Zastosowanie mobilnego systemu płukania i dezynfekcji sieci wodociągowej i jego wpływ na bezpieczeństwo dostaw wody

Ozon, jako jeden z najsilniejszych utleniaczy, jest powszechnie wykorzystywany w wysokoefektywnych procesach uzdatniania wody. Niemniej jednak, właściwości ozonu jako silnego utleniacza, krótki czas reakcji, a także brak generowania ubocznych produktów szkodliwych dla człowieka i środowiska oraz silne własności destrukcyjne w odniesieniu do mikroorganizmów, to walory, które pozwoliły na aplikację tego czynnika w procesach operacyjnych eksploatacji systemu dystrybucji wody. W artykule przedstawiono efekty zastosowania ozonu do miejscowej eliminacji mikroorganizmów z sieci wodociągowej, poprzez stosowanie mobilnych urządzeń do ozonowania.

1. Wstęp

Postulaty zawarte w europejskiej inicjatywie obywatelskiej Right2Water, odnoszące się do obowiązku państw UE zapewnienia ich mieszkańcom prawa do wody zdrowej i czystej oraz do informacji o jej jakości i zagrożeniach zdrowotnych, to kluczowe wykładniki zapewnienie bezpieczeństwa dostaw wody, stanowiące główny cel nowelizowanej Drinking Water Directive [1]. Bezpieczeństwo dostaw wody o wysokiej jakości, niezależnie od czynników wewnętrznych i zewnętrznych eksploatacji systemów zaopatrzania w wodę (SZW), wymaga przede wszystkim podejmowania działań w celu zapobiegania wystąpieniu zdarzeń mających związek z utratą ciągłości dostaw wody. Wysoka gwarancja dostawy wody do jej odbiorców, to z jednej strony wysokoefektywne procesy technologiczne jej uzdatniania, z drugiej zaś, utrzymanie sprawności funkcjonowania sieci wodociągowej. Niezawodność funkcjonowania sieci wodociągowej to nie tylko ograniczanie awarii, optymalizacja parametrów hydraulicznych jej pracy ale podejmowanie działań mających na celu zabezpieczenie dostaw wody przed wtórnym jej zanieczyszczeniem, w tym mikrobiologicznym. Jednym z działań zabezpieczających wodę w sieci wodociągowej jest zapewnienie biologicznej stabilności wody w procesach uzdatniania oraz jej skuteczna dezynfekcja [2‑4]. Pomimo realizacji tych procesów, eksploatacja przewymiarowanych sieci wodociągowych (transport wody na długie odległości, zmniejszenie rozbiorów, małe prędkości przepływów, występowanie biofilmu) generuje źródła zagrożenia mikrobiologicznego skażenia wody.

Dezynfekcja chlorem sieci wodociągowej, to działania mające na celu likwidację zanieczyszczenia mikrobiologicznego. Proces ten dokonywany jest najczęściej przy użyciu podchlorynu sodu (NaClO) o stężeniu 14,5% w ilości pozwalającej na uzyskanie stężenia chloru wolnego na poziomie 50 g/m³ i trwa co najmniej 2 doby. Ponadto, każdorazowe opróżnianie sieci wymaga dechloracji wody, ze względu na ryzyko skażenia środowiska. Metoda ta obarczona jest wieloma wadami, z których najistotniejsze to:

• wysoki wskaźnik C×T;
• brak skuteczności w odniesieniu do niektórych mikroorganizmów (np. Cryptosporidium, Giardia, Protozoa);
• powstawanie toksycznych, ubocznych produktów dezynfekcji;
• konieczność stosowania dechloracji po procesie.

Uwzględniając powyższe fakty, a także konieczność zapewnienia bezpieczeństwa dostaw wody przy jednoczesnym minimalizowaniu negatywnych sutków zaistniałych zagrożeń, w 2005 roku w Stanach Zjednoczonych opatentowano metodę dezynfekcji sieci wodociągowej z wykorzystaniem ozonu [5], która pomimo niewątpliwych zalet, jak dotąd nie została zastosowana w warunkach polskich. Tymczasem ozon jest zaliczany do najskuteczniejszych znanych substancji dezynfekcyjnych o najwyższym potencjale utleniającym. Dzięki jego własnościom, zastosowanie ozonu w procesach oczyszczania wody jest często jedynym i najbardziej efektywnym rozwiązaniem dla zapewnienia wysokiej jakości produktu. W praktyce ozonowanie w eksploatacji układów technologicznych uzdatniania wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi prowadzi się jako wstępny i pośredni proces utleniania, który nie tylko katalizuje zachodzące w wodzie reakcje chemiczne, ale również, na skutek depolaryzacji koloidów, wspomaga aglomerację cząstek, zwiększając efektywność zarówno koagulacji jak i filtracji. Ponadto, znalazł on zastosowanie w usuwaniu innych zanieczyszczeń, takich jak żelazo, mangan, związki azotu, fenole, detergenty, pestycydy, farmaceutyki czy hormony [6‑10]. Oprócz tych zanieczyszczeń chemicznych, ozon coraz częściej stosowany jest w procesach mikrobiologicznego uzdatniania wody, co z jednej strony zwiększa skuteczność poprawy organoleptycznych własności wody (uciążliwy zapach, smak i barwa wody), z drugiej zaś, znacząco wpływa na redukcję stosowanych dezynfekantów chemicznych, pozwalając na uzyskanie wody stabilnej biologicznie [11, 12].

2. Mobilny system płukania i dezynfekcji SPID

W 2016 roku Jaworznickie Wodociągi wdrożyły mobilny system dezynfekcji sieci z zastosowaniem urządzenia do płukania SPID, wykorzystującego ozon jako dezynfekant. Ozonatorka SPID pracuje w układzie automatycznym, zamontowana jest na zabudowie samochodowej, pozwalającej na sprawne przemieszczanie urządzenia do dowolnych miejsc występowania skażenia mikrobiologicznego wody w sieci wodociągowej. Wydajność nominalna systemu waha się od 1,5 do 2,5 m³/h. System ozonowania SPID (rys. 1) składa się z kilku jednostkowych elementów technologicznych zapewniających zarówno wyprodukowanie ozonu w miejscu jego aplikacji do sieci wodociągowej (moduł wytwarzania ozonu z powierza w blokach plazmatycznych), jak i modułu wprowadzania ozonu do wody.

Elementy składowe modułowego urządzenia SPID, to układy (rys. 1):

• mieszania statycznego,
• odgazowaniaw kolumnie przetrzymania,
• przygotowania wody w kolumnie kontaktowej (utleniania),
• wytwarzania tlenu z otaczającego powietrza,
• wytwarzania ozonu w blokach plazmatycznych,
• utrzymania wymaganego nadciśnienia w urządzeniu,
• destrukcji ozonu wraz z układem przedmuchu ozonu nadmiaro­wego,
• bezpieczeństwa (pułapka wodno-gazowa),
• wprowadzania ozonu do wody,
• pompowy (wody wysokoozonowanej),
• mycia (mycie i odkażanie lancą z przewodem),
• sterowania automatycznego wyposażony w panel wyświetlający parametry operacyjne wszystkich procesów,
• I pomiarowy ozonu resztkowego w wodzie,
• II pomiarowy ozonu w powietrzu.

3. Zasada pracy systemu SPID

Ozon (rys. 1) wytwarzany jest przez generator ozonu (1Z-WO80F-GT) z tlenu produkowanego z powietrza w wytwornicy tlenu (Topaz Plus). Wygenerowany ozon doprowadzany jest ciśnieniowo do separatora ozonu, wyposażonego w trójstopniowy system zabezpieczeń ozonatora przed zalaniem wodą. Trójstopniowy system osłony stanowi zespół współpracujących ze sobą zabezpieczeń obejmujących:

• I stopień – zawór zwrotny w inżektorze;
• II stopień – zawór zwrotny bezpośrednio przed separatorem;
• III stopień – separator uzbrojony w sondę konduktometryczną współpracującą z szybkim zaworem elektrycznym (ZEO1) odcinającym dopływ ozonu w sytuacjach awaryjnych.

Ozon z separatora zasysany jest podciśnieniowo przez inżektor, w wyniku przepływającej przez niego wody. Dochodzi w nim do pierwszego, wstępnego, wymieszania ozonu z wodą pochodzącą z drugiej kolumny kontaktowej (ZB2), która jest kierowana do poszczególnych elementów modułu wprowadzania ozonu do wody pompą obiegową (PA). Wstępnie zaozonowana w inżektorze woda zostaje wtłoczona poprzez mieszacz statyczny do przewodu zasilającego pierwszą kolumnę kontaktową (ZB1), w której następuje dokładne jej wymieszanie z wodą surową.

W kolumnach kontaktowych zachodzą reakcje nasycenia wody ozonem. Desorbujący z wody nadmiar gazu w postaci tlenu i ozonu odgazowany jest w drugiej kolumnie (ZB2), a następnie zostaje on odprowadzony na zewnątrz przez destruktor ozonu (DN 350). Dalej, wysoko ozonowana woda pompowana jest pompą (P1) do wybranego odcinka sieci dystrybucji wody w celu dezynfekcji lub płukania. Stężenie ozonu w wodzie doprowadzanej do sieci wodociągowej w celach dezynfekcji waha się przeciętnie w granicach od 0,5 mg O₃/dm³ do 2,0 mg O₃/dm³, w zależności od wymaganych efektów utrzymania i obsługi sieci wodociągowej.

Z uwagi na fakt, iż ozon jest silnym utleniaczem, oraz że proces jego generowania związany jest z występowaniem licznych zagrożeń, dlatego dla bezpiecznego wykorzystania systemu SPID w procedurach eksploatacyjnych sieci wodociągowej konieczne jest przestrzeganie wszystkich procedur oraz kontrolowanie poprawności wydzielonych etapów funkcjonowania, obejmujących:

• podłączenie destruktora ozonu do systemu wywiewnego gazu nadmiarowego (WT1) z kolumn kontaktowych;
• podpięcie systemu SPID do źródła czystej wody przez zawór (ZE1), którym może być woda z hydrantu lub z zewnętrznego źródła zasilania (np. beczkowóz);
• podłączenie zasilania elektrycznego;
• podłączenie wyjścia wody do celów dezynfekcyjnych za pomocą węży strażackich przez zawór (Z2);
• ustawienie rotametrów i zaworów w celu ustabilizowania przepływów i wydajności urządzenia;
• weryfikacja zadanej dawki ozonu;
• weryfikacja przepływu na wodomierzu (W1) w celu utrzymania wymaganego stężenia ozonu w wodzie;
• tłoczenie wody z ozonem do odcinka sieci wodociągowej celem jego dezynfekcji oraz zapewnienie możliwości zrzutu wody do pobliskiej kanalizacji lub urządzenia odwadniającego;
• badanie ozonu resztkowego na wypływie – skuteczność procesu gwarantowana jest stężeniem ozonu na końcówce przewodu na poziomie 0,1÷0,3 mg O₃/dm³;
• pobranie próby do badań laboratoryjnych mikrobiologicznych i parametrów chemicznych, celem oceny skuteczności procesu.

W celu uzyskania jak najlepszych efektów dezynfekcji wody w sieci, należy indywidulanie dobrać czas trwania procesu, który jest determinowany zarówno średnicą przewodu, jak i jego długością. Zastosowanie urządzenia mobilnego SPID w codziennej pracy, dzięki zautomatyzowaniu układu i ścisłej konfiguracji poszczególnych procesów jednostkowych, umożliwia znaczne ograniczenie liczby pracowników obsługi systemu dystrybucji wody.

4. Metodyka badań i dyskusja wyników

Skuteczność dezynfekcji sieci wodociągowej za pomocą mobilnego systemu ozonowania SPID oceniono na podstawie badań prowadzonych na odcinku nowo wybudowanej sieci włączanej do systemu dystrybucji wody miasta Jaworzna. Badania prowadzono w październiku 2017 roku w dzielnicy Byczyna, gdzie realizowano inwestycję przebudowy sieci wodociągowej o średnicach z zakresu od 225 do 80 PE wraz z przyłączami. Przedmiotem przeprowadzonych badań był odcinek sieci z tworzywa sztucznego PE w ul. Leńskiego o średnicy 110 mm i długość 100 m (rys. 2), który przed przystąpieniem do dezynfekcji ozonem, został przepłukany wodą wodociągową z pobliskiego hydrantu.

Badania jakości wody wykonano zgodnie z rekomendowanymi procedurami analitycznymi:

• bakterie grupy coli –PN-EN ISO 9308-2:2014-06,
• Escherichia coli –PN-EN ISO 9308-2:2014-06,
• Enterokoki –PN-EN ISO 7899-2:2004,
• Clostridium perfringens(łącznie ze sporami) –PB-28 Edycja 02/11.01.2010,
• mangan –PB-06 Edycja 01/25.03.2010,
• mętność –PN-EN ISO 7027:2003 pkt. 6,
• OWO i RWO –PN-EN 1484:1990,
• bromiany –PN-EN ISO 15061:2003.

Ozon w wodzie oznaczany był metodą fotometryczną (kolorymetr DR 890) z wykorzystaniem ampułek AccuVac (zakres pomiaru 0,01-1,5 mg O₃/dm³) firmy Hach.

Po przepłukaniu rurociągu pobrano próbkę wody do laboratoryjnych badań jej jakości (tab. 1), a następnie rurociąg poddano dezynfekcji ozonem dawką 1,48 mg O₃/dm³ za pomocą urządzenia SPID pracującego z wydajnością 3 m³/h. Rurociąg napełniano zaozonowana wodą w układzie przepływowym przez 30 min, co pozwoliło na pełną wymianę wody w rurociągu i uzyskanie stężenia ozonu na wypływie na poziomie 0,92 mg O₃/dm³. Badania prowadzono przez 5 h, pobierając wodę do badań po: 1 h, 1,5 h, 4 h i 5 h. W wodzie oznaczano: parametry mikrobiologiczne, indeks nadmanganianowy, OWO, RWO oraz bromiany i ozon (tab. 1).

Przeprowadzone testy pokazały, że w ciągu pierwszej godziny od wtłoczenia zaozonowanej wody do skażonej sieci (bakterie grupy coli – 816 NPL/100 ml, E. coli – 3 NPL/100 ml, Clostridium perfingens – 100 jtk/100 ml oraz Enterokoki – 3 jtk/100 ml) otrzymano szybki efekt redukcji parametrów mikrobiologicznych w postaci 98-procentowego zmniejszenia liczby bakterii grupy coli. Pozostałe parametry mikrobiologiczne, takie jak Clostridium, Esherichia coli, Enterokoki zostały zredukowane w 100%. Na tak krótki i skuteczny czas dezynfekcji miała wpływ zastosowana dawka ozonu wprowadzanego do wody.

Zawartość ozonu w wodzie podczas prowadzonych badań systematyczne spadała, uzyskując po 5 h stężenie na poziomie 0,06 mg O₃/dm³.

5. Wnioski

Przeprowadzone wstępne badania efektu technologicznego wykorzystania mobilnego urządzenia SPID do płukania i dezynfekcji sieci wodociągowej wykazały istotne ograniczenie zagrożeń dla konsumenta, szczególnie pod kątem zanieczyszczeń mikrobiologicznych w dostarczanej wodzie. Efekt ten uzyskano dzięki wielokrotnemu skróceniu efektywnego czasu dezynfekcji do 1,5÷2,0 h w odniesieniu do powszechnie stosowanych związków chloru (2÷1,5 doby).

Stężenie początkowe ozonu na poziomie ok. 1,5 mg O₃/dm³ przy przepływie 2÷3 m³/h wody pozwala na uzyskanie pierwszych efektów dezynfekcji już po 60 min pracy systemu przy jednoczesnym braku efektów ubocznych dezynfekcji (brak powstawania bromianów),

Z uwagi na zawartość ozonu resztkowego w odpływie na poziomie 0,06 mg O₃/dm³, badana metoda winna być w pełni akceptowalna zarówno przez konsumenta jak i organy nadzoru.

6. Literatura

[1] http://ec.europa.eu/info/law/better-regulation/initiatives/com-2017-753.

[2] Nawrocki J., Biłozor S.: Uzdatnianie wody. Procesy chemiczne i biologiczne. Wyd. Naukowe PWN, Warszawa 2000.

[3] Zimoch I., Łobos E.: The optimization of chlorine dose in water treatment roces in order to reduce the formation of disinfection by-products. Desalination and Water Treatment 2014, vol. 52, no. 19/21, s. 3719-3724.

[4] Zimoch I.: Bezpieczeństwo działania systemu zaopatrzenia w wodę w warunkach zmian jakości wody w sieci wodociągowej, Ochrona Środowiska 2009, vol. 31, nr 3, s. 51-55.

[5] Schulz Ch.R., Lohman S.R.: Method and apparatus for ozone disinfection of water supply pipelines: US 2005024963, Filed: Feb. 25, 2005.

[6] Oturan M.A., Aaron J.-J.: Advanced Oxidation Processes in Water/Wastewater Treatment: Principles and Applications. A Review. J. Critical Reviews in Environmental Science and Technology 2014, vol. 44, no 23, p. 2577-2641.

[7] Zimoch I., Natonek J.: Ozon jako jeden z czynników wpływających na bezpieczeństwo dostaw wody. Aktualne zagadnienie w uzdatnianiu i dystrybucji wody. Wyd. Politechnika Śl. Instytut Inzynierii Wody i Ścieków, vol. 6., Gliwice, 2017, ss. 263-278.

[8] B. Langlais, D.A.: Ozon in Water Treatment, Aplication and Engineering. Lewis Publishers, Boca Raton, USA 1991.

[9] Zimoch I., Natonek J.: Wykorzystanie ozonu do podnoszenia bezpieczeństwa eksploatacji sieci wodociągowej. Instal 2017, nr 5.

[10] Broseus R. et al.: Ozone oxidation of pharmaceuticals, endocrine disruptors and pesticides during drinking water treatment. Water Research 2009, vol. 43, no 18, p. 4707-4717.

[11] Van der Kooij D. et al.: Distributing drinking water with a low of zero disinfectant residua, operational and biological aspect. UKWIR, London 2003.

[12] Smeets P. et al.: Dutch secret: How to provide safe drinking water without chlorine in the Netherlands. Drinking Water Engineering and Science 2009, nr 2, ss. 1-14.

dr hab. inż. Izabela Zimoch prof. PŚl, Politechnika Śląska, Instytut Inżynierii Wody i Ścieków

mgr inż. Józef Natonek, Wodociągi Jaworzno Sp. z o.o.

…

Źródło: Technologia Wody 4/2018