Siarkowodór w instalacji wodociągowej – część II. Studium przypadku dla wybranego gospodarstwa jednorodzinnego w Wielkopolsce, w gminie Pobiedziska.

Siarkowodór w instalacji wodociągowej – część II. Studium przypadku dla wybranego gospodarstwa jednorodzinnego w Wielkopolsce, w gminie Pobiedziska.

1. Wstęp

Obecność siarkowodoru w wodzie może nieść za sobą wiele negatywnych skutków dla organizmu człowieka. Ten bezbarwny gaz przy wysokich stężeniach może prowadzić do porażenia węchu, a nawet śmierci człowieka. Jednak w praktyce siarkowodór obecny w wodzie w niskich stężeniach ulatnia się, a następnie przenika do organizmu człowieka głównie przez płuca i skórę, powodując bóle głowy, nudności, osłabienie oraz reakcje alergiczne. Intensywny zapach zgniłych jaj, charakterystyczny dla siarkowodoru, znacznie pogarsza także właściwości organoleptyczne wody [1].

W polskim rozporządzeniu odnośnie jakości wody do picia nie uwzględniono dopuszczalnych stężeń siarkowodoru. Jedyną regulacją w tym zakresie jest określenie zapachu wody, jako akceptowalnego przez konsumenta. To jednak pojęcie bardzo względne i daje pełną swobodę interpretacji. Instytut Medycyny Pracy opisuje H₂S, jako substancję niebezpieczną dla zdrowia pracowników i dokładnie określa górne granice stężenia siarkowodoru. Jednak w medycynie pracy siarkowodór rozpatrywany jest jako substancja zawarta w powietrzu i to właśnie powietrza dotyczą przedstawione tam normy [2, 3]. Podobnie sytuacja kształtuje się na arenie międzynarodowej. Jedynie The United States Department of Labor – Occupational Safety and Health Administration (OSHA) [4], prężnie działająca instytucja w USA zajmująca się bezpieczeństwem i higieną pracy określiła, że przy nadmiernym stężeniu siarkowodoru w powietrzu zwiększa się ryzyko wystąpienia wielu chorób. Jednakże skutki zdrowotne zależą od ilości wdychanego siarkowodoru i od czasu ekspozycji. Obserwowane są wówczas zmiany neurologiczne, choroby oczu, sercowo-naczyniowe, metaboliczne i oddechowe. W Tab. 1 przedstawiono możliwe skutki zdrowotne związane z obecnością siarkowodoru w powietrzu.

Z raportu WHO (World Health Organization, Geneva, 2003) [5] wynika, że siarkowodór nie jest mutagenny. Brak jest dostępnych, wystarczających danych do oceny wykazania wyraźnych dowodów na występowanie raka u ludzi po ekspozycji na siarkowodór. Jednakże raport podkreśla, że ponieważ siarkowodór jest bezbarwnym gazem, a wdychanie jest jego główną drogą narażenia, zakłóca on mitochondrialny system transportu elektronów, a tym samym wpływa na wszystkie systemy. Najbardziej wrażliwe systemy, to układ oddechowy i centralny układ nerwowy. Ponieważ układ oddechowy jest jednak głównym narządem docelowym toksyczności siarkowodoru, ludzie z astmą, osoby starsze i małe dzieci z zaburzeniami oddychania są najbardziej wrażliwi.

Większość danych na temat zatruć i przypadków śmierci spowodowanych siarkowodorem pochodzi z badań epidemiologicznych ekspozycji zawodowej. OSHA określiła obszary i warunki zwiększające ryzyko narażenia pracownika na nadmierne stężenie siarkowodoru.

Są to:

• przestrzenie zamknięte (na przykład doły, studzienki, tunele, studnie);
• obszary bezwietrzne lub nisko położone;
• krajobrazy bagienne, w których bakterie rozkładają materię organiczną, tworząc siarkowodór;
• wysokie temperatury powietrza, które przyspieszają gnicie obornika i innych materiałów organicznych i zwiększają prężność par siarkowodoru.

Obszary te i warunki obserwujemy również w punktach ujęć wody, zwłaszcza indywidualnych.

Działanie siarkowodoru na organizm człowieka zostało opisane w pierwszej części w artykułu pod tytułem „Jak siarkowodór wpływa na organizm człowieka?” [1].

2. Studium przypadku

2.1 Wielkopolska Dolina Kopalna

Gmina Pobiedziska zlokalizowana jest nad Głównym Zbiornikiem Wód Podziemnych nr 144, zwanym Wielkopolską Doliną Kopalną. Jest on jednym z największych i najzasobniejszych zbiorników w Polsce. Swoją powierzchnią obejmuje trzy województwa. Zasoby wody (złoża czwartorzędowe) cechują się wysoką jakością i zaklasyfikowane zostały do drugiej klasy czystości. Złoża wód znajdują się na głębokości od 200 do 300 m [6]. Wiejska część gminy Pobiedziska znajduje się na Jednolitej Części Wód Podziemnych (JCWPd) nr 60. Według dostępnych informacji zwierciadło wód gruntowych na tym terenie ma charakter swobodny i występuje na głębokości od 0,5 do 30 m. Wśród naturalnych typów wód występują tu wody wodorowęglanowo-siarczanowo-wapniowe (HCO₃-SO₄-Ca). Zasoby wodne charakteryzują się dobrym stanem ilościowym i jakościowym oraz nie są zagrożone niespełnieniem wymagań środowiskowych (dane z roku 2012) [7]. Oszacowano, że poziom wód gruntowych na terenie rozpatrywanego gospodarstwa jednorodzinnego znajduje się na wysokości 1,0÷2,0 m.

2.2. Opis przypadku

Siarkowodór wydzielał się z instalacji wodociągowej w budynku jednorodzinnym usytuowanym na terenie przeznaczonym pod zabudowę letniskową, dla którego w Miejscowym Planie Zagospodarowania Terenów Zabudowy Letniskowej sporządzonym przez Gminę Pobiedziska, opisano szereg warunków, jakie musi spełniać inwestycja. Wytyczne dotyczyły między innymi ilości kondygnacji nowo budowanych budynków, wyglądu zewnętrznego budynku i wysokości ogrodzenia wokół działki. Bardzo dokładnie przedstawiono także lokalizację studni przydomowych. W planie zagospodarowania nie ustosunkowano się do czasu pobytu właścicieli na działkach, dlatego po spełnieniu wszystkich warunków zawartych w planie zagospodarowania, na danym terenie powstało osiedle domków jednorodzinnych na pobyt stały, które w świetle prawa figurują jako domki letniskowe.

Sytuacja nie byłaby problematyczna, gdyby nie fakt, że osiedle nie zostało podłączone do kanalizacji i wodociągów. Każde gospodarstwo na terenie swojej działki ma wykopaną studnie o głębokości nie większej niż 30 m, co pozwala na korzystanie z ujęcia bez wyznaczania terenów ochrony pośredniej i bezpośredniej wody. Po wprowadzeniu inwestycji do użytku okazało się, że kilka sąsiadujących ze sobą gospodarstw ma wspólny problem, jakim jest silny zapach siarkowodoru ulatniającego się z instalacji wodociągowej. Mieszkańcy zmuszeni zostali do przywożenia wody do spożycia w baniakach, jednak nie zmieniało to faktu, że woda zanieczyszczona siarkowodorem używana była nadal do celów gospodarczych.

Jest to jedna z sytuacji, kiedy w świetle prawa niewiele można zdziałać. Opisane działki rozpatrywane są jako letniskowe, więc nie przewiduje się, że właściciele będą przebywać tam na stałe i użytkować wodę jak w normalnym gospodarstwie domowym. Dodatkowo siarkowodór nie został zdefiniowany jako substancja niepożądana w rozporządzeniu dotyczącym jakości wody; nawet gdyby tak się stało, to zgodnie z rozporządzeniem, za jakość wody pochodzącej z prywatnych ujęć wody zaopatrujących mniej niż 50 osób lub dostarczających mniej niż średnio 10 m³ wody na dobę odpowiedzialni są właściciele. Jest to więc sytuacja, kiedy użytkownicy muszą samodzielnie zatroszczyć się o odpowiednią jakość wody. W takim przypadku, jeżeli sami o kwestiach poboru, dystrybucji i uzdatniania wody nie mają pojęcia, zmuszeni są skorzystać z pomocy komercyjnych firm.

W rozpatrywanym gospodarstwie jednorodzinnym już przy pierwszej wizji lokalnej zauważyć można było błędy w zainstalowanym systemie. Studnia została wykonana w miejscu innym, niż zostało to przewidziane w Miejscowym Planie Zagospodarowania Terenu, nie posiadała części nadziemnej – jej pokrywa położona została równo z poziomem terenu, co skutkuje tym, że wszelkie zanieczyszczenia z zewnątrz mogą dostawać się do środka razem z wodami opadowymi.

Kolejnym zauważalnym błędem był rodzaj zainstalowanego systemu uzdatniania wody. W ramach diagnostyki systemu wykonano badania fizykochemiczne i mikrobiologiczne wody przed i po uzdatnianiu. Stwierdzono, że woda jest mikrobiologicznie czysta, a w składzie chemicznym jedynie stężenie żelaza zostało przekroczone. Zainstalowano więc system zmiękczania wody, chociaż twardość wody wcale nie przekraczała zakresu normy. Na skutek jego działania skład wody zmienił się na przybliżony do składu wody destylowanej. Nie jest to pożądane zjawisko i gdyby mieszkańcy spożywali tę wodę, mogłoby dojść do poważnych niedoborów w ich organizmach. Prawdopodobnie w trakcie instalowania systemu uzdatniania sprawność urządzeń została ustawiona przez instalatorów na maksymalną.

Zapach siarkowodoru w wodzie był wyczuwalny już w studni. Świadczy to o tym, że zanieczyszczenie siarkowodorem jest spowodowane warunkami naturalnymi i w przewodach nie dochodzi do stagnacji wody. Mimo to właściciele gospodarstwa w trakcie instalacji urządzeń nie zostali poinformowani przez nikogo o istniejącym problemie oraz konieczności zainstalowania odpowiednich urządzeń [8].

2.3. Proponowane rozwiązania

W ramach modernizowania systemu i rozwiązania istniejącego problemu rozważano wiele możliwości dostępnych na rynku. Obecnie komercyjne firmy oferują filtry oraz napowietrzacze, które skutecznie pozwalają usunąć niepożądany siarkowodór, a przy okazji obniżyć stężenie żelaza i manganu w wodzie.

W analizowanej instalacji na początku rozpatrywano zainstalowanie napowietrzacza inżektora przed systemem zmiękczania wody. To proste urządzenie, którego głównym celem jest odżelazianie wody, a efektem dodatkowym jest także wydzielenie wolnych gazów zawartych w wodzie, w tym siarkowodoru. Dodatkowo obniżenie zawartości żelaza w wodzie byłoby efektem pożądanym, ponieważ jego wartość pozostawała nadal nieznacznie przekroczona. Woda przepływając przez inżektor natrafia na przewężenie, gdzie następuje wzrost prędkości i spadek ciśnienia. Przy odpowiednim spadku ciśnienia pojawia się podciśnienie, które powoduje zasysanie powietrza z zewnątrz. Takie rozwiązanie wymaga urządzenia odpowietrzającego. Jego zaletą jest brak problemu z regulacją zasysanego powietrza; im większy strumień, tym większe tworzy się podciśnienie, a tym samym zasysane jest więcej powietrza. Należy zwrócić jedynie uwagę na odpowiedni dobór wielkości urządzenia. Niemniej, po zassaniu powietrza pojawia się problem z jego odprowadzeniem. Konieczne jest zainstalowanie zbiornika hydroforowego. Efektywność napowietrzania w tym wypadku zależy od czasu kontaktu wody z powietrzem, a więc długości odcinka między inżektorem a zbiornikiem. Niestety, system ten sprawdza się najlepiej, kiedy przepływ jest stały. W tym przypadku pompa załącza się i wyłącza zależnie od zapotrzebowania na wodę.

Alternatywą dla systemu z inżektorem jest system ze sprężarką. Składa się on ze zbiornika hydroforowego oraz sprężarki zainstalowanej przed zbiornikiem. Pompa wyczuwa zmiany ciśnienia w rurociągu i reaguje na to załączając się i dozując powietrze z wydajnością dostosowaną do ciśnienia panującego w instalacji. Na następnym etapie woda wpływa do zbiornika hydroforowego, gdzie powietrze razem z siarkowodorem ulatnia się. Nadmiar powietrza jest odprowadzany za pomocą króćca odpowietrzającego znajdującego się w hydroforze. W trakcie napowietrzania rozpuszczone związki żelaza Fe(II) i manganu Mn(II) utleniane są do nierozpuszczalnych w wodzie związków Fe(III) i Mn(IV). Dlatego, za hydroforem zainstalowany być musi odżelaziacz, który będzie te związki usuwał z wody. Taki system oczyszczania rozwiąże problem obecności siarkowodoru w wodzie, ale także odciąży stacje zmiękczania wody. W trakcie projektowania stwierdzono, że w pomieszczeniu przeznaczonym do umieszczenia systemu uzdatniania wody nie ma miejsca na umieszczenie potrzebnych urządzeń.

Ze względu na małą przestrzeń do zagospodarowania na rzecz systemu uzdatniania, należy znaleźć rozwiązania możliwie najbardziej kompaktowe. Kolejną rozpatrywaną możliwością jest odżelaziacz na złożu GreensandPlus. Jest to rozwiązanie stosowane do usuwania z wody żelaza, manganu, arsenu, radu oraz siarkowodoru. Odżelaziacz wypełniony jest złożem w czarnym kolorze, pokrytym dwutlenkiem manganu, który działa jako katalizator w reakcji redoks żelaza i manganu. Dodatkowo złoże posiada krzemionkowy rdzeń, który pozwala na uzdatnianie również wody ubogiej w krzem, twardej lub zawierającej substancje rozpuszczone. Filtr ten jest odporny na wysokie temperatury oraz skoki ciśnień, co pozwala na dłuższe użytkowanie. Złoże regenerowane jest nadmanganianem potasu [9]. Nieprawidłowe przeprowadzenie tego procesu może zaburzyć prawidłową pracę w planowanej przydomowej oczyszczalni ścieków lub spowodować degradację gleby, do której oczyszczone ścieki zostaną odprowadzone drenażem [8]. W trakcie poszukiwań możliwego urządzenia natrafiono na rozwiązanie O₂Xydalizer. Urządzenie to łączy napowietrzacz oraz filtr, dzięki czemu zajmuje mniej miejsca, jest łatwiejsze w użyciu oraz gwarantuje skuteczne oczyszczanie wody. O₂Xydalizer posiada komorę sprężonego powietrza, która jest integralną częścią systemu przyspieszającego proces utleniania, zwłaszcza manganu. Woda, wpływając do zbiornika, w pierwszej fazie spotyka się ze sprężonym powietrzem, gdzie zostaje nasycona tlenem, co znacznie przyspiesza proces utleniania, w tym także siarkowodoru, do nierozpuszczalnych związków siarki. Złoże Birm zastosowane w urządzeniu pełni funkcję katalizatora, przyspieszając procesy utleniania, a także wyłapuje utlenione cząstki nierozpuszczalne w wodzie i odfiltrowuje je z wody [8]. Według danych udostępnionych przez producenta, maksymalne stężenie siarkowodoru w wodzie wynosi 5 mg/l, żelaza 15 mg/l i manganu 2 mg/l [8].

3. Podsumowanie

W artykule przeanalizowano możliwe przyczyny obecności siarkowodoru w wodzie, a także dostępne na rynku urządzenia do jego usunięcia. Spośród wszystkich możliwych rozwiązań wybrano trzy najatrakcyjniejsze dla danej sytuacji i rozpatrzono je pod względem technicznym.

Woda jest jednym z decydujących czynników rzutujących na zdrowie naszego organizmu. Nieuzdatniona może być przyczyną wielu chorób i zatruć. Urządzenia do jej uzdatniania mogą okazać się dość kosztowne, jednak warto się o nie zatroszczyć i zadbać, aby zostały dobrane w sposób kompetentny. W ostatecznym rozrachunku każdy odpowiedzialny jest za własne zdrowie.

4. Literatura

[1] Bambrowicz J.: Wpływ siarkowodoru na organizm człowieka, 2018.

[2] Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 11 grudnia 2017 r. w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi (Dz. U. 2017 poz. 2294).

[3] Stetkiewicz J.: Siarkowodór. Podstawy i Metody Oceny Środowiska Pracy 2011, nr 4.

[4] The United States Department of Labor – OSHA. https://www.osha.gov/SLTC/hydrogensulfide/hydrogensulfide_found. html.

[5] Hydrogen Sulf ide: Human Health Aspects. WHO, Geneva, 2003. http:// www.who.int/ipcs/publications/cicad/ en/cicad53.pdf.

[6] Informator PSH Główne Zbiorniki wód podziemnych w Polsce. Państwowy Instytut Geologiczny, Państwowy Instytut Badawczy, Warszawa 2017.

[7] Karta Informacyjna JCWPd nr 60. Państwowy Instytut Geologiczny – Pastwowy Instytut Badawczy. Dostępne na stronie: https://www.pgi.gov.pl/psh/ zadania-psh/8913-zadania-psh-jcwpd. html#60-79.

[8] Bambrowicz J.: Modyfikacja systemu uzdatniania wody do picia zainstalowanego w wybranym gospodarstwie jednorodzinnym. Politechnika Poznańska 2018.

[9] http://bluewater 24.pl/odzelaziana-zlozu-greensand-plus-esp-130fa-p-232. html.

mgr inż. Zofia Kiersnowska inż. Joanna Bambrowicz

dr inż. Dobrochna Ginter-Kramarczyk dr inż. Izabela Kruszelnicka

Politechnika Poznańska, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska, Instytut Inżynierii Środowiska

…

Źródło: Technologia Wody 5/2018