Wpływ odległości od zakładu uzdatniania wody na zawartość produktów ubocznych chlorowania w krakowskiej sieci wodociągowej Bielany

Transkrypt

1 Małgorzata Kot, Agnieszka Włodyka-Bergier 2, Tomasz Bergier, Stanisław Gruszczyński AGH Akademia Górniczo-Hutnicza 4 Wpływ odległości od zakładu uzdatniania wody na zawartość produktów ubocznych chlorowania w krakowskiej sieci wodociągowej Bielany Wstęp Zaopatrzenie miasta w wodę jest niezbędne dla funkcjonowania instytucji i podmiotów gospodarczych ale przede wszystkim dla życia ludności miejskiej []. Miasto jako otoczenie życia człowieka powinno zapewnić mieszkańcom bezpieczeństwo, wygodę, odpowiednią jakość życia oraz dostępność lepszych, bardziej dostosowanych do potrzeb mieszkańców usług []. Dlatego też dostarczana do odbiorców przez miejskie przedsiębiorstwa wodociągowe woda powinna być jak najlepszej jakości. Jakość wody przeznaczonej do spożycia jest normowana prawnie pod względem chemicznym i mikrobiologicznym [7]. W procesie uzdatniania najważniejsze jest uzyskanie czystości mikrobiologicznej wody. Higienicznie czysta woda, bez chorobotwórczych zarazków oraz substancji zagrażających zdrowiu ludzi uzyskiwana jest w procesie dezynfekcji [0]. Środki utleniające stosowane w tym procesie przyczyniają się do powstawania ubocznych produktów utleniania, które są niepożądane w wodzie przeznaczonej do spożycia ze względu na szkodliwy wpływ na zdrowie człowieka. Najwięcej tych związków powstaje w skutek chlorowania [2]. Ze względu na skuteczność, łatwą wykrywalność oraz niską cenę chlor w jest najpowszechniej stosowanym środkiem dezynfekcyjnym []. Obecne technologie uzdatniania mogą znacząco obniżyć zapotrzebowanie na chlor do dezynfekcji wody poprzez eliminację we wcześniejszych stadiach uzdatniania znacznej części materii organicznej [5]. Wskutek tego jest możliwe dalsze wykorzystywanie chloru do dezynfekcji końcowej wody, a powstające produkty uboczne nie przekraczają dozwolonych stężeń. Dobór metod uzdatniania jest jednak uzależniony od rodzaju i postaci, w jakiej występują wody powierzchniowe [2]. Jak pisze Nawrocki [8] obecność organicznych i nieorganicznych substratów łatwo ulegających biodegradacji może powodować wtórny rozwój mikroorganizmów w wodzie. Usuwanie tych substancji jest szczególnie ważne w przypadku rozległych sieci dystrybucyjnych, w których występuje duże zapotrzebowanie wody na środki dezynfekcyjne. Oprócz mineralnych składników w wodach podziemnych i powierzchniowych występuje materia organiczna, która może być prekursorem tworzenia się ubocznych produktów utleniania wody [5]. Związki będące prekursorami reakcji tworzenia się produktów ubocznych chlorowania wody można podzielić na szybko reagujące z chlorem w krótkim czasie stężenie trihalometanów (THM-ów) osiąga maksymalną wartość, oraz wolno reagujące zawartość trihalometanów zwiększa się w czasie kilkudziesięciu godzin trwania reakcji [4]. W zależności od warunków prowadzenia procesu dezynfekcji dynamika powstawania THM-ów może być różna. Do czynników warunkujących powstawanie ubocznych produktów chlorowania należą: jakość ujmowanej wody, dawka chloru, warunki panujące w sieci (temperatura, odczyn) oraz jej długość. [6]. Wiele produktów ubocznych dezynfekcji wody ulega hydrolizie lub dalszemu utlenianiu [7]. Niektóre z nich jak na przykład dichloroacetonitryl ulegają powolnemu rozkładowi, a maksimum stężenia osiągają w czasie kilku dni. Inne rozkładają się do stężeń o wartości poniżej Mgr inż., M. Kot, doktorant, AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska, Katedra Kształtowania i Ochrony Środowiska 2 Dr inż., A. Włodyka-Bergier, adiunkt, AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska, Katedra Kształtowania i Ochrony Środowiska Dr inż., T. Bergier, adiunkt, AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska, Katedra Kształtowania i Ochrony Środowiska 4 Prof. dr hab. inż. S. Gruszczyński, prof. zw., AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska, Katedra Kształtowania i Ochrony Środowiska. Logistyka 4/

2 poziomu oznaczalności w przeciągu kilku godzin a nawet minut (np.,-dichloropropanon) []. Jak zauważyła Nikolaou [9], poziom halogenoketonów obniża się wraz ze wzrastającym czasem kontaktu, a następnie ulegają one degradacji w całym systemie dystrybucji. Im czas kontaktu jest dłuższy, tym powstają większe ilości THM-ów, kwasów halogenooctowych i halogenoacetonitryli [8], []. Kowal i Świderska-Bróż [4] opisują różny wpływ tego czynnika dla różnych związków. Na przykład dla chloroformu i dichlorobromometanu największy przyrost ilości stwierdzono podczas dwóch pierwszych godzin kontaktu. US EPA [4] podaje, iż duże stężenia THM-ów zazwyczaj występują w systemie dystrybucji wody w miejscach o zbyt dużej średnicy wodociągu, gdzie czas przebywania wody jest najdłuższy, w końcówkach sieci wodociągowej. Metodyka badań Wodę do badania pobierano z sieci Bielany z pięciu różnych punktów zlokalizowanych na terenie Krakowa od lutego 20 roku do marca 202 roku raz w miesiącu. Punkty te leżą w różnych odległościach od Zakładu Uzdatniania Wody (ZUW) Bielany co zostało przedstawione na rysunku. W laboratorium badano w pobranej wodzie zawartość następujących ubocznych produktów chlorowania wody: trihalometany (trichlorometan (TCM), bromodichlorometan (BDCM), dibromochlorometan (DBCM), tribromometan (TBM)), acetonitryle (bromochloroacetonitryl (BCAN), dibromoacetonitryl (DBAN), dichloroacetonitryl (DCAN), trichloroacetonitryl (TCAN)), halogenoketony (,-dichloro-2-propanon (,-DCP),,,-trichloro-2-propanon (,,-TCP)), chloropikryna (CP) oraz wodzian chloralu (CH). Rys.. Lokalizacja punktów pomiarowych na terenie Krakowa i okolic (na podstawie 0) Odległości poszczególnych punktów od ZUW oraz czasy przebywania wody w sieci wodociągowej zostały przedstawione w tabeli. Średnice oraz długości rurociągu zostały odczytane z mapy sieci wodociągowej miasta Krakowa, prędkości wody przepływającej w danym rurociągu przyjęto wg Gabryszewskiego [2]. 450 Logistyka 4/204

3 B Punkt Tabela. Czas transportu wody z ZUW Bielany do poszczególnych punktów poboru Średnica rurociągu [mm] Prędkość wody [m/s] Długość rurociągu [m] 50 0, , , Czas kontaktu [min] } 08 B2 50 0, B 50 0, B4 50 0, B , Zimna woda pobierana była bezpośrednio z punktów czerpalnych w budynkach użyteczności publicznej do butelki z ciemnego szkła, obojętnej chemicznie i biologicznie, o pojemności 0,5 dm. Całkowicie wypełnione wodą naczynie, pozbawione pęcherzyków powietrza natychmiast szczelnie zamykano za pomocą nakrętki z silikonową uszczelką pokrytą PTFE. W środku znajdował się wcześniej odważony dechlorator (kwas askorbinowy), który miał na celu usunąć pozostały chlor, aby zapobiec dalszym reakcjom. Przed pobraniem woda wypływała swobodnie aż do momentu ustabilizowania temperatury. W wyniku procesów zachodzących w próbce stężenia badanych substancji mogą ulegać zmianom w czasie od pobrania próbki a wykonaniem oznaczenia, dlatego analizy prowadzone były w laboratorium w dniu poboru. Wyniki i dyskusja Tabela 2. Jakość wody w systemie dystrybucji wody oraz w Zakładzie Uzdatniania Wody Bielany Stężenie Parametr Jednostka średnie min. max. system dystrybucji wody Bielany ƩTHM µg/dm 7,64,54 6,7 ƩHAN µg/dm 2,40 ƩHK µg/dm,8 CH µg/dm 2,08 CP µg/dm 0,0 ppo,05 ppo 9,2 ppo 8,55 ppo 0,54 ph - 7,56 7,40 7,79 T C,0 0,5 24,0 ZUW Bielany RWO mg/dm,2,5 6,0 UV254 - cm 0,245 0,80 0,65 SUVA254 dm - 8,27 4,94 5,24 - Br mg/dm 0,6 0,4 0,8 Cl2 mg/dm,8,6 2, RAO mg/dm 0,8 0,02 0,5 NO -N mg/dm,00 2,29,66 NO 2 -N mg/dm ppo ppo 0,005 NH 4 -N mg/dm 0,0 ppo 0,0 ppo poniżej poziomu oznaczalności Wyniki badań z całego okresu badawczego przedstawione zostały w Tabeli 2. Zawiera ona dane opisujące jakość wody w ZUW Bielany oraz zawartość produktów ubocznych w systemie dystrybucji wody, Logistyka 4/

4 który zaopatrywany jest przez powyższy zakład uzdatniania wody. W wodzie przed chlorowaniem zawartość wszystkich analizowanych produktów ubocznych była poniżej poziomu oznaczalności, który wynosi 0,0 µg/dm. Punkty poboru wody do badań znajdujące się w różnych odległościach od ZUW Bielany uporządkowano wraz z rosnącą odległością: B5, B2, B, B4, B. Z przeprowadzonych obliczeń wynika, że czas transportu wody w wodociągu do najdalej wysuniętego punktu nie przekroczył 2 godzin. Nieznany jest natomiast czas przebywania wody w punkcie czerpalnym, dlatego każdorazowo przed pobraniem próbki, puszczana była woda aby uniknąć poboru stagnującej wody. Trihalometany Wraz ze zwiększającą się odległością od ZUW Bielany rosną stężenia zarówno sumy trihalometanów ( THM-ów) jak i poszczególnych związków (TCM, BDCM, DBCM, TBM), co można zaobserwować na wykresie przedstawionym na rys.2. Wyjątkiem jest punkt B4 (odległy od ZUW o 2,64 km), w którym wszystkie związki wykazują spadek względem pierwszego słupka - punktu najmniej oddalonego od zakładu uzdatniania wody. Pomiędzy pierwszym (0,47 km) a drugim słupkiem (,88 km) nie widać zależności od czasu związki mają podobne stężenia. Dopiero po godzinie można zauważyć wzrost stężeń tych związków. Różnica sumy trihalometanów pomiędzy punktem poboru położonym najdalej (B) i najbliżej (B5) od ZUW Bielany wynosi 5,7 µg/dm. Poszczególne związki należące do tej grupy również wykazują przyrost w najdalszym punkcie względem punktu pierwszego. Związki te wykazują pozytywną korelację z czasem. Najbardziej widoczne powinno to być na przykładzie TCM oraz BDCM, gdyż wykazują największy przyrost stężenia w ciągu dwóch pierwszych godzin [4]. Rys. 2. Zależność stężeń trihalometanów od odległości od ZUW Bielany punktów poboru wody Halogenoacetonitryle Na rys. przedstawiono wykres zależności stężeń halogenoacetonitryli od czasu kontaktu wody z chlorem. Najwięcej halogeanoacetonitryli powstało w punkcie B2 (,88 km), najmniej w punkcie B4 (2,64 km). Żaden badany związek należący do tej grupy nie wykazał wyraźnej tendencji spadkowej lub wzrostowej. Stężenie TCAN początkowo wzrastało, następnie z upływem czasu malało. Wynika to z nietrwałości tych związków, ponieważ ulegają one stopniowej hydrolizie do kwasów halogenooctowych [8]. Zawartość DCAN w analizowanej wodzie zmniejszało się pod wpływem czasu (wyjątek punkt B4) z wartości,07 µg/dm po siedmiu minutach do 0,7 µg/dm po niecałych dwóch godzinach czasu transportu wody w sieci. Różnica zawartości sumy halogenoacetonitryli miedzy końcowym punktem a początkowym punktem poboru próbki wynosi około 0,5 µg/dm. Nie wszystkie związki w tej grupie wykazują przyrost stężenia z wzrastającą odległością stężenie DCAN zmniejszyło się o około 0,8 µg/dm Logistyka 4/204

5 Halogenoketony Oznaczone halogenoketony zwiększają swoje stężenie wraz z wydłużającym się czasem kontaktu, co jest widoczne na wykresie (rys.4). W punkcie B2 (,88 km) odnotowano gwałtowny wzrost stężenia, a następnie spadek o około 0,5 µg/dm. Różnica zawartości sumy halogenoketonów miedzy końcowym punktem a początkowym punktem poboru próbki wynosi około,2 µg/dm. Rys Zależność stężeń halogenoacetonitryli od czasu kontaktu wody z chlorem Rys 4 Zależność stężeń halogenoketonów od czasu kontaktu wody z chlorem Wodzian chloralu i chloropikryna Średnie stężenie wodzianu chloralu w zależności od odległości od ZUW Bielany przedstawia rysunek 5. Stężenie CH, pomimo zwiększania się odległości, przez większość czasu utrzymywała się na podobnym poziomie. W punkcie B4 można zaobserwować wzrost stężenia o niecałe 0,4 µg/dm, natomiast w ostatnim punkcie (B) stężenie spada poniżej 2 µg/dm. Zależność zawartości chloropikryny od odległości przedstawiono na rysunku 6. Największą zawartość chloropikryny oznaczono w punkcie B2, najmniejszą w punkcie B4. Jej zawartość w analizowanej wodzie po wzroście (,88 km) stopniowo malała, a w ostatnim punkcie ponownie wzrosła. Można stwierdzić, iż chloropikryna nie wykazuje liniowości względem odległości. Miedzy końcowym punktem a początkowym punktem poboru wody różnica stężeń jest niewielka i wynosi około 0,0 µg/dm. Logistyka 4/

6 Rys 5 Zależność stężeń wodzianu chloralu od czasu kontaktu wody z chlorem Rys 6 Zależność stężeń chloropikryny od czasu kontaktu wody z chlorem Wnioski W niniejszym artykule wykazano wpływ czasu kontaktu na tworzenie się niektórych halogenowych związków organicznych. Na podstawie przeprowadzonych badań i wykonanych analiz można stwierdzić, że stężenie ubocznych produktów chlorowania wody jest tym większe im dłuższy jest czas kontaktu wody zawierającej ich prekursory z chlorem. Można się zatem spodziewać, iż w większych sieciach wodociągowych, gdzie odległości końcówek sieci od ZUW są duże mogą powstawać większe ilości produktów ubocznych chlorowania wody, aniżeli w sieciach mniejszych, w których czas kontaktu chloru z dostarczaną wodą nie jest zbyt długi. Dodatkowo w przypadku rozległych sieci dystrybucyjnych występuje duże zapotrzebowanie wody na środki dezynfekcyjne co również sprzyja tworzeniu się niepożądanych wtórnych zanieczyszczeń wody. Z tych względów w dużych miastach niekorzystne jest budowanie jednej rozleglej sieci zaopatrującej większą cześć miasta w wodę pitna, a kilka mniejszych. Ilość tworzących się produktów ubocznych w sieci zależy również od jakości wody przed chlorowaniem, a wiec unowocześnienie technologii uzdatniania wody ma zasadniczy wpływ na jakość wody, która będzie dostarczana do konsumenta. Zaopatrzenie miasta w wodę wymaga budowy i rozwijania infrastruktury wodociągowej. Mając na uwadze polepszenie jakości życia mieszkańców, poprzez dostarczenie im wody najwyższej jakości, miejskie przedsiębiorstwa wodociągowe powinny stale modernizować sieć wodociągową jak również unowocześniać zaplecze techniczne i badawcze Logistyka 4/204

7 Streszczenie W niniejszym artykule wykazano wpływ odległości od zakładu uzdatniania wody na powstawanie ubocznych produktów chlorowania wody. Przeprowadzone w tym celu zostały badania wody z końcówek sieci Bielany w Krakowie, pobieranej raz w miesiącu od lutego 20 roku do marca 202 roku z pięciu punktów czerpalnych w budynkach użyteczności publicznej. Łącznie pobrano i przeanalizowano 70 próbek wody. Następujące lotne uboczne produkty chlorowania zostały oznaczone: trihalometany, acetonitryle, halogenoketony, chloropikryna oraz wodzian chloralu. Na podstawie otrzymanych wyników uzyskano zależności czasu kontaktu z ilością powstających halogenowych związków organicznych. Słowa kluczowe: zakład uzdatniania wody, chlorowanie, zaopatrzenie miasta INFLUENCE OF DISTANCE FROM WATER TREATMENT PLANT ON THE CHLORINA- TION BY-PRODUCTS OCCURRENCE IN THE KRAKOW BIELANY WATER DISTRIBU- TION SYSTEM Abstract The effect of distance from water treatment plant on the chlorination by-products occurrence was shown in this article. Once a month from February 20 to March 202 water from Bielany water supply in Krakow was sampled from the ends of the pipe system in five sampling points in public buildings. Totally 70 water samples were taken and analyzed. The following volatile by-products of chlorination were determinated in the laboratory: trihalomethanes, acetonitriles, halogenoketones, chloropicrin and chloral hydrate. On the basis of analysis and the results obtained correlation of contact time and the amount of forming halogenated organic compounds. Keywords: water treatment plant, chlorination by-products Literatura [] American Water Works Association (AWWA): Water Quality and Treatment: A Handbook of Community Water Supplies, 999; [2] Gabryszewski T.: Wodociągi. Arkady, Warszawa, 98; [] Hofman O., Hoyer O., Schoenen D., Wricke B. Dezynfekcja [w:] Podstawy i technologie uzdatniania wody. Tom II, pod redakcją Gimbel R., Jekel M., Liessfeld R. Bydgoszcz, 2008; [4] Kowal A. L., Świderska-Bróż M.: Oczyszczanie wody. Podstawy teoretyczne i technologiczne, procesy i urządzenia. Wydanie szóste, Warszawa, 2009; [5] Kucukcongar S., Sevimli M.F. and Yel E.: DBP formation and speciation in a central anatolian dam water depending on ph, TOC level, fraction and chlorine dose. Konya,Turkey, 20; [6] MPWiK: Raport roczny Miejskie Przedsiębiorstwo Wodociągów i Kanalizacji S.A. w Krakowie, 2008; [7] Nawrocki J.: Nowe horyzonty i wyzwania w analityce i monitoringu środowiskowym, Gdańsk, 200; [8] Nawrocki J.: Uzdatnianie wody. Procesy fizyczne, chemiczne i biologiczne, Warszawa, 200; [9] Nikolaou A.D. i in.: Investigation of the behaviour of haloketones in water samples. Chemosphere 44 (200) , Mytilene, 200; [0] Roeske W.: Dezynfekcja wody pitnej, Bydgoszcz, 2007; Logistyka 4/

8 [] Szymczak M.: Logistyka miejska. Poznań, 2008; [2] Trusz-Zdybek A.: Praca doktorska. Prognozowanie potencjalnej mutagenności wody powierzchniowej, po jej oczyszczeniu i dezynfekcji chlorem, Wrocław, 2009; [] Tundys B.: Logistyka miejska. Koncepcje, systemy, rozwiązania. Warszawa, 2008; [4] U.S. EPA: Drinking Water Advice Note - Advice Note No 4. Version 2. U.S. Environmental Protection Agency, 202 [5] Westerhoff P.: Chemistry and Treatment of Disinfection Byproducts in Drinking Water. Southwest Hydrology November/December, 2006; [6] Włodyka-Bergier A., Bergier T., Kot M.: Zaopatrzenie w wodę, jakość i ochrona wód, (praca zbiorowa pod red. Z. Dymaczewskiego, J. Jeż-Walkowiak, M. Nowak), PZiTS, Poznań, 204; [7] Xie Y. F.: Disinfection byproducts in drinking water. Formation, Analysis, and Control. Lewis Piblishers, 2004; [8] Zbieć E., Dojlido J. R.: Oznaczanie halogenoacetonitryli w wodzie do picia. Ochrona Środowiska 4 (8), Wrocław, Logistyka 4/204