Для пополнения грунтовых вод многие муниципалитеты закачивают регенерированную воду в истощенные водоносные горизонты. Закачиваемая вода очищается вторичной очисткой сточных вод, а в некоторых случаях вода проходит третичную очистку и может быть достаточно чистой, чтобы ее можно было пить напрямую.
Исходная вода в водоносном горизонте была химически стабильной, находилась в равновесии с окружающими породами и медленно пополнялась естественными процессами (инфильтрацией воды). Однако, когда подземных вод потребляется больше, чем могут восстановить естественные процессы, необходима искусственная подпитка очищенной регенерированной водой. К сожалению, со временем очищенная вода иногда загрязняется.
Исследовательская группа Инженерной школы МакКелви Вашингтонского университета в Сент-Луисе под руководством Янг-Шин Джуна, профессора энергетики, экологии и химической инженерии; и Сюаньхао Ву, аспирант лаборатории Цзюня, определил, как питьевая вода, используемая для пополнения водоносного горизонта, может быть загрязнена опасными уровнями мышьяка..
Исследование было опубликовано в журнале Environmental Science and Technology.
В управляемом пополнении водоносного горизонта «мы постоянно истощаем водоносный горизонт, но никогда не наполняем его в достаточной степени», - сказал Джун.
«Наше население может быстро расти, и наш образ жизни становится все более зависимым от воды, но естественный процесс восполнения происходит медленно», - сказала она. «Таким образом, практика управления водными ресурсами разработала способ нагнетания воды, чтобы компенсировать наше потребление и обеспечить экологическую устойчивость."
Поддержание заполнения водоносных горизонтов важно по нескольким причинам. На побережье соленая морская вода может заполнить истощенный водоносный горизонт, создав катастрофическую ситуацию для экосистемы и сельскохозяйственных культур, которыми питается водоносный горизонт. И, если истощенная зона останется пустой, могут возникнуть провалы и земля может просесть. Таким образом, пополнение водоносных горизонтов для обеспечения питьевой водой является стандартной практикой в местах от Калифорнии до Флориды.
Но около 10 лет назад, работая над управляемым пополнением водоносного горизонта с Агентством по охране окружающей среды (EPA), Джун столкнулся с загадочной ситуацией.
"Когда мы закачивали воду, она была хорошей," сказала она, "но когда мы ее забирали, она была плохой, с мышьяком. Что было не так?"
Оказалось, что хотя вода, закачиваемая в водоносный горизонт, обычно была достаточно чистой, чтобы ее можно было пить, она приносила в водоносный горизонт нечто новое: кислород.
«Закачивая регенерированную воду, мы запускаем окислительное растворение сульфидных минералов в водоносном горизонте, которые были стабильны при низком уровне кислорода», - сказала она. В частности, она рассмотрела арсенопирит (FeAsS), минерал, который растворяется в железе, сере и, что особенно важно, в мышьяке. Однако, прежде чем мышьяк достигнет проблемного уровня, происходит другая реакция.
«Железо осаждается в виде оксидов или гидроксидов железа», - сказал Джун. Мышьяк адсорбируется или прилипает к нерастворимым оксидам или гидроксидам железа, не допуская попадания мышьяка в воду.
Есть, однако, еще один важный фактор.
Растворенное органическое вещество (РОВ) - соединения, содержащие углерод - кардинально меняет ситуацию. «Мы обнаружили, что при высоком уровне содержания органических соединений реакция осаждения подавляется», - сказал Джун. При подавлении осаждения оксидов или гидроксидов железа мышьяк адсорбируется недостаточно. Вместо этого он остается доступным в воде.
Джун тут же подчеркивает, что это больше, чем экспериментальное упражнение в лабораторных условиях. «Это не потенциальная проблема в будущем», - сказала она, отметив, что использование регенерированной воды сейчас является реальной практикой.«Размышляя об утилизации воды из водоносных горизонтов, мы должны учитывать роль органических веществ», - сказал Джун.
«Мы должны учитывать МОВ в закачиваемой воде, чтобы убедиться, что они не вызывают дополнительной мобилизации токсинов», - сказал Джун. «Роль МОВ в управляемом пополнении водоносного горизонта должна быть включена в прогностические модели. Знание того, как химический состав воды изменяет химические реакции в водоносном горизонте, позволит нам полностью использовать воду, а не выбрасывать ее как отходы.
"Пожалуйста, имейте в виду, что в мире есть только один вид воды", сказала она.
Вся вода - питьевая, морская, подземная, сточная, ливневая, серая и т. д. - это просто вода». Обеспечение его безопасности и устойчивого развития - наша постоянная домашняя работа».