|
Najpowszechniejszą formą żelaza w wodach podziemnych jest łatwo migrujący jon Fe2+, który pod wpływem warunków utleniających przechodzi w Fe3+ i wytrąca się w postaci trudno rozpuszczalnych tlenków i wodorotlenków. Postać chemiczna żelaza zależy od warunków pH i Eh wody, w której występuje (Witczak i in., 2013). W Polsce zawartość żelaza w wodach podziemnych może dochodzić do kilkudziesięciu mg/dm3. Najczęściej oznacza się je w przedziale 0,3–10 mg/dm3 (Macioszczyk, Dobrzyński, 2002), co przekracza cytowane powyżej, optymalne kryteria dla ATES, stosowane w Niemczech (Stemmle i in., 2022). Dlatego też, należy liczyć się z koniecznością zastosowania rozwiązań technicznych, eliminujących dostęp powietrza do wody wykorzystywanej w systemie ATES.
Mangan jest bardziej stabilny w wodach podziemnych. Występuje równie powszechnie jak żelazo, lecz w znacznie mniejszych stężeniach. W przypadku manganu w wodach dominują rozpuszczalne i łatwo migrujące jony Mn2+. Tak samo jak żelazo reagują na warunki pH i Eh, co może prowadzić do wytrącenia praktycznie nierozpuszczalnych związków Mn4+ i Mn6+ (Witczak i in., 2013). Mangan może też występować w formie koloidalnej, co przy dużych stężeniach również będzie utrudniać proces filtracji. Wody podziemne w osadach czwartorzędowych mogą zawierać do kilku mg Mn/dm3 (Macioszczyk, Dobrzyński, 2002).
Baza danych Monitoring Wód Podziemnych (MWP) w 2 875 punktach zawiera 34 285 wyników analiz chemicznych wód podziemnych z lat 1991–2024 (stan na listopad 2024), pochodzących zarówno z monitoringu stanu chemicznego (Państwowy Monitoring Środowiska), jak i z zadań państwowej służby geologicznej, realizowanych na mocy Ustawy Prawo wodne (Dz.U. 2024 poz. 1087). Tylko w 12 111 próbkach wartości stężeń żelaza nie przekraczały 0,1 mg/dm3 (35%). Mangan w stężeniu poniżej 0,05 mg/dm3 zanotowano jedynie w 12 663 próbkach (37%). Wszystkie brane pod uwagę analizy chemiczne wód podziemnych zostały wykonane w Laboratorium Chemicznym PIG-PIB, akredytowanym przez Polskie Centrum Akredytacji (akredytacja AB 283).
W przypadku żelaza, w 1663 punktach przynajmniej raz stwierdzono wartości stężeń ≤0,1 mg/dm3. Po uwzględnieniu dwóch warunków brzegowych przyjętych dla ATES przy ocenie możliwości magazynowania energii cieplnej w poziomach wodonośnych (Konieczyńska i in., 2024), tj. porowy charakter warstw wodonośnych i głębokość nawierconego zwierciadła wody nie mniejsza niż 10 m, pozostało 429 punktów.
Spośród tych 429 punktów jedynie w 104 (24%) warunki były na tyle stabilne, że nigdy w dotychczasowej historii badań nie przekroczyły wartości 0,1 mg Fe/dm3. Przykładem takiej sytuacji jest punkt monitoringowy o numerze 76 Warszawa Bemowo (Tab. 1). W wodzie podziemnej w pozostałych 325 (76%) punktach okresowo pojawiały się wyższe zawartości Fe (Rys. 1; przykład: Tab. 2).
Najwyższe wartości żelaza w wodach podziemnych (od 11 do niemal 42,5 mg/dm3), spośród punktów spełniających wspomniane wyżej warunki, zanotowano w punkcie monitoringowym 3305) w Lisewie Malborskim na Żuławach.
W przypadku manganu w 1599 punktach przynajmniej raz w okresie obserwacji stwierdzono wartości stężeń na poziomie nie przekraczającym 0,05 mg/dm3. Po uwzględnieniu przyjętych przy ocenie możliwości magazynowania energii cieplnej w poziomach wodonośnych dla systemów ATES dwóch warunków brzegowych, (Konieczyńska i in., 2024 tj. porowy charakter warstw wodonośnych i głębokość nawierconego zwierciadła wody nie mniejsza niż 10 m, pozostało 367 punktów.
|
Rys. 1. Lokalizacja wybranych punktów z oznaczeniami Fe w analizach chemicznych z lat 1991–2024 na tle mapy potencjału ATES (Konieczyńska i in., 2024) |
| Spośród nich zaledwie w 90 (24%) stan chemiczny wód podziemnych był na tyle stabilny, że nie odnotowano w nich wartości stężeń manganu powyżej 0,05 mg/dm3. Przykładem może być tu punkt monitoringowy 786 Okalewko (Tab. 3). W kolejnych 66 punktach (18%) przynajmniej okresowo pojawiały się wyższe zawartości Mn.
W innych 211 (57%) punktach przeważają wody o zawartości Mn>0,05 mg/dm3(przykład: Tab. 4). W sumie, punktów z wartościami stężeń manganu na poziomie wyższym niż 0,05 mg/dm3 zawsze lub okresowo stwierdzono 277, co daje ponad 75% (Rys. 2). Najwyższe wartości stężeń manganu w zakresie 3,63–4,89 mg/dm3 w wodach podziemnych zanotowano w rejonie wydobycia siarki w woj. świętokrzyskim, ponadto wartości do 2,66 mg/dm3, zaobserwowano w punkcie monitoringowym 3305 w Lisewie Malborskim na Żuławach. Najbardziej zbliżone warunki hydrogeologiczne, spośród krajów, w których technologia ATES jest już stosowana na szerszą skalę, występują na obszarze Niemiec. W rejonach, gdzie stwierdzane są wody podziemne o wartościach stężeń żelaza powyżej 0,1 mg/dm3 i manganu powyżej 0,05 mg/dm3 zalecane jest uwzględnienie tego faktu już na etapie projektowania systemów ATES i ich realizację w taki sposób, żeby woda, która jest nośnikiem energii nie miała kontaktu z powietrzem atmosferycznym (Stemmle i in., 2022). Zgodnie z zapisami Prawa wodnego w Polsce nie można mieszać wód podziemnych o różnym składzie, nie wolno też zmieniać ich składu chemicznego. Dlatego należy przede wszystkim uwzględnić ograniczenie dostępu tlenu do wód podziemnych wykorzystywanych w procesie magazynowania energii w poziomach wodonośnych. Biorąc pod uwagę powszechność występowania żelaza i manganu w ilościach problematycznych dla infrastruktury technicznej przy systemach ATES (Rys. 1, Rys. 2), należy poważnie podejść do tego ograniczenia, tym bardziej, że możliwe są zmiany stężeń w miarę zmian parametrów dopływających wód podziemnych. Opracowano na podstawie danych Inspekcji Ochrony Środowiska uzyskanych w ramach Państwowego Monitoringu Środowiska oraz na podstawie danych uzyskanych w ramach zadań państwowej służby geologicznej realizującej zadania określone w ustawie Prawo wodne (do 2023 r państwowej służby hydrogeologicznej). Wyniki analiz chemicznych wód podziemnych z punktów obserwowanych w monitoringu stanu chemicznego można znaleźć na stronie GIOŚ w zakładce wyniki badań https://mjwp.gios.gov,pl/wyniki-badan/wyniki-badan-2023.html pozostałe zaś w Rocznikach Hydrogeologicznych Rocznik Hydrogeologiczny PSG – Państwowy Instytut Geologiczny – PIB (Kazimierski red.,2003–2014, Sadurski red., 2015–2018, Woźnicka red., 2019–2024). Ta krótka analiza chemizmu wód podziemnych występujących w Polsce pod względem zawartości żelaza i manganu, których obecność może wpływać niekorzystnie na funkcjonowanie systemów magazynowania i eksploatacji energii cieplnej z wykorzystaniem warstw wodonośnych i wód podziemnych jako nośnika energii pokazuje, jak bardzo ważne jest na etapie projektowania instalacji, dokładne rozpoznanie warunków hydrochemicznych w danej lokalizacji i właściwa ich interpretacja. W przypadku stwierdzenia stężeń żelaza i/lub manganu powyżej odpowiednio 0,1 i 0,05 mg/dm3 (również w miarę możliwości rozpoznanie powinno objąć wyniki analiz archiwalnych z konkretnego rejonu) należy w projekcie instalacji uwzględnić rozwiązania techniczne, które zminimalizują ryzyko kolmatacji filtrów, stref przyfiltrowch oraz wymienników ciepła przez wytrącanie się nierozpuszczalnych związków tych pierwiastków. Wśród dostępnych metod można całkowicie odizolować używane wody od kontaktu z powietrzem atmosferycznym (łącznie z wodą w kolumnie filtrowej) przez zastosowanie poduszki azotowej lub przynajmniej zmaksymalizować odległość pomiędzy zwierciadłem dynamicznym a położeniem filtra i pompy głębinowej. Można też zastosować filtry/mikrofiltry zatrzymujące wytrącane związki przed wymiennikami i/lub przed otworem zatłaczającym wodę (Stemmle i in., 2022, Burté i in., 2018 ). |
Rys. 2. Lokalizacja wybranych punktów z oznaczeniami Mn w analizach chemicznych z lat 1991–2024 na tle mapy potencjału ATES (Konieczyńska i in., 2024) |
| Tab. 1. Wyniki oznaczeń Fe w punkcie monitoringowym o numerze 76, zlokalizowanym w Warszawie na Bemowie, woj. mazowieckie |
Tab. 2. Wyniki oznaczeń Fe w punkcie monitoringowym o numerze 360, zlokalizowanym w Karlinie,woj. zachodniopolskim (kolorem czerwonym zaznaczono wartości przekraczające 0,1 mg/dm3) |
Tab. 3. Wyniki oznaczeń Mn w punkcie monitoringowym 786, zlokalizowanym w Okalewku, woj. kujawsko-pomorskie |
Tab. 4 Wyniki oznaczeń Mn w punkcie monitoringowym 408, zlokalizowanym w Połomii, woj. śląskie (kolorem czerwonym zaznaczono wartości przekraczające 0,05 mg/dm3) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
