Wpływ modernizacji na efektywność pracy stacji uzdatniania wody

Transkrypt

1 Paula Szymczyk 1, Urszula Filipkowska 2, Tomasz Jóźwiak 3, Artur Mielcarek 4, Joanna Rodziewicz 5 Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie Wpływ modernizacji na efektywność pracy stacji uzdatniania wody Wprowadzenie Woda jest niezbędnym i jednym z najcenniejszych bogactw naturalnych, decydujących o stanie środowiska przyrodniczego oraz zdrowiu i życiu ludzi. W środowisku wodnym zachodzą procesy życiowe na poziomie komórkowym, tkankowym, narządowym czy osobniczym. Woda jest nośnikiem składników niezbędnych do życia, ale może być również nośnikiem składników stanowiących zagrożenie dla zdrowia organizmów [8]. Źródłem wody pitnej mogą być wody powierzchniowe, podziemne, źródlane lub infiltracyjne. Jednak na potrzeby wodociągów najczęściej wykorzystywane są źródła wód podziemnych, natomiast na cele przemysłowe wody powierzchniowe. W Polsce w produkcji wody pitnej 70% objętości pochodzi z wód podziemnych, natomiast do celów przemysłowych w 94% wykorzystywane są wody powierzchniowe [7]. Rozwój cywilizacji, przemysłu, motoryzacji i intensyfikacja rolnictwa powoduje ciągłe pogarszanie stanu środowiska naturalnego. Skutkiem są między innymi niekorzystne zmiany w składzie chemicznym wód naturalnych. W ostatnich latach nawet w wodach podziemnych zauważa się wzrastający poziom zanieczyszczeń pochodzenia antropogenicznego. W związku z tym wody naturalne bardzo rzadko spełniają wymagania wody nadającej się do celów spożywczych, gospodarczych i przemysłowych, dlatego konieczne jest ich uzdatnianie. Logistka procesu uzdatniania wody to szereg skomplikowanych etapów, w których wykorzystywane są specjalistyczne urządzenia i nowoczesne układy technologiczne. W wyniku tego procesu z wody powinny zostać usunięte wszystkie niepożądane substancje, między innymi bakterie chorobotwórcze, metale ciężkie (Hg,As,Zn,Cd) oraz składniki występujące w ilościach niebezpiecznych (żelazo, mangan, azotany, jony amonowe) [6]. Na terenie województwa warmińsko mazurskiego najbardziej typowymi domieszkami wód podziemnych są sole żelaza i manganu. Zazwyczaj występują one w wyższych stężeniach niż dopuszczone w Rozporządzeniu Ministra Zdrowia z dnia 29 marca 2007 r. [5]. Zarówno żelazo jak i mangan są niepożądane w wodzie wykorzystywanej w gospodarstwach domowych. Żelazo powoduje między innymi zarastanie sieci wodociągowych w wyniku rozwoju bakterii żelazistych. Zarówno mangan jak i żelazo wpływają również na pogorszenie własności organoleptycznych wody, podwyższając jej barwę, mętność, a przy dużych stężeniach nawet smak [1]. Nowelizacje polskich przepisów, wprowadzające ostrzejsze wymagania dotyczące jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi oraz pogarszający się stan wód naturalnych sprawiają, że coraz więcej stacji uzdatniania nie zapewnia odpowiedniej jakości wody podawanej do sieci. W związku z tym zwiększa się liczba stacji uzdatniania, które powinny zostać zmodernizowane. Modernizacja często polega na wymianie przestarzałych urządzeń oraz układu technologicznego. 1 mgr inż. Paula Szymczyk, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Nauk o Środowisku, Katedra Inżynierii Środowiska, Olsztyn, Polska, paula.szymczyk@uwm.edu.pl 2 dr hab. inż. Urszula Filipkowska, prof. UWM, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Nauk o Środowisku, Katedra Inżynierii Środowiska, Olsztyn, Polska, ulafil@uwm.edu.pl 3 mgr inż. Tomasz Jóźwiak, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Nauk o Środowisku, Katedra Inżynierii Środowiska, Olsztyn, Polska, tomasz.jozwiak@uwm.edu.pl 4 mgr inż. Artur Mielcarek, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Nauk o Środowisku, Katedra Inżynierii Środowiska, Olsztyn, Polska, artur.mielcarek@uwm.edu.pl 5 dr inż. Joanna Rodziewicz, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Nauk o Środowisku, Katedra Inżynierii Środowiska, Olsztyn, Polska, joanna.rodziewicz@uwm.edu.pl 9858

2 W pracy porównano technologie stacji uzdatniania wody oraz efektywność uzdatniania wód podziemnych w Morągu przed i po modernizacji. Metodyka Badania wody surowej i uzdatnionej zostały opracowane i udostępnione przez Przedsiębiorstwo Wodociągów i Kanalizacji w Ostródzie Sp. z.o.o. w Tyrowie i Wojewódzką Stację Sanitarno-Epidemiologiczną w Olsztynie. Woda uzdatniona poddawana była analizie kontrolnej osiem razy w roku. Dodatkowo dwa razy w roku wykonywano badania rozszerzone, to znaczy że oprócz wskaźników podstawowych takich jak żelazo, mangan, azot amonowy, azotyny, azotany, odczyn, barwa, mętność, zapach i smak oznaczano między innymi zasadowość, kwasowość, twardość, zawartość chlorków, fluorków, kadmu, arsenu, ołowiu, rtęci i sodu. W tabeli 1 przedstawiono metody badań fizyko-chemicznych wskaźników wody. Tabela 1. Metody badań fizyko-chemicznych wskaźników wody Badana cecha Jednostka Metoda badań 2006 Metoda badań 2010 Barwa mgpt/l PN-EN ISO 7887:2002 N PN-EN ISO7887:2002 N Mętność NTU PN-EN ISO 7027:2003 A PN-EN ISO 7027:2003 A Odczyn ph - PN-90/C-04540/01 A PN-90/C-04540/01 A Przewodność µs/cm y 25 PN-EN 27888:1999 A PN-EN 27888:1999 A Zapach - Smak - PN-72/C N PN-72/C N Jon amonowy mg/l PN-C :1994 A PN-C :1994 A Azotany mg/l PN-EN ISO :2001 A PN-EN ISO :2009 A Azotyny mg/l PN-EN ISO :2001 A PN-EN ISO :2009 A Mangan mg/l PN-92/C-04590/02 A PN-92/C-04590/02 A Żelazo mg/l PN-ISO 6332:2001 A PN-ISO-6332:2001 A A metodyka pobierania próbek akredytowana przez PCA nr AB 1099 dla Laboratorium analizy wody N - metodyka pobierania próbek nieakredytowana Źródło: Przedsiębiorstwo Wodociągów i Kanalizacji w Ostródzie Sp. z.o.o. w Tyrowie Charakterystyka wody surowej W Morągu woda ujmowana jest z czwartorzędowych zasobów wód podziemnych za pomocą pomp głębinowych z sześciu studni, których wydajność wynosi 418 m 3 /h. Oznaczenia fizyczno-chemiczne wody surowej wykonywane są zgodnie z obowiązującymi w Polsce normami (tab. 1). W tabeli 2 przedstawiono jakość wód podziemnych ujmowanych przez SUW w Morągu oraz dopuszczalne stężenia składników w wodzie przeznaczonej do spożycia przez ludzi określone w Rozporządzeniu Ministra Zdrowia z dnia 29 marca 2007 r. (Dz.U nr 61 poz. 417) [5]. Dane przedstawione w tabeli 2 potwierdzają, że wody podziemne na terenie gminy Morąg charakteryzują się podwyższoną barwą i mętnością oraz ponadnormatywną zawartością żelaza, manganu i jonu amonowego, Barwa wody surowej w granicach mgpt/l może wskazywać na obecność kwasów humusowych, które prawdopodobnie mają również wpływ na podwyższone stężenie żelaza w wodach podziemnych. Substancje humusowe tworzą z Fe(II) i Fe(III) barwne połączenia żelazoorganiczne trudne do usunięcia w konwencjonalnych układach technologicznych oczyszczania wód [2]. Natomiast podwyższone stężenie azotu amonowego może być spowodowane obecnością żelaza i manganu w wodach gruntowych lub naturalnymi właściwościami warstw wodonośnych. 9859

3 Tabela 2. Badania fizykochemiczne wody surowej Badana cecha Jednostka Wartość dopuszczana z dn z dn z dn z dn Barwa mgpt/l Mętność NTU ,1 Odczyn ph _ 6,5-9,5 7,4 7,2 7,4 7,5 Przewodność µscm y Zapach _ akcept. akcept. akcept. akcept. akcept. Smak _ akcept. akcept. akcept. akcept. akcept. Jon amonowy mg/l 0,5 0,46 0,6 0,7 0,64 Azotany mg/l 50 0,09 0,27 0,4 1 Azotyny mg/l 0,5 0 0,053 0,03 0,02 Mangan mg/l 0,05 0,12 0,15 0,17 0,11 Żelazo mg/l 0,2 2,18 2,14 1,2 1,25 akcept. akceptowalny Źródło: Przedsiębiorstwo Wodociągów i Kanalizacji w Ostródzie Sp. z.o.o. w Tyrowie Układ technologiczny stacji uzdatniania wody w Morągu przed modernizacją Stacja uzdatniania wody w Morągu przeszła modernizację w 2007 roku. Przed modernizacją uzdatnianie wody przebiegało dwustopniowo. Na pierwszym stopniu redukowano żelazo, natomiast na drugim mangan. Układ filtracyjny składał się z dwóch filtrów piętrowych i dwóch pojedynczych. Zasilanie pompowe było jednostopniowe. Pompy głębinowe podawały wodę na filtry i od razu po filtracji do sieci wodociągowej. Pompy jednocześnie utrzymywały ciśnienie w sieci. Silniki pomp głębinowych pracowały z regulacją obrotów przez falownik częstotliwości, który pozwalał na zmianę ich wydajności, w zależności od zapotrzebowania na wodę w sieci wodociągowej. Wadą opisanej wyżej technologii był między innymi niestabilny proces filtracji wody z uwagi na zmianę prędkości filtracji, która dostosowywana była do zapotrzebowania na wodę oraz częsta awaryjność sieci. Układ technologiczny stacji uzdatniania wody w Morągu po modernizacji Modernizacja polegała przede wszystkim na wymianie wyeksploatowanej i awaryjnej aparatury. Radykalna zmiana zaszła w zasilaniu, które wcześniej było głównym problemem. Jednostopniowy system zasilania został zamieniony na dwustopniowy ze zbiornikiem wody czystej, co pozwoliło na ustabilizowanie procesu filtracji. Poza tym zwiększona została liczba filtrów. Na nowej stacji uzdatniania zastosowano trzy filtry ciśnieniowe i trzy biologiczne. W zmodernizowanej stacji uzdatniania woda pobrana przez pompy głębinowe tłoczona jest do mieszacza statycznego, w którym zachodzi jej napowietrzanie. Następnie trafia na pierwszy stopień filtracji, gdzie znajdują się filtry ciśnieniowe UFP. Na filtrach tych zachodzi odmanganianie i odżelazianie. Po filtracji woda zawracana jest do mieszacza statycznego w celu dodatkowego natlenienia. Następnie na filtrach biologicznych z wody usuwany zostaje azot. Uzdatniona woda doprowadzana jest do zbiornika retencyjnego, a następnie za pomocą pomp do sieci wodociągowej. Na rysunku 1 przedstawiono logistykę procesu uzdatniania wody na zmodernizowanej SUW w Morągu. 9860

4 Rys. 1. Układ technologiczny SUW w Morągu Źródło: Przedsiębiorstwo Kanalizacji i Wodociągów spółka z o.o. w Morągu Porównanie jakości wody uzdatnionej przed i po modernizacji SUW Próbki do analizy pobierane są po filtrach ciśnieniowych i biologicznych, w hydroforni, na wyjściu do miasta oraz w kilku punktach na terenie miasta. Logistyka monitoringu jakości wody pozwala na szybszą reakcję w momencie wykrycia nieprawidłowości oraz na łatwiejsze zlokalizowanie obszaru, na którym mogło dojść do zanieczyszczenia. Wody podziemne na terenie miasta posiadają podwyższone stężenia żelaza, manganu, jonu amonowego oraz barwę i mętność. W związku z tym nowy układ technologiczny powinien zapewnić usunięcie substancji zanieczyszczających w takim stopniu, aby jakość wody uzdatnionej opowiadała normom zawartym w Rozporządzeniu Ministra Zdrowia. Na rysunku 2 przedstawiono dane, na których porównana została jakość wody przed i po modernizacji stacji uzdatniania wody z normami zawartymi w Rozporządzeniu z 2007 roku [5]. Na wykresach ujęto tylko te parametry wody, które stanowią problem w wodzie surowej. Dane przedstawione na rysunku 2 wskazują, że jakość wody uzdatnionej przed modernizacją stacji nie zawsze odpowiadała normom. W 2006 roku przekroczona została dopuszczalna mętność wody oraz stężenie manganu. Maksymalna wartość mętności oznaczona w okresie przed modernizacją wynosiła 2,94 NTU. Dwa razy zdarzyło się również, że mętność była równa wartości dopuszczalnej, która wynosi 1 NTU. Maksymalna wartość manganu w kwietniu 2006 roku wyniosła 0,09 mg/l i przekraczała ona o 0,04 mg/l wartość dopuszczalną zawartą w obowiązującym Rozporządzeniu Ministra Zdrowia w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi. Problemy z usuwaniem manganu mogą być spowodowane obecnością w wodzie surowej amoniaku. Z danych literaturowych wynika, że proces nitryfikacji może zakłócać skuteczność odmanganiania wód, zaś obecność manganu ma wpływ na przebieg procesu nitryfikacji i skuteczność usuwania azotu amonowego [4]. Inną przyczyną trudności usuwania manganu mogą być także obecne 9861

5 w wodzie gruntowej związki humusowe, które negatywnie wpływają na proces odmanganiania [3]. Wahania efektywności usuwania zanieczyszczeń na stacji uzdatniania wody przed modernizacją wskazują także na brak stabilności pracy. Problemy z parametrami wody uzdatnionej spowodowane były prawdopodobnie jednostopniowym zasilaniem pompowym i brakiem zbiornika na wodę uzdatnioną. W momencie, gdy zapotrzebowanie na wodę w mieście rosło, proces filtracji przebiegał nieprawidłowo i jakość wody nie zawsze odpowiadała normom. a) b) c) d) e) Rys. 2. Jakość wody uzdatnionej przed (rok 2006) i po (rok 2010) modernizacji SUW w Morągu a) barwa, b) mętność, c) stężenie jonu amonowego, d) stężenie manganu, e) stężenie żelaza Natomiast jakość wody uzdatnionej w roku 2010, czyli po modernizacji stacji zawsze odpowiadała normatywom zawartym w Rozporządzeniu Ministra Zdrowia z dnia r. [5]. Wysoka efektywność oczyszczania wody wiązała się głównie z zastosowaniem nowoczesnej technologii ze zbiornikiem wody czystej, która pozwoliła na stabilizację procesu filtracji. Podsumowanie Woda jest niezbędnym i najcenniejszym bogactwem naturalnym, decydującym o życiu większości organizmów na ziemi. Za ciągłe dostarczanie wody o dobrej jakości do mieszkańców odpowiadają specjalnie do tego celu stworzone przedsiębiorstwa. Woda pobierana bezpośrednio ze środowiska nie spełnia wymogów zawartych w Rozporządzeniu Ministra Zdrowia, dlatego przedsiębiorstwa te przed podaniem wody 9862

6 do sieci muszą poddawać ją procesowi uzdatniania. Logistka procesu uzdatniania wody to szereg skomplikowanych etapów, w których wykorzystywane są specjalistyczne urządzenia i układy technologiczne. W momencie, kiedy jakość wody ulega pogorszeniu lub dostawa wody do mieszkańców w godzinach szczytu jest ograniczona konieczna jest modernizacja stacji uzdatniania wody. Modernizacja stacji uzdatniania wody w Morągu spowodowana była koniecznością ustabilizowania procesu filtracji, zmniejszenia awaryjności urządzeń oraz zapewnienia ciągłości dostawy wody. Analiza wyników jakości wody przed i po modernizacji potwierdza, że główny cel modernizacji został osiągnięty, ponieważ woda w 2010 roku zawsze odpowiada normom zawartym w obowiązującym Rozporządzeniu Ministra Zdrowia. Poza tym dzięki nowej technologii, wykorzystującej w dwustopniowy system filtracji oraz zbiornik wody czystej woda do mieszkańców doprowadzana jest nieprzerwalnie, nawet w godzinach szczytu oraz ma zapewnioną odpowiednią jakość. Streszczenie Logistyka procesu uzdatniania wody to szereg skomplikowanych etapów, w których wykorzystywane są specjalistyczne urządzenia i układy technologiczne. W momencie, kiedy jakość wody ulega pogorszeniu konieczna jest modernizacja stacji uzdatniania wody. Modernizacja stacji uzdatniania wody w Morągu spowodowana była koniecznością ustabilizowania procesu filtracji, zmniejszenia awaryjności urządzeń oraz zapewnienia ciągłości dostawy wody. Proces uzdatniania wody przed modernizacją stacji składał się z dwustopniowej filtracji i jednostopniowego systemu zasilani pomp, więc te same pompy pobierały wodę z dwóch ujęć komunalnych, podawały ją na filtry, a następnie do sieci. W chwili kiedy zapotrzebowanie na wodę w mieście wzrastało, proces filtracji zachodził nieodpowiednio i efektywność usuwania zanieczyszczeń była niska. Oprócz braku stabilności procesu filtracji wadą poprzedniej stacji uzdatniania była jej częsta awaryjność, dlatego zdecydowano się na modernizację. Modernizacja polegała na wymianie przestarzałych urządzeń oraz układu technologicznego, który pozwolił na ustabilizowanie procesu filtracji i zapewnił ciągłość dostawy wody do mieszkańców. Zmieniono system zasilania na dwustopniowy, zastosowano zbiornik wody czystej oraz zwiększono liczbę filtrów. Fizyko chemiczne wskaźniki wody uzdatnionej przed modernizacją stacji nie zawsze odpowiadały normom zawartym w obowiązującym rozporządzeniu. Natomiast po modernizacji stacji uzdatniania, woda poddana procesowi oczyszczania zawsze była zdatna do spożycia przez ludzi. Słowa klucze: modernizacja stacji uzdatniania wody, efektywność usuwania zanieczyszczeń, wody podziemne, usuwanie żelaza i manganu INFLUENCE OF MODERNIZATION ON THE EFFICIENCY OF THE WATER TREATMENT PLANT Abstract The process of water treatment is a series of steps involving the use of specialized equipment and technological systems. The modernization of the water treatment plant is necessary, when water quality deteriorates. The modernization of the water treatment plant in Morag was caused by necessity of stabilization the filtration process, reduce equipment failure and ensure continuous supply of water. Before the water treatment plant in Morąg was modernized the process of water treatment consisted of a two-stage filtration and the pumps were supplied with use of single-stage pump supply system. The pumps drew water from two municipal water intakes which was then passed to filters and finally to the system. At the time when demand for water in the town grew, the process of filtration was inadequate and the efficiency of the removal of contaminants was low. Apart from the filtration process lacking stability, another drawback of the previous water treatment plant was its frequent unreliability, therefore it was decided that modernization was needed. 9863

7 The modernization involved the replacement of the obsolete equipment and buying a new processing system which ensured both a stable filtration process and continuity of water supply to residents. The existing supply system was replaced with a two-stage system, a water tank was used and more filters were added. The physical and chemical properties of water treated before the modernization had not always satisfied the standards set out in the regulation in force, whereas after the modernization water which had undergone the purification process was always fit for human consumption. Keywords: modernization of water purification plant, the efficiency of contaminant removal, groundwater, removing iron and manganese Literatura [1] Colter A., Mahler R. L.: Iron in drinking water, Moscow: University of Idaho, [2] Krupińska I.: Problemy związane z występowaniem substancji humusowych w wodach podziemnych, Zeszyty Naukowe. Inżynieria Środowiska/Uniwersytet Zielonogórski, 2012, [3] Nowak R.: Wpływ wybranych składników uzdatnianej wody na skuteczność jej odmanganiania w obecności mas aktywnych, Rocznik Ochrona Środowiska, 2013, 15(1). [4] Papciak D., Zamorska J., Kaleta J., Puszkarewicz A.: Effect of manganese(ii) on the time of biofilm formation and on the effectiveness of ammonium nitrogen removal from water in biofiltration proces, Polish Journal Of Environmental Studies vol.2: series of monographs, 2009, [5] Rozporządzanie Ministra Zdrowia z dnia 29 marca 2007 r w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi. (Dz. U. nr 61, poz.417, zm. z 2010 r. Dz. U. nr 72, poz. 466). [6] Shannon M. A., Bohn P. W., Elimelech M., Georgiadis J. G., Mariñas B. J., Mayes A. M.: Science and technology for water purification in the coming decades, Nature, 2008, 452(7185), [7] Skotak K., Świątczak J., Bratkowski J. : Jakość wody przeznaczonej do spożycia w Polsce w roku 2007, Medycyna Środowiskowa, 2008, 2, [8] Stojek N.M.: Rolnictwo ekologiczne a jakość wody, Medycyna Ogólna i Nauki o Zdrowi, 2011, Tom 17, Nr 1,