Żelazo w wodzie podziemnej. Problemy techniczne i eksploatacyjne związane z jego występowaniem na wybranych przykładach.

1. Formy występowania żelaza w wodzie surowej

Żelazo i mangan to wskaźniki bodaj najbardziej kojarzone z jakością wód podziemnych. Właściwie mówiąc o ujęciach głębinowych w pierwszej kolejności zwraca się uwagę na zawartość tych dwóch pierwiastków.

Żelazo występuje w wodzie w postaci rozpuszczonej Fe⁺². W takiej formie nie jest w ogóle „zawuażlane” – woda zawierająca żelazo dwuwartościowe jest przejrzysta, nie wykazuje oznak zawartości tego wskaźnika. Jednakże bardzo łatwo przekształcić żelazo (II) w widoczne, w postaci kłaczków (mętności) żelazo (III) – poprzez napowietrzanie.

Jedynym, co charakterystyczne dla Fe(II) – czyli rozpuszczonego w wodzie żelaza – to zapach. Specyficzny, metaliczny – po prostu żelazisty.

Żelazo nie jest wskaźnikiem, którego obecność w wodzie generuje znaczne zagrożenie zdrowotne. Wytyczne WHO ws jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi, podają, że norma żelaza jest tak naprawdę ustalona ze względów organoleptycznych. Światowa Organizacja Zdrowia nie proponuje zalecanej wartości opartej na kryterium bezpieczeństwa dla zdrowia.

Żelazo obecne w wodzie wpływa bowiem na jej smak, zapach oraz przyczynia się do powstania zacieków na armaturze, powstawania osadów w rurociągach czy też powoduje przebarwienia wody, szczególnie wskutek zerwania się nagromadzonych osadów żelazowych. Zatem znaczenie żelaza jest głównie gospodarcze i techniczne.

Wytrącające się z wody tlenki Fe(III) wpływają jednak na akceptowalność wody poprzez zmianę mętności czy barwy. Jak zaznacza w swoich wytycznych WHO: „Wygląd, smak i zapach wody do picia powinien być akceptowalny przez konsumenta. Woda, która ze wzgledów estetycznych nie jest aprobowana może skłaniać konsumentów do korzystania z wody pochodzącej ze źródeł bardziej akceptowalnych pod względem estetycznym, ale potencjalnie mniej bezpiecznych.”

Obserwacje pokazują, że pierwiastek ten ma tendencję do tworzenia osadów już przy stężeniu  powyżej 50 μg/L. Jak wiadomo na chwilę obecną norma to 200 μg/L. Zatem nawet usunięcie żelaza do poziomów zgodnych z normą nie gwarantuje tworzenia się osadów żelazowych w rurociągach. Przez lata dopuszczalne były znacznie wyższe wartości wskaźnika w wodzie przeznaczonej do picia. Spowodowało to wykształcenie w wielu wodociągach znacznej miąższości osadów, które wskutek zmian kierunków i intensywności przepływu, lub też podczas awarii po prostu się zrywają, odpowiadając za efekt rdzawej wody.

Negatywne skutki podwyższonych wartości żelaza w wodzie kierowanej do sieci wodociągowej, instalacji wewnętrznych i użytkowych będą zatem odpowiedzialne za:

• tworzenie osadów żelazowych (wytrącony w rurociągach wodorotlenek żelaza)
• zrywanie wykształconych osadów żelazowych (zmiany kierunków przepływu, awarie, gwałtowny wzrost prędkości przepływu wody w rurociągach),
• rozwoju mikroorganizmów w osadach żelazowych (z uwagi na swoją porowatość osady żelazowe mogą stanowić dobre środowisko dla rozwoju organizmów  – szczególnie dotyczy to ogólnej liczby mikroorganizmów w temp. 22 st C, ale także organizmów wyższych jak wrotki, czy orzęski),
• tworzenie nalotów tlenków żelaza na instalacjach, armaturze (rdzawe, trudno usuwalne naloty)
• zabarwienia prania,
• w układach np. z podlewaniem (szczególnie kropelkowym) wytrącanie osadów i zapychanie przewodów,
• brak akceptowalności wody wskutek podwyższonej mętności, barwy, zapachu czy też smaku.

Decydującym czynnikiem o rodzaju ujemnych skutków podwyższonej zawartości żelaza w sieci wodociągowej (i dalej w instalacjach wewnętrznych) jest ilość żelaza oraz forma jego występowania.

2. Tworzenie osadów żelazowych w rurociągach. Problemy eksploatacyjne

Ciekawym aspektem jest tworzenie się osadów żelazowych w urządzeniach technologicznych i rurociągach czy to na SUW czy w sieci wodociągowej. Jak zaznaczono wcześniej w normalnych warunkach – tzn. w przypadku obecności tlenu żelazo rozpuszczone Fe(II) zawarte w ujmowanej wodzie, ma tendencję do wytrącania się. Nietrudno znaleźć przykłady z wielu wodociągów w kraju, w których zaobserwowano wykształcenie znacznej miąższości osadów. Trzeba jednak wyraźnie podkreślić, że zjawisko to jest szczególnie intensywne w sytuacji gdy w wodzie znajduje się żelazo (II) oraz tlen. Tworzenie osadu z Fe(III) – czyli żelaza już wytrąconego, jest znacznie trudniejsze. Poza tym wykształcone osady mają zupełnie inną strukturę (zazwyczaj są znacznie łatwiej usuwalne).

Problem tworzenia osadów na SUW można zauważyć w układach uzdatniania wody szczególnie na odcinkach pomiędzy aeratorami (kaskadami), a filtrami. Woda surowa zawierająca żelazo rozpuszczone, zostaje napowietrzona, a żelazo przekształcone w Fe(III), wytrącające się i tworzące osad.

Jest to problem eksploatacyjny. Dotyczy nie tylko odcinków pomiędzy aeratorami, a filtrami, ale również samych aeratorów, czy też komór reakcji, a w układach z napowietrzaniem otwartym, w których woda następnie jest przepompowywana na filtry pomp przewałowych (zwanych również międzystopniowymi czy też operacyjnymi).

Co ważne utlenienie żelaza nie wymaga dużych ilości tlenu. Obliczenia stechiometryczne wskazują na ok 0,14 mgO₂ na każdy 1,0 mgFe(II). Dla porządku należy dodać, że potencjał utleniania żelaza tlenem (jak i każdym innym utleniaczem), zależy w dużej mierze od odczynu wody. Im wyższy odczyn, tym niższy potencjał utleniania (łatwiej utlenić żelazo).

Tlen oczywiście nie jest jedynym utleniaczem, który doprowadza do przekształcenia żelaza rozpuszczonego w wytrącone. Spośród stosowanych w technologii uzdatniania wody utleniaczy wyróżnić należy (wymienione od najwyższego potencjału utleniania):

• ozon,
• dwutlenek chloru
• chlor (dozowany w postaci chloru gazowego lub podchlorynu)
• nadmanganian potasu

Każdy z wymienionych wyżej związków wprowadzony do wody rozpoczyna reakcje utleniania. Bez względu jednak na rodzaj utleniacza użytego w procesie efektem końcowym jest wodorotlenek żelaza, tworzący wspomniane osadu, stanowiące uciążliwość eksploatacyjną i użytkową.

Tworzące się w wyniku reakcji żelaza z tlenem osady regularnego usuwania ponieważ ograniczają przepustowość rurociągów i sprawność urządzeń. Osad żelazowy będzie tworzył się, natychmiast gdy żelazo dwuwartościowe będzie miało kontakt z tlenem, bez względu na miejsce układu uzdatniania wody. Czas reakcji utleniania jest jednak charakterystyczny dla danej wody (zależny od formy żelaza, odczynu itp.).

Najczęściej osady żelazowe obserwuje się:

• w studniach głębinowych – szczególnie jeśli do studni trafia woda natleniona (problem dotyczy szczególnie płytkich studzien głębinowych, lub studzien eksploatowanych ze zbyt dużą wydajnością w stosunku do warunków technicznych i hydrogeologicznych) – w takim przypadku będzie postępowało stopniowe zarastanie filtra studziennego i utrata sprawności studni głębinowej
• w rurociągach wody surowej – jeśli do rurociągu dostaje się powietrze (w sposób ciągły, przez nieszczelności działające jak mikroinżektory) lub też gdy do rurociągu dostają się wody zawierające tlen (czy to z wody surowej, wskutek mieszania różnego rodzaju wód) wówczas zachodzą reakcje wytrącania żelaza i tworzy się osad – rurociąg intensywnie zarasta,
• w aeratorach, kaskadach – jako miejscu najbardziej narażonym na wytrącanie żelaza, ze względu na fakt, iż w tym urządzeniu żelazo dwuwartościowe Fe(II) reaguje z wprowadzonym wraz  z powietrzem tlenem i wytrąca się wodorotlenek żelaza,
• w komorach reakcji – gdzie wskutek odpowiednio długiego czasu przetrzymania zachodzi reakcja utleniania żelaza i wytrąca się osad (jego ilość jest proporcjonalna do zawartości żelaza w wodzie surowej oraz do czasu przetrzymania wody w tychże komorach),
• na pompach przetłaczających wodę napowietrzoną na kolejne stopnie uzdatniania – często obserwuje się zarastanie całych pomp, w niektórych przypadkach w stopniu początkowo powodującym spadek sprawności (przesunięcie charakterystyki powodujące ograniczenie wydajności), a w niektórych przypadkach całkowite unieczynnienie urządzenia; co więcej na niektórych SUW obserwuje się wręcz problemy z uruchomieniem pomp po zbyt długim przestoju (wytrącony osad żelazowy podlega przemianom, które w dużym skrócie i uproszeniu powodują jego utwardzenie),
• w układach doprowadzających wodę napowietrzoną na kolejne stopnie uzdatniania (rurociągi, kanały), gdzie wytrącający się osad żelazowy tworzy osad ograniczający światło przewodu i powodujący spadek wydajności odcinka, lub wzrost ciśnienia.

Należy jednak podkreślić, że czynnikami decydującym o intensywności wytrącania żelaza i tworzenia osadów są:

• ilość żelaza w wodzie surowej,
• czas przetrzymania wody w komorach, aeratorach, rurociągach (im dłuższy, tym więcej osadów jest się w stanie wytrącić, przy czym należy podkreślić, że średnie czasy utlenienia ok 50 % żelaza wynoszą kilkadziesiąt minut)
• obecność już wytrąconych osadów (proces wytrącania jest katalityczny – napędza go już wytworzony osad),
• pozostałe parametry jakości wody (odczyn, zasadowość, obecność substancji organicznych).

W dalszej części artykułu zostaną opisane przypadki z różnych obiektów, na których problem wytrącania żelaza miał istotne znaczenie eksploatacyjne.

Przypadek 1.

Stacja Uzdatniania Wody podziemnej, ujmująca wody o dość specyficznym składzie chemicznym opisanym w tabeli 1.

Jak widać woda surowa cechuje się wyjątkowo niską zasadowością oraz znaczną zawartością żelaza i niskim odczynem.

Co ciekawe w regionie kraju, gdzie ujmowane są tego typu wody, żelazo występuje jako FeSO₄, co przy bardzo niskiej zasadowości i wysokiej zawartości żelaza w tej formie powoduje dość istotne obniżenie po utlenianiu odczynu (na jednym z obiektów obserwowano nawet spadek odczynu < 6,0 pH po przetrzymaniu wody w komorach reakcji, co wymagało stosowania odpowiedniej korekty).

W omawianej SUW ujmowana woda surowa poddawana była napowietrzaniu ciśnieniowemu, a następnie filtracji dwustopniowej. Jednakże układ technologiczny wskutek wielu niedociągnięć nie pozwalał usunąć żelazo do poziomu zgodnego z normą.

Następnie woda uzdatniona, dodatkowo jeszcze okresowo chlorowana po procesie filtracji, przesyłana była ok 2 km odcinkiem rurociągu do zbiorników retencyjnych, skąd dalej wpompowywano ją w sieć wodociągową. Woda od studzien głębinowych do zbiorników retencyjnych tłoczona była pompami głębinowymi.

Eksploatator tego wodociągu skarżył się na stale rosnące ciśnienie wody surowej, z jakim musiał przetłaczać wodę do zbiorników retencyjnych. Należy nadmienić, że przetłaczano ok 30,0 m₃/h wody surowej rurociągiem o średnicy DN 200!

Parametry hydrauliczne układu przedstawiały się następująco:

• dynamiczne lustro wody w studniach głębinowych (lustro podczas pompowania): 5,0 m.p.p.t.
• rzędna terenu w rejonie studni oraz w rejonie zbiornika retencyjnego: identyczna – teren równinny
• wysokość wylotu wody uzdatnionej w zbiorniku retencyjnym – ok 5 m.n.p.t.

Tym samym różnica geometryczna pomiędzy lustrem wody w studni podczas pompowania, a wylotem w zbiorniku retencyjnym wynosiła

H_g = 5,0 + 5,0 = 10,0 m H₂O

Dodatkowo na ciśnienie tłoczenia wody składały się:

• opory na układzie napowietrzania i filtracji (przyjmuje się zwykle ok 2,0 m na proces napowietrzania i po 5 m na zakolmatowane filtry każdego stopnia, choć dane
• operacyjne każą zweryfikować te wartości, co najmniej o połowę) w powyższym przypadku z uwagi na niskie przepływy, ale znaczną zawartość żelaza przyjęto 2,0 mH₂O na napowietrzaniu i rurociągach do filtrów, 5,0 mH₂O na filtracji pierwszego stopnia i 2,0 mH₂O na filtracji drugiego stopnia,
• teoretyczne opory przesyłu wody na 2 km odcinku żeliwnego rurociągu o średnicy DN 250 – nie więcej niż 10 mH2O.

Tym samym opory hydrauliczne powinny wynieść około:

H = 2,0 + 5,0 + 2,0 + 10,0 = 19,0 mH₂O

Ciśnienie tłoczenia wody, mierzone przed aeratorami wynosiło natomiast ponad 60,0 mH₂O. – czyli całkowite podnoszenie pompy głębinowej wynosiło ok 65,0 mH₂O w stosunku do (i tak nieco zawyżonych) 29,0 mH₂O.

Nie trzeba pisać z jakimi stratami energetycznymi wiązała się ta sytuacja. Krótkie przeliczenie dla średniej produkcji 350,0 m³/d wykazało, że może to być nawet rocznie 15.000 kWh!

Co zatem stało się z ponad 35 mH₂O?

Od początku podejrzewano, że może to być kwestia zanieczyszczonego rurociągu transportującego wodę uzdatnioną z SUW do zbiornika retencyjnego. Przez wiele lat, niska efektywność technologiczna stacji uzdatniania wiązała się z częstymi przekroczeniami żelaza. Co więcej niska efektywność utleniania żelaza związana z pracą aeratorów i konieczną, a nie zawsze stosowaną, alkalizacją wody powodowała, że do wody uzdatnionej, po filtrach przechodziło głównie żelazo (II). Żelazo to, z uwagi na długi czas kontaktu w rurociągu (podczas przepływu ok 3,5 h; ale trzeba też uwzględnić przerwy w pracy pompy głębinowej), utleniało się i odkładało w postaci osadu.

Efekt był taki, że po blisko 20 latach takiej eksploatacji światło rurociągu zmniejszyło się z DN 250 do (punktowo) DN 80 – 100 . Tym samym opory hydrauliczne na rurociągu były znaczne.

Eksploatator podejmował próby czyszczenia rurociągu różnymi metodami. Uzyskał poprawę mierzoną spadkiem ciśnienia tłoczenia wody z 6,0 bar do ok 5,2 bar. Niestety rurociąg nie uległ całkowitemu doczyszczeniu w związku z powyższym został zakwalifikowany do wymiany.

Generalnym wnioskiem jaki należy wyciągnąć z tego przypadku jest to, że często stan, który uznajemy za normalny, zgodnie z zasadą „tak zawsze było” – jest tak naprawdę stanem nieprawidłowym. W omawianym przypadku Operator uznał, że ciśnienie 6,5 bar w układzie jest ciśnieniem eksploatacyjnym. W rzeczywistości przeliczenia hydrauliczne pokazały zupełnie coś innego, a wykonane w międzyczasie odkrywki, wycinki rurociągów wskazały na skalę problemu.

Żelazo będzie miało tendencję do odkładania się na rurociągach w wartościach > 0,05 mg/L. Zatem winno się dążyć do minimalizacji wartości tego wskaźnika w wodzie uzdatnionej, by ograniczyć presję osadową na sieci wodociągowej.

Oczywiście zasady tej nie można zastosować w przypadku wody surowej, czy też rurociągów wody po napowietrzeniu. W tym miejscu ciekawa wydaje się być sytuacja opisana w drugim z przypadków.

Przypadek 2.

W drugim z przypadków sytuacja jest odwrotna. Woda surowa ujmowana studniami głębinowymi jest tłoczona ok 7,5 km odcinkiem rurociągu na Stację Uzdatniania Wody.

Skład chemiczny ujmowanej wody przedstawiono w tabeli 2.

Znaczna zawartość żelaza wymaga oczywiście działań technologicznych na samej SUW. Ale co z rurociągiem tłoczącym wodę surową? Jeśli woda surowa nie zawierałaby żadnego utleniacza (nie była natleniona), układ przesyłu byłby w pełni szczelny, wówczas teoretycznie w rurociągu wody surowej nie powinny wytrącać się żadne osadu. Brak tlenu (czy jakiegokolwiek innego utleniacza) uniemożliwia tworzenie osadów – nie zachodzi reakcja utleniania. Natomiast jeśli utleniacz się w wodzie pojawi, wtedy natychmiast rozpoczyna się proces utleniania Fe(II) i tworzenie osadu na ściankach rurociągu.

Operator tego systemu borykał się ze znacznym zarastaniem rurociągu wody surowej. Skutkowało to znacznym ubytkiem wydajności w czasie wskutek zwiększonych oporów hydraulicznych na rurociągu wody surowej.

Wymuszało to konieczność czyszczenia rurociągu, co wiązało się z zatrzymaniem całego obiektu (jeden rurociąg wody surowej). Przyjęto metodę ciśnieniow. Czyszczenie pozwoliło przywrócić wydajność systemu przesyłu wody surowej –  obniżyło ciśnienia wody w rurociągu.

Równie ważnym działaniem okazało się monitorowanie jakości wody surowej w zakresie stężenia tlenu i wskazanie tych studzien głębinowych w których wartość tego wskaźnika jest podwyższona. W zasadzie stężenie tlenu w studniach głębinowych, w których jednocześnie występują związki zredukowane jest bliskie zeru. Problemem jest jednak często sam pomiar. Nie można zmierzyć tego parametru laboratoryjnie – sam pobór wody do badań, generuje ryzyko dyfuzji tlenu i zniekształca wynik.

Stąd w takich przypadkach (pomiarów zawartości tlenu w wodzie o niskim poziomie tego wskaźnika), bezwzględnie należy przestrzegać zasad, które minimalizują kontakt badanej wody z powietrzem (i w ten sposób z tlenem).

Taki sposób umożliwia pomiar bardzo niskich stężeń tlenu i wskazanie, czy przedostaje się on do wody podziemnej (w ujęciu) generując problemy opisane powyżej. Parametrem, który również dość dobrze opisuje wspomniane zjawisko (obecność utleniacza i tendencję do tworzenia osadów w sieci wodociągowej) jest potencjał redox. Wody podziemne wykazują ujemny potencjał – czyli warunki redukcyjne – co jest logiczne, z uwagi na formę występowania np. żelaza czy manganu (zredukowaną). W takich warunkach nie może się wytrącać żelazo. Jeśli jednak zmierzony potencjał redox będzie wykazywał wartości dodatnie, oznacza to, że w wodzie występują warunki utleniające – zatem żelazo może się wytrącać.

Podsumowując trzeba podkreslić, że żelazo wytrąca się z wody w warunkach utleniających. W wodzie podziemnej zasadniczo potencjał utleniania jest ujemy – czyli panują warunki redukcyjne. W takich warunkach żelazo nie będzie tworzyło osadu (nie będzie się wytrącał wodorotlenek żelaza). Tym samym monitorując w wodzie bezpośrednio przy studni głębinowej wymienione wskaźniki (tlen oraz potencjał redox) można oszacować czy i jak dużą tendencję do obrastania będzie miał rurociąg. Oczywiście wszystko zweryfikuje rzeczywisty ogląd sytuacji – czyli zamierzone wycinka rurociągu lub też jego przegląd podczas usuwania awarii.

Powinno się dążyć w ramach dostępnych metod, do ograniczania natleniania wody podziemnej – ograniczania migracji tlenu do ujmowanej wody poprzez uszczelnianie potencjalnych miejsc zasysania powietrza (dostępu tlenu) czy też ograniczanie zaciągania płytkich wód, zawierających tlen, poprzez zmniejszanie wydajności studni.

Ostatni przypadek opisujący problemy związane z żelazem w systemach wodociągowych – tym razem dotyczy sieci dystrybucyjnej. Opisuje on zjawisko odwrotne – tj. rozpuszczanie żelaza i wzrost jego zawartości w sieci wodociągowej.

Przypadek 3.

Ostatni z ciekawych przypadków technologicznych związanych z oddziaływaniem żelaza dotyczy sytuacji odwrotnej do opisanej w przypadkach 1 i 2. Na jednym z wodociągów zaobserwowano, że stężenie żelaza wzrasta na długości rurociągu.

Jest to system zaopatrzenia w wodę, w którym woda surowa trafiała bezpośrednio ze studni do sieci wodociągowej. Sieć wodociągowa była w złym stanie, stwierdzono w niej występowanie osadów żelazowych, co wynikało z wieloletniej eksploatacji z podwyższonymi wartościami żelaza w przesyłanej wodzie. Celem poprawy sytuacji odwiercono nowe studnie głębinowe z kredowego poziomu wodonośnego, w których stężenie żelaza było niskie (nieco poniżej normy).

Niestety wtłoczenie lepszej wody do sieci nie poprawiło sytuacji. Nadal stężenie żelaza wzrastało wraz z długością rurociągu, na końcówkach sieci osiągając często wartości 10 x przekraczające poziom normy.

Jakie zjawisko występowało w tym przypadku?

Z uwagi na fakt, iż do sieci trafiała woda bezpośrednio ze studni głębinowych, miała ona własności redukcyjne, była pozbawiona tlenu i posiadała ujemny potencjał redox. Doprowadziło to do sytuacji, w której osad z żelaza Fe(III) ulegał redukcji – do wody przechodziło żelazo Fe(II) – co skutkowało podwyższoną jego zawartością w wodzie.

Żelazo to utleniało się pod wpływem tlenu atmosferycznego –  już bezpośrednio u Odbiorców, co skutkowało powstawaniem rdzawych nalotów na armaturze, czy urządzeniach AGD.

Rozwiązaniem problemu w tej sytuacji okazało się być natlenianie wody przed jej wprowadzeniem do wodociągu. Przyjęto technologię opartą o dozowanie czystego tlenu, wprowadzanego wprost do wody ujmowanej studnią głębinową, przed jej wtłoczeniem do sieci wodociągowej. Powyższa technologia rozwiązała problem wzrostu stężenia żelaza w wodzie na długości rurociągu, w ciągu czasu potrzebnego na wymianę wody w sieci. Żelazo natychmiast przestało przechodzić do wody, pozostając w osadach. Oczywiście obecność osadów to zupełnie inny problem.

3. Podsumowanie

Przedstawione przykłady pokazują, że tak naprawdę żelazo w wodzie surowej ma znaczenie techniczne i eksploatacyjne. Wpływa również na akceptowalność wody przez konsumentów. Tym samym jego usuwanie podyktowane jest aspektami użytkowymi, zarówno z uwagi na eksploatację systemu uzdatniania i przesyłu wody jak i wpływ żelaza na użytkowane przez konsumentów wody sprzęty i urządzenia.

dr inż. Łukasz Weber

Źródło: Technologia Wody 2/2020