OCENA PRACY FILTRÓW WĘGLOWYCH EKSPLOATOWANYCH W ZAKŁADZIE PRODUKCJI WODY GOCZAŁKOWICE

Węgiel aktywny w ochronie środowiska i przemyśle (2006) IZABELA ZIMOCH Politechnika Śląska, Instytut Inżynierii Wody i Ścieków, ul. Konarskiego18, 44-100 Gliwice ANNA SZOSTAK Górnośląskie Przedsiębiorstwo Wodociągów SA, ul. Wojewódzka 18, 40-026 Katowice OCENA PRACY FILTRÓW WĘGLOWYCH EKSPLOATOWANYCH W ZAKŁADZIE PRODUKCJI WODY GOCZAŁKOWICE Przedstawiono aktualny (uruchomiony w styczniu 2004 r.) ciąg technologiczny uzdatniania wody ZPW Goczałkowice, obejmujący: wstępne ozonowanie, koagulację, filtrację na złożach piaskowych, pośrednie ozonowanie, sorpcję na filtrach węglowych oraz dezynfekcję. Oceniono pracę filtrów węglowych w dwuletnim okresie ich funkcjonowania, przedstawiono zmiany parametrów jakościowych węgla w czasie jego eksploatacji. Ponadto omówiono efekty nowych wdrożeń technologicznych w aspekcie jakość wyprodukowanej wody. SŁOWA KLUCZOWE: adsorpcja, sorpcja, biosorpcja, bioregeneracja, węgiel aktywny, uzdatnianie wody WSTĘP Działalność gospodarcza człowieka w ostatnich dziesiątkach lat doprowadziła do znacznej degradacji środowiska naturalnego, w tym również środowiska wodnego. Stało się to przyczyną destrukcji i wyniszczenia biocenoz wodnych, obniżenia ich zdolności samooczyszczania, nadmiernego wzrostu produktywności i eutrofizacji, a w rezultacie źródłem zagrożenia zdrowia ludzi. Obserwowany w ostatnich latach wzrost produktywności ekosystemów wód powierzchniowych, przejawiający się intensywnymi zakwitami, przybrał istotnie na sile. Zaledwie 1% zasobów wodnych świata nadaje się do picia po wcześniejszym ich uzdatnieniu. Aktualnie w ogólnej produkcji wody do picia w Polsce blisko 44% objętości uzdatnianej wody pochodzi z ujęć powierzchniowych, a 56% z podziemnych [1]. W odniesieniu do globalnej liczby stacji uzdatniania wody (SUW) w Polsce zaledwie 13% stanowią zakłady, dla których surowiec to wody z ujęć powierzchniowych. Według danych GUS, województwa śląskie, mazowieckie, małopolskie oraz dolnośląskie to rejony kraju, w których zasadniczym źródłem zaopatrzenia są zasoby powierzchniowe. Udział tych województw w całkowitej ilości pobieranej wody z ujęć powierzchniowych wynosi blisko 75% i jednocześnie zaopatrują one jedne z największych aglomeracji miejsko-przemysłowych

248 I. Zimoch, A. Szostak w kraju. Wody powierzchniowe stanowią surowiec, charakteryzujący się dużą zmiennością jakości w ciągu roku oraz źródła narażone na liczne zanieczyszczenia antropogeniczne. Degradacja jakościowa wód powierzchniowych to z jednej strony efekt wieloletniej nieracjonalnej działalności gospodarczej człowieka, a z drugiej strony to również skutek intensyfikacji rolnictwa, a zwłaszcza chemizacji agrotechniki czy też rekreacyjnego wykorzystywania wód powierzchniowych i wynikającego z tego niewłaściwego zagospodarowania całych dorzeczy. Wszystkie te przyczyny doprowadzają do zwiększonego dopływu substancji biogennych, przyspieszających proces eutrofizacji środowisk wodnych, szczególnie niekorzystny dla źródeł wody systemów zaopatrzenia. Ponadto ujęcia powierzchniowe stanowią źródła wody niestabilne, narażone na losowe, liczne oddziaływania sił przyrody, jak susze, powodzie [2]. Wysoki stopień zanieczyszczenia wód powierzchniowych ujmowanych na cele wodociągowe oraz ciągłe zaostrzanie kryteriów jakości wód przeznaczonych do spożycia [3] zmuszają do rozbudowy istniejących układów technologicznych uzdatniania. Naczelną zasadą, która powinna być przestrzegana w systemie oczyszczania wody jest usuwanie zanieczyszczeń, a nie ich niszczenie. Usuwanie prekursorów ubocznych produktów dezynfekcji, zmniejszenie wymaganych dawek dezynfekanta, zapewnienie stabilności biologicznej wody w systemie dystrybucji wymaga włączenia w wysoko efektywne procesy technologiczne sorpcji na węglu aktywnym. 1. UKŁAD TECHNOLOGICZNY ZPW GOCZAŁKOWICE PRZED I PO MODERNIZACJI Zakład Produkcji Wody (ZPW) Goczałkowice to jeden z 10 zakładów Górnośląskiego Przedsiębiorstwa Wodociągów SA Katowice (GPW). Rozpoczął on produkcję wody dla mieszkańców aglomeracji śląskiej w 1956 r. Początkowo Zakład Produkcji Wody, o wydajności 150 tys. m 3 /d, całą produkcję opierał na zasobach wodnych zbiornika Goczałkowice. Ówczesny ciąg technologiczny GoCza I obejmował koagulację klasyczną, filtrację na złożach piaskowych oraz dezynfekcję. Rosnący deficyt wody na Śląsku, wynikający z intensywnego rozwoju przemysłu w tym regionie w latach 1950-1980, wymusił radykalną rozbudowę zakładu. W latach 1973-1978 powstał nowy ciąg technologiczny GoCza II o wydajności 350 tys. m 3 /d, obejmujący koagulację w pulsatorach, filtrację na złożach piaskowych oraz dezynfekcję. Produkcja tego układu oparta jest zarówno na poborze wody ze zbiornika Goczałkowice, jak i ze zbiornika Czaniec na rzece Sole [4]. Intensywne zakwity glonów w zbiorniku goczałkowickim, szczególnie niebezpiecznych zakwitów sinicowych, na początku lat 90. ubiegłego stulecia, wymuszały stosowanie zwiększonych dawek koagulantu aż do poziomu 45 50 mg/dm 3 oraz chloru w procesie dezynfekcji do wartości 4,2 mg/dm 3. Pomimo podejmowania przez zakład wszelkich starań w celu produkcji jak najlepszej jakości wody, pochodzącej z okresowo kwitnących źródeł, pojawiały się liczne zastrzeżenia konsumentów wody dotyczące jej smaku i zapachu. Ponadto świadomość zagroże-

Ocena pracy filtrów węglowych eksploatowanych w Zakładzie Produkcji Wody Goczałkowice 249 nia, wynikającego z potencjalnej obecności w wodzie substancji toksycznych i kancerogennych, będących ubocznymi produktami metabolizmu szczególnie sinic oraz bakterii patogennych, jak i konieczność zapewnienia stabilności biologicznej wody uzdatnionej przed jej wtłoczeniem do bardzo rozległej i przewymiarowanej sieci dystrybucji, były głównymi przyczynami podjęcia przez GPW decyzji o konieczności kolejnej modernizacji układu technologicznego uzdatniania. Modernizację rozpoczęto pracami projektowymi w 1991 roku. W 1998 roku uruchomiono ozonowanie wstępne zarówno dla układów GoCza I, jak i GoCza II. Zakończenie wszystkich prac inwestycyjnych przypadło ostatecznie na wrzesień 2004 r., kiedy to włączono do eksploatacji filtry sorpcyjne z granulowanym węglem aktywnym. Obecna produkcja w ZPW Goczałkowice oparta jest na poborze wody ze zbiorników Goczałkowice i Czaniec. Rozwiązanie techniczne ujęcia oparte na alternatywnym zasilaniu z dwóch niezależnych źródeł stanowi układ produkcji wody charakteryzujący się dużą niezawodnością funkcjonowania oraz możliwością wyboru surowca o jak najlepszych parametrach jakości. Aktualne pozwolenia wodnoprawne dają możliwość poboru wody ze zbiornika w Goczałkowicach w ilości 1,8 5,7 oraz 3,9 m 3 /s ze zbiornika Czaniec. Aktualnie stacja bazuje w większym stopniu na surowcu pochodzącym z Czańca (60% produkcji dobowej), co warunkują nie tylko niższe koszty poboru wody (przesył grawitacyjny), ale przede wszystkimi lepszą jakość surowca. W dotychczasowej eksploatacji ujęć odnotowano przypadki oparcia produkcji ZPW jedynie na zasobach wodnych Goczałkowic. Zdarzenia powyższe wynikały z gwałtownego pogorszenia jakości wody w zbiorniku Czaniec wskutek intensywnych spływów powodziowych, charakterystycznych dla zlewni rzeki Soły. Układ technologiczny uzdatniania wody po modernizacji to nadal dwa niezależne ciągi produkcyjne GoCza I i GoCza II. Układy powyższe tworzą typowe procesy uzdatniania fizycznego i chemicznego, obejmujące: ozonowanie wstępne, koagulację oraz filtrację, po których woda kierowana jest na wspólne obiekty, gwarantujące wysoko efektywne jej uzdatnianie na drodze ozonowania pośredniego, sorpcji na węglu aktywnym i dezynfekcji. Z ujęcia brzegowego na zbiorniku w Goczałkowicach woda tłoczona jest rurociągiem 1200 mm poprzez studnię rozdzielczą do komór wstępnego ozonowania ciągu technologicznego GoCza I. W tym procesie dawka ozonu waha się w granicach 0,3 1,5 mgo 3 /dm 3, a rozwiązanie techniczne układu gwarantuje 11-minutowy czas kontaktu wody z ozonem. Ze względu na pojawianie się w wodzie surowej żelaza, manganu i planktonu zastosowano urządzenia turbinowe do wprowadzania ozonu do wody. Optymalną dyfuzję ozonu w wodzie zapewniają dwie turbiny rozpraszające o wydajności regulowanej, max 337 m 3 powietrza w ciągu godziny. Po wstępnym utlenieniu woda kierowana jest na ciąg klasycznej koagulacji objętościowej. Proces koagulacji realizowany jest za pomocą 17% siarczanu glinu (średnia dawka ok. 20 mg/dm 3 ) w trzech niezależnych zespołach koagulacyjnych, obejmujących: komory szybkiego mieszania, komory flokulacji oraz osadniki poziome. Z osadników sklarowana woda doprowadzana jest przez komorę rozdzielczą na fil-

250 I. Zimoch, A. Szostak try pośpieszne (24 komory) o powierzchni filtracji 46 m 2 każdy. Prędkość filtracji przy maksymalnej wydajności stacji wynosi 6,5 m/h. Po procesie filtracji woda dopływa do zbiorników w przepompowni międzyobiektowej. Woda do produkcji w układzie technologicznym GoCza II podawana jest rurociągiem tłocznym o średnicy 1600 mm z ujęcia brzegowego na zbiorniku goczałkowickim oraz z ujęcia lewarowego w Czańcu (rurociąg grawitacyjny 1800 mm) do komór wstępnego ozonowania. W obiekcie znajdują się 4 niezależne komory umieszczone w dwóch zbiornikach wyposażone w: turbiny rozpraszające o wydajności regulowanej, max 337 m 3 powietrza/h. Czas kontaktu wody surowej z ozonem (dawka 0,5 1,5 mgo 3 /dm 3 ) wynosi od 11 do 24 minut i kształtowany jest aktualną wielkością produkcji wody. Po procesie wstępnego ozonowania woda, tak jak w przypadku układu GoCza I, poddawana jest koagulacji. Proces ten odbywa się w 8 pulsatorach wody surowej. Reagenty, siarczan glinu o dawce 10 25 mg/dm 3 i okresowo w czasie niskiej temperatury wody roztwór polielektrolitu o dawce 0,05 0,1 mg/dm 3, wprowadzane są do rurociągów przed pulsatorami. Optymalne parametry eksploatacji pulsatorów, przy czasie zatrzymania wody w układzie około 2,5 godzin, stanowią: czas cyklu stagnacji 17 20 s, czas cyklu pracy 7 10 s, prędkość pionowego przepływu na poziomie 0,62 mm/s. Sklarowana woda grawitacyjnie spływa na układ piaskowych filtrów pośpiesznych (8 segmentów po pięć komór filtracyjnych w każdym). Powierzchnia złoża filtracyjnego o wysokości 1,8 m (0,4 m - warstwa podtrzymująca, 1,4 m - warstwa filtracyjna) wynosi 44,8 m 2. Dla nominalnej wydajności stacji i przy wszystkich pracujących komorach prędkość filtracji osiąga poziom 10 m/h. Następnie woda z filtrów kierowana jest do zbiorników w przepompowni międzyobiektowej. Ciąg technologiczny łączący oba układy, obejmujący ozonowanie pośrednie, sorpcję na węglu aktywnym oraz dezynfekcję, gwarantuje produkcję wody o wysokich parametrach jakościowych. Po procesie filtracji woda z dwóch układów GoCza I i GoCza II kierowana jest do zbiorników zlokalizowanych w przepompowni międzyobiektowej. Pompownia ta spełnia trzy główne zadania: tłoczenie wody po procesie filtracji pośpiesznej do komór ozonowania pośredniego, tłoczenie wody w układzie chłodzenia linii produkcji ozonu, tłoczenie wody podczas płukania filtrów węgla aktywnego. Średni czas kontaktu wody z ozonem w procesie ozonowania pośredniego wynosi 15 minut, a dawka ozonu zmienia się w zakresie 0,5 3,0 mgo 3 /dm 3. Dawki te w okresie zimowym były niższe niż w okresie letnim. Dla wprowadzenia ozonu do wody w procesie ozonowania pośredniego zastosowano ceramiczne talerze porowate. Woda z ozonem przepływa przez przelew zatopiony do zbiorników labiryntowych i po czasie zatrzymania ok. 15 minut poprzez komorę wylotową dwoma rurociągami 2000 mm kierowana jest do obiektu filtrów węglowych. W procesie sorpcji eksploatowanych jest 16 filtrów o powierzchni 104 m 2 (16 x 6,52 m) każdy i 2 m wysokości złoża granulowanego węgla aktywnego. Do wypełnienia komór filtracyjnych zastosowano krajowy węgiel aktywny WG-12 firmy GRYFSKAND

Ocena pracy filtrów węglowych eksploatowanych w Zakładzie Produkcji Wody Goczałkowice 251 sp. z o.o. (8 filtrów) oraz węgiel F-300 firmy Chemviron (5 filtrów) i Norit (3 filtry). Regulacja pracy filtrów odbywa się za pomocą podciśnieniowych regulatorów HB, umożliwiających precyzyjny rozdział obciążenia hydraulicznego pomiędzy równolegle pracujące komory filtracyjne. Wydajność tego regulatora jest sterowana zmiennym podciśnieniem w przestrzeni ponad przelewem, wyposażonym w ciągły pomiar wydajności. W efekcie daje to precyzyjniejszą dokładność regulacji w porównaniu z rozwiązaniami tradycyjnymi. Woda w procesie filtracji przez filtry węglowe przepływa ze średnią prędkością na poziomie 6 8 m/h, gwarantującą 14-minutowy kontakt jej ze złożem. Płukanie filtrów odbywa się automatycznie w zależności od temperatury wody: poniżej 11 o C - co 240 h, powyżej 11 o C - co 120 h. Bez względu na temperaturę wody przy stratach na złożu powyżej 199 mb filtr włącza automatyczne płukanie. Woda po filtrach węglowych dopływa grawitacyjnie do zbiorników wody czystej. Przed zbiornikami do wody uzdatnionej dodawana jest woda chlorowa, jako środek dezynfekcyjny, o dawce chloru na poziomie 0,4 1,4 mg/dm 3. Czas kontaktu wody z chlorem wynosi 30 minut. Po dezynfekcji w pełni uzdatniona woda grawitacyjnie dopływa do przepompowni Paprocany, skąd tłoczona jest do sieci magistralnej aglomeracji śląskiej i rybnickiej. 2. EFEKTY UZDATNIANIA WODY NA ZMODERNIZOWANYM CIĄGU TECHNOLOGICZNYM W celu zapewnienia właściwej eksploatacji filtrów węglowych opracowane zostały warunki, jakim powinna odpowiadać woda kierowana na filtry (tab. 1). Warunki te określono na podstawie doświadczeń uzyskanych w trakcie wieloletnich badań modelowych, prowadzonych na stacji. TABELA 1. Zalecane i rzeczywiste parametry jakości wody dopływającej na filtry węglowe Oznaczenie Wielkość zalecana Wielkość maksymalna występująca krótko Średnie stężenia I 2004 - XII 2005 Max stężenia w okresie eksploatacji Mętność, NTU 1 2 0,15 1 Barwa, mg Pt/dm 3 5 10 1,3 3 ph 6,5 8,0 8,5 6,9 7 Żelazo ogólne, mg/dm 3 0,1 0,3 0,04 0,17 Mangan, mg/dm 3 0,05 0,05 0,025 0,056 Glin, mg/dm 3 0,1 0,2 0,05 0,11 Chlor wolny, mg/dm 3, 0 0 0 0 Tlen rozp., % mas. min. 90 min. 70 97 80 Plankton, org./dm 3 100 200 40 126

252 I. Zimoch, A. Szostak Aby zapewnić te warunki, prowadzono w ZPW Goczałkowice stałą kontrolę laboratoryjną stopnia efektywności uzdatniania wody w układzie technologicznym. Analizy laboratoryjne prowadzono po każdym jednostkowym procesie uzdatniania, tj.: po sedymentacji, po filtracji na złożach piaskowych, jak również na wodzie dopływającej (po ozonowaniu pośrednim) oraz odpływającej ze złóż filtrów węglowych. Oprócz zalecanych parametrów (tab. 1) codziennymi badaniami objęto wskaźniki jakości wody, takie jak: temperatura wody, utlenialność, absorbancja UV 254 nm oraz stężenie ozonu resztkowego. Natomiast kontrolę tygodniową stanowią analizy: węgla organicznego (OWO), dwutlenku węgla, azotu amonowego, azotanów, azotynów, fosforanów oraz THM-ów. Badania w cyklu miesięcznym prowadzone na stacji to pełna, całkowita analiza jakości wody wraz z pomiarem stężenia metali ciężkich i ubocznych produktów dezynfekcji. Tak szeroko prowadzone badania laboratoryjne jakości wody dają wysoką gwarancję pełnej kontroli skuteczności uzdatniania wody oraz pozwalają na optymalizację parametrów technologicznych produkcji. Konsekwencją tych działań jest nie tylko obniżenie kosztów produkcji wody, ale i zmniejszenie ryzyka dostarczenia odbiorcy wody niespełniającej standardów jakościowych. Ze względu na wypełnienie komór różnymi rodzajami węgla od czerwca 2004 r. systematyczną kontrolą laboratoryjną objęto dopływy i odpływy z wszystkich 16 filtrów węglowych. Zakres powyższej kontroli stanowią badania prowadzone raz w miesiącu w funkcji czasu pracy komory od ostatniego płukania w odniesieniu do: ph wody, barwy, absorbancji UV, tlenu rozpuszczonego, wolnego dwutlenku węgla, OWO, ozonu resztkowego, ogólnej liczby bakterii w 37ºC po 24 h i 22ºC po 72 h. Na rysunkach 1-3 przedstawiono wyniki analizy stopnia usunięcia utlenialności, absorbancji UV 254 nm i OWO na złożach węglowych w odniesieniu do jakości wody dopływającej do układu. Parametry powyższe identyfikowane są jako wskaźnik prekursorów THM, będących powodem powstawania ubocznych produktów dezynfekcji. W okresie badań prowadzonych od stycznia 2004 r. do stycznia 2006 r. utlenialność wody dopływającej na złoże filtrów węglowych mieściła się w zakresie 0,5 2,9 mgo 2 /dm 3, natomiast wody uzdatnionej, odpływającej z układu w przedziale 0,1 2,2 mgo 2 /dm 3. W maju 2004 r. w czasie rozruchu kolejnych 8 węglowych komór filtracyjnych oraz w październiku i listopadzie 2005 r., kiedy to wyłączano ozonowanie, z powodu czyszczenia komór ozonowania wstępnego, jak i pośredniego, odnotowano podwyższoną utlenialność wody oczyszczonej na poziomie ok. 2 mgo 2 /dm 3. Średnia wartość utlenialności w odpływie w okresie prowadzonych badań wynosiła 0,99 mgo 2 /dm 3. Rozruch II etapu inwestycji budowy filtrów węglowych, a także prace ruchowe wynikające z utrzymania obiektów technologicznych miały wpływ na zakłócenia pracy układu, a w konsekwencji na obniżenie stopnia usunięcia utlenialności do poziomu zaledwie 10%. Efektywność procesu wyrażana stopniem usunięcia utlenialności w okresie prowadzonych badań mieściła się w zakresie 9 86% (średnia 36%). W czasie eksploatacji złóż filtrów węglowych można wyróżnić okres

Ocena pracy filtrów węglowych eksploatowanych w Zakładzie Produkcji Wody Goczałkowice 253 4 tygodni, bezpośrednio po uruchomieniu pierwszych 8 komór filtracyjnych, tj. od 28 stycznia do 27 lutego 2004 r., oraz okres 3 miesięcy po uruchomieniu pozostałych 8 komór (od 12 czerwca do 12 września 2004 r.), w których wysoki stopień usunięcia utlenialności (55 86%) do poziomu ok. 0,4 mgo 2 /dm 3 świadczy o tym, że zanieczyszczenia w wodzie ozonowanej dopływającej do filtrów dobrze były sorbowane. Od września 2004 r. utlenialność wody odpływającej ze złóż węgla aktywnego stopniowo wzrastała, charakteryzując się mniejszym stopniem jej usuwania. Średnia wartość utlenialności w odpływie, od 20 września 2004 r. do 31 grudnia 2005 r., wynosiła 1,35 mgo 2 /dm 3, co pozwoliło na osiągnięcie efektywności procesu na poziomie 9 41%, średnio 28% osiąganej redukcji utlenialności wody (rys. 1). 90 80 Redukcja utlenialnośc [ %] 70 60 50 40 30 20 10 0 28.01.04 01.03.04 05.03.04 09.03.04 13.03.04 22.03.04 26.03.04 30.03.04 21.04.04 22.05.04 12.06.04 07.07.04 01.08.04 30.08.04 26.09.04 07.11.04 07.12.04 03.01.05 03.02.05 25.02.05 06.04.05 14.06.05 14.07.05 04.08.05 06.09.05 12.10.05 12.11.05 20.12.05 Rys. 1. Efekty usuwania utlenialności na złożach węglowych Analiza zmian wielkości absorbancji w ciągu 2-letniej eksploatacji złóż węglowych wskazuje na ok. 50% spadek efektywności pracy układu w odniesieniu do stopnia redukcji w początkowym okresie jego eksploatacji. Pierwsze 2 miesiące pracy ciągu filtrów węglowych charakteryzują się wysokim poziomem obniżenia absorbancji w zakresie 100 70% w stosunku do jakości wody dopływającej na złoża. Po uruchomieniu kolejnych 8 jednostek filtracyjnych w czerwcu 2004 r., podobnie jak w przypadku utlenialności, odnotowano wzrost efektywności pracy węgli przejawiający się większym stopniem redukcji absorbancji (60 70%). Powyższy fakt świadczy o zdecydowanym udziale sorpcji w pierwszych tygodniach eksploatacji filtrów węglowych. W okresie prowadzonych badań zmienność absorbancji 254 nm w wodzie odpływającej z filtrów wahała się w zakresie 0 2,5 (przeciętnie 0,9), przy średniej wartości tego parametru w wodzie dopływającej na filtry węglowe 1,8 (zmienność 0,4 3,6). Maksymalną wartość absorbancji na poziomie 1,4 2,5 w odpływie z filtrów odnotowano w okresie zimowym (I-IV 2005 r.) oraz na przełomie października i listopada w chwili wyłączenia ozonowa-

254 I. Zimoch, A. Szostak nia. Mała efektywność pracy złóż węglowych (stopień redukcji na poziomie 19 40%) w okresie niskich temperatur świadczy o zahamowaniu procesów biosorpcji w czasie zimy (rys. 2). 100 redukcja absorbancji w UV [%] 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 28.01.04 27.02.04 02.03.04 06.03.04 10.03.04 15.03.04 22.03.04 26.03.04 30.03.04 21.04.04 22.05.04 12.06.04 07.07.04 01.08.04 30.08.04 26.09.04 07.11.04 07.12.04 03.01.05 03.02.05 25.02.05 06.04.05 10.05.05 07.06.05 08.07.05 29.07.05 31.08.05 05.10.05 05.11.05 20.12.05 Rys. 2. Efekty usuwania absorbancji w UV na złożach węglowych 50 45 40 Redukcja OWO [%] 35 30 25 20 15 10 5 0 28.01.04 26.02.04 02.03.04 06.03.04 10.03.04 15.03.04 22.03.04 26.03.04 30.03.04 21.04.04 22.05.04 12.06.04 07.07.04 01.08.04 30.08.04 26.09.04 07.11.04 07.12.04 03.01.05 03.02.05 25.02.05 06.04.05 10.05.05 07.06.05 24.08.05 30.09.05 20.12.05 Rys. 3. Efekty usuwania OWO na złożach węglowych W celu oceny udziału procesów adsorpcji i biodegradacji na filtrach węglowych przeanalizowano korelację ilości usuwanej materii organicznej, oznaczonej jako OWO, w funkcji ubytku tlenu na złożach. Badania powyższe wykazały, że w okresach letnich od sierpnia do października 2004 r. oraz od czerwca do września 2005 r. wystąpił wyraźny wzrost redukcji OWO do poziomu ok. 30% w porównaniu z okresem zimowym, kiedy notowano zaledwie 10% wielkość redukcji (rys. 3).

Ocena pracy filtrów węglowych eksploatowanych w Zakładzie Produkcji Wody Goczałkowice 255 Wówczas też notowano znaczny ubytek tlenu w wodzie po filtrach węglowych, o 1,6 3,0 mgo 2 /dm 3 (rys. 4). Jednocześnie, we wrześniu i październiku 2004 r. nastąpił wzrost stężenia wolnego dwutlenku węgla o 3,5 mg/dm 3. Podobne zjawisko odnotowano w kolejnym roku eksploatacji, tj.: w lipcu 2005 r. - wzrost stężenia wolnego CO 2 o 5,3 mg/dm 3 oraz w październiku i listopadzie 2005 r. o 2,1 mgco 2 /dm 3. Powyższe analizy jednoznacznie wskazują na obecność mikroorganizmów zasiedlających złoża filtrów węglowych, a co za tym idzie na udział procesów biologicznych w usuwaniu zanieczyszczeń z wody. Działanie mikroorganizmów w filtrach węglowych polega na wykorzystywaniu rozpuszczonych związków organicznych jako substratów pokarmowych, dzięki czemu następuje ich usuwanie z wody poprzez utlenienie w procesach oddechowych oraz przyrost biomasy drobnoustrojów. ubytek tlenu [mg/l] 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 28.01.04 2.03.04 10.03.04 22.03.04 30.03.04 22.05.04 12.06.04 13.07.04 18.08.04 15.10.04 30.11.04 31.01.05 ubytek tlenu w w odzie Temperatura 10.03.05 11.05.05 26.08.05 14.10.05 08.12.05 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 temperatura wody [oc] Rys. 4. Zmiany konsumpcji tlenu rozpuszczonego w filtrach węglowych liczba jodowa mg/g 1250 1200 1150 1100 1050 1000 950 900 850 800 750 700 1150 935 1050 1002 960 885 884 831 755 781 762 WG-12 Norit F300 19.12.2003 01.06.2004 4.10.2004 29.04.2005 20.11.2005 Rys. 5. Zmiany wartości liczby jodowej w czasie

256 I. Zimoch, A. Szostak Systematyczny spadek wartości liczby jodowej (LJ) węgla WG-12 o 265 mg/g w ciągu półtorarocznej eksploatacji (do kwietnia 2005 r.), przy jednoczesnym wzroście stopnia usuwania OWO, to kolejne potwierdzenie przyjętego założenie udziału mikroorganizmów zasiedlających złoże w procesie uzdatniania wody na drodze biologicznego utleniania związków organicznych. Odnotowane latem 2005 r. zahamowanie spadku LJ świadczy natomiast o częściowej bioregeneracji złóż węgla aktywnego [5, 6]. Po 2 latach eksploatacji wartość tego parametru dla WG-12 ustabilizowała się na poziomie ok. 880 mg/g, co odpowiada 77% wartości LJ dla świeżego węgla. Natomiast dla węgli aktywnych eksploatowanych od czerwca 2004 r. odnotowano spadek liczby LJ o 180 mg/g, to jest do poziomu 76% wartości wyjściowej, dla węgla F300 oraz dla wypełnienia typu Norit o 240 mg/g, czyli do poziomu 81%. W listopadzie 2005 r. wartości liczb jodowych dla obu węgli kształtowały się na poziomie ok. 760 mg/g (rys. 5). 3. EFEKTY NOWYCH WDROŻEŃ TECHNOLOGICZNYCH Główny cel, jakim była poprawa jakości wody wtłaczanej do systemu dystrybucji poprzez zastosowanie wysoko efektywnego uzdatniania wody w ZPW Goczałkowice, w ciągu technologicznym obejmującym procesy ozonowania wstępnego, koagulacji, filtracji, ozonowania pośredniego i sorpcji na złożu węgla aktywnego oraz końcowej dezynfekcji, został osiągnięty. Parametry jakościowe wody wyprodukowanej są znacznie poniżej dopuszczalnych zakresów wartości określonych przez ministra zdrowia wymagań fizykochemicznych, jakim powinna odpowiadać woda przeznaczona do spożycia przez ludzi. Po włączeniu ozonowania pośredniego i filtracji na złożach węglowych uzyskano 52% redukcję dawki chloru w procesie dezynfekcji. Obniżono średnią roczną dawkę chloru do poziomu 0,9 mg/dm 3. Stężenie chloroformu [ug/l] 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 1994 1995 1997 1999 2000 2001 2002 2003 2004 FW 2005 FW Stacja 14 21 14 15 11 8 6 6,6 1,9 0,5 Paprocany 20km 30 29 20 28 15 12 12,5 10 4,7 1,3 Mikołów 35 km 32 30 24 40 17 24 15,3 13 8,7 1,9 Rys. 6. Średnie roczne stężenia chloroformu w wodzie podawanej do sieci z ZPW Goczałkowice oraz w sieci magistralnej w latach 1994-2005

Ocena pracy filtrów węglowych eksploatowanych w Zakładzie Produkcji Wody Goczałkowice 257 Przeprowadzona modernizacja pozwoliła ponadto na znaczne obniżenie zawartości chloroformu w wodzie wychodzącej ze stacji. Wartość chloroformu w wodzie wtłaczanej do podsystemu dystrybucji wahała się w zakresie 0,1 3,0 μg/dm 3. Pozwoliło to równocześnie na ograniczenie zakresu jego stężenia w bardzo rozległej sieci wodociągowej Śląska (rys. 6). PODSUMOWANIE Aby zminimalizować koszty uzdatniania na węglu aktywnym, to znaczy wydłużyć czas pracy filtrów do regeneracji, należy dążyć do zapewnienia jak najlepszej jakości wody przed wprowadzeniem jej na filtry węglowe. Uruchomienie części filtrów z półrocznym opóźnieniem miało także wpływ na wydłużenie czasu pracy układu. W związku z tym konieczna jest systematyczna kontrola wskaźników jakości wody dopływającej i odpływającej ze złóż węgla aktywnego. Przeprowadzone badania wykazały, iż przeciętny czas rozwoju mikroorganizmów na ziarnach węgla, w poszczególnych kolumnach filtracyjnych, dla którego uzyskano pełną aktywność biologiczną złoża, wahał się w przedziale od 2 do 3 miesięcy. Najdłuższy czas wypracowania złoża odnotowano dla obiektów I etapu inwestycji, oddanych do eksploatacji w styczniu 2004 r. Panujące w tym okresie niskie temperatury wody (średnio 3ºC) w istotny sposób wpłynęły na szybkość rozwoju mikroorganizmów i ich procesy metaboliczne. W przypadku ostatniej fazy budowy filtrów węglowych, które oddano do eksploatacji w maju 2005 r., średni czas rozwoju mikroorganizmów w złożu był o 50% krótszy w odniesieniu do wcześniej pracujących układów. Powyższa analiza potwierdziła założenie, iż temperatura jest czynnikiem wpływającym na efektywność procesów metabolicznych mikroorganizmów, a co za tym idzie na stopień usuwania zanieczyszczeń organicznych z wody. Odnotowane redukcje utlenialności w pierwszej fazie pracy układu 90 80%, absorbancji 100 70% oraz OWO 30 40% w odpływie, w odniesieniu do jakości wody zasilającej układ filtrów węglowych, wykazały, że w pierwszym okresie eksploatacji złóż węglowych zdecydowaną rolę w uzdatnianiu wody odgrywał proces sorpcji, który następnie ustępował miejsca biologicznemu mechanizmowi uzdatniania wody. Systematyczny spadek wielkości liczby jodowej przy jednoczesnym wzroście stopnia usuwania OWO potwierdza adsorpcyjny mechanizm uzdatniania wody w pierwszym etapie eksploatacji układu, a następnie wzrost udziału mikroorganizmów, zasiedlających złoże, w procesie oczyszczania wody na drodze biologicznego utleniania związków organicznych. Obecność mikroorganizmów zasiedlających złoża, a co za tym idzie udział procesów biologicznych w usuwaniu zanieczyszczeń w okresie letnim potwierdza też zwiększona redukcja związków organicznych, przy znacznym ubytku tlenu i jednoczesnym wzroście zawartości wolnego dwutlenku węgla w wodzie po filtrach węglowych.

258 I. Zimoch, A. Szostak Stabilizacja LJ na poziomie ok. 880 mg/g w okresie V-XI 2005 r. świadczy o częściowej bioregeneracji złóż węgla WG-12. Wdrożenie układu wysoko efektywnego uzdatniania wody w ZPW Goczałkowice pozwoliło na znaczne obniżenie dawki chloru do dezynfekcji, skutkujące wyraźną poprawą jakości wody wtłaczanej do systemu jej dystrybucji. LITERATURA [1] Jeż-Walkowiak J., Sozański M., Technologie, efekty i modernizacje zakładów uzdatniania wody powierzchniowej, Mat. Konf. Zaopatrzenie w wodę, jakość i ochrona wód, PZITS, Poznań 2004, 131-149. [2] Zimoch I., Szostak A., Ocena skuteczności oczyszczania wody na węglu aktywnym w ZPW GOCZAŁKOWICE, Ochrona Środowiska (Wrocław) 2005, 3, 17-20. [3] Rozporządzenie Ministra Zdrowia z 19 listopada 2002 r. w sprawie wymagań dotyczących jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi, DzU Nr 203, poz. 1718 z 2002 r. [4] Zimoch I., Szostak A., Gawlik A., Czechowski M., Zakład Produkcji Wody Goczałkowice w aspekcie nowych wdrożeń technologicznych, Mat. Konf. Zaopatrzenie w wodę, jakość i ochrona wód, PZITS, Poznań 2004, 751-762. [5] Łebkowska M., Wąsowski J., Wojsa-Ługowska U., Zastosowanie analizy mikrobiologicznej do oceny biologicznej aktywności węgli aktywnych, Ochrona Środowiska 1997, 43-46. [6] Wilmański K., Mechanizm pracy aktywnych biologicznie filtrów węglowych na podstawie badań w skali pilotowej i technicznej, Mat. Konf. Węgiel aktywny w ochronie środowiska i przemyśle, Częstochowa-Ustroń 2004, Wyd. Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa, 249-259. ESTIMATON OF CARBON FILTERS OPERATION IN GOCZAŁKOWICE WATER TREATMENT PLANT In this paper is presented the actual technological water treatment system in Goczałkowice WTP, which was started operating in January 2004. This system includes: pre-ozonation, coagulation, sand filtration, final ozonation followed by sorption on activated carbon filters and disinfection. The GAC filters exploitation results of two years operating were performed. Quality parameters changes of activated carbon beds during times exploitation were described. Moreover the analyses of effects of new technological implementations in the aspect of produced water quality and functioning reliability of WTP Goczałkowice were made. KEYWORDS: adsorption, sorption, bio-sorption, bio-regeneration, activated carbon, water treatment