På grund af de store åbne overflader er vandet midlertidig forurenet af organiske stoffer af enhver art og oprindelse, ligesom det i bakteriologisk henseende er dårligere end grundvand. Ved inddragning af overfladevand til f. eks. drikkevandsbrug kræves derfor en omfattende rensning og desinficering.
Grundvandet er den del af nedbøren, der ikke er fordampet eller afstrømmet overjordisk, men som siver ned i undergrunden. Grundvand defineres som vand indvundet mindst 6 meter under terræn. Nedbørens grundvandsandel kan i øvrigt variere stærkt fra område til område og afhænger af jordbundsforhold, lerlag og dræningsevne.
På sin vej gennem jordlagene optager vandet en række stoffer. Typerne på stofferne er som udgangspunkt de samme overalt i Danmark, men der er derimod store variationer på både totalindholdet af opløste stoffer og det indbyrdes mængdeforhold mellem disse. Variationerne kan ske selv inden for meget små geografiske afstande.
Fælles for dansk grundvand er, at det indeholder kalcium og magnesium. Begge mineraler gør vandet ”hårdt”, og der er en karakteristisk fordeling af hårdt og blødt vand i de forskellige landsdele. Vandets hårdhed angives i hårdhedsgrader (dH):
Man kunne tro, at det hårde vand havde sit kalkindhold fra passage gennem kalklagene, men det er ikke tilfældet. Middelhårdt og hårdt vand optræder også i istidslagene ovenover kalklagene. Istidslagene indeholder normalt kridt, kalk eller andre kalkholdige undergrundsbjergarter i fast form og pulverform. Vandet mættes med kalk i passagen gennem de øverste jordlag.
I den sidste istid var det nordlige og østlige Danmark dækket af isen, og det er de ”friske” istidsaflejringer i disse områder, der bestemmer vandets kalkindhold. Det midt-vestlige Jylland har derimod ligget isfrit siden næstsidste istid, og gennem disse meget lange tider er kalken udvasket af både de gamle moræneaflejringer og hedesletternes magre sand.
I reglen findes kalcium og magnesium bundet til kulsyren som bikarbonat, idet kulsyren (CO2 + vand) opløser kalciumkarbonat (kridt).
Hvis undergrunden er kalkfattig bliver grundvand aggressivt, hvilket skyldes, at vandets kulsyreindhold er for stort og ikke neutraliseres ved angreb på kalciumkarbonat (kalken/kridtet). Endvidere optræder vandtyper, der indeholder større eller mindre mængder natriumbikarbonat (alkalibikarbonat).
Når vandet optager stofferne skyldes fænomenet ”ionbytning”. Ligesom istidslagene indeholder oparbejdet kalk og kridt, indeholder de stedvis også større mængder af oparbejdet tertiært ler, eller marint ler i de jordlag, vandet passerer.
Disse lerarter er næsten alle ionbyttende i større eller mindre grad, dvs. at lermineralerne indeholder ”løstsiddende” ioner af metaller, især Ca++, Mg++, Na++, K+. Når leret er af marin oprindelse, vil det fortrinsvis indeholde Na-ioner. Kommer dette ler i berøring med vand, der indeholder kalcium- og magnesiumioner, vil disse byttes med natriummet.
Disse vandtyper optræder f. eks. på Sjælland (marint ler), i Østjylland (tertiært ler) og i Vendsyssel (istidsler).
Ved boringer i nærheden af kyster kan der optræde et fænomen, der benævnes marint infiltrationsvand. Der vil optræde store mængder klorid i vandet, og årsagen er, at boringen suger havvand ind – boringen kan ligefrem stå i havvand.
Der ferske grundvand vil ligge på en pude af saltvand, idet dybden af saltvandet på et givet sted vil svare til vægten af det overliggende ferskvand.
En anden form for saltvand kan optræde ved moræneaflejringer, f. eks. i det nordlige Jylland. Det kan ske, at det oprindelige saltvand ikke er blevet udvasket men står som residualvand eller stagnerende havvand.
Overalt i landet kan desuden optræde såkaldt salt mineralvand. Dette skyldes at der under hele landet ligger aflejringer i store dybder af fast stensalt, som langsomt går i opløsning og vandrer opad gennem revner og sprækker. Ferskvandet svømmer ovenpå, men vandet kan have alle mulige grader af saltkoncentration.
Det foregående afsnit omhandlede grundvandstyperne:
I det følgende skal omtales den kemiske mekanik ved nogle af opløsningsprocesserne, der bibringer vandet sit stofindhold.
Nedbøren (regnen) mættes i luften med ilt og kvælstof samt optager lidt kuldioxid, idet atmosfæren indeholder ca. 0,03 volumenprocent af kuldioxid.
I de øverste jordlag (muld) vil den optagne ilt forbruges og vandet tilføres kulsyre (CO2 hidrørende fra biologisk nedbrydning) samt opløseligt organisk stof. Kulsyren virker opløsende på kalk, og kalciumbikarbonat går i opløsning. Endvidere går kalciumsulfat i opløsning (ret højt opløseligt produkt).
Kulsyren virker ligeledes opløsende på jern og manganforbindelser og danner jern- og manganbikarbonater. Disse metaller kan også gå i opløsning ved reduktionsprocesser (svovlbrinte). Grundvandet kommer således til at indeholde en lang række salte, som opdeles i kationer og anioner.
Kationer: Ca++, Mg++, Fe++, Na+, K+ og NH4+, H+, F3+
Anioner: HCO3-, Cl-, SO4-- samt NO3- og NO2-
Endvidere vil vandet næsten altid indeholde kiselsyre, der forefindes som udissocierede molekyler i det neutrale vand.
Den totale mængde af de nævnte salte samt deres indbyrdes mængdeforhold kan variere meget og afhænger af jordbundsforhold mv. Det lokale vandværk vil altid kunne oplyse om den præcise sammensætning i dit område.
Vandværkers behandling af grund- og overfladevand
Iltning – afjerning – afmanganisering
Iltning foretages i hovedsagen ved at ændre tilstanden af det opløste jern i vandet. Luftforbruget regnes til 1 liter luft pr. gram jern. Iltningen kan foretages ved at vandet risler ned over såkaldte iltningstrapper, eller at der tilføres luft under tryk til en oxydator.
Jern findes i vandet som bikarbonatforbindelser, der iltes efter følgende ligning:
4 Fe (HCO3)2 + O2 + 2H2O = 4 FE(OH)3 + 8 CO2
dvs. jernet fælder som ferrihydroxyd, som er faste, filtrerbare partikler. Fjernelsen af mangan fra grundvand ligner i visse tilfælde afjerningsprocessen. Mangan foreligger bl.a. som bikarbonat og fælder efter følgende ligning:
2 Mn (HCO3)2 + 2H2O + O2 = 2 Mn (OH)4 + 4 CO2
Efter iltningen filtreres vandet på sandfiltre, der udføres som lukkede eller åbne filtre.
Lukkede filtre sandfiltre
Filtreringen foretages hovedsageligt i hurtige sandfiltre udført som trykbeholdere. Filtreringshastigheden er normalt mellem 10 – 15 m/h afhængigt af vandkvaliteten. Især ved lukkede filtre – men også ved åbne filtre – kan den såkaldte tolagsfiltrering med fordel benyttes. Her bruges filtermaterialer i forskellige specifikke tyngder, dvs. det lette filtermateriale i den grove kornstørrelse placeres i toppen af filteret, og det tunge filtermateriale i den fine kornstørrelse placeres nederst.
Hovedopgaven for det grove materiale i det øverste lag, bestående af varmebehandlet antracit, er at tilbageholde de grovere opslæmmede partikler. De finere opslæmmede partikler fanges af de fine korn nederst i filteret. På denne måde virker det totale filterlag rimeligt ens. Sammensætningen antracit/sand er således 0,8-1,4/0,4-0,7 mm. Skyllevandshastigheden er ca. 35 m/h, hvilket betyder, at ekspansionen af filterlaget er ca. 25-30 %. Luftskyllehastigheden er ca. 60 m/h.
Åbne filtre sandfiltre
Er normalt udført i forstærket beton. Her er driftshastigheden for filteret normalt 3-8 m/h, afhænger også af vandkvaliteten.
Normalt bruges forfilter og efterfilter, når jernindholdet er mere end 1 mg/l, og manganindholdet er højere end 0,2 mg/l. Dog bruges forfilteret også, selv om værdierne er mindre end de her nævnte, men så normalt kun hvis jern- og mangankombinationerne er svære at udskille. Mens den valgte kornstørrelse i forfiltrene som regel er mellem 3-8 mm, er størrelsen i slutfiltrene normalt mellem 0,7-1,2 mm. De korrekte filterlag placeres herefter over tilsvarende dimensionerede bundlag, som placeres på filterbunde.
Rensningen af filtersandet sker normalt med en kombineret luft/vandskylning. På de moderne vandværker startes dette automatisk ved måling af tryktabet over filtrene. Vandets skyllehastighed er ca. 20-30 m/h, luftens 50-60 m/h. De bedste resultater opnås, hvis man starter med luftskylning, som skal vare 3-5 minutter. Det filtersand, der er dækket af vand, vil så blive sat i kraftig bevægelse af den opgående luftstrøm, således at snavs, der klæber til filtersandet, opløses og således kan fjernes ved den efterfølgende skylning med vand, som varer ca. 10-15 minutter. Skyllevandet bør, før det ledes til afløb, sendes gennem en bundfældningstank, hvor slampartiklerne vil blive udfældet.
Behandling af overfladevand
Overfladevand karakteriseres hovedsageligt på følgende måde:
Flokkulering
De grove partikler såsom sand, planterester o.lign. i vandet skal helst fjernes ved en simpel udskilning i en betonbeholder. Af de forskellige typer der er til rådighed er de beholdere, som er udstyret med en slamskraber, arbejdskraftbesparende. Efter denne forbehandling er de opslæmmede emner i vandet hovedsageligt kolloide. Det er ikke muligt at fjerne disse emner ved hjælp af en forlænget udskilning pga. den lille kornstørrelse (10-4 – 10-6). Den eneste passende metode til store anlæg er at forsøge at forstørre partiklerne. Metoden består i at binde kolloiderne til trivalente metaller, som doseres i vandet. Generelt bruges enten aluminiumssulfat Al2(SO4)3eller jernsulfat FeSO4.
En vis mængde af det valgte kemikalie doseres til råvandet, dvs. et kemikalie der, når det opløses i vand, ved en passende pH-værdi udskilles som vand indeholdende oxid eller hydroxid ved fnugdannelse.
Blanding foregår ved at røre kraftigt i 20 til 30 sekunder. Derefter skal den mekaniske påvirkning reduceres til et minimum, så man ikke ødelægger for dannede fnug. En let røring er dog nødvendig efterhånden som slampartiklerne øges i størrelse. Påvirket af den sammenhængende kraft samler slampartiklerne sig i større flokke. Da fnugdannelsen er afhængig af pH-værdi, er det ofte nødvendigt at tilpasse denne. Normalt opnås den bedste fnugdannelse ved en pH-værdi på 6 til 7. Tilførelsen af kemikalie, flokkuleringen og udskillelsen foregår ofte i samme unit, den såkaldte flokkulator.
Det leverede råvand blandes med de udskilte kemikalier i det trekantede rum, og herfra løber det ind i det nederste reaktionsrum. Her frigives en startende flokkulering vha. omrøreren, men samtidig sker en blanding med det slam, der returnerer fra renvandszonen. Dette reagerer med det slam, som allerede er udskilt og reducerer reaktionstiden og kemikalieforbruget betydeligt, især set i sammenhæng med systemer med separat flokkulering og udskilning, dvs. uden returslam.
Efter reaktion og blanding pumpes vandet ind i den øverste reaktionszone vha. omrøreren, der er udformet som en centrifugalpumpe med åbne løbehjul, og her sker den rigtige fnugdannelse. Blandingen af vand og færdige fnug ledes gennem en dobbeltcylinder, som bevæger vandet nedad og ind i renvandszonen.
Denne bevægelse nedad betyder, at slammet fortsætter nedad pga. dets høje vægt og til dels udskilles i koncentratorerne. Det rensede vand ledes via afløbskanalen til overfladen. Afhængig af vandkvaliteten er tilbageholdelsestiden 1 til 3 timer.
Efter denne behandling er pH-værdien som regel mellem 6 og 6,5. For at undgå korrosion i de følgende maskindele tilføres en 5-10 % kalkmælk til udløbet.
Filtrering
Det afslæmmede vand indeholder stadig opslæmmede emner og skal derfor filtreres, før det ledes ind i renvandstanken. Den benyttede metode er den samme som for filtrering af grundvand, men her kan højere filtreringshastigheder tillades.