Zarządzanie jakością wody w systemach dystrybucji jest zagadnieniem złożonym, gdyż na jakość wody od momentu, kiedy opuszcza ona stację uzdatniania do momentu odbioru jej przez konsumenta, może mieć wpływ wiele różnorodnych czynników.

Jednym z poważnych wyzwań, przed jakimi stają przedsiębiorstwa wodociągowe, jest utrzymanie odpowiedniej jakości wody w czasie jej magazynowania i transportu. Chodzi tu o zapobieganie wtórnemu zanieczyszczeniu wody wyrażającemu się takimi zjawiskami, jak: pogorszenie smaku lub zapachu, wzrost intensywności barwy lub mętności, nadmierny rozwój mikroorganizmów powodujący obniżenie stężenia tlenu rozpuszczonego a także wzrost zapotrzebowania na środki dezynfekcyjne i w ślad za tym wzrost stężenia ubocznych produktów dezynfekcji.

Zarządzanie jakością wody w systemach dystrybucji jest zagadnieniem złożonym, gdyż na jakość wody od momentu, kiedy opuszcza ona stację uzdatniania do momentu odbioru jej przez konsumenta może mieć wpływ wiele różnorodnych czynników. Najważniejsze z nich to: procesy, jakim poddawana jest woda na etapie oczyszczania w stacji uzdatniania, stabilność chemiczna i biologiczna transportowanej wody, a także materiały, z jakimi pozostaje w kontakcie woda w czasie magazynowania i transportu. Związana jest z tym problematyka czynności, jakie można przedsięwziąć w celu likwidacji lub choćby ograniczenia wpływu tych czynników na ostateczną jakość wody u odbiorcy.

Spróbujmy pokrótce omówić te zagadnienia.

Różne procesy

Uzdatnianie wody często oparte jest na stosowaniu procesu koagulacji solami glinu lub żelaza, wspomaganego niekiedy dodatkiem flokulantów na bazie poliakrylamidów. Błędy w sterowaniu tego typu procesami mogą być przyczyną pojawiania się w sieci dystrybucyjnej podwyższonych ilości związków żelaza, glinu oraz pozostałości polimerów [1].

Rozwiązanie tego typu problemów polega na optymalizacji dawkowania zarówno samych koagulantów, jak i wspomagających ten proces flokulantów. Inną grupą problemów, które mają swoje źródła podczas uzdatniania, są procesy utleniania za pomocą ozonu, chloru lub dwutlenku chloru. Różnego rodzaju związki organiczne obecne w wodzie w wyniku reakcji z ozonem tworzą tzw. biodegradowalną materię organiczną (BMO) przyczyniającą się do pogorszenia stabilności biologicznej wody.

Z kolei chlor, reagując z materią organiczną w wodzie, tworzy tzw. uboczne produkty chlorowania, z których najlepiej poznaną grupą są trihalometany (THM) o udowodnionej szkodliwości dla zdrowia człowieka. Problemy z jakością transportowanej wody mogą pojawić się również w rezultacie zmiany technologii uzdatniania lub w wyniku mieszania w sieci wody pochodzącej z różnych źródeł zasilania [2]. Ma to związek ze zmianą stabilności chemicznej wody, o czym będzie mowa w dalszej części artykułu.

Tylko stabilnie!

Stabilność chemiczna i biologiczna transportowanej wody to jeden z kluczowych problemów związanych z zarządzaniem jakością wody w systemach jej dystrybucji. Stabilność chemiczna wody określana jest najczęściej w oparciu o stan równowagi węglanowo-wapniowej, którą ocenia się np. za pomocą tzw. indeksów nasycenia, Langeliera (JL) lub Ryznera (JR).

W wodzie stabilnej chemicznie zachowana jest równowaga węglanowo-wapniowa, co oznacza, że nie ma ona tendencji ani do rozpuszczania, ani do wytrącania CaCO3. Woda posiadająca skłonność do wytrącania nieznacznych ilości CaCO3 ma tendencję do tworzenia cienkiej warstwy antykorozyjnej na ściankach rurociągu i oceniana jest jako nieagresywna, natomiast indeksy nasycenia wskazujące na skłonność do wytrącania dużych ilości CaCO3 informują o możliwości do odkładania się złogów znacznych ilości osadów na ścianach rurociągów.

Z kolei woda posiadająca możliwość do rozpuszczania CaCO3 określana jest jako agresywna. Taka ocena zawsze świadczy o korozyjnych własnościach wody. Jednak woda oceniona jako nieagresywna nie zawsze nie jest korozyjna, gdyż wytrącająca się warstewka CaCO3 w razie obecności znacznej ilości jonów chlorkowych i siarczanowych nie działa ochronnie. Dlatego do oceny korozyjności wody bardziej miarodajny jest indeks Larsona (IL) uwzględniający wpływ zawartości chlorków i siarczanów oraz zasadowości wody.

Chemiczna korekta

W oparciu o indeksy nasycenia oraz indeks Larsona można opracować program chemicznej korekty składu wody. W przypadku wód agresywnych korekta będzie miała na celu podwyższenie twardości węglanowej i zawartości jonów wapnia. Jeśli woda ma wyraźną tendencję do wytrącania CaCO3, korekta polega na szczepieniu kwasem w celu zmiany twardości węglanowej na niewęglanową, przy czym dawki ustala się w ten sposób, aby woda po szczepieniu kwasami charakteryzowała się równowagą węglanowo-wapniową.

Korekty składu wody opracowane w oparciu o indeks Larsona polegają głównie na podwyższeniu zasadowości wody do poziomu pozwalającego na zrekompensowanie niekorzystnego wpływu chlorków i siarczanów. Korekty takie nie uwzględniają jednak innych czynników wpływających na korozyjne działanie wody, a mianowicie: temperatury oraz czasu retencji wody w sieci. Jeśli wodociąg zasilany jest z ujęcia wód powierzchniowych, temperatura wody ulega znacznym wahaniom w ciągu roku, a co za tym idzie – zmienia się korozyjność, która rośnie z temperaturą wody. Z kolei długie czasy retencji wyraźnie zwiększają korozję.

Fosforany w akcji

Jak z powyższego wynika, zapobieganie procesom korozji lub zarastania przewodów wodociągowych drogą korekty składu fizyczno-chemicznego wody może być zabiegiem skomplikowanym w realizacji, a efektywność tych działań nie zawsze jest wyraźna. Z tego względu obserwuje się coraz powszechniejsze stosowanie dawkowania fosforanowych inhibitorów korozji. Zastosowanie znalazły głównie ortofosforany, polifosforany oraz ich mieszanki. Zaletą stosowania preparatów fosforanowych jest ich wielokierunkowe działanie, a mianowicie:

* wytwarzają na ściankach przewodów wodociągowych antykorozyjna warstwę ochronną, trwalszą niż ochronna warstewka CaCO3, zapobiegając procesom korozji i zabarwianiu wody związkami żelaza i manganu,

* stabilizują twardość wody, wiążąc jony wapnia i magnezu i pozbawiając je w ten sposób możliwości tworzenia osadów wewnątrz sieci,

* usuwają już nagromadzone na ściankach przewodów złogi korozyjne i osady drogą powolnego wymywania z jednoczesnym tworzeniem warstewki ochronnej.

Preparaty fosforanowe wpływają ponadto pośrednio na poprawę stanu mikrobiologicznego transportowanej wody drogą usuwania siedlisk bakterii usytuowanych w osadach oraz z tego samego powodu mogą poprawiać smak i zapach wody.

Chemiczna ochrona przewodów wodociągowych może więc być realizowana z zastosowaniem różnorodnych metod. We wszystkich przypadkach wymaga ona starannego przygotowania programu działań obejmującego czynności zapobiegawcze oraz walkę z już istniejącym wtórnym zanieczyszczeniem sieci, wyboru reagenta (ów) i miejsca jego dawkowania, a także działań w warunkach normalnej eksploatacji sieci wodociągowej.

Biologicznie stabilnie

Stabilność biologiczną wody definiuje się jako cechę wyrażającą się brakiem skłonności do wtórnego rozwoju w niej mikroorganizmów podczas transportu i magazynowania [3]. Woda stabilna biologicznie nie podtrzymuje rozwoju mikroorganizmów w zbiornikach wody czystej i w sieci dystrybucyjnej wodociągów.

Brak stabilności biologicznej jest spowodowany obecnością substratów podatnych na biodegradację, wśród których wymienić należy m.in. azot amonowy i azotanowy, podatną na biodegradację materię organiczną (BMO), siarkowodór, a także żelazo (II) i mangan (II). Niestabilność powodowana jest utlenianiem tych substratów, prowadzącym do rozwoju mikroorganizmów i jednocześnie ubytku tlenu rozpuszczonego w wodzie, czego konsekwencją są niekorzystne zmiany jakości transportowanej wody, wyrażające się podwyższeniem ogólnej liczby bakterii w wodzie.

Towarzyszą temu procesy rozwoju kolonii bakterii immobilizowanych na ścianach rurociągów, które utrudniają transport wody wskutek niekorzystnych zmian współczynnika tarcia, a nawet prowadzą do zmniejszenia światła przewodów. Innym niekorzystnym skutkiem wtórnego rozwoju mikroorganizmów może być korozja rurociągów spowodowana solubilizacją metali.

Metabolity mikroorganizmów rozwijających się w sieci wodociągowej są często przyczyną pogarszania własności organoleptycznych wody (głównie smaku i zapachu), powodującego protesty konsumentów. Substratami w największym stopniu odpowiedzialnymi za brak stabilności biologicznej wody są azot amonowy i podatna na biodegradację materia organiczna (BMO). Skuteczne ich usunięcie powinno być głównym celem czynności mających na celu poprawę biostabilności wody.

Czynnikiem mającym poważny wpływ na stabilność biologiczną transportowanej wody jest obecność dezynfektantów. Celem nadrzędnym jest w tym przypadku dążenie do utrzymywania stężenia dezynfektantów na możliwie stałym poziomie, chroniącym dystrybuowaną wodę przed nadmiernym rozwojem organizmów patogennym.

Wiadomo jednak, że stężenie chloru czy innego środka dezynfekującego ulega stopniowemu obniżaniu wskutek jego reakcji z obecnymi w wodzie substratami obniżającymi stabilność biologiczną wody, a także z materią zdeponowaną na ścianach rurociągów. Aby temu zaradzić, stosuje się dodatkowe chlorowanie wody w sieci dystrybucyjnej. Utrzymywanie bezpiecznego poziomu stężenia chloru skutkuje jednak również przedłużeniem jego czasu kontaktu z BMO i w ślad za tym wzrostem stężenia wspomnianych już ubocznych produktów chlorowania, tj. grupy związków, z których najlepiej poznane i analizowane są trihalometany (THM).

Aby zapobiec lub poważnie obniżyć ilość powstających ubocznych produktów chlorowania, stosuje się niekiedy dezynfekcję za pomocą chloraminy, czynnika bardziej stabilnego niż chlor i pozwalającego – przy odpowiednim prowadzeniu procesu – na związanie azotu amonowego, jednego z głównych substratów odpowiedzialnych za brak stabilności biologicznej wody. Efektywność działania chloraminy jako dezynfektanta jest jednak dużo niższa w porównaniu z chlorem [3].

Alternatywą dla chloru czy chloraminy jest dwutlenek chloru, coraz częściej stosowany jako skuteczniejszy od chloru i stosunkowo stabilny dezynfektant końcowy. Jako uboczne produkty dezynfekcji dwutlenkiem chloru zostały zidentyfikowane chloryny i chlorany oraz kilka związków organicznych, a szkodliwość tych związków dla zdrowia człowieka szacowana jest jako niższa niż ubocznych produktów chlorowania [3].

Materiały

Odrębnym zagadnieniem jest rodzaj i stan techniczny materiałów, z jakimi pozostaje w kontakcie transportowana lub magazynowana woda. Materiały, z których budowane są sieci przesyłowe, to przede wszystkim przewody stalowe i betonowe, których wnętrza – dzięki coraz powszechniej stosowanym renowacjom bezwykopowym – zabezpieczone są wykładzinami betonowymi [4]. Powszechnie stosowane są również rurociągi z tworzyw sztucznych. Niekiedy można jeszcze spotkać przewody z rur azbesto-cementowych. Z kolei w instalacjach wewnętrznych najczęściej stosowana jest stal ocynkowana, miedź lub tworzywa sztuczne; można też spotkać instalacje wewnętrzne zbudowane z ołowiu.

W przypadku żeliwa szarego, żeliwa sferoidalnego czy stali węglowej na korozję tych materiałów ma wpływ obecność znaczniejszych ilości chlorków i siarczanów przy jednocześnie niskiej zasadowości transportowanej wody. Korozja nasila się szczególnie w miejscach, gdzie przepływ wody jest niewielki lub gdzie woda stagnuje. Efektem jest wymywanie do transportowanej wody znacznej ilości jonów żelaza (II), które po utlenieniu przechodzą w nierozpuszczalny wodorotlenek żelaza nadający wodzie typowe rudo-czerwone zabarwienie. Na pojawianie się produktów korozji narażona jest szczególnie woda w strefach mieszania, zasilanych wodą z różnych źródeł o odmiennym składzie [4].

Rury betonowe, azbesto-cementowe oraz metalowe pokryte wykładzinami cementowymi są podatne na korozję, jeśli pozostają w kontakcie z wodą o wysokiej agresywności, a więc wykazującą skłonność do rozpuszczania węglanu wapnia. Najczęściej są to wody o niskiej zasadowości i znacznej zawartości agresywnego dwutlenku węgla. W tym przypadku efektem korozji jest wymywanie do wody piasku i innych materiałów oraz związków pochodzących z materiału instalacyjnego, a w rezultacie podwyższenie pH.

Instalacje wewnętrzne zbudowane ze stali ocynkowanej mają opinię nietrwałych elementów systemu dystrybucji wody [4]. Powłoki cynkowe ulegają wymywaniu w stosunkowo krótkim okresie kilku lat i w ślad za tym pojawiają się w wodzie oznaki korozji stali manifestowane podwyższeniem barwy i mętności. Opisane zjawiska zachodzą szczególnie szybko w przypadku wód o niskim odczynie (pH < 7), zawierających jony siarczanowe i/lub chlorkowe oraz agresywny dwutlenek węgla. Uważa się, że korozję żelaza ogranicza się, utrzymując pH w przedziale 6,8-7,3, twardość i zasadowość na poziomie co najmniej 40 mg/l (jako CaCO3) oraz przesycenie węglanem wapnia rzędu 4-10 mg/l.

Korozja instalacji miedzianych oraz miedzianych zbiorników wody ciepłej może prowadzić do nadania wodzie błękitnego odcienia, a także do powstawania zielonych zacieków na armaturze. Ma ona miejsce szczególnie w przypadku wód miękkich i kwaśnych (pH poniżej 6,5, twardość poniżej 60 mg/l CaCO3). Produktem korozji miedzi jest rozpuszczalny w wodzie węglan miedzi.

Rozpuszczalność miedzi w wodzie maleje ze wzrostem pH wody, natomiast rośnie ze wzrostem stężenia węglanów. Zapobieganie korozji tego materiału polega zazwyczaj na podnoszeniu pH wody do poziomu 8,0-8,5 [5]. Korozja wżerowa instalacji miedzianych w instalacjach wody zimnej (poniżej 40ºC) ma miejsce głównie w przypadku wód podziemnych o wysokiej twardości, jeśli ścianki rur pokryte są cienką warstwą węgla, będącego pozostałością procesu produkcyjnego. Zapobieganie tego typu korozji polega na usunięciu tej warstwy. Korozja wżerowa w przypadkach instalacji wody ciepłej (powyżej 60ºC) dotyczy wód o niskiej twardości.

Jakkolwiek ołów nie jest w zasadzie w Polsce stosowany jako materiał do budowy wewnętrznych instalacji wodociągowych, to jednak w niektórych krajach często znajduje zastosowanie do łączenia rur miedzianych. Dlatego – z uwagi na jego wysoką toksyczność – korozja tego metalu budzi szczególne zainteresowanie. Rozpuszczalność ołowiu w wodzie rośnie gwałtownie, jeśli pH wody spada poniżej poziomu 8,0, a sprzyja mu też niska zasadowość wody.

Korozję ołowiu przyspiesza gwałtownie obecność miedzi, przy czym prędkość takiej korozji elektrochemicznej jest znacznie większa niż zwykłe rozpuszczanie produktów korozji, a dodatkowo potęguje ją obecność chlorków. Zapobieganie korozji tego materiału polega więc na utrzymywaniu pH wody po chlorowaniu w przedziale 8,0-8,5 (szczególnie jeśli twardość wody jest niższa niż 50 mg/l CaCO3).

dr Sławomir Biłozor

Literatura:

  1. Szuster-Janiaczyk A., „Zarządzanie jakością wody w systemach wodociągowych”, mat. konferencji „Zaopatrzenie w wodę, jakość i ochrona wód”, Poznań-Zakopane 2006, s. 863-883.
  2. Szuster-Janiaczyk A., Jeż-Walkowiak J., Dymaczewski Z., Sozański M.M., „Wpływ zmiany jakości wody zasilającej system dystrybucji wody na jakość wody u odbiorców”, mat. konferencji „Zaopatrzenie w wodę, jakość i ochrona wód” Poznań 2012, s. 189-200.
  3. Nawrocki J., Biłozor S. (red.), „Uzdatnianie wody. Procesy chemiczne i biologiczne”, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa-Poznań 2000.
  4. Balcerzak W., „Zmiany jakości wody w systemie dystrybucji”, mat. konferencji „Zaopatrzenie w wodę i jakość wód”, Gdańsk-Poznań 2002, s. 815-823.
  5. Biłozor S., „Co wiemy o czynnikach wpływających na korozję miedzianych instalacji wodociągowych”, „Magazyn Instalatora” nr 5 (165) maj 2012.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij