Instalatorze – sprawdź jakość wody do c.o.

Bardzo ważne – z punktu widzenia prawidłowej pracy instalacji i gwarancji na jej poszczególne elementy (np. grzejniki) – jest sprawdzenie jakości wody do c.o. i uwzględnienie sposobów jej uzdatnienia (gdy jest taka potrzeba). Często się zdarza, że te istotne parametry nie są w ogóle brane pod uwagę podczas wykonywania instalacji.

Termin „woda” to dla chemika zbiór cząsteczek H2O, wiadomo jednak, że w przyrodzie woda w czystej postaci nie występuje i z tego względu terminem tym powszechnie określa się wodę wraz z obecnymi w niej domieszkami i zanieczyszczeniami.

Przyjęto, że mianem domieszek znajdujących się w wodzie określa się substancje obecne w wodzie w efekcie uwarunkowań naturalnych, a pozostałe – jako zanieczyszczenia [2]. Domieszki zarówno mineralne, jak i organiczne mogą być obecne w wodzie jako domieszki rozpuszczone lub nie, w postaci koloidów lub zawiesiny

Chemicznie czysta woda jest doskonałym rozpuszczalnikiem, w związku z czym rzeczywisty jej skład wynika z procesów, jakie zachodzą w rezultacie krążenia wody w przyrodzie. Woda w postaci opadu atmosferycznego rozpuszcza gazy będące składnikami powietrza: głównie azot i tlen, a także dwutlenek węgla [tlenek węgla(IV)], tlenki azotu i siarki oraz ozon. Rozpuszczone gazy obecne są w wodzie również w wyniku przemian chemicznych i biochemicznych zachodzących w środowisku wodnym – są to przede wszystkim siarkowodór i metan. Azot i tlen występują w postaci stabilnych chemicznie roztworów cząsteczkowych w stężeniach rzędu od dziesiętnych części do dziesiątek miligramów w litrze. W podobnych stężeniach obecne są gazy tworzące z wodą dysocjujące związki, głównie dwutlenek węgla [tlenek węgla (IV)] i siarkowodór.

Kontakt wody w postaci opadu atmosferycznego z powierzchnią ziemi skutkuje ługowaniem (rozpuszczaniem) składników gleb i skał, czego efektem jest pojawienie się w jej składzie hydratyzowanych jonów lub par jonów, a także hydratyzowanych jonów kompleksowych tworzących grupę rozpuszczonych nieorganicznych domieszek wód. Należy tu wymienić w pierwszym rzędzie kationy: wapń, magnez i sód oraz w mniejszych ilościach potas. Towarzyszą im aniony: wodorowęglany, siarczany i chlorki oraz krzemionka. Wymienione kationy i aniony obecne są w ilościach rzędu dziesiątek lub setek miligramów litrze. Kationy obecne w mniejszych ilościach rzędu miligramów lub mikrogramów w litrze to głównie żelazo, mangan i glin – mają one skłonność do tworzenia kompleksów z materią organiczną zawartą w wodzie, co ma bezpośredni wpływ na wybór skutecznych metod ich usuwania procesie uzdatniania wody.

Sole w wodzie

Sumaryczna zawartość soli wapnia i magnezu jest miarą powszechnie znanej cechy, jaką jest ogólna twardość wody. Twardość ogólną dzieli się na twardość wapniową powodowaną obecnością jonów wapnia i twardość magnezową, którą tworzą jony magnezu. Według innego kryterium rozróżnia się twardość węglanową wywołaną przez wodorowęglany, węglany i wodorotlenki wapnia i magnezu, oraz twardość niewęglanową wywołaną przez siarczany, chlorki i azotany tych kationów. Z praktycznego punktu widzenia istotne jest, że twardość węglanową, określaną jako twardość przemijającą, można usunąć przez gotowanie wody, co ilustrują równania:

Ca(HCO3)2 → CaCO3↓ + CO2 ↑ + H2O

Mg(HCO3)2 → MgCO3 + CO2 ↑ + H2O

MgCO3 + H2O→ Mg(OH)2 ↓ + CO2

podczas gdy twardość niewęglanowa jest twardością stałą, która pozostaje po zagotowaniu wody.

Twardość wody wyrażana jest najczęściej w stopniach niemieckich (1ºn = 10 mg CaO/l) lub w mg CaCO3/l. Zależność między tymi jednostkami jest następująca: 1ºn = 17 mg CaCO3/l,

1 mg CaCO3/l = 0,056ºn.

Wodę o twardości poniżej 100 mgCaCO3/l określa się jako bardzo miękką, 100-200 mgCaCO3/l jako miękką, 200-350 mgCaCO3/l jako średnio twardą, powyżej 350 mg CaCO3/l jako twardą i bardzo twardą. Jednym z kryteriów charakteryzujących wody naturalne jest zasadowość, tj. zdolność wody do zobojętniania kwasów mineralnych. W oparciu o pomiar ilości kwasu potrzebnego do obniżenia odczynu wody do pH = 8,3 (tzw. zasadowość fenoloftaleinowa, Zf) otrzymuje się informację o zawartości wyłącznie węglanów, zgodnie z reakcją:

H+ + CO32-→ HCO3-

Dalszy dodatek kwasu obniżający pH do 4,3 (tzw. zasadowość wobec metyloranżu, Zm) powoduje zobojętnianie zarówno węglanów, jak i wodorowęglanów:

2H+ = CO32- → H2CO3

H+ + HCO3- → H2CO3

W oparciu o uzyskane w ten sposób dane można przeprowadzić obliczenie wzajemnych relacji między jonami OH-, CO32- i HCO3 tworzącymi zasadowość wody.

Agresywność wody

Woda, pozostając w kontakcie z materiałami tworzącymi np. sieć dystrybucyjną, może wykazywać agresywność w stosunku do betonu lub oddziaływać korozyjnie w stosunku do metali. Agresywność wody w stosunku do betonu związana jest z brakiem równowagi węglanowo-wapniowej. Zasadowość wody jest jednym z parametrów pozwalających na ustalenie stanu równowagi węglanowo-wapniowej wody, określającego stabilność chemiczną wody, a więc pośrednio zdolność do tworzenia i/lub rozpuszczania osadu CaCO3 tworzącego tzw. warstwę ochronną w stosunku do betonu.

Parametrami decydującymi o stanie równowagi węglanowo-wapniowej są oprócz zasadowości ogólnej: temperatura wody, ogólna zawartość soli, zawartość jonów wapnia oraz pH [1]. Dane te pozwalają na obliczenie tzw. indeksu nasycenia, na którego podstawie ustala się indeks Langeliera lub indeks Ryznera. Oba te indeksy pozwalają nam ocenić, czy badana woda:

  • zawiera tzw. agresywny dwutlenek węgla i ma własności agresywne,
  • jest stabilna, tj. nie jest agresywna, ale też nie ma tendencji do wytrącania CaCO3,
  • jest nieagresywna, tj. ma tendencję do wytrącania CaCO3.

Sposób obliczania indeksów Langeliera lub Ryznera i interpretację rezultatów tych obliczeń znajdzie czytelnik w oddzielnej publikacji, która ukazała się na łamach „Magazynu Instalatora” [3].

Z kolei korozyjne oddziaływanie wody na metale jest efektem złożonych procesów elektrochemicznych. Ocena własności korozyjnych wody oparta jest na obliczeniach zmodyfikowanego indeksu Larsona, w którym uwzględnia się relacje między zawartością jonów siarczanowych i chlorkowych a zasadowością. Własności korozyjne wody rosną ze wzrostem zawartości siarczanów i chlorków, a maleją ze wzrostem zasadowości. Szczegółowe omówienie sposobu obliczania indeksu Larsona i interpretacji wyników obliczeń można znaleźć w odrębnej publikacji na łamach „Magazynu Instalatora” [4].

Agresywność wody nie powinna być utożsamiana z jej korozyjnością. Wody agresywne z reguły są korozyjne, ale wody nieagresywne nie zawsze są niekorozyjne z uwagi na oddziaływanie jonów chlorkowych i siarczanowych.

Mineralizacja wody

Jednym z kryteriów służących do klasyfikacji wód – zarówno podziemnych, jak i powierzchniowych – jest tzw. ogólna mineralizacja wody informująca o ilości rozpuszczonych soli, a mierzona wielkością suchej pozostałości tworzącej się po odparowaniu i wysuszeniu powstałego osadu z uwzględnieniem zawartości wodorowęglanów, których ilość tylko w połowie mierzona jest jako sucha pozostałość, co ilustruje poniższe równanie:

Ca(HCO3)2 → CaCO3↓ + CO2 ↑ + H2O

W oparciu o kryterium mineralizacji wyodrębnia się dwie kategorie wód:

  • wody słodkie o mineralizacji do 1000 mg/l,
  • wody mineralne o mineralizacji powyżej 1000 mg/l,

a granica między kategoriami oparta jest o kryterium balneologiczne: wody o mineralizacji powyżej 1000 mg/l działają farmakodynamiczne na ustrój ludzki.

Odrębną grupę domieszek wód naturalnych tworzy materia organiczna określana najczęściej jako naturalna materia organiczna (NMO) i opisywana ilościowo zawartością ogólnego węgla organicznego (OWO) obecnego w wodzie w ilościach od ułamków miligrama do kilkuset miligramów Corg./l [1]. Materia organiczna występująca w postaci całkowicie rozpuszczonej definiowana jest jako rozpuszczony węgiel organiczny (RWO), natomiast obecna w formie koloidalnej lub zawiesiny opisywana jest jako zawieszony węgiel organiczny (ZWO). Głównymi składnikami NMO są przede wszystkim substancje humusowe (kwasy huminowe i fulwowe), a w mniejszych stężeniach związki o niskich masach cząsteczkowych: hydrofilowe kwasy, białka i aminokwasy [1]. Istotną cechą materii organicznej w wodzie jest jej podatność na biodegradację, tj. biochemiczny rozkład przez mikroorganizmy wodne. W oparciu o to kryterium naturalną materię organiczną (NMO) dzieli się na dwie frakcje:

  • biodegradowalną materię organiczną (BMO) stanowiącą dla bakterii źródło energii i węgla,
  • refrakcyjną materię organiczną, nieulegającą biodegradacji.

BMO w wodach naturalnych stanowi zazwyczaj niewielką część ogólnej ilości węgla organicznego, ale jej skuteczne usunięcie w procesie uzdatniania pozwala na uzyskanie wody biostabilnej, tj. niestymulującej wtórnego rozwoju mikroorganizmów [1].

Podsumowując opis formowania się składu chemicznego domieszek wód jako rezultatu procesów zachodzących w wyniku krążenia wody w przyrodzie, spróbujmy scharakteryzować jakościowo zasoby wód podziemnych i powierzchniowych tworzących się wskutek ogólnego obiegu wody.

Wody podziemne

Wody podziemne przeznaczone do eksploatacji są ujmowane ze stosunkowo płytkich utworów, z głębokości nieprzekraczających 200-300 m. Typowymi domieszkami występującymi w największych ilościach w tego typu wodach są jony wapnia i magnezu, przy czym obserwuje się wyraźną dysproporcję, jeśli chodzi o stężenie tych jonów: zawartość jonów wapnia najczęściej mieści się w przedziale 150-200 mg/l, podczas gdy stężenie jonów magnezu na ogół nie przekracza 20 mg/l. Źródłem wapnia w wodach podziemnych są procesy wietrzenia skał osadowych: kalcytu, aragonitu, dolomitu gipsu i anhydrytu, a magnezu skał krystalicznych: oliwinów, piroksenów, magnezytów i in. [1]. Sód obecny jest w bardzo zróżnicowanych stężeniach, które często są skorelowane ze stopniem mineralizacji wód.

Dominującym anionowym składnikiem wód podziemnych są wodorowęglany, towarzyszące głównie jonom wapniowym, a pochodzące przede wszystkim z procesów ługowania skał węglanowych. Źródłem jonów siarczanowych (VI) są głównie minerały zawierające siarkę: gips i anhydryt, natomiast chlorki pochodzą z minerałów zawierających chlor: sodalitu i apatytów, a częściowo także z dopływów wód morskich, lub [1]. Typowymi podrzędnymi domieszkami wód podziemnych są sole żelaza i manganu.

Żelazo a jakość wody do c.o.

Żelazo pochodzi przede wszystkim ze skał magmowych (magnetyt, biotyt, piryt) lub skał osadowych (syderyty, hematyt, limonit i in.), a mangan głównie ze skał magmowych i osadowych. Żelazo występuje zazwyczaj w stężeniach od kilku do kilkunastu miligramów w litrze, a mangan w stężeniach o rząd wielkości niższych. Wietrzejące krzemiany są z kolei źródłem krzemionki. Na obszarach intensywnej gospodarki rolnej notuje się wzrost stężenia azotanów (V). Gazem powszechnie występującym w wodach podziemnych jest dwutlenek węgla [tlenek węgla(IV)] obecny w stężeniach od kilkunastu do kilkuset mg/l, a pochodzący głównie z procesów geochemicznych. Biochemiczny rozkład materii organicznej lub redukcja siarczanów (VI) to z kolei źródło często obecnego w wodach podziemnych siarkowodoru, którego charakterystyczny zapach wyczuwany jest nawet przy bardzo niskich stężeniach rzędu 10-5-10-4 mg/l.

Źródła substancji organicznych w wodach podziemnych są zróżnicowane: w wodach na małej głębokości materia organiczna pochodzi z infiltracji, natomiast na większej głębokości w wodach izolowanych od infiltracji, w warstwach mioceńskich jest wynikiem uwęglania materii organicznej. Niezależnie od źródła pochodzenia substancje organiczne są przyczyną zabarwienia wód. Wody podziemne w zasadzie nie są zanieczyszczone wirusami lub bakteriami patogennymi – wyjątkiem są przypadki usterek technicznych studni. Odrębną grupę stanowią bakterie uczestniczące w obiegu niektórych pierwiastków w przyrodzie: bakterie siarkowe, żelazowe, manganowo-żelazowe, azotowe i inne.

Z punktu widzenia wykorzystania wód podziemnych do picia i na potrzeby gospodarcze konieczne jest ich uzdatnianie w celu usunięcia związków żelaza i manganu, a także związków humusowych podwyższających barwę wody.

Wody powierzchniowe

Wody powierzchniowe zawierają w zasadzie te same jony podstawowe, co wody podziemne: wapń, magnez i potas i sód. Ilościowo dominuje wapń, którego źródłem są – podobnie jak w przypadku wód podziemnych – skały zawierające ten pierwiastek. Jego stężenie zależy głównie od stanu równowagi węglanowej, której zakłócenie, np. gwałtownym rozwojem organizmów planktonowych pobierających rozpuszczony w wodzie dwutlenek węgla [tlenek węgla (IV)] może skutkować wytrącaniem osadu węglanu wapnia, a w rezultacie obniżeniem jego stężenia w wodzie.

Magnez obecny jest w wodach powierzchniowych w stężeniach podobnych jak w wodach podziemnych. Anionem dominujących w wodach powierzchniowych jest anion wodorowęglanowy pozostający w stanie dynamicznej równowagi z dwutlenkiem węgla [tlenkiem węgla (IV)], węglanami i ewent. jonami wodorotlenowymi decydującymi o zasadowości wody, a w rezultacie o jej pH.

Aniony: siarczanowy i chlorkowy obecne są w wodach powierzchniowych w stężeniach podobnych, jak w przypadku wód podziemnych; podobne też są źródła ich pochodzenia.

Związki azotowe obecne w wodach powierzchniowych pochodzą głównie ze ścieków miejskich i przemysłowych, a także ze spływów powierzchniowych – w tym także z nawozów sztucznych.

Podobne są źródła fosforu w wodach powierzchniowych – dodatkowo wymienia się tu syntetyczne środki piorące. Azot i fosfor są niezbędnym składnikiem pokarmowym w procesie biosyntezy, bezpośrednio wpływając na rozwój organizmów roślinnych i zwierzęcych w wodach powierzchniowych. Organizmy te, obumierając, opadają na dno zbiorników, tworząc tzw. osady denne, które ulegają mineralizacji i stając się pokarmem dla innych organizmów wodnych zamykają obieg składników biogennych [1].

Gazowe domieszki wód powierzchniowych to przede wszystkim tlen i dwutlenek węgla [tlenek węgla (IV)]. Ich głównym źródłem jest – jak w przypadku wód podziemnych – powietrze atmosferyczne. Zawartość tych gazów w wodach powierzchniowych ulega jednak drastycznym wahaniom związanym z zakwitami planktonu roślinnego (fitoplanktonu). Ich przebieg jest przyczyną okresów przesycenia wody tlenem wskutek zwiększonej fotosyntezy, która jednocześnie powoduje gwałtowne zmiany pH powodowane pochłanianiem CO2. Skutkuje to zmianami stanu równowagi węglanowo-wapniowej prowadzącymi do wytrącania się osadu węglanu wapnia. Na ten mechanizm zwrócono uwagę, omawiając przyczyny zmian stężenia wapnia w wodzie. Wahania pH mogą poważnie zakłócać procesy uzdatniania wody, np. metodą koagulacji.

Organizmami mającymi szczególny wpływ jeśli chodzi o wykorzystanie wody do celów gospodarczych lub do picia są wirusy, bakterie i organizmy planktonowe. Wirusy i bakterie mogą stanowić o stanie sanitarnym wody. Plankton z jednej strony utrudnia prawidłowe prowadzenie procesu uzdatniania (szczególnie w okresie tzw. zakwitów), a z drugiej strony jest odpowiedzialny za stany przesycenia tlenem i zaniku CO2 powodującego wahania pH. Zakwity planktonu powodują również pogorszenie niektórych cech organoleptycznych, głównie smaku i zapachu wody.

Jakość wody do c.o.

Podsumowując powyższe opisy charakteryzujące najważniejsze cechy jakościowe wód naturalnych, zarówno podziemnych, jak powierzchniowych, spróbujmy krótko scharakteryzować kryteria doboru sposobu oczyszczania tych wód. I tak dla usunięcia zawiesin wystarczają typowe techniki separacji fazy stałej: sedymentacja i/lub filtracja. Usunięcie koloidów lub większych ilości zawiesin wymaga zastosowania koagulacji oraz separacji fazy stałej. Usuwanie niepożądanego smaku lub zapachu można uzyskać, stosując silne utleniacze i/lub metody sorpcyjne. W niektórych przypadkach skuteczna może okazać się aeracja. Usuwanie związków żelaza i manganu wymaga zastosowania silnych utleniaczy z następującą potem separacją fazy stałej. W celu obniżenia twardości stosuje się metody strąceniowe, często w połączeniu z wymiana jonową. Obniżenie ogólnej mineralizacji wody wymaga zastosowania procesów membranowych. W wielu przypadkach alternatywą procesów fizyczno-chemicznych może być stosowanie procesów biologicznych.

dr Sławomir Biłozor

Literatura:

  1. „Uzdatnianie wody. Procesy fizyczne, chemiczne i biologiczne”, redakcja naukowa Jacek Nawrocki, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2010.
  2.  Apolinary L. Kowal, Maria Świderska-Bróż, „Oczyszczanie wody”, Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa-Wrocław 1997.
  3.  Sławomir Biłozor, „Jakość transportowanej wody a trwałość instalacji wodociągowych” (1), „Magazyn Instalatora” nr 1 (221) 2017.
  4.  Sławomir Biłozor, „Woda w systemach chłodzenia”, „Magazyn Instalatora” nr 6-7 (2016).
Prenumerata Magazynu Instalatora

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