιο κατασκευή σταθερής στάθμης αριθμός λεκάνης 1 2 3 4 αριθμός γεώτρησης 1 WCW 1-2 ECW ανατολική γεώτρηση 5 6 5-6 τεχνητός 7 φράγμα από δίαυλος αμμοχάλικο γεώτρηση παρακολούθησης 100 m Σχήμα 3.2. Διάγραμμα του Flushing Meadows project με τις λεκάνες εμπλουτισμού και τις 65

δευτερεύοντα υγρά απόβλητα γεωτρήσεις ελέγχου. ρυθμοί διήθησης Το πεδίο διακύμανσης του ρυθμού εμπλουτισμού είναι 0.3-3 m/day (συμπεριλαμβανομένης της επίδρασης της απόφραξης ή clogging) Συστήματα εμπλουτισμού που λειτουργούν σε ετήσια βάση και υποβάλλονται σε περιοδική αποξήρανση και καθαρισμό του πυθμένα επιδεικνύουν ρυθμούς υδραυλικής φόρτισης 30-300 m/έτος. ρυθμοί εξάτμισης Στην επιφάνεια του νερού ή σε υγρά εδάφη η έξάτμιση ανέρχεται σε 0.3 m/έτος (υγρά και ψυχρά κλίματα) και σε 2.5 m/έτος σε θερμά ημίξηρα κλίματα. Οι απώλειες από την πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETr) είναι πολύ μικρότερες σε σχέση με τις διηθήσεις. Σε πυθμένες λεκανών χωρίς ιζήματα ή υλικά απόφραξης και με επαρκώς χαμηλή στάθμη υπόγειου νερού, οι ρυθμοί διήθησης είναι ίσοι με το κατακόρυφο Κ= 0.3 m/day σε αμμώδη μίγματα άμμου, αργίλου και ιλύος, 1 m/day σε πηλώδης άμμους, 5 m/day σε λεπτόκοκκες άμμους και 20-50 m/day σε λεπτόκοκκους ή καθαρούς χάλικες. Σε μίξεις αμμοχάλικων η Κ είναι μικρότερη απ ότι σε καθαρή άμμο. Για να προσεγγίσουμε τις βέλτιστες τιμές ρυθμού εμπλουτισμού πρέπει να εξετάσουμε ένα αριθμό από χαρακτήρες στη διαδικασία σχεδιασμού συμπεριλαμβανομένων της απόφραξης, του βάθους του νερού και της στάθμης των υπόγειων νερών. Βόρεια γεώτρηση ΕΚΡΟΗ ΛΕΚΑΝΗ 1 ΕΙΣΡΟΗ ΛΕΚΑΝΗ 2 Κεντρική γεώτρηση ΛΕΚΑΝΗ 3 ΛΕΚΑΝΗ 4 Νότια γεώτρηση κανάλι by pass 300 m Σχήμα 3.3. Διάγραμμα του project της 23ης Avenue με την λίμνη (αριστερά) έκτασης 16 εκταρίων που υποδιαιρέθηκε σε τέσσαρες λεκάνες εμπλουτισμού και μια λίμνη (δεξιά) έκτασης 32 εκταρίων η οποία μπορεί να αυξήσει την ικανότητα του συστήματος. Απόφραξη (Clogging) Στρώματα που μπορούν να συνίστανται από μίγματα οργανικών και ανόργανων υλικών όπως: άργιλοι, ιλύες, λεπτόκοκκες άμμοι, άλγη, τολύπες βακτηρίων, λασπώδη απόβλητα 66

υπονόμων, βιοφίλμς, καλύμματα από νήματα πολυμερών που απομακρύνουν τα λεπτότατα αιωρούμενα υλικά). Πάχος στρωμάτων από <1mm - 0.3 m. Καθώς σχηματίζεται το στρώμα του clogging αυξάνεται η υδραυλική αντίσταση και οι ρυθμοί εμπλουτισμού μειώνονται και το στρώμα του clogging γίνεται ο παράγοντας ελέγχου της διαδικασίας της διήθησης: Αποξήρανση - θεραπεία Όταν οι ρυθμοί διήθησης γίνουν απαράδεκτα χαμηλοί, το σύστημα διήθησης πρέπει να υποβληθεί σε αποξήρανση για να ανακτηθούν οι αρχικοί ρυθμοί διήθησης. Όταν το στρώμα απόφραξης είναι κυρίως οργανικό, όπως στην περίπτωση των δημοτικών υγρών αποβλήτων, με την αποξήρανση αποσυντίθεται μερικώς, ρωγματώνεται και σχηματίζει νυφάδες (curled flakes). Το πρόβλημα είναι να βρούμε τον ιδανικό συνδυασμό κατάκλυσης και αποξήρανσης Πειράματα Επειδή στη διαδικασία συμπεριλαμβάνονται πολλές μεταβλητές, ένας βέλτιστος συνδυασμός θα προκύψει από τη διενέργεια εξειδικευμένων πειραμάτων στο πεδίο. Δημοτικά λύματα Για τα δημοτικά λύματα με χαμηλό περιεχόμενο σε αιωρούμενα υλικά (<10 mg/l) τέτοιοι συνδυασμοί κυμαίνονται από 2 μέρες κατάκλυση και 5 μέρες αποξήρανση έως 2 εβδομάδες κατάκλυση και 2 εβδομάδες αποξήρανση. Οι ρυθμοί υδραυλικής φόρτισης (δηλαδή, μέσης διήθησης με το χρόνο, συμπεριλαμβανομένων των κύκλων κατάκλυσης, αποξήρανσης και καθαρισμού) βρίσκονται στο πεδίο 30-200 m/year, εξαρτώμενοι από την ποιότητα των εκροών, το έδαφος και το κλίμα. Τα προγράμματα κατάκλυσης/ αποξήρανσης ελέγχονται από περιβαλλοντικούς παράγοντες όπως: η αναπαραγωγή εντόμων, η προστασία της άγριας ζωής, ο σχηματισμός επιπλεόντων άλγεων, οι οσμές, οι χρήσεις αναψυχής του συστήματος διήθησης. Όταν συνεχίζεται η συσσώρευση υλικού απόφραξης, είναι απαραίτητη η απομάκρυνση του κάθε 1-2 χρόνια εφόσον τα λύματα έχουν καθαριστεί επαρκώς μέσω προεπεξεργασίας. Η υψηλή παρουσία αιωρούμενων υλικών απαιτεί απομάκρυνση τους στο τέλος κάθε περιόδου αποξήρανσης. Τα στρώματα απόφραξης προάγουν τη ροή στην ακόρεστη ζώνη, είναι ενεργά βιοφίλτρα και μπορούν όταν το νερό κινείται δια μέσου αυτών να απομακρύνουν λεπτόκοκκα αιωρούμενα στερεά, μικροοργανισμούς, οργανικό άνθρακα, νιτρικά, και μέταλλα. Αυτή είναι μια σπουδαία ιδιότητα μεγάλης σημασίας για τις λίμνες λυμάτων ή τους τεχνητούς υγροβιότοπους όπου το υποκείμενο υπόγειο νερό χρήζει προστασίας από την μόλυνση. Όταν χρησιμοποιούνται νερά χαμηλής ποιότητας σε χονδρόκκες άμμους, η παρουσία απόφραξης είναι επιθυμητή σε κάποιο βαθμό για τη μείωση των ρυθμών διήθησης και την αναβάθμιση των ωφελειών τύπου SAT. Βάθος νερού Η επιλογή του βάθους του νερού στις λεκάνες κατάκλυσης γίνεται προσεκτικά. Το μικρό βάθος είναι επιθυμητό λόγω της μη συμπίεση των στρωμάτων απόφραξης, παρά το γεγονός ότι το μεγάλο βάθος ευνοεί τους υψηλότερους ρυθμούς διήθησης. Ο ρυθμός κίνησης του νερού είναι μικρότερος σε βαθιά νερά, (ανάπτυξη αιωρούμενων άλγεων λόγω μακρόχρονης έκθεσης στο ηλιακό φως). Επιπρόσθετη απόφραξη συμβαίνει καθώς φιλτράρεται η βιομάζα κατά τη διήθηση. Tα φωτοσυνθέτοντα άλγη συμβάλλουν στη καθίζηση CaCO 3 επειδή λαμβάνοντας τον διαλυμένο στο νερό άνθρακα προκαλούν 67

αύξηση του ph που ευνοεί την καθίζηση του CaCO 3 και κατ επέκταση αύξηση της απόφραξης. Όταν το βάθος του νερού είναι μικρότερο των 20 cm, το σύστημα διήθησης εμφανίζει το πλεονέκτημα της γρήγορης έναρξης της αποξήρανσης (24 ώρες από το τέλος της κατάκλυσης). Όταν το βάθος του νερού είναι μεγαλύτερο των 10 m όπως σε παλιές τάφρους χαλίκων, ο χρόνος διήθησης είναι μακρύς. Στην περίπτωση αυτή, ίσως να χρειαστεί απομάκρυνση του νερού μέσω αντλήσεων. Μειονέκτημα των αβαθών λεκανών (20 cm) είναι η μεγαλύτερη ανάπτυξη ζιζανίων που όμως μπορεί να ελεγχθεί. Στάθμη υπόγειων νερών Σχεδιαστικό κριτήριο αποτελεί και η ύπαρξη υδροστατικής επιφάνειας σε ικανό βάθος κάτω από τον πυθμένα της λεκάνης εμπλουτισμού. Όταν ο ρυθμός διήθησης ελέγχεται από την παρουσία απόφραξης, τότε το ύβωμα σταθερής στάθμης που προκαλείται από τον εμπλουτισμό ή το ύβωμα τυχόν κρεμάμενων υδροφόρων πρέπει να βρίσκεται σε βάθος τουλάχιστον 0.5 m κάτω από τον πυθμένα της λεκάνης. Έτσι, διατηρείται η τριχοειδής ανύψωση κάτω από τον πυθμένα Μη παρουσία απόφραξης Η κατακόρυφη απόσταση της επιφάνειας του νερού σε κάποια απόσταση από τη λεκάνη κατάκλυσης, εκεί όπου τα περισσότερα υβώματα εξαφανίζονται, από τη στάθμη του υπόγειου νερού, πρέπει να είναι τουλάχιστον διπλάσια από το εύρος του συστήματος διήθησης. περιοχή εμπλουτισμού για τον αρτεσιανό υδροφόρο κατακρημνίσματα περιοχή εκροής για τον αρτεσιανό υδροφόρο ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΕΔΑΦΟΥΣ υδροστατική επιφάνεια επιφανειακος υδροφόρος δυναμομετρική επιφάνεια για τον αρτεσιανό υδροφόρο κατακόρυφος εισρέων εμπλουτισμός κατακόρυφη εκροή διεπιφάνεια αλμυρού/γλυκού νερού επίπεδο της θάλασσας πυθμένας της θάλασσας υπόβαθρο κρυσταλλικών πετρωμάτων αρτεσιανός υδροφόρος διεπιφάνεια αλμυρού/γλυκού νερού Σχήμα 3.4. Ιδανική υδρογεωλογική τομή με τους χαρακτήρες του συστήματος ροής του υπόγειου νερού. Υψηλή στάθμη υπόγειου νερού Είναι απαραίτητο ο εμπλουτισμός να γίνεται σε επιμήκη αβαθή υδρορρεύματα ή λεκάνες σε κατάλληλη απόσταση μεταξύ τους. Γενικά, η χρήση υποβαθμισμένων σε ποιότητα νερών απαιτεί επαρκώς χαμηλή στάθμη 68

υπόγειου νερού για τη δημιουργία ακόρεστης ζώνης (διαδικασίες σε αερόβιες συνθήκες, απομάκρυνση ιών), π.χ. στην Καλιφόρνια η υδροστατική στάθμη του υπόγειου νερού είναι 3 m χαμηλότερη από τη λεκάνη. Στην Ολλανδία τα συστήματα διήθησης σε θίνες που εξυπηρετούν την προεπεξεργασία νερών του Ρήνου για τη λήψη πόσιμου νερού, λειτουργούν ουσιαστικά στη ζώνη του υπόγειου νερού, χωρίς παρουσία ακόρεστης ζώνης. Σε γεωτρήσεις που έγιναν πλησίον λιμνών ή ποταμών για άντληση επιφανειακού νερού που έχει υποστεί προηγουμένως τη διαδικασία SAT, οι διαδικασίες γίνονται κάτω από τον φρεάτιο ορίζοντα. Δεν υπάρχουν σταθερότυπα για το ελάχιστο βάθος. Ποιότητα του νερού Οι πιο σημαντικές παράμετροι των νερών εμπλουτισμού σε σχέση με την ποιότητα είναι: Τα αιωρούμενα στερεά (Suspended Solids ή SS), το TDS, τα κυρίαρχα κατιόντα, Ca 2+, Mg 2+, Na +. Όταν το φορτίο των SS είναι μεγάλο απαιτούνται λεκάνες προ-καθίζησης και πιθανή χρήση αποκροκυδωτικών μέσων (cloagulants). Τα πειράματα στο πεδίο θα οδηγήσουν στον προσδιορισμό του βέλτιστου συνδυασμού προγραμμάτων προεπεξεργασίας και καθαρισμού, για μέγιστη υδραυλική ικανότητα και οικονομία στη λειτουργία. Υψηλές συγκεντρώσεις Na + (χαμηλά σε άλατα νερά) στο νερό εμπλουτισμού συντελούν στην αποσυσσωμάτωση των αργίλων και απελευθερώνουν κολλοειδή που φράσσουν τους πόρους και μειώνουν την υδραυλική αγωγιμότητα k και το ρυθμό διήθησης. Τα επίπεδα TDS, οι συγκεντρώσεις Ca 2+, Mg 2+, Na + και το SAR (συντελεστής προσρόφησης νατρίου) χρησιμεύουν για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς των αργίλων. Π.χ. στον ποταμό Colorado με υψηλό TDS και χαμηλό SAR παρατηρούνται υψηλότεροι ρυθμοί διήθησης από ότι στον ποταμό Sacramento με χαμηλότερο TDS και υψηλότερο SAR). Επαρκώς υψηλά TDS, Ca 2+, Mg 2+ και επαρκώς χαμηλό Na + διατηρούν την παρουσία των αργίλων στο στρώμα απόφραξης και κάτω από αυτό σε κατάσταση κροκύδωσης καθιστώντας αυτό πιο διαπερατό. Χαμηλό TDS και/ή υψηλή συγκέντρωση Na + σε παρουσία αργιλικών στρωμάτων προκαλούν διασπορά των αργίλων που κινούνται μαζί με το υπόγειο νερό. Το αντλούμενο νερό καθίσταται έτσι θολό. Η ποιότητα του νερού προσδιορίζει και τη χρήση του νερού εμπλουτισμού, δηλαδή αν αυτό είναι κατάλληλο για πόσιμο νερό ή για άλλες χρήσεις. Για χρήση ως πόσιμο νερό θα πρέπει να εξετάζονται παράμετροι όπως μικροοργανισμοί, ανόργανα χημικά ιχνοστοιχεία, ανθρωπογενή οργανικά χημικά και παράγωγα απολύμανσης. Πιλοτικά Προγράμματα Τα συστήματα διήθησης για τεχνητό εμπλουτισμό των υπόγειων νερών ή εφαρμογή διαδικασιών SAT για επεξεργασία και αποθήκευση νερών υποβαθμισμένης ποιότητας θα πρέπει να εναρμονίζονται με την τοπική υδρογεωλογία, την ποιότητα των νερών που θα χρησιμοποιηθούν και το κλίμα. Το βάθος του νερού πρέπει γενικά να είναι μικρότερο των 30 cm. Οι λεκάνες πρέπει να είναι υδραυλικά ανεξάρτητες ώστε να μπορούν να κατακλυσθούν, να αποξηρανθούν και να καθαριστούν. Απαραίτητη είναι και η εφαρμογή περιόδων αποξήρανσης πριν να πιάσουμε τις χαμηλές τιμές διήθησης. Η αποξήρανση πραγματοποιείται με φυσικό τρόπο (χωρίς αντλήσεις και αποστράγγιση). Όταν είναι διαθέσιμος επαρκής αριθμός λεκανών αυτό προσδίδει ευελιξία. Η ύπαρξη εξάλλου διαθέσιμων λεκανών κρίνεται απαραίτητη για τον έλεγχο του νερού στην περίπτωση μέγιστων εισροών στο σύστημα ή όταν οι τιμές του 69

ρυθμού διήθησης μειώνονται. Όταν δεν υπάρχει προηγούμενη εμπειρία, η επαρκής διερεύνηση πεδίου και ο τοπικός πειραματισμός οδηγούν στην επιλογή των κριτηρίων σχεδιασμού και διαχείρισης για τη βέλτιστη λειτουργία του συστήματος, ενώ είναι αναγκαίος και ο συντονισμός. Επίσης, είναι απαραίτητη η διαρκής διαχείριση για τον έλεγχο της ικανότητας του συστήματος και την έγκαιρη επέμβαση όταν κάτι δεν πάει καλά. Ο μη καλός σχεδιασμός ή μη ορθά διαχειριζόμενα συστήματα (μη εφαρμογή αποξήρανσης και καθαρισμού με ικανοποιητική συχνότητα) οδηγεί στην πτώση των ρυθμών διήθησης και στη χρησιμοποίηση από τους χειριστές όλων των λεκανών χωρίς να διατίθεται χρόνος για αποξήρανση. Η κατάσταση αυτή οδηγεί σε παραπέρα μείωση των ρυθμών εμπλουτισμού και αύξηση του βάθους του νερού στις λεκάνες. Έτσι, το στρώμα απόφραξης συμπιέζεται περισσότερο και προκαλείται μεγαλύτερη ανάπτυξη άλγεων. Οι ρυθμοί διήθησης πέφτουν ακόμη περισσότερο και τα συστήματα εμπλουτισμού καθίστανται αναποτελεσματικά. Για να εμποδιστεί αποτελεσματικά αυτή η μείωση θα πρέπει πάντα να υπάρχει διαθέσιμη περιοχή της λεκάνης για τη διατήρηση των μικρών βαθών που θα επιτρέπει την κανονική αποξήρανση και καθάρισμα ώστε να διατηρούνται και οι τιμές διήθησης. Πότε χρησιμοποιούνται οι γεωτρήσεις εμπλουτισμού; Ο εμπλουτισμός με γεωτρήσεις (σχήμα 3.5) εφαρμόζεται όταν δεν είναι διαθέσιμα στην επιφάνεια διαπερατά εδάφη, η αξία της γης είναι υψηλή, οι ακόρεστες ζώνες είναι πολύ περιορισμένες σε μέγεθος στρώματα ή περιέχουν μη επιθυμητά φυσικά ή συνθετικά χημικά που μπορεί να διαφύγουν ή το νερό στην κορυφή των υδροφόρων είναι χαμηλής ποιότητας ή οι υδροφόροι είναι αρτεσιανοί. Για χαλαρά υλικά, οι γεωτρήσεις συνίστανται από ένα σωλήνα, τα φίλτρα, το χαλικόφιλτρο, την τσιμέντωση και ένα σωλήνα μικρότερης διαμέτρου για τη μεταφορά του νερού διήθησης μέσα στη γεώτρηση. Για συνεκτικά υλικά οι γεωτρήσεις παραμένουν ασωλήνωτες δηλαδή πρόκειται για μια οπή κυλινδρικής μορφής χωρίς φίλτρα και περιφραγματικό. Το κύριο πρόβλημα πέρα από το κόστος τους είναι η απόφραξη στη διαχωριστική επιφάνεια χαλικόφιλτρου και υδροφόρου. Γενικά είναι πιο επιδεκτικές στην απόφραξη και η θεραπεία τους είναι δυσκολότερη και γίνεται με περιοδική άντληση. Όταν οι γεωτρήσεις αντλούν νερό εμπλουτισμού στην αρχή αυτό είναι καφέ θολό νερό και χρήζει επεξεργασίας ως υγρό απόβλητο. Τα προγράμματα άντλησης είτε είναι διάρκειας 20 min την ημέρα είτε γίνονται μερικές φορές το χρόνο. Σε ορισμένες περιπτώσεις χρειάζεται επανανάπτυξη της γεώτρησης. Η αύξηση σε λογικό βαθμό της πίεσης του νερού μέσα στη γεώτρηση μπορεί να εξουδετερώσει την απόφραξη. Αλλιώς θα έχουμε ανοδική κίνηση του νερού γύρω από τον περιφραγματικό και την τσιμέντωση. Επεξεργασία του νερού Η κατάλληλη επεξεργασία του νερού πριν την έγχυση σε γεωτρήσεις εμπλουτισμού αποτελεί την καλύτερη στρατηγική αντιμετώπισης της απόφραξης. Αυτό σημαίνει απομάκρυνση των στερεών, αφομοιούμενου οργανικού άνθρακα, νιτρικών, φωσφορικών, μικροοργανισμών κ.τ.λ. και χλωρίωση - διατήρηση δηλαδή ενός ελάχιστου επιπέδου υπολειμματικού χλωρίου για την ελαχιστοποίηση της δράσης των μικροοργανισμών και τη βελτίωση της γεύσης και οσμής. Για την εκτίμηση του δυναμικού απόφραξης χρειάζεται η προσέγγιση παραμέτρων όπως: Ο δείκτης μεμβρανών φιλτραρίσματος Ο αφομοιούμενος οργανικός άνθρακας και 70

Η απόφραξη σε στήλες δοκιμών όπου εφαρμόζονται υψηλότερες ταχύτητες από ότι στο πραγματικό σύστημα εμπλουτισμού με γεωτρήσεις. Η εκτίμηση της απόφραξης είναι δύσκολη και συνήθως είναι λανθασμένη και ευαίσθητη σε μικρές αλλαγές στην ποιότητα του νερού. Η αξιολόγησή της γίνεται με δοκιμαστικές γεωτρήσεις. Άλλες διαδικασίες που μειώνουν τους ρυθμούς εμπλουτισμού είναι η καθίζηση CaCO 3, οξειδίων του Fe, η διασπορά και διόγκωση των αργίλων και ο εγκλωβισμός αέρα όταν η θερμοκρασία του νερού εμπλουτισμού είναι μικρότερη από αυτή του υπόγειου υδροφορέα - σχηματίζονται θύλακες αέρα και χρειάζεται έλεγχος του διαλυμένου αέρα στο νερό του εμπλουτισμού. Τα δημοτικά αστικά λύματα χρήζουν προχωρημένης επεξεργασίας (Advanced Waste water Treatment) μέχρι το επίπεδο ικανοποίησης των σταθεροτύπων πόσιμου νερού, ιδιαίτερα όταν εφαρμόζονται σε χονδρόκοκκους υδροφορείς με περιορισμένες ικανότητες SAT. Έτσι, περιορίζεται και η δημιουργία απόφραξης. Οι μόνες διαδικασίες που αναμένονται μέσα στους υπόγειους υδροφόρους είναι κάποια πρόσθετη απομάκρυνση του ολικού οργανικού άνθρακα (ΤΟC) και των μικροοργανισμών και η βελτίωση γεύσης και οσμής. επιφάνεια εδάφους τοιχείο θόλου πλαστικός περιφραγματικός από οπλισμένο φίμπεργκλας σκυρόδεμα σωλήνας έγχυσης άμμος φιλτροσωλήνας χαλικόφιλτρο διεύθηνση ροής παγίδα άμμου Σχήμα 3.5. Γεώτρηση εμπλουτισμού 71

Όταν η προχωρημένη επεξεργασία, συμπεριλαμβάνει και εφαρμογή της ανάστροφης όσμωσης (RO), τότε το παραγόμενο νερό περιέχει πολύ χαμηλό TDS και το νερό γίνεται διαβρωτικό. Η αλληλεπίδραση του νερού αυτού με τον υδροφόρο υποδοχής πρέπει να γίνει επαρκώς κατανοητή, ώστε να σιγουρευτούμε ότι το νερό εμπλουτισμού δεν θα κινητοποιήσει ανεπιθύμητα χημικά των ορυκτών κόκκων και άλλες στερεές φάσεις του υδροφόρου. Έτσι, η ανάμιξη με νερό υψηλότερου TDS κρίνεται απαραίτητη μετά την εφαρμογή ανάστροφης όσμωσης και πριν τη χρησιμοποίησή του σε συστήματα εμπλουτισμού. Στον Πίνακα 3.4 γίνεται σύγκριση του κόστους επεξεργασίας και της ποιότητας του επεξεργασμένου νερού σε σχέση με το βαθμό επεξεργασίας που χρησιμοποιείται σε γεωτρήσεις εμπλουτισμού στην Orange County, California. [α] [β] [γ] γεώτρηση άντλησης γεώτρηση παρατήρησης αδιαπέρατο [δ] Εικόνα 3.6. Σχηματικό διάγραμμα με τις γραμμές ροής σε ένα σύστημα SAT. α. Φυσική αποστράγγιση σε ένα υδρόρευμα, λίμνη ή χαμηλή περιοχή, β. Συλλογή ανανεωμένου νερού με υποεπιφανειακό συλλεκτήρα, γ. Περιοχές εμπλουτισμού σε δύο παράλληλες γραμμές με γραμμή γεωτρήσεων στο ενδιάμεσο, δ. Περιοχές εμπλουτισμού στο κέντρο περιβαλλόμενες από γεωτρήσεις σε κυκλική διάταξη. Γεωτρήσεις αποθήκευσης και ανάκτησης Μια ραγδαία αναπτυσσόμενη πρακτική στον τεχνητό εμπλουτισμό αποτελεί η χρησιμοποίηση γεωτρήσεων αποθήκευσης και ανάκτησης οι οποίες συνδυάζουν λειτουργίες εμπλουτισμού και άντλησης. Αυτές χρησιμοποιούνται εποχιακά για εμπλουτισμό όταν υπάρχει διαθέσιμο νερό και για άντληση όταν το νερό χρειάζεται. Γεωτρήσεις εμπλουτισμού παρουσιάζονται στο σχήμα 3.5. Ξηρές γεωτρήσεις σε διαπερατούς σχηματισμούς της ακόρεστης ζώνης Οι ξηρές γεωτρήσεις είναι γεωτρήσεις στην ακόρεστη ζώνη βάθους συνήθως 10-50 m και διαμέτρου 1-1.5 m. Αυτές χρησιμοποιούνται ευρέως στη αποθήκευση και διάθεση 72

νερών καταιγίδων και σε περιοχές χωρίς συστήματα υπονόμων που ευνοούν τον επαγωγικό εμπλουτισμό. Παρά το γεγονός ότι εκφράστηκε η άποψη ότι έτσι μολύνονται τα υπόγεια νερά, αυτό δεν έχει επιβεβαιωθεί από τις μελέτες που έγιναν μέχρι τώρα. Οι ξηρές γεωτρήσεις αντικαθιστούν τις γεωτρήσεις έγχυσης και είναι οικονομικότερες όταν το υπόγειο νερό βρίσκεται σε σημαντικό βάθος. Οι ξηρές γεωτρήσεις πρέπει να διατρήσουν διαπερατά υλικά σημαντικού πάχους. Πίνακας 3.4. Σύγκριση του κόστους επεξεργασίας και της ποιότητας του επεξεργασμένου νερού σε σχέση με το βαθμό επεξεργασίας που χρησιμοποιείται σε γεωτρήσεις εμπλουτισμού στην Orange County, California. χημικό συστατικό επιλογή 1 επιλογή 2 α επιλογή 3 α mg/l Σύνολο διαλυμένων αλάτων 650 600 600 Νάτριο 143 139 139 Χλώριο 151 140 140 Θειϊκά 140 122 122 Ολικός οργανικός άνθρακας 8.6 5.5 5.5 κόστος/m 3 0.20 0.29 0.31 α Η διαφορά κόστους ανάμεσα στις επιλογές 2 και 3 αποδίδεται στην εφαρμογή πλήρους μικροφιλτραρίσματος για την επιλογή 3, αλλά μόνο μερικό μικροφιλτράρισμα για την επιλογή 2. β Το νερό πριν την επεξεργασία θεωρείται ότι περιέχει 900 mg/l σύνολο διαλυμένων αλάτων και για τις τρείς επιλογές. γ Το κόστος περιλαμβάνει τα αναγκαία κεφάλαια, εξόφληση οφειλών, κόστος λειτουργίας και συντήρησης. Πηγή: Orange County Water Districts of Orange County, 1993. Πρόβλημα απόφραξης Το κύριο πρόβλημα με τις ξηρές γεωτρήσεις είναι η απόφραξη των τοιχωμάτων και γι αυτό πρέπει να εμποδίζεται η ανάπτυξή της ή να ελαχιστοποιείται. Η απομάκρυνσή της με άντληση ή επανανάπτυξη είναι αδύνατη και το υπόγειο νερό δεν ρέει μέσα στις γεωτρήσεις. Οι ξηρές γεωτρήσεις χρειάζονται προστασία από την αποκόλληση και κορεσμό των αργιλικών στρωμάτων που θολώνουν το νερό. Η αποκόλληση αργιλικών στρωμάτων αντιμετωπίζεται με πλήρωση της γεώτρησης με άμμο, ενώ το νερό εμπλουτισμού μεταφέρεται με φιλτροσωλήνα στο κέντρο της γεώτρησης. Το νερό πρέπει να υποστεί προεπεξεργασία πριν τον εμπλουτισμό για να απομακρυνθούν τα αιωρούμενα στερεά, ο βιολογικά αποσυντιθέμενος οργανικός άνθρακας, οι θρεπτικές ουσίες, οι μικροοργανισμοί και να απολυμανθεί μέσο της διατήρησης ενός επιπέδου υπολειμματικού χλωρίου. Η απόφραξη συνεχίζεται. Τι κάνουμε; Η απόφραξη προκαλείται από κύτταρα βακτηρίων και οργανικά προϊόντα μεταβολισμού (π.χ. παρουσία πολυμερών στα τοιχώματα της γεώτρησης). Στην περίπτωση αυτή η μόνη λύση που προσφέρεται είναι μια μακρά ξηρή περίοδος που ίσως οδηγήσει σε σημαντική βιοαποσύνθεση του υλικού απόφραξης, έτσι ώστε να μπορεί η ξηρή γεώτρηση να επαναλειτουργήσει. 73

Η χρήση των γεωτρήσεων εξαρτάται από 1. την σύγκριση του κόστους ξηρών γεωτρήσεων και γεωτρήσεων έκχυσης, 2. το κόστος προεπεξεργασίας, 3. το κόστος αντικατάστασης, 4. το κόστος συντήρησης, 5. το κόστος θεραπείας, 6. το χρόνο ζωής των γεωτρήσεων Σε παρουσία ανεπιθύμητων χημικών στην ακόρεστη ζώνη δεν χρησιμοποιούνται ξηρές γεωτρήσεις Περιβάλλον Οι περιβαλλοντικές επιδράσεις του εμπλουτισμού των υπόγειων νερών ποικίλει από θέση σε θέση και μπορεί να υπάρξουν και οφέλη αλλά και επικίνδυνες επιδράσεις. Οικολογικές επιπτώσεις Παρατηρούνται οικολογικές επιπτώσεις στο έδαφος, στην υδρολογία, στα υδρόβια οικοσυστήματα, στα είδη που εξαρτώνται από τις παραποτάμιες φυσικές κατοικίες και πιθανώς στη χρήση του νερού από τον άνθρωπο για δραστηριότητες αναψυχής. Επηρεασμός στα κατάντη Οι σχεδιαστές πρέπει να έχουν την ικανότητα να αναγνωρίζουν ότι οι επιπτώσεις από τις ενέργειές τους θα επιδράσουν όχι μόνο στις τοπικές συνθήκες αλλά και στις συνθήκες που επικρατούν στα κατάντη. Οι επιπτώσεις είναι σχετικά ειλικρινείς και προβλέψιμες ποιοτικά. Εάν το νερό εμπλουτισμού προέρχεται από την άμεση εκτροπή της ροής τότε θα έχουμε μείωση της ροής κατάντη όπως και με τις κατασκευές εκτροπής για οποιοδήποτε άλλο σκοπό. Ποσοτικές εκτιμήσεις είναι δύσκολο να πραγματοποιηθούν και εξαρτώνται από τον τόπο εφαρμογής και δεν μπορούν να γενικευθούν. Οι λεκάνες εμπλουτισμού προκαλούν αλλαγές στο οικοσύστημα στην επιφάνεια του εδάφους και στις εδαφοτομές που εξαρτώνται από τον τύπο της λεκάνης. Η φύση αυτών των αλλαγών εξαρτάται από το εάν η λεκάνη εμπλουτισμού είναι: 1. ένα φυσικό στρώμα υδρορρεύματος, 2. αν πρόκειται για λίμνη ειδικά κατασκευασμένη, ή 3. είναι μια φυσική λεκάνη εκτός του υδρορρεύματος Θα πρέπει να ασκηθεί πραγματική διαχείριση, ώστε να υπάρξει επιδέξια μεταχείριση της οικολογίας του εδάφους και βελτιστοποίηση της διαδικασίας εμπλουτισμού. Η διαπερατότητα του εδαφικού στρώματος και ο αερισμός του από διακοπτόμενο εμπλουτισμό επηρεάζει τις δυναμικές των πληθυσμών (π.χ. αποσύνθεση οργανικού υλικού, απονιτροποίηση). Μακράς διάρκειας επιπτώσεις Οι μακράς διάρκειας επιπτώσεις εξαρτώνται από: την απορρόφηση οργανικών και ανόργανων χημικών στον ανώτερο εδαφικό ορίζοντα. την επεξεργασία στη λεκάνη όπου ο εμπλουτισμός σταματά. Η τροποποίηση της τοπογραφικής επιφάνειας της λεκάνης μπορεί να είναι σημαντική. 74

Οι οικολογικές επιπτώσεις σε βαθύτερα σημεία εξαρτώνται από: το ρυθμό εμπλουτισμού τη φύση του υδροφόρου Σε βαθύ υδροφόρο, όπου η στάθμη του υπόγειου νερού δεν φθάνει σε απόσταση 1 m από τον εδαφικό ορίζοντα αναμένονται λίγες επιπτώσεις. Όταν όμως η υδροστατική στάθμη φθάσει σε απόσταση 1 m κάτω από την επιφάνεια του εδάφους τότε παρατηρούνται: τριχοειδής ανύψωση αύξηση των ρυθμών παραγωγής της βλάστησης η εδαφική οικολογία θα επηρεαστεί παρομοίως Η θεώρηση των επιπτώσεων ως θετικών ή αρνητικών εξαρτάται από τη φύση της επίδρασης και τους αντικειμενικούς στόχους του εμπλουτισμού. Οι απώλειες εξαιτίας της ΕΤr θεωρούνται ως αρνητική επίπτωση επειδή έχουμε μείωση στην αποθήκευση και αύξηση των αλάτων στο υπόγειο νερό. Στις όχθες πολλών ποταμών των δυτικών Πολιτειών των ΗΠΑ παρατηρήθηκε λόγω του φυσικού εμπλουτισμού ανάπτυξη φρεατοφύτων. Η απομάκρυνση της βλάστησης στα υδρορεύματα οδηγεί σε μείωση του νερού αποθήκευσης στις όχθες και σε αύξηση της διάβρωσης Τι συμβαίνει όταν τροποποιείται ο υδρολογικός κύκλος θετικές επιπτώσεις 1. συντήρηση της βασικής ροής 2. συντήρηση των παροχών των πηγών 3. διατήρηση υγροβιότοπων 4. συντήρηση υγροβιότοπων μη συνδεδεμένων με επιφανειακά νερά 5. στους κόλπους διατηρούνται σχετικά μικρές διακυμάνσεις στην 6. αλατότητα 7. παρεμποδίζεται η εποχιακή μετανάστευση της διεπιφάνειας γλυκού/αλμυρού νερού στην κοίτη και στον υδροφορέα 8. παρεμποδίζεται η καθίζηση 9. οικονομία στην ενέργεια (μικρότερο κόστος άντλησης - καλύτερη ποιότητα νερού) - έμμεση περιβαλλοντική επίπτωση αρνητικές επιπτώσεις 1. μείωση των ροών κατάντη της εκτροπής 2. (αύξηση της αλατότητας στους κόλπους, ανεπιθύμητες αλλαγές στην οικολογία του κόλπου, μεταφορά νερού σε άλλη λεκάνη) π.χ. Florida Bay, San Francisco Bay 3. υψηλές στάθμες - παρεμπόδιση της στράγγισης και αύξηση των αλάτων στο έδαφος με αρνητικές επιπτώσεις στη βλάστηση Ποιότητα του νερού Η ρύπανση είναι μη προβλέψιμη και εξαιρετικά δύσκολη η προσπάθεια αποκατάστασης. Ο εμπλουτισμός με υποβαθμισμένα σε ποιότητα νερά μπορεί να εισάγει στο νερό μικρόβια, χημικά (οργανικά και ανόργανα), γεγονός που μπορεί να οδηγήσει στη δημιουργία περιβαλλοντικών προβλημάτων. Βιοχημικές, γεωχημικές αντιδράσεις ανάμεσα στο νερό εμπλουτισμού και το γεωλογικό υλικό ή το υπόγειο νερό μπορεί να οδηγήσουν σε κινητοποίηση χημικών συστατικών. Για την αποφυγή μεταφοράς 75

ανθρωπογενών ρυπαντών από την ακόρεστη ζώνη στο υπόγειο νερό και μετακίνησης πλουμίων ρύπανσης στους υδροφόρους σε περιοχές όπου δεν είναι επιθυμητό, είναι απαραίτητη η πρόσθετη επεξεργασία. Η οικολογία του ποταμού που δέχεται εκροές υπόγειου νερού που μολύνθηκε από τη διαδικασία εμπλουτισμού με υποβαθμισμένα νερά μπορεί επίσης να επηρεαστεί αρνητικά. Η δυσκολία στην αναγνώριση των οργανικών ενώσεων και στην πρόβλεψη βιοχημικών και γεωχημικών αλλαγών στο υπέδαφος προσδίδει αβεβαιότητα στο δυναμικό υποβάθμισης των υπόγειων νερών και στην αποτίμηση των επακόλουθων περιβαλλοντικών και οικολογικών επιπτώσεων. Γενικά ο εμπλουτισμός με υποβαθμισμένα νερά απαιτεί κατάλληλο σχεδιασμό και συνεχή διαχείριση. Ο βέλτιστος συνδυασμός προεπεξεργασίας- SAT- μετά-επεξεργασίας θα δώσει τα καλύτερα αποτελέσματα. Στην όλη διαδικασία θα πρέπει να χρησιμοποιούνται λυσίμετρα και γεωτρήσεις για την παρακολούθηση της ποιότητας του νερού. Οικονομικά Τα οικονομικά κυμαίνονται από τόπο σε τόπο: Πότε είναι ο τεχνητός εμπλουτισμός με υποβαθμισμένα σε ποιότητα νερά είναι οικονομικά εφικτός; Αυτό εξαρτάται από: 1. το κόστος άλλων πηγών 2. το κόστος εναλλακτικών μέσων για την αποθήκευση αποβλήτων 3. τα οφέλη από την διαθεσιμότητα πρόσθετων παροχών νερού 4. την αποτελεσματική διαχείριση των υγρών αποβλήτων (πίνακας 4) Η εφαρμογή τεχνητού εμπλουτισμού με υποβαθμισμένα σε ποιότητα νερά εξαρτάται: από τη θεώρηση της ιδιαίτερης παροχής νερού τις συνθήκες ζήτησης τις διαθέσιμες εναλλακτικές από την προθυμία των καταναλωτών να πληρώσουν πρόσθετες δαπάνες την έλλειψη εναλλακτικών Η προθυμία να πληρώσουν οι καταναλωτές για πρόσθετες δημοτικές και βιομηχανικές παροχές πρόκειται να αυξηθεί με την αύξηση του αστικού πληθυσμού και των διαφόρων οικονομικών δραστηριοτήτων. Εάν η προθυμία του κοινού να πληρώσει για τεχνητό εμπλουτισμό με υποβαθμισμένα νερά υπερβαίνει το κόστος παροχής τέτοιου νερού και δεν υπάρχουν άλλες μικρότερου κόστους εναλλακτικές πηγές, ο εμπλουτισμός με υποβαθμισμένα νερά μπορεί να αποτελέσει μια ελκυστική εναλλακτική. Η ανεξαρτησία από τις βροχοπτώσεις - π.χ. σε περίοδο ξηρασίας αποτελεί ένα πρόσθετο κίνητρο για την εφαρμογή του τεχνητού εμπλουτισμού με υποβαθμισμένα σε ποιότητα νερά. Προβλήματα στην ποιότητα του νερού Οι κίνδυνοι και η αβεβαιότητα για αρνητικές επιπτώσεις στην υγεία ανθρώπων και περιβάλλοντος είναι μεγαλύτεροι. Το κόστος συγκρίνεται με αυτό των εναλλακτικών. Το κόστος κατασκευής υδραυλικών έργων αυξάνει ταχύτερα από τον πληθωρισμό. Οι επιφανειακές θέσεις αποθήκευσης έχουν εξαντληθεί - αυτές που απέμειναν έχουν υψηλό κόστος. Παρατηρείται απροθυμία για κατασκευή μεγάλων υδραυλικών έργων (π.χ. φράγμάτων) - μικρότερο ενδιαφέρον. Οι επιφανειακές κατασκευές (π.χ. φράγματα) έχουν σοβαρές περιβαλλοντικές επιπτώσεις και τελευταία έχει δημιουργηθεί μία πολιτική αντίθεσης σε τέτοιες κατασκευές. 76

Όπου είναι διαθέσιμοι πολλοί υδροφόροι, λειτουργούν χωρίς περιβαλλοντικά προβλήματα με μέτριο κόστος. Η συνδυασμένη διαχείριση αποτελεί μια πολύ ελκυστική πρακτική. Η αφαλάτωση υφάλμυρων και αλμυρών νερών είναι ακόμη υψηλού κόστους. Το συγκρίσιμο του κόστους των επεξεργασμένων νερών με αυτό άλλων πηγών καθιστά την χρησιμοποίηση τους δυνατή. Οι απαιτήσεις σε επεξεργασία, ανεξάρτητα από τη χρήση, και το κόστος της ποικίλει από τόπο σε τόπο όπως και το κόστος των γεωτρήσεων, γης, μεταφοράς και το κόστος πρόσθετης επεξεργασίας. 77