Rozprawa doktorska ANALIZA ZMIAN JAKOŚCI WODY W SIECI WODOCIĄGOWEJ MIASTA KRAKOWA

Transkrypt

1 Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica Wydział Geodezji Górniczej i InŜynierii Środowiska Katedra Kształtowania i Ochrony Środowiska Rozprawa doktorska ANALIZA ZMIAN JAKOŚCI WODY W SIECI WODOCIĄGOWEJ MIASTA KRAKOWA Mariusz Olko Promotor-prof. hab. dr inŝ. Włodzimierz Wójcik 1

2 Spis treści 1. Wstęp Waga problematyki oraz miejsce badań doświadczalnych Teza pracy Cele szczegółowe pracy Charakterystyka źródeł wody pitnej dla aglomeracji krakowskiej Technologie uzdatniania wody na poszczególnych zakładach ZUW Bielany ZUW Dłubnia ZUW Rudawa ZUW Raba Jakość wody wprowadzana do sieci miejskiej w latach Opis krakowskiej sieci wodociągowej Problemy zmian jakości wody w sieci wodociągowej Wpływ materiału sieci na zmiany jakości wody Penetracja zanieczyszczeń przez rurociągi i ich połączenia Wymywanie i korozja metali i związków chemicznych Azbesto-cement śeliwo i stal Tworzywa sztuczne Elementy systemu wykonane na bazie cementu Wpływ technologii uzdatniania wody na zmiany jakości wody w sieci Wpływ procesów zachodzących w systemie dystrybucyjnym na jakość wody Rodzaje wtórnego zanieczyszczenia wody Zmiany fizykochemiczne Zmiany mikrobiologiczne Sposoby zapobiegania i ograniczania wtórnego zanieczyszczenia wody w systemie jej dystrybucji Metodyka badań eksperymentalnych Podstawy zastosowanych metod statystycznych Funkcja regresji Badania jakości wody uzdatnionej z poszczególnych ZUW oraz wody w sieci miejskiej w latach Korelacje Pearsona pomiędzy wybranymi parametrami jakości wody w sieci wodociągowej Krakowa w latach Metodyka analiza jakości wody w wybranych punktach poboru w sieci miejskiej w latach Porównanie jakości wody w wybranych punktach poboru sieci wodociągowej w latach Zmiany jakości wody w sieci wodociągowej Nowej Huty w okresie zmiany środka dezynfekującego Rozkład erii na agarze w 22 0 i 37 0 C w sezonach letnich i zimowych w sieci wodociągowej Krakowa w latach Dyskusja wyników Wnioski Literatura Załączniki

3 Mariusz Olko, Analiza zmian jakości wody w sieci wodociągowej miasta Krakowa 1. Wstęp 1.1. Waga problematyki oraz miejsce badań doświadczalnych Zmiany jakości wody w sieci wodociągowej są nowym zagadnieniem o bardzo istotnym znaczeniu poznawczym, a zwłaszcza aplikacyjnym. Jakość wody u odbiorcy moŝe róŝnić się od tej, jaką wtłaczamy na ujęciu wody po uzdatnieniu. Najczęstsze przyczyny takiego zjawiska moŝna usystematyzować w następujące kategorie: pogorszenie się jakości w skutek wandalizmu, celowej działalności grup przestępczych i terrorystycznych, pogorszenie się jakości w skutek istnienia uszkodzeń rur lub nieprawidłowej ich naprawy, zmiany wynikające z oddziaływania ścianek rur oraz armatury z przepływająca woda, w tym z powodu uwalniania się związków chemicznych z rur, zjawisk korozyjnych lub erozyjnych, zmiany jakości wynikających z mieszania się wód z róŝnych ujęć wody. Trudności w analizowaniu wymienionych zjawisk wynikają z wielu przyczyn w tym z istnienia równocześnie wielu czynników, braku inacji charakteryzujących sieć wodociągową, jak teŝ losowy charakter wielu zjawisk. W dalszym ciągu brak naukowych podstaw wyjaśniających wiele zachodzących zjawisk, jak np. rola mikroorganizmów w transacji związków chemicznych, rola prądów błądzących w transacji związków chemicznych, rola mikrokawitacji, mechanizmy tworzenia się nisz ekologicznych, w których mikroorganizmy mogą przetrwać mimo intensywnej dezynfekcji. NaleŜy podkreślić, Ŝe jest to pierwsza w Polsce praca dotycząca kompleksowej analizy zmian jakości wody w sieci miejskiej, w której analizie poddałem tak obszerny materiał badawczy i będącą jedną z pierwszych intensywnie obecnie prowadzonych badań na świecie na świecie. Produkcja wody pitnej dla miasta Krakowa oparta jest o 4 zakłady uzdatniania wody wykorzystujące wody powierzchniowe jako źródła wody pitnej oraz jedno ujęcie wody głębinowej. W okresie ostatnich 15 lat, wodociągi krakowskie gruntownie zmodernizowały technologię uzdatniania wody w trzech zakładach, dostosowując ją do coraz bardziej rygorystycznych wymagań dotyczących jakości wody pitnej, zarówno w odniesieniu do norm polskich jaki i w stosunku do dyrektywy Unii Europejskiej. Zmodernizowano systemy koagulacyjne w ZUW Rudawa i Dłubnia, wprowadzono ozonowanie wody surowej w ZUW Raba, wybudowano filtry węglowe w ZUW Rudawa, a w pozostałych zakładach wprowadzono dozowanie węgla pylistego, wymieniono lub uzupełniono złoŝa filtracyjne filtrów piaskowych we wszystkich zakładach, wprowadzono dezynfekcję dwutlenku chloru w miejsce dotychczas stosowanego chloru gazowego w ZUW Rudawa w roku 1994 i ZUW Dłubnia w roku W okresie zmiany środka dezynfekcyjnego następowały bardzo wyraźne i niekorzystne zmiany jakości wody w sieci wodociągowej zasilanych z tych ujęć wody. Niniejsza praca opisuje zmiany jakości wody w sieci Nowej Huty i porównanie z jakością wody w okresie późniejszym. We wszystkich trzech zakładach wprowadzono daleko zaawansowaną automatyzację procesów. Jedynie modernizacja ZUW Bielany została odłoŝona na termin późniejszy. Wszystkie te zmiany spowodowały, Ŝe jakość produkowanej 3

4 Mariusz Olko, Analiza zmian jakości wody w sieci wodociągowej miasta Krakowa dla potrzeb aglomeracji krakowskiej wody spełnia normy jakości obowiązujące w Polsce i w Unii Europejskiej. JednakŜe w ślad za zmianami dokonanymi w całym cyklu produkcyjnym nie udało się w tak krótkim czasie przebudować i zmodernizować ogromnej sieci wodociągowej, gdzie zaniedbania sięgają wielu dziesięcioleci. Krakowska sieć wodociągowa łącznie z przyłączami liczyła na koniec 2006 roku 1903 km, z czego sieć magistralna liczy 174 km, sieć rozdzielcza 1247 km oraz przyłącza wodociągowe 487 km. Liczba przyłączy na koniec 2006 roku wynosiła sztuk. Głównymi materiałami, z którego wykonana jest sieć wodociągowa w Krakowie to stal, Ŝeliwo sferoidalne, PCW oraz PE. Niewielki udział (ok. 5%) w sieci rozdzielczej stanowi azbesto-cement. Średni wiek sieci wodociągowej jest stosunkowo wysoki i wynosi 28 lat. Około 9% ogólnej długości sieci to sieć sprzed roku 1945, odcinki sieci budowane po roku 1992 stanowią obecnie ok. 26%. Sieć wodociągowa Krakowa została wyposaŝona w 41 zbiorniki wodociągowe o łącznej pojemności m 3. Ich zadaniem jest wyrównywanie ciśnienia i wielkości dostaw wody przy zmiennym w czasie jej rozbiorze. SłuŜą one równieŝ do gromadzenia zapasu wody na wypadek awarii ujęć lub magistral. Największy kompleks zbiorników (217 tyś. m 3 ) znajduje się na trasie rurociągu z ZUW Raba do Krakowa. Ich rozmieszczenie w sieci wodociągowej obrazuje rys. 1. Rysunek 1. Schemat sieci wodociągowej i zbiorników retencyjnych miasta Krakowa 4

5 Mariusz Olko, Analiza zmian jakości wody w sieci wodociągowej miasta Krakowa Są to zbiorniki w Gorzkowie, Sierczy, Kosocicach, Krzemionkach i Rajsku. W Sierczy zbudowane zostały cztery największe zbiorniki w Polsce o pojemności 34 tyś. m 3 kaŝdy. Drugi kompleks zbiorników o pojemności m 3 wody zlokalizowany jest na Kopcu Kościuszko, skąd woda z Dobczyc i częściowo z ZUW Bielany grawitacyjnie zaopatruje część dzielnicy Krowodrza. Trzeci kompleks zbiorników znajduje się w obrębie ZUW Dłubnia i liczy m 3 wody. Ostatni kompleks to zbiorniki w Mistrzejowicach o pojemności m 3. Wykaz wszystkich zbiorników retencyjnych sieci wodociągowej w Krakowie przedstawia tabela nr 1. Tabela 1. Zbiorniki wody czystej sieci wodociągowej Miasta Krakowa L.p Nazwa zbiorników Pojemność 1 Wola Justowska 2 x 75 m 3 2 Kopiec Kościuszki 2 x m 3 1 x 5000 m 3 3 Las Wolski 1 x 120 m 3 4 Mistrzejowice 5 ZUW Dłubnia 3 x 2000 m 3 2 x 5000 m 3 2 x 1000m 3 2 x 3000m 3 6 ZUW Dłubnia 4 x 2000 m 3 7 Krzemionki 8 Kosocice 2 x 2700 m 3 5 x 3000 m 3 1 x 2000 m 3 1 x 5000 m 3 1 x 7500 m 3 9 Rajsko 2 x 500 m 3 10 Gorzków 3 x 7500 m 3 11 Siercza 3 x 7500 m 3 4 x m 3 5

6 Mariusz Olko, Analiza zmian jakości wody w sieci wodociągowej miasta Krakowa 1.2. Teza pracy Jakość wody wprowadzanej do sieci wodociągowej miasta Krakowa ulega zmianom w trakcie przepływu i zmiany te zaleŝą od wielu czynników, a zwłaszcza od jakości wody tłoczonej do miejsca jej wprowadzenia do systemu, rodzaju materiału z którego wykonane są sieć rozdzielcza i przyłącza domowe oraz pory roku Cele szczegółowe pracy W pracy zostały określone następujące cele szczegółowe: analiza zmian jakie zachodzą w jakości wody wodociągowej w sieci miejskiej Krakowa w stosunku do jakości wody wyprodukowanej przez kaŝdy z istniejących zakładów uzdatniania, a tym samym na określeniu jaki wpływ na przepływającą przez sieć wodociągową wodę mają osady oraz materiały, z których wykonana została sieć przesyłowa, sieć rozdzielcza i przyłącza domowe, ocena zjawisk zachodzących w sieci wodociągowej, przeanalizowanie czynników wpływających na stan czystości źródeł wody pitnej, wpływ technologii uzdatniania wody stosowanych we wszystkich zakładach uzdatniania wody wodociągów krakowskich oraz hierarchizacja waŝności tych czynników dla badanego problemu, sprawdzenie czy sposób i czas wprowadzania nowej technologii dezynfekcji wody w ZUW Dłubnia w roku 2002 był prowadzony prawidłowo i w jakim stopniu miał on wpływ na jakość wody w sieci wodociągowej, ocena zmian się jakość wody w wybranych punktach sieci miasta Krakowa w okresie , ocena zaleŝności jakości wody w sieci miejskiej od odległości od zakładu uzdatniania wody. 6

7 Mariusz Olko, Analiza zmian jakości wody w sieci wodociągowej miasta Krakowa 2. Charakterystyka źródeł wody pitnej dla aglomeracji krakowskiej Wodociągi krakowskie jako źródło wody pitnej wykorzystują w 97% wody powierzchniowe rzek Raby (Zbiornik Dobczycki), Rudawy, Dłubni i Sanki, a tylko 3% to wody głębinowe ujęć w Mistrzejowicach. Z wyjątkiem Zbiornika Dobczyckiego, pozostałe źródła są ciekami o niewielkich przepływach (od 1m 3 /sek do 3m 3 /sek), przemieszczających się ponadto przez obszary o intensywnej gospodarce rolnej, znacznym zaludnieniu oraz w dalszym ciągu pozbawionych kanalizacji sanitarnej na obszarach wiejskich. Oceny jakości wody surowej czerpanej na poszczególnych ujęciach dokonałem w oparciu o Rozporządzenie Ministra Ochrony Środowiska z 27.XI 2002 (Dz.U nr 204 poz. 1728) w sprawie wymagań, jakim powinny odpowiadać wody powierzchniowe wykorzystywane do zaopatrzenia ludności w wodę przeznaczoną do spoŝycia. Analizie poddałem 36 wskaźników jakości wody surowej ze wszystkich rzek i zbiorników retencyjnych w latach stanowiących źródło wody pitnej, szufladkując kaŝdy przebadany wskaźnik do poszczególnej kategorii i obliczając procentowy udział danego parametru w danej kategorii jakości wody surowej. W poszczególnych tabelach nie umieszczono parametrów, które w 100% mieściły się w klasie A1. Przyjęto załoŝenie, Ŝe dany wskaźnik spełnia wymagania dla klasy A1 tylko wtedy gdy wszystkie jego analizy wykonane w ciągu danego roku w 100% mieszczą się w kryteriach określonych dla klasy A1. Dane te zostały zebrane w załączniku tej pracy. Na podstawie klasyfikacji poszczególnych rzek stanowiących źródła wody pitnej dla miasta Krakowa w oparciu o Rozporządzenie Ministra Ochrony Środowiska z 27.XI 2002 (Dz.U nr 204 poz. 1728) oceniono jakość wody surowej i jej zmiany w okresie Porównałem liczbę parametrów spełniających wymagania dla klasy A1 dla poszczególnych ujęć wody oraz ilości parametrów nie mieszczących się w Ŝadnej klasie czystości. Wyniki zebrałem w tabelach 2 i 3 oraz przedstawiłem graficznie na rysunkach 2 i 3. Tabela 2. Liczba wskaźników fizykochemicznych i eriologicznych w klasie A1 w latach LP Ujęcie wody powierzchniowej 1. Rzeka Dłubnia 2. Zbiornik Dobczycki RzekaRudawa- 3. Zb. Podkamyk 4. Rzeka Sanka 5. Liczba wskaźników razem Liczba wskaźników w klasie A1 w roku 2003 Liczba wskaźników w klasie A1 w roku 2004 Liczba wskaźników w klasie A1 w roku Liczba wskaźników w klasie A1 w roku

8 Mariusz Olko, Analiza zmian jakości wody w sieci wodociągowej miasta Krakowa Tabela 3. Liczba wskaźników fizykochemicznych i eriologicznych pozaklasowych w latach LP Ujęcie wody powierzchniowej 1. Rzeka Dłubnia 2. Zbiornik Dobczycki 3. RzekaRudawa- Zb. Podkamyk 4. Rzeka Sanka Liczba wskaźników poza klasowych w roku 2003 Liczba wskaźników poza klasowych w roku 2004 Liczba wskaźników poza klasowych w roku Liczba wskaźników poza klasowych w roku Liczba wskaźników w klasie A Lata Rzeka Dłubnia Zbiornik Dobczyce Rzeka Rudawa Rzeka Sanka Rysunek 2. Liczba wskaźników fizykochemicznych i eriologicznych w klasie A1 dla poszczególnych ujęć wody w latach

9 Mariusz Olko, Analiza zmian jakości wody w sieci wodociągowej miasta Krakowa Liczba wskaźników pozaklasowych Rok 2003 Rok 2004 Rok 2005 Rok 2006 Rzeka Dłubnia Zbiornik Dobczyce Rzeka Rudawa Rzeka Sanka Rysunek 3. Liczba wskaźników fizykochemicznych i eriologicznych pozaklasowych dla poszczególnych ujęć wody w latach NaleŜy postawić pytanie, czy jakość wody surowej zasilającej poszczególne ujęcia odbije się na jakości wody uzdatnionej, a tym samym na jakości wody w poszczególnych obszarach miasta? Odpowiedź w znacznym stopniu zaleŝeć będzie od sprawności i zaawansowania technologii jej uzdatnienia. 9

10 Mariusz Olko, Analiza zmian jakości wody w sieci wodociągowej miasta Krakowa 3. Technologie uzdatniania wody na poszczególnych zakładach Aglomeracja krakowska zasilana jest w wodę do picia z 4 ujęć powierzchniowych oraz jednego ujęcia głębinowego, z czego wody powierzchniowe stanowią aŝ 98,4% ogólnej ilości wody, a tylko 1,6% to wody z ujęcia głębinowego Mistrzejowice. Dobowe zapotrzebowanie wody w mieście wynosiło w roku tys. m 3 wody. Długość sieci wodociągowej w Krakowie wynosi 1903 km. Sieć wodociągowa Krakowa została wyposaŝona w 41 zbiorników, o łącznej pojemności tys. m 3. Największym producentem wody dla Krakowa jest Zakład Dobczyce, który dostarczył w 2006 roku 55% ogólnego zapotrzebowania wody w mieście, korzystając z zasobów Zbiornika Dobczyckiego. Woda uzdatniona, poprzez sieć zbiorników w Gorzkowie, Sierczy trafia do sieci miejskiej Krakowa. Część wody produkowana w Dobczycach zasila równieŝ miasta: Myślenice, Dobczyce, Świątniki, częściowo Wieliczkę oraz wsie leŝące w sąsiedztwie linii przesyłowych. Drugim, co do wielkości produkcji zakładem jest ZUW Rudawa, dostarczył w 2006 roku 18% wody i zasilany jest wodą z rzeki Rudawy poprzez zbiornik retencyjny Podkamyk. Trzecim zakładem, zlokalizowanym w Nowej Hucie, jest ZUW Dłubnia, którego ujęcie brzegowe znajduje się w Raciborowicach. Zaopatruje 14% mieszkańców miasta. Najmniejszym, a zarazem najstarszym zakładem jest ZUW Bielany, który w roku 2001 obchodził 100 lecie działalności. Utrata źródła wody surowej, jakim była Wisła, spowodowała degradację ZUW Bielany z największego w latach 40-tych i 50-tych do najmniejszego, pod koniec lat osiemdziesiątych, zakładu. Obecna produkcja, oparta na rzece Sance, daje 10% ogólnego zapotrzebowania wody. Rysunek 4. Schemat zasilania obszarów miasta Krakowa z poszczególnych ujęć 10

11 Mariusz Olko, Analiza zmian jakości wody w sieci wodociągowej miasta Krakowa Rozdział wody z poszczególnych zakładów w mieście Krakowie jest przedstawiony na rysunku 4. Schemat blokowy procesów technologicznych w ZUW Bielany, Dłubnia, Rudawa i Dobczyce przedstawiono na rysunku 5. PORÓWNANIE PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH ZAKŁADÓW UZDATNIANIA WODY MPWiK S.A. w Krakowie IX 2002 OSADNIK WSTĘPNY OZONOWANIE OSADNIK POKOAGULACYJNY FILTRY PIASKOWE KOAGULACJA FILTRY WĘGLO WE SANKA POWOLNE DAWK OWAN IE PY LISTEGO WĘGLA AKTYWNE GO DEZ YNFEKCJA DŁUBNIA - PAX - POLIELEKTROLIT ClO 2 PAX ClO 2 RUDAWA - PAX - POLIELEKTROLIT ZB.DOBCZYCKI Rysunek 5. Schemat procesów technologicznych w poszczególnych zakładach uzdatniania wody 3.1. ZUW Bielany Najstarszy w Krakowie zakład uzdatniania wody został oddany do eksploatacji w roku 1901, z technologią opartą o naturalną infiltrację brzegową, zastąpioną w roku 1924 sztucznym zasilaniem wodą wiślaną złoŝa wodonośnego poprzez zbiorniki nawadniające. W latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku, z uwagi na wysoki poziom zanieczyszczeń w Wiśle, uruchomiono ujęcie dodatkowe na rzece Sance, rozcieńczając silnie zasoloną wodę wiślaną, a od roku 1988 ZUW Bielany, po wyłączeniu ujęcia wiślanego, bazuje wyłącznie na wodzie z ujęcia na rzece Sanka. W chwili obecnej woda surowa poprzez piaskowniki płynie grawitacyjnie do studni zbiorczej, skąd przepompowywana jest rurociągiem tłocznym do otwartego osadnika Jeziorko pojemności około 30 tyś. m 3 wody. Z tego osadnika woda grawitacyjnie spływa do 10 basenów infiltracyjnych, stanowiących podstawowy element oczyszczania wody. Baseny te wypełnione są piaskiem, gdzie warstwa ta współdziała z naturalnym złoŝem Ŝwirów, stwarzając sprzyjające warunki do powstania tak zwanej sztucznej wody gruntowej. Woda ta infiltruje z prędkością od 0,25-1,0 m/ dobę i po pokonaniu odległości od m, ujmowana jest przez około 100 studni zlokalizowanych po obu stronach brzegów basenów. Czerpanie wody ze studni odbywa się przy pomocy lewarów, skąd dzięki pompom próŝniowym trafia ona na teren pompowni zakładu. Dezynfekcję wody prowadzi się przy pomocy chloru gazowego, podawanego w postaci wody chlorowej do rurociągów wody infiltracyjnej. Woda ta trafia następnie do studni zbiorczych, gdzie po 11

12 Mariusz Olko, Analiza zmian jakości wody w sieci wodociągowej miasta Krakowa czasie zatrzymania około 1,0-1,5 godziny, jest pompowana do sieci miejskiej. Zgodnie z planami inwestycyjnymi przedsiębiorstwa, ZUW Bielany w przyszłości będzie pełnił rolę zakładu rezerwowego, zapewniającego krótkotrwałe intensywne zaopatrzenie miasta w wodę w przypadku awaryjnego wyłączenia któregokolwiek z pozostałych zakładów uzdatniania wody. Pociągnie to za sobą konieczność gruntownej modernizacji technologii uzdatniania, łącznie z poborem silnie zasolonej wody wiślanej ZUW Dłubnia Woda surowa z rzeki Dłubni pobierana jest na jazie w Raciborowicach, skąd po przejściu przez sito hydrodynamiczne oraz kryty osadnik wstępny, grawitacyjnie rurociągiem o średnicy 800 mm płynie do studni zbiorczej przepompowni w Zesławicach. Pompownia tłoczy wodę na teren zakładu dwoma rurociągami o średnicach 600 i 800 mm długości 1800 metrów. Podstawowe procesy uzdatniania to: szeroko pojęta koagulacja, adsorpcja na węglu pylistym aktywnym, filtracja i dezynfekcja dwutlenkiem chloru. Woda surowa na terenie zakładu dostaje się na 3 mieszacze szybkie, gdzie dodawany jest koagulant oraz w razie potrzeby węgiel pylisty. Po mieszaczach szybkich, woda trafia na 5 mieszaczy powolnych dwukomorowych, do których dodawany jest jeszcze polielektrolit. Woda następnie przepływa przez 5 komór osadników poziomych, gdzie zatrzymane zostaje większość wytrąconych w czasie koagulacji osadów. Po osadnikach woda płynie na 10 filtrów pospiesznych piaskowych, a po filtracji poddawana jest dezynfekcji dwutlenkiem chloru. Uzdatniona woda gromadzona jest w 4 zbiornikach o łącznej pojemności 4000m 3 wody, część wody przepompowywana jest do 8 zbiorników górnych. Produkcja dobowa ZUW Dłubnia wynosi obecnie około 27000m ZUW Rudawa Zakład Uzdatniania Wody Rudawa został oddany do eksploatacji w 1955 roku (ZUW Rudawa MPWiK SA-opracowanie wewnętrzne, Kraków 2001). Był jednym z trzech pierwszych zakładów uzdatniania wody w Polsce opartym na nieznanej wówczas technologii z koagulacją i filtracją pośpieszną. Zakład zaprojektowano na 55 tys. m 3 /dobę. W 1964 r. rozbudowano go do 70 tys. m 3 / d. W latach , gdy na ZUW Rudawa spoczywał cięŝar zaopatrzenia miasta w wodę, płynęło stąd do sieci miejskiej do100 tys. m 3 /d. Obecnie jego zdolność produkcyjna to: m 3 /d, natomiast produkcja oscyluje w granicach 40 tys. m 3 /d. ZUW Rudawa zaopatruje w wodę północno-zachodnią część miasta. Od 1955 roku ujmuje i uzdatnia wodę z rzeki Rudawy. Głównym ujęciem wody dla zakładu jest jaz w Szczyglicach, skąd spiętrzona woda w ilości ok l m 3 /sek, wpływa do dwóch stawów osadowych o wymiarach 120x25m kaŝdy. W stawach osadowych okresowo prowadzona jest koagulacja w czasie duŝych mętności rzeki. Ze stawów osadowych woda wpływa do dwóch zbiorników retencyjnych. Powierzchnia ich wynosi 36,7 ha, a średnia głębokość 2,8 m. Całkowita objętość zbiorników retencyjnych wynosi m 3. Ten zapas moŝe zaopatrywać w wodę ZUW przez ok.7 dni. Istnieje teŝ moŝliwość dostarczania wody z rzeki do zakładu z pominięciem zbiorników retencyjnych, gdy woda z nich nie będzie nadawała się do uzdatniania /zakwity glonów, wzrost chlorofilu/. Ze zbiorników retencyjnych woda odpływa do dwóch kanałów betonowych o średnicy Ø 1200 i długości 2,5 km do ZUW. Na terenie Zakładu Uzdatniania woda ujmowana jest w 2 niezaleŝne studnie zbiorczej wody surowej. Woda, pompowana przez agregaty pompowni wody surowej, wpływa do czterech komór mieszaczy szybkich, gdzie przepływa z dołu do góry i jest jednocześnie intensywnie mieszana przez mieszadła szybkoobrotowe. Czas przepływu wody przez komorę mieszacza o pojemności 11 m 3 wynosi około 1 min. Od 1997 roku stosuje się koagulant polichlorek glinu -PAX 16. Dozowany jest 12

13 Mariusz Olko, Analiza zmian jakości wody w sieci wodociągowej miasta Krakowa do wody surowej tuŝ przed dopływem do komór mieszaczy szybkich przez dwa zespoły pomp membranowych w zaleŝności od zadysponowanej dawki. Z kaŝdego mieszacza szybkiego woda przepływa do dwóch poziomych komór powolnej reakcji o wymiarach 9x4,8x3m kaŝdy o łącznej pojemności 1040 m 3, przez które przepływa przez okres 30 minut. W kaŝdej z komór powolnego mieszania zamontowane są dwa mieszacze hydrauliczne sterowane falownikiem. Z 8 komór powolnego mieszania skoagulowana woda przepływa przez ścianę perforowaną do 8 komór osadnika o długości 83 m, w których następuje proces sedymentacji skoagulowanej zawiesiny. Czas zatrzymania wody w osadnikach wynosi 5 godzin 30 minut. Pozbawiona w znacznym stopniu zawiesiny woda z komór osadnika wpływa na dwanaście filtrów pośpiesznych, piaskowych. KaŜda z komór filtracyjnych ma powierzchnię 30 m 2, a złoŝe miąŝszości 1,1 m. ZłoŜe to tworzy warstwa podtrzymująca Ŝwir o granulacji 5-40 mm i piasku kwarcowego o granulacji; 0,5-0,8 mm. Średnia szybkość filtracji 5-5,2 m 3 /h/m 2 zaś średnia wydajność filtra to: l50-250m 3 /h. Przefiltrowana przez filtry piaskowe woda przepompowywana jest poprzez pompownię pośrednią na 6 filtrów węglowych. Komory filtrów węglowych posiadają identyczne wymiary co filtry piaskowe i zasypane są węglem aktywnym F 300 o miąŝszości 160 cm. Czas kontaktu wody z węglem aktywnym wynosi ok.10 min. Przez filtry węglowe przepływa cała woda przefiltrowana przez filtry piaskowe. Płukanie filtrów piaskowych dokonywane jest raz na dobę, a filtrów węglowych raz na 3 doby przy pomocy powietrza i wody. Wody popłuczne odprowadzane są do odmulnika. Przefiltrowana woda przed wpłynięciem do zbiorników kontaktowych wody pitnej jest dezynfekowana dwutlenkiem chloru wytwarzanego na miejscu w generatorach, na bazie chlorynu sodowego 25 %, kwasu solnego 32% i wody. Dawki dwutlenku chloru ustalane są na podstawie badań laboratoryjnych i wskazań ciągłego układu pomiarowego przepływającej z filtrów wody. W dwóch zbiornikach kontaktowych o poj m 3 kaŝdy następuje mieszanie wody przefiltrowanej z dwutlenkiem chloru a czas zatrzymania wynosi ok. l h. Uzdatniona woda przepływa do dwóch studni zbiorczych wody pitnej, skąd zasysana jest przez cztery agregaty pompowe o wydajności: 1200 m 3 /h i 720 m 3 /h. Pompy o mniejszej wydajności sterowane są za pomocą przemienników częstotliwości, współpracujących z miernikiem ciśnienia, co pozwala na utrzymywanie stałego ciśnienia w rurociągach tłocznych. Woda pitna tłoczona jest do dwóch rurociągów Ø 600 i Ø 800 ze stałym ciśnieniem 5 atm ZUW Raba Woda surowa pobierana jest ze Zbiornika Dobczyckiego na ujęciu wieŝowym (ZUW Raba MPWiK SA- opracowanie wewnętrzne, 2003), które posiada moŝliwość pobierania wody z trzech poziomów: 3m,10 m i 16m pod lustrem wody zbiornika. W zaleŝności od jakości wody na danym poziomie, która jest monitorowana w sposób ciągły, wybiera się odpowiedni poziom poboru. Za pomocą pomp diagonalnych woda pompowana jest dwoma rurociągami 1000 i 1400 mm do zakładu uzdatniania wody. Ujęcie pracuje w sposób ciągły z wydajnością min 0,61 m 3 /s, jeŝeli wzrasta zapotrzebowanie na wodę to wydajność zwiększana jest do 2,22 m 3 /s. Rurociągi przed uderzeniami hydraulicznymi zabezpieczone są baniami wodno-powietrznymi. Woda surowa wpływa do zbiornika kontaktowego, w którym następuje proces jej wstępnego utleniania ozonem. Zbiornik ten jest podzielony na 2 komory mogące pracować niezaleŝnie. KaŜda komora posiada przegrody, które wymuszają przepływ wody umoŝliwiający dokładne wymieszanie wody. Pojemność całego zbiornika wynosi prawie 9 tyś m 3. W dnie zbiornika zamontowane są dysze, przez które wprowadzana jest mieszanina powietrza z ozonem do wody w postaci bardzo drobnych pęcherzyków gazu. Ozon wytwarzany jest z powietrza atmosferycznego, które po spręŝeniu z zbiornikach kierowane jest na stacje oczyszczania i osuszania. Powietrze o temperaturze punktu rosy poniŝej -65 o C trafia do generatorów, gdzie pod wpływem cichych wyładowań elektrycznych 13

14 Mariusz Olko, Analiza zmian jakości wody w sieci wodociągowej miasta Krakowa pod napięciem V część tlenu zawarta w powietrzu jest przekształcana w postać alotropową tlenu - ozon. Dawka ozonu stosowana w ZUW Raba wynosi od 0,5-2 g/m 3. Resztki ozonu, niewykorzystane w procesie wstępnego utleniania, dmuchawy kierują do destruktorów, których zadaniem jest ich rozkład do tlenu. Po ozonowaniu woda wpływa do komory mieszania i rozdziału, gdzie dozowane są środki chemiczne. Najpierw dawkowany węgiel aktywny w postaci pulpy węglowej, następnie koagulant. W tym miejscu następuje rozdział wody na ciąg Raba I i Raba II. Woda w ciągu technologicznym Raba I przepływa przez pary mieszaczy I, II rzędu, komorę mieszania oraz parę mieszaczy III rzędu. Następnie woda rozdzielana jest na 12 komór wirowych, łączy w kanale odpływowym i wlewa do osadników poziomych, w których powstałe w czasie procesu koagulacji kłaczki osadu sedymentują. Łączna pojemność dwunastu osadników wynosi 8 tyś m 3. Z osadników woda wpływa do wspólnego koryta i trafia na 12 filtrów piaskowych pospiesznych. Przefiltrowana woda dezynfekowana jest chlorem gazowym w zbiornikach wody pitnej o pojemności 3000 m 3 kaŝdy. Woda w ciągu technologicznym Raba II dopływa na 4 akceleratory, gdzie następuje proces koagulacji zawartych w wodzie zanieczyszczeń. Przy przepływie 1,11 m 3 /s czas zatrzymana wody w akceleratorach wynosi około 5,5h. Osad powstały w procesie koagulacji gromadzi się w lejach akceleratorów, skąd jest spuszczany, a następnie pompowany do zagęszczaczy osadów. Oczyszczona woda przepływa grawitacyjnie na 16 filtrów piaskowych pośpiesznych. Po procesie filtracji, do wody jest dodawany chlor gazowy przed dwoma zbiornikami wody czystej Raba II o pojemności 8,5 tyś m 3 kaŝdy. Następnie uzdatniona woda tłoczona jest do zbiorników w Gorzkowie dwoma rurociągami tranzytowymi o średnicy 1000 i 1400 mm. Zespół zbiorników w Gorzkowie składa się z trzech zbiorników o pojemności 7,5 tyś m 3 kaŝdy. Z tego miejsca woda grawitacyjnie przez komorę regulacyjną spływa do zbiorników magazynowych w Sierczy. Znajduje się tu siedem zbiorników cztery o pojemności 34 tyś m 3 i trzy o pojemności 7,5 tyś m 3. Woda zgromadzona w zbiornikach Siercza przez komorę regulacyjną płynie na Nastawnię Piaski Wielkie, gdzie następuje redukcja ciśnienia w wieŝy ulgi i rozdział do stref zasilania Krakowa przez zbiorniki Krzemionki, Kosocice oraz w kierunku Nowej Huty i zbiorników Kościuszko. Łączna pojemność zbiorników będących w dyspozycji ZUW Raba to 238,9 tyś m 3. 14

15 Mariusz Olko, Analiza zmian jakości wody w sieci wodociągowej miasta Krakowa 4. Jakość wody wprowadzana do sieci miejskiej w latach Jakość wody wprowadzoną do sieci miejskiej z 4 zakładów uzdatniania wody oceniałem w oparciu o tzw. współczynniki jakości wody uzdatnionej. Współczynnikiem jakości wody uzdatnionej podawanej do sieci miejskiej określa się jako procent analiz w których stwierdzono przekroczenia dopuszczalnych zawartości wskaźników fizykochemicznych i eriologicznych określonych w Rozporządzeniu Ministra Zdrowia z (Dz. U. Nr 203 poz. 1718) w sprawie wymagań dotyczących jakości wody przeznaczonej do spoŝycia przez ludzi w stosunku do całkowitej ilości analiz wykonanych na przestrzeni całego roku. Współczynniki jakości wody uzdatnionej w latach zestawiono odpowiednio w tabelach 4, 5, 6, 7 w oparciu o wyniki głównie Centralne Laboratorium MPWiK SA. Jak moŝna zauwaŝyć na podstawie wyników przedstawionych w poszczególnych tabelach jakość wody wprowadzana do sieci miejskiej w latach wykazuje wyraźną zmianę w stosunku do roku 2003.Wynika to ze zmiany sposobu określania przekroczeń, w roku 2003 liczone było kaŝde stwierdzone przekroczenie, w latach późniejszych za przekroczenie uznaje się wynik, który został potwierdzony drugim badaniem negatywnym. Po tej korekcie zgodność jej jakości w latach w stosunku do Rozporządzeniu Ministra Zdrowia w sprawie wymagań dotyczących jakości wody przeznaczonej do spoŝycia przez ludzi jest bardzo wysoka i oscyluje w granicach 99,5-99,7%. Tabela 4. Wskaźnik zgodności jakości wody uzdatnionej z normami produkowanej przez poszczególne Zakłady Uzdatniania Wody w roku 2003 Wskaźnik zgodności jakości wody uzdatnionej z normami produkowanej przez poszczególne Zakłady Uzdatniania Wody w roku 2003 Zakład uzdatniania: BIELANY DŁUBNIA RABA RUDAWA Razem/ Średnia Liczba wykonanych analiz Liczba analiz z przekroczeniami Procent analiz z przekroczeniami Wskaźnik zgodności jakości wody uzdatnionej ,72% 2,55% 6,63% 5,67% 3,519% 98,28 97,45 93,37 94,33 96,481 Tabela 5. Wskaźnik zgodności jakości wody uzdatnionej z normami produkowanej przez poszczególne Zakłady Uzdatniania Wody w roku 2004 Wskaźnik zgodności jakości wody uzdatnionej z normami produkowanej przez poszczególne Zakłady Uzdatniania Wody w roku 2004 Zakład uzdatniania: BIELANY DŁUBNIA RABA RUDAWA Razem/ Średnia Liczba wykonanych analiz Liczba analiz z przekroczeniami Procent analiz z przekroczeniami Wskaźnik zgodności jakości wody uzdatnionej ,06% 0,44% 0,27% 0,19% 0,243% 99,94 99,56 99,73 99,81 99,757 15

16 Mariusz Olko, Analiza zmian jakości wody w sieci wodociągowej miasta Krakowa Tabela 6. Wskaźnik zgodności jakości wody uzdatnionej z normami produkowanej przez poszczególne Zakłady Uzdatniania Wody w roku 2005 Wskaźnik zgodności jakości wody uzdatnionej z normami produkowanej przez poszczególne Zakłady Uzdatniania Wody w roku 2005 Zakład uzdatniania: BIELANY DŁUBNIA RABA RUDAWA Razem/ Średnia Liczba wykonanych analiz Liczba analiz z przekroczeniami Procent analiz z przekroczeniami Wskaźnik zgodności jakości wody uzdatnionej ,25 0,41 0,57 0,33 0,407 99,75 99,59 99,43 99,67 99,593 Tabela 7. Wskaźnik zgodności jakości wody uzdatnionej z normami produkowanej przez poszczególne Zakłady Uzdatniania Wody w roku 2006 Wskaźnik zgodności jakości wody uzdatnionej z normami produkowanej przez poszczególne Zakłady Uzdatniania Wody w roku 2006 Zakład uzdatniania: BIELANY DŁUBNIA RABA RUDAWA Razem/ Średnia Liczba wykonanych analiz Liczba analiz z przekroczeniami Procent analiz z przekroczeniami Wskaźnik zgodności jakości wody uzdatnionej ,54 0,3 0,25 0,25 0,335 99,46 99,70 99,75 99,75 99,665 16

17 Mariusz Olko, Analiza zmian jakości wody w sieci wodociągowej miasta Krakowa 5. Opis krakowskiej sieci wodociągowej Elementem systemu dystrybucji wody wiąŝącym procesy ujmowania i uzdatniania wody oraz jej odbiorców jest sieć wodociągowa. Stanowi ona złoŝony układ rurociągów tranzytowych, magistralnych i rozdzielczych (Zakład Sieci Wodociągowej MPWiK SAopracowanie wewnętrzne, 2007). Rysunek 6 przedstawia schemat sieci wodociągowej Krakowa. Rysunek 6. Schemat sieci wodociągowej Krakowa Za najistotniejsze parametry charakteryzujące przewody sieci wodociągowej naleŝy uznać: funkcję przewodu długość średnicę materiał wiek. Z pewnym przybliŝeniem strukturę funkcjonalną przewodów krakowskiej, miejskiej sieci wodociągowej na koniec 2006 r. przedstawia tabela 8. 17

18 Mariusz Olko, Analiza zmian jakości wody w sieci wodociągowej miasta Krakowa Tabela 8. Struktura funkcjonalna przewodów sieci wodociągowej Krakowa w 2006 (opracowano na podstawie materiałów MPWiK SA w Krakowie) FUNKCJA PRZEWODU DŁUGOŚĆ w TYPOWE ŚREDNICE [mm] [km] Przewody magistralne 173, Przewody rozdzielcze 1247, Przyłącza wodociągowe 487, Razem sieć wodociągowa 1421, Razem sieć + przyłącza 1909, Liczba przyłączy wodociągowych [szt] Procentowo udziały poszczególnych rodzajów przewodów w łącznej długości sieci i przyłączy przedstawiają się następująco: przewody magistralne 9,11% przewody rozdzielcze 65,34% przyłącza wodociągowe 25,55% RAZEM 100,0% Oceniając przyrost w długości przewodów sieci oraz w liczbie i długości przyłączy wodociągowych za rok 2006 przedstawia się on następująco: długość przewodów wybudowanych w 2006 roku: 21,34 21,34 km stanowi to 100 = 1,52% 1400,22 przyrostu długości sieci w stosunku do roku 2005, liczba przyłączy wodociągowych wybudowanych w 2006 roku: sztuk- stanowi to 100 = 0,58% przyrostu w liczbie przyłączy w stosunku do roku 2005, długości wybudowanych przyłączy wodociągowych w 2006roku: 3, ,53072 km stanowi to 100 = 0,73% 484,34 przyrostu w długości przyłączy w stosunku do roku Cechą charakterystyczną duŝego miasta jest fakt, Ŝe przewody rozdzielcze stanowią przewaŝnie odcinki uliczne. Przyjmując, Ŝe w Krakowie istnieje około 2600 ulic otrzymamy średnią długość odcinka ulicznego: m l odc.ul.= = 480 m/ulicę 2600 Długość przeciętnego odcinka ulicznego wydłuŝa się systematycznie z roku na rok przede wszystkim ze względu na zwiększający się udział peryferyjnych stref zaopatrzenia w wodę. Odcinki uliczne sieci rozdzielczej, związane są nierozerwalnie z przyłączami wodociągowymi do poszczególnych nieruchomości. 18

19 Mariusz Olko, Analiza zmian jakości wody w sieci wodociągowej miasta Krakowa Biorąc pod uwagę, Ŝe tych przyłączy na koniec 2006 roku jest sztuk, a ich łączna długość wynosi 487,87 km otrzymamy średnią długość jednego przyłącza w mieście: m l. przył.wod.= =11,57m 42175szt jest to wartość relatywnie niewysoka i jest korzystne dla MPWiK SA aby przyłącza były jak najkrótsze ze względów eksploatacyjnych. Z danych w tabeli 8 uzyskujemy jeszcze jeden waŝny wskaźnik charakteryzujący strukturę sieci, a mianowicie gęstość przyłączy przypadających na 1 km przewodu rozdzielczego, w naszym przypadku jest to: 42175szt ९ przył = = 33,8 przył/km 1247,66km Jest to wskaźnik zbieŝny z wartościami podawanymi dla duŝych miast w kraju i na zachodzie. PrzybliŜona struktura materiałowa sieci wodociągowej i przyłączy na terenie miasta przedstawiona jest w kolejnej tabeli 9. Tabela 9. PrzybliŜona struktura materiałowa sieci wodociągowej Krakowa w 2006 (opracowano na podstawie materiałów MPWiK) Materiał śeliwo szare i sferoidalne DŁUGOSĆ PRZEWODÓW SIECI I PRZYŁACZY [km] Przewody magistralne Przewody rozdzielcze Przyłącza wodociągowe 52,4 403,36 43,8 STAL 116,3 203,05 262,8 PCW 3,8 418,19 4,4 PE 1,4 157,78 176,87 AC - 65,3 - RAZEM 173,9 1247,66 487,87 Na podstawie powyŝszej tabeli naleŝy stwierdzić, Ŝe w przewodach rozdzielczych rurociągi stalowe stanowią ok. 16,2% całkowitej długości tej sieci oraz ok. 5% to przewody wykonane z azbesto-cementu. Jeszcze bardziej niekorzystne proporcje dotyczą przyłączy wodociągowych gdzie 53,9 % sieci wykonanych jest ze stali. Jest to bardzo niekorzystna struktura materiałowa, z uwagi na fakt, Ŝe największe zmiany jakościowe wody powstają w rurociągach stalowych układanych w latach 60- tych, 70-tych i 80-tych. Przewody stalowe zakładane w tych latach nie były izolowane od wewnątrz, stąd teŝ stagnująca woda w tych przewodach powoduje wyraźne zmiany mętności, barwy, zawartości związków Ŝelaza oraz eriologii. W latach 90-tych zaczęto stosować Ŝeliwo sferoidalne oraz PE do budowy przyłączy, i od tej pory następuje wyraźna zmiana struktury materiałowej, z których wykonane są przyłącza domowe. W pracy przedstawiono zmiany jakości wody na osiedlu Branice gdzie zarówno przewody sieci rozdzielczej jak i przyłącza wodociągowe wykonane były ze stali i zostały wymienione na rurociągi z Ŝeliwa sferoidalnego w latach Ta struktura materiałowa odgrywa równieŝ waŝną rolę do prognozowania trwałości przewodów sieci i planowania napraw i remontów. 19

20 Mariusz Olko, Analiza zmian jakości wody w sieci wodociągowej miasta Krakowa Tak samo istotna jak struktura materiałowa, jest struktura wiekowa przewodów sieci, która przedstawia się następująco: - długość przewodów układanych w latach: przed 1949 rokiem 9% % % % Z tych propozycji z równie orientacyjnym przybliŝeniem moŝemy określić długość przewodów wyróŝniających się określonym przedziałem wiekowym: powyŝej 57 lat 9% - 171,85 km (średnio ok.81 lat) lat 35% - 668,30 km (średnio 43,5 lat) lat 30% - 572,83 km (średnio 22,5 lat) 14 1 lat 26% - 496,45 km (średnio 6 lat) RAZEM 100% ,43 km Czyniąc takie załoŝenie, Ŝe w tej strukturze wiekowej proporcjonalny udział mają róŝne rodzaje przewodów i róŝne rodzaje materiałów, naleŝałoby poddać w pierwszej kolejności wymianie: 9% stalowych przyłączy wodociągowych z długości 262,8 km to stanowi 23,6 km i biorąc pod uwagę średnią długość przyłącza 11,57 m daje to liczbę: 2040 przyłączy. 35% stalowych przewodów sieci rozdzielczej z długości 203,05 km to stanowi 71,07 km i biorąc pod uwagę średnią długość odcinka ulicznego daje to liczbę 148 odcinków ulicznych. Z zestawienia orientacyjnego wieku przewodów wyliczyć moŝna średnio waŝony wiek przewodów i przyłączy dla całej miejskiej sieci w Krakowie i uzyskuje się wartość: 31 lat. Posługując się publikowanymi doświadczeniami światowymi na temat okresów trwałości technicznej rur z róŝnych materiałów (Dohnalik, Jędrzejewski 2004) i weryfikując te dane własnymi obserwacjami statystycznymi, moŝna z pewnym przybliŝeniem załoŝyć graniczny okres eksploatacji przewodów z róŝnych materiałów przykładowo: śeliwo 90 LAT STAL 60 LAT PCW 50 LAT PE 50 LAT AC 60 LAT 20