water supply system
Assignation emergency efficiency of Bielany Water Treatment Plant for ensuring safety in Krakow water supply system
Wstęp
System wodociągowy powinien cechować się dużą niezawodnością oraz odpowiednią wydajnością pozwalającą na pokrycie zapotrzebowania mieszkańców. W art. 1 ustawy z dnia 7 czerwca 2001 r. o zbiorowym zaopatrzeniu w wodę i zbiorowym odprowadzaniu ścieków (Dz. U. z 2017 r. poz. 328 i 1566) zapisano „Ustawa określa zasady i warunki zbiorowego zaopatrzenia w wodę przeznaczoną do spożycia przez ludzi oraz zbiorowego odprowadzania ścieków, w tym: tworzenia warunków do zapewnienia ciągłości dostaw i odpowiedniej jakości wody oraz niezawodnego odprowadzania i oczyszczania ścieków.” Z kolei art. 5. 1. stanowi iż „Przedsiębiorstwo wodociągowo- kanalizacyjne ma obowiązek zapewnić zdolność posiadanych urządzeń wodociągowych i urządzeń kanalizacyjnych do realizacji dostaw wody w wymaganej ilości i pod odpowiednim ciśnieniem oraz dostaw wody i odprowadzania ścieków w sposób ciągły i niezawodny, a także zapewnić należytą jakość dostarczanej wody i odprowadzanych ścieków”.
Zapisy ustawy wymuszają na przedsiębiorstwach wodociągowych nie tylko zapewnienie bieżącego zaspokajania potrzeb mieszkańców, ale również przewidywania możliwych scenariuszy awaryjnych oraz podejmowania działań inwestycyjnych zapobiegających przerwom w dostawie wody w razie braku możliwości jej poboru z ujęcia lub wystąpienia awarii na sieci. Wiąże się to niejednokrotnie z koniecznością posiadania zwiększonych zdolności produkcyjnych, które w normalnych warunkach nie są wykorzystywane. Wymusza również taką modernizację systemu zaopatrzenia w wodę, aby była możliwa zmiana źródła wody lub kierunku jej przepływu. W celu oszacowania rzeczywistych potrzeb w zakresie dostawy wody do jednego z obszarów na terenie miasta Krakowa przeprowadzono analizę zapotrzebowania wyznaczonej strefy.
Krakowski system wodociągowy jako przykład zaopatrzenia w wodę dużej aglomeracji
Krakowski system zaopatrzenia w wodę jest jednym z największych w Polsce, a pod względem, jakości wody drugi na świecie, zaraz po Singapurze. [badanie Europejskiej Organizacji Współpracy na rzecz Benchmarkingu (EBC), 2016]. Wodę do systemu dystrybucji dostarczają cztery zakłady uzdatniania pracujące w oparciu o ujęcia powierzchniowe wykorzystujące wodę z czterech niezależnych źródeł: rzeki Sanki, Dłubni, Raby i Rudawy. Zakłady uzdatniania wody posiadają odpowiednio dobrane ciągi technologiczne, co pozwala na uzyskanie wody o wymaganej jakości, ilości i ciśnieniu, zgodnie z obowiązującymi normami i przepisami. Największym zakładem jest ZUW Raba, który pobiera wodę ze zbiornika Dobczyckiego. Zaopatruje około 500 tys. mieszkańców południowej części Krakowa oraz sąsiadujących gmin. Maksymalna produkcja wody ZUW Raba to 186 tys. m3/d, natomiast bieżąca wydajność wynikająca z normalnego zapotrzebowania wynosi około 110 tys. m3/d [1,2,3].
![Rys.1. Lokalizacja zbiorników na sieci wodociągowej miasta Krakowa. [2]](https://informacjainstal.com.pl/wp-content/uploads/2020/02/Wyznaczenie-awaryjnej-wydajnościrys1.jpg "Wyznaczenie awaryjnej wydajności,rys1")
Lokalizacja zbiorników na sieci wodociągowej miasta Krakowa. [2]
W przypadku wystąpienia sytuacji awaryjnej, dzięki posiadanej rezerwie wydajności, zakład może zwiększyć produkcję, a woda może być skierowana do stref, które normalnie są zaopatrywane z pozostałych zakładów uzdatniania. ZUW Raba może w takim przypadku pokryć około 85% zapotrzebowania miasta. Takie rezerwy pozwalają na bezpieczne funkcjonowanie systemu zaopatrzenia w wodę również w sytuacjach nadzwyczajnych. [4]
Woda po procesie uzdatniania odbywającym się w poszczególnych zakładach jest kierowana do sieci wodociągowej, którą tworzy około 2250 km przewodów tranzytowych, magistralnych i rozdzielczych, pracujących w większości w układzie pierścieniowym. Przewody wodociągowe wykonane są głównie z żeliwa szarego i sferoidalnego, stali oraz PE [5].
W krakowskim systemie wodociągowym obserwujemy zmieniające się zapotrzebowanie na wodę. Po okresie spadku sprzedaży w ostatnich latach obserwujemy wzrost zapotrzebowania. Dochodzi do tego dobowa zmienność zapotrzebowania, która wacha się od ok 130 tys m3 do ok 200 tys m3. W celu zniwelowania wpływu zmieniającego się zapotrzebowania oraz stworzenia zapasu na sytuacje nadzwyczajne system wyposażony jest w zbiorniki wodociągowe, w których zgromadzone może być 310 tys m3 wody. Zespól największych zbiorników o łącznej pojemności 158 tys m3 zlokalizowany jest w Sierczy na południe od aglomeracji krakowskiej, na trasie tranzytu od ZUW Raba [3,4].
Natomiast oddane do eksploatacji w 2016 r. zbiorniki Górka Narodowa Wschód, o łącznej pojemności 30 tys m3 zdecydowanie poprawiają bezpieczeństwo zasilania w wodę północnych rejonów miasta [5]. Na rys. 1 została przedstawiona lokalizacja zespołów zbiorników wodociągowych aglomeracji krakowskiej.
Główny „szkielet” systemu wodociągowego, został zaprojektowany w latach 80 ubiegłego stulecia z nadmiarem, co pozwala na przesył wody pomiędzy poszczególnymi obszarami miasta. Dzięki temu jest możliwe wykorzystanie zdolności produkcyjnych ZUW Raba dla zapewnienia dostawy wody do obszaru, który normalnie jest zasilany z innych zakładów uzdatniania.
Oszacowanie awaryjnej wydajności ZUW Bielany
Zakład Uzdatniania Wody Bielany pracuje w oparciu o wodę ujmowaną z rzeki Sanki. Woda po procesie powolnej filtracji pompowana jest do zbiorników Kopiec, skąd grawitacyjnie spływa w kierunku odbiorców. Średnia wydajność zakładu Bielany wynosi około 15 tys m3 na dobę i jest ograniczona dostępnością wody na ujęciu i w terenie wodonośnym. Pozostała objętość wody wymagana do zasilania strefy jest uzupełniana z ZUW Raba za pośrednictwem rurociągu DN 1200 biegnącego z Nastawni Piaski Wielkie do Zbiorników Kopiec. W artykule przeprowadzono analizę oczekiwanej wydajności ZUW Bielany w przypadku braku możliwości podawania wody z ZUW Raba do zbiorników Kopiec. Analizę przeprowadzono na podstawie danych z pomiarów przepływu zainstalowanych na ZUW Bielany i kładce technologicznej przy przejściu rurociągu DN 1200 przez Wisłę. Do analizy wybrano lata 2016 – 2018 z uwagi na fakt, iż w tym okresie nastąpił znaczny wzrost zapotrzebowania na wodę.
Na rys. 2 zestawiono produkcję ZUW Bielany (kolor niebieski) oraz zasilanie zbiorników Kopiec z ZUW Raba w 2016 roku (kolor pomarańczowy).
Kolorem fioletowym zaznaczono całkowite zużycie wody w analizowanym rejonie. Składa się na to woda uzdatniona na ZUW Bielany oraz woda dosłana z ZUW Raba. W przypadku całkowitego zaprzestania pompowania wody z zakładu Bielany (co miało miejsce trzykrotnie) za całość zaopatrzenia obszaru w wodę jest odpowiedzialny ZUW Raba. Taka zmiana źródła zasilania w wodę nie powoduje dla odbiorców żadnych kłopotów. Ustalając reżim technologiczny pracy poszczególnych obiektów przyjęto założenie, iż ZUW Bielany w danym momencie pracuje z optymalną możliwą wydajnością na poziomie około 15 tys. m3/d, a pozostała część wody jest podawana od Nastawni Piaski.
Na rysunku 3 przedstawiono zużycie wody w analizowanym obszarze w roku 2017. W tym okresie nie nastąpiły przerwy w pracy ZUW Bielany, natomiast możemy zaobserwować niewielki średni wzrost zużycia wody na poziomie około 1%. Jednocześnie obserwujemy zmniejszenie wydajności ZUW Bielany. Oczywiście do strefy dostarczana była wymagana objętość wody kosztem zwiększenia rozbioru od strony Nastawni Piaski. Podobnie jak w poprzednim przypadku kolor fioletowy obrazuje całkowite zapotrzebowanie na wodę w analizowanym obszarze.
Rysunek nr 4 przedstawia zapotrzebowanie na wodę w analizowanym obszarze w 2018 roku.
Produkcja ZUW Bielany i zasilanie od strony ZUW Raba w 2016r. (kolorem fioletowym zaznaczono łączne zapotrzebowanie obszaru
Produkcja ZUW Bielany i dosył wody od strony ZUW Raba w 2017r. (kolorem fioletowym zaznaczono łączne zapotrzebowanie obszaru)
Text content
Produkcja ZUW Bielany i przepływ wody od strony ZUW Raba w 2018 r. (kolorem fioletowym zaznaczono łączne zapotrzebowanie obszaru)
Obserwujemy dalszy spadek wydajności ZUW Bielany, co jest spowodowane niskim stanem wody dopływającej do ujęcia. Jednocześnie w analizowanym okresie obserwujemy wzrost przepływu od strony ZUW Raba. Sytuacja taka może mieć miejsce zarówno w okresach suszy letniej jak i w okresie zimowym, gdyż w ostatnich latach nie występują zwiększone opady śniegu. Biorąc pod uwagę rzeczywiste rozbiory wody oraz możliwości produkcyjne ZUW Bielany, które są ograniczone wydajnością ujęcia, można stwierdzić, iż w obszarze tym systematycznie zwiększa się udział wody uzdatnianej na ZUW Raba. Na potwierdzenie powyższej tezy przeprowadzono symulacje na modelu hydraulicznym. Symulacja polegała na stopniowym ograniczaniu wydajności pompowni na ZUW Bielany i obserwacji zmian przepływu przez rurociąg DN 1200 od strony Nastawni Piaski Wielkie. Założeniem było, iż w każdym momencie następuje pełne pokrycie zapotrzebowania strefy. Przeprowadzone symulacje potwierdziły, iż dla pokrycia zapotrzebowania na wodę analizowanej strefy należy do niej dostarczyć około 50 000 m3/d. Natomiast analizując średnie zapotrzebowanie w poszczególnych latach wyliczone na podstawie danych z pomiarów możemy przyjąć, iż średnio odbiorcy zużywają następujące objętości wody:
w roku 2016 – 52 386 m3/d,
w roku 2017 – 52 589 m3/d,
w roku 2018 – 52 815 m3/d.
Biorąc pod uwagę aktualną średnią wydajność ZUW Bielany należy przyjąć, iż system musi posiadać zdolność do dodatkowej dostawy około 40 000 m3 wody w przypadku braku możliwości jej przesyłu rurociągiem DN 1200, czyli zasilanie strefy od strony ZUW Raba. Z kolei, gdyby założyć również brak możliwości podawania wody przez ZUW Bielany do analizowanej strefy należałoby dosłać średnio dobowo około 53000 m3 wody.
Podsumowanie
System wodociągowy powinien być przygotowany na zaistnienie sytuacji nadzwyczajnych, kiedy występuje zagrożenie przerwy w dostawie wody dla odbiorców. W trakcie eksploatacji systemu wodociągowego możemy mieć do czynienia z różnymi sytuacjami, powodującymi zakłócenia lub przerwy w dostawie wody. Mogą to być zdarzenia nieplanowane jak i planowane. Sytuacje nieplanowane to głównie zdarzenia mogące wystąpić niespodziewanie jak np. skażenie wody czy też poważna awaria infrastruktury. Natomiast planowany brak dostaw wody jest związany z modernizacjami i remontami infrastruktury wodociągowej.
Przygotowując się do sytuacji, w której może nastąpić konieczność wyłączenia poboru wody z ujęcia dla ZUW Bielany czy też brak możliwości dostawy wody od strony ZUW Raba przedsiębiorstwo opracowuje scenariusze postępowania w takich przypadkach. Znajduje to odzwierciedlenie w planach wieloletnich dotyczących przedsięwzięć inwestycyjnych. Całość tych działań przekłada się na zapewnienie pełnego pokrycia zapotrzebowania i ograniczenie ryzyka braku dostawy wody.
B I O G R A F I A
[1] Wierzbicki R. Wodociągi, Nakładem Miejskiego Przedsiębiorstwa Wodociągów i Kanalizacji, Kraków 2011
[2] Woda źródło życia. Materiały reklamowe MPWiK S.A. w Krakowie
[3] Raport roczny 2017 www.mpwik.krakow.pl
[4] Bochnia T., Żaba T.: Wdrażanie systemu prewencyjnego zarządzania ryzykiem w Wodociągach Krakowskich. Instal nr 3/2012 s. 55-59
[5] Żaba T., Iwanejo R., Bajer J., Wybrane zagadnienia monitoringu krakowskich wodociągów. Instal nr 12/2012 s. 80-83
Assessment of potential threats to water quality in the water supply network of the city of Krakow
Wstęp
Niebezpieczeństwo występowania zagrożeń wynika między innymi z gwałtownego rozwoju cywilizacyjnego i demograficznego ludzkości. Zagrożenia wynikające z awarii infrastruktury technicznej oraz komunikacyjnej niosą za sobą bardzo poważne konsekwencje w aspekcie niebezpieczeństwa dla zdrowia i życia ludzi [1]. Realizacja prac modernizacyjnych i remontowych mających na celu zmniejszenie ryzyka wystąpienia awarii sieci wodociągowych oraz ich konsekwencji jak również poprawy jakości świadczonych usług wiąże się z poniesieniem przez przedsiębiorstwa wodociągowe pewnych wydatków finansowych, których konsumenci wody powinni być świadomi [2]. Jednym z zagrożeń występujących w systemach wodociągowych jest zjawisko wtórnego zanieczyszczenia wody w sieci wodociągowej, które może dotyczyć każdego istniejącego systemu dystrybucji wody na świecie [3]. Obowiązkiem każdego przedsiębiorstwa wodociągowego jest dostarczenie odbiorcom wody o jakości zgodnej z obowiązującymi przepisami w miejscu jej poboru. Skład wody zmienia się w czasie jej transportu w sieci, za co odpowiada między innymi stan techniczny przewodów jak również stabilność wody. Innym ważnym aspektem z punktu widzenia zagrożenia, dla jakości wody w sieci wodociągowej jest jej transport w tzw. sieci przewymiarowanej. Wiele rozdzielczych systemów wodociągowych w Polsce, w tym też krakowski jest tzw. systemem z nadmiarem. Oznacza to, że posiada niewykorzystaną rezerwę mocy produkcyjnej w stosunku do aktualnego zapotrzebowania. Wykorzystanie modeli hydraulicznych w analizach pracy sieci wodociągowych pokazuje, że w podsystemach dystrybucji wody często z tego powodu zachodzi zjawisko stagnacji wody przyczyniające się do jej wtórnego zanieczyszczenia [3].
System zaopatrzenia
Krakowa w wodę Krakowski system zaopatrzenia w wodę zapewnia dostawę wody mieszkańcom miasta Krakowa. Na infrastrukturę wodociągową miasta Krakowa składają się między innymi cztery Zakłady Uzdatniania Wody: ZUW „Raba”, który zaopatruję w wodę ponad 50% mieszkańców miasta, a w sytuacjach wyjątkowych nawet do 80%, ZUW „Rudawa”, ZUW „Dłubnia”, ZUW „Bielany”. Ponadto Krakowski system wodociągowy posiada 47 zbiorników wodociągowych, 23 hydrofornie, 3 przepompownie wodociągowe oraz ok. 2222 km sieci wodociągowej [4].
Wodociągi Miasta Krakowa poza zaopatrywaniem w wodę mieszkańców miasta dostarczają również wodę do 11 gmin ościennych, jednak za jakość wody Przedsiębiorstwo odpowiada wyłącznie do punktu jej wydania gdzie, również znajduje się granica eksploatacji sieci [4].
Sieć wodociągowa w Krakowie w znacznej części zbudowana jest w układzie pierścieniowym. Układ ten charakteryzuje się wysoką niezawodnością w aspekcie dostarczenia wody odbiorcom jak również, w przypadku przerwy w dostawie wody, pozwala na awaryjne zasilanie danej części miasta z pozostałych ujęć wody. Z powodu zróżnicowanej konfiguracji terenu w Krakowie system wodociągowy ma charakter wielostrefowy, a w wydzielonych strefach sieci występuje różne ciśnienie wody [4].
Na przestrzeni lat krakowski system wodociągowy ulegał rozbudowie i modernizacji, których celem była poprawa jego niezawodności. Sieć wodociągowa jest bardzo ważnym elementem infrastruktury miejskiej nie tylko dlatego, że stanowi znaczącą część majątku Przedsiębiorstwa lecz również dlatego, że jej poprawne funkcjonowanie istotnie wpływa na jakość życia odbiorców. System dystrybucji wody składa się z rozbudowanej i rozległej sieci przewodów, w skład których wchodzą przewody tranzytowe o średnicy Ø1400mm i długości 18km, przewody magistralne złożone z przewodów o średnicach Ø1200 – Ø330mm i łącznej długości 282km. Największy udział pod względem długości sieci przypada przewodom rozdzielczym o średnicach Ø280mm – Ø80mm i długości 1435km oraz przyłączy wodociągowych o łącznej długości 505km [4].
Krakowska sieć wodociągowa jest rozwijana i eksploatowana od ponad 100 lat i odznacza się ona dość zróżnicowaną strukturą pod kątem wieku i stosowanych do budowy sieci materiałów. Istnieją w mieście obszary, w których do dziś pracują rurociągi z początkowego okresu funkcjonowania systemu, a szacuję się, że przewody w wieku powyżej 50 lat stanowią ok 8% całkowitej długości sieci, to jest ok 120 km. Przewody wodociągowe w przedziale wiekowym 25-50 lat to ok. 30% (ok. 500km), przewody w wieku od 10 do 25 lat stanowią ok. 38% (625 km) natomiast najmłodsze przewody zamontowane na sieci w wieku 0-10 lat to ok 24% (ok. 400 km). Materiał, z którego zbudowane zostały poszczególne odcinki sieci wodociągowej na terenie Krakowa to m. in. polietylen (27%), żeliwo szare (21%), stal (20%), polichlorek winylu (17%), żeliwo sferoidalne (12%) i inne (3%) [4].
Zarządzanie i eksploatacja sieci wodociągowej na terenie miasta Krakowa prowadzone są w sposób nowoczesny. Wykorzystanie funkcjonującego systemu monitoringu, automatyzacji, systemu GIS oraz symulatora hydraulicznego pozwala na bieżącą kontrolę oraz poprawę parametrów jakościowych wody, zmniejszenie strat na skutek redukcji liczby awarii oraz poprawę komfortu odbiorców [5].
Zagrożenia dla jakości wody w sieci wodociągowej
Na bezpieczeństwo dostawy wody dla mieszkańców składa się szereg połączonych ze sobą elementów procesu produkcji i dystrybucji wody począwszy od ujęcia wody poprzez procesy technologiczne w zakładach uzdatniania wody, pompownie i zbiorniki wodociągowe aż po podsystem dystrybucji wody. Wśród potencjalnych zagrożeń wpływających na jakość wody w sieci wodociągowej występują zanieczyszczenia mikrobiologiczne i zanieczyszczenia fizykochemiczne.
W przypadku zanieczyszczeń mikrobiologicznych, mogą one stanowić lub nie stanowić poważnego zagrożenia dla zdrowia oraz życia ludzi, zależnie od rodzaju mikroorganizmów obecnych w zanieczyszczonej wodzie. Jakość wody znajdującej się w sieci wodociągowej, pod kątem mikrobiologicznym często ulega zmianie, nawet krótkotrwałe, ale gwałtowne przyrosty liczby mikroorganizmów chorobotwórczych, podnoszą ryzyko zachorowań przenoszonych przez wodę. Jedną z metod ograniczenia ilości mikroorganizmów stwarzających zagrożenie mikrobiologiczne dla wody w sieci wodociągowej jest stosowanie zwiększonych dawek środka dezynfekcyjnego w procesie dezynfekcji. Jednakże nadmierna ilość wprowadzonego do systemu dystrybucji dezynfektanta, w zależności od jego rodzaju, może wpłynąć, na gwałtowny wzrost ryzyka powstawania w wodzie ubocznych produktów dezynfekcji (THM itp.), dlatego też odpowiedni dobór metody dezynfekcji jest bardzo ważny. Winna ona gwarantować bezpieczeństwo zdrowotne wody zarówno pod kątem mikrobiologicznym jak i stężenia ubocznych produktów dezynfekcji [6].
Zanieczyszczenia fizykochemiczne wynikające z wtórnego zanieczyszczenia wody a stwarzające zagrożenie dla jakości wody w sieci wodociągowej, można podzielić na zanieczyszczenia powstające w wyniku kontaktu wody z materiałami instalacyjnymi, uboczne produkty dezynfekcji (powstające z chloru lub podchlorynu – THM i HAA oraz powstające z dwutlenku chloru – chlorany i chloryny) i produkty korozji (biologicznej, elektrochemicznej, zanieczyszczenie biofilmem).
Do zdarzeń niebezpiecznych zagrażających jakości wody w sieci wodociągowej można zaliczyć również przerwanie ciągłości dostawy wody do systemu co może wynikać z zaistniałej awarii sieci lub w czasie napraw i remontów a także w czasie budowy kolejnych odcinków sieci wodociągowej.
Z uwagi na rozległość krakowskiego systemu dystrybucji wody jego zróżnicowanie pod względem wieku oraz stanu technicznego sieci istotnym jest wytypowanie zagrożeń związanych z czasem przebywania wody w sieci wodociągowej (wiekiem wody) wynikającym z jej stagnacji w systemie. Do takich zalicza się między innymi wzrost i rozwój mikroorganizmów w systemie dystrybucji, spowodowany podwyższoną temperaturą panującą w sieci wodociągowej (szczególnie w porze letniej) oraz niewystarczająca ilość środka dezynfekcyjnego. Inne zanieczyszczenia powstające w wodzie, którym sprzyja wydłużony czas przebywania wody w sieci wodociągowej to uboczne produkty dezynfekcji z chloru lub podchlorynu tj. THM i kwasy halogenooctowe oraz uboczne produkty dezynfekcji z dwutlenku chloru tj. chlorany i chloryny.
Stabilność chemiczna i biologiczna wody a zmiany jakości wody w systemie dystrybucji
Eksploatacja sieci wodociągowych, szczególnie tych rozległych, stanowi źródło wielu problemów natury technicznej jak również problemów związanych z jakością wody transportowanej do odbiorców [6].
Jakość wody zmienia się od momentu, gdy opuszcza ona stację uzdatniania do momentu gdy dociera do odbiorców usług. Praktycznie nie ma możliwości zabezpieczenia wody znajdującej się w sieci wodociągowej przed zmianą jej składu. Spowodowane jest to wtórnym zanieczyszczeniem wody w systemie dystrybucji [7,8]. Nie łatwo jest ustalić przyczyny pogorszenia jakości wody w sieci wodociągowej gdyż w systemie wodociągowym zachodzą procesy zarówno fizyczne, chemiczne jak i biologiczne powodujące zmianę składu fizyko-chemicznego i bakteriologicznego wody. Przyczynami wtórnego zanieczyszczenia wody są między innymi: brak stabilności chemicznej i biologicznej wody transportowanej w sieci wodociągowej, brak lub niedobór ilości dezynfektanta oraz zróżnicowane warunki hydrauliczne w czasie transportu wody do odbiorców [7].
Woda niestabilna chemicznie odznacza się agresywnością korozyjną i skłonnością do rozpuszczania osadów węglanu wapnia (CaCO3), co skutkuje zjawiskiem korozji elektrochemicznej elementów metalowych, niszczeniem powłok antykorozyjnych i korozją materiałów zawierających cement. Produkty korozji odkładają się na wewnętrznych ściankach przewodów wodociągowych tworząc osady chemiczne i tym samym przyczyniając się do wtórnego zanieczyszczenia wody w sieci wodociągowej. Powstałe osady nie tylko stanowią źródło pokarmowe dla mikroorganizmów, przez co następuje zwiększone zużycie środków dezynfekcyjnych obecnych w wodzie wodociągowej, ale również wpływają na hydraulikę przepływu wody zwiększając chropowatość i oporność rurociągów co przekłada się na zwiększenie kosztów eksploatacji systemu dystrybucji wody [7].
Woda pozbawiona nieorganicznych i organicznych substancji pokarmowych uznawana jest za wodę stabilną biologicznie. Rozwój mikroorganizmów uwarunkowany jest obecnością w wodzie rozpuszczonych biodegradowalnych związków organicznych, szczególnie bezpośrednio przyswajalnych substancji organicznych [7]. Bardzo trudno jest w pełni skutecznie usunąć z wody zawarte w niej substancje pokarmowe. Przewody wodociągowe pokryte osadami zawierającymi nawet bardzo małe ilości substancji pokarmowych stanowią dobre środowisko rozwoju dla mikroorganizmów. Rozwijające się w systemie dystrybucji wody drobnoustroje tworzą biofilm. Rodzaj i liczba mikroorganizmów tworzących biofilm jest zmienna w czasie oraz przestrzeni jak również zależy od rodzaju podłoża i zawartości w nim substancji pokarmowych [9]. Skutkami tworzenia się biofilmu na przewodach wodociągowych są: zwiększenie ilości osadów odkładanych na ściankach przewodów wodociągowych, wzrost zużycia dezynfektanta obecnego w systemie dystrybucji oraz korozja mikrobiologiczna [7,9]. Mikroorganizmy tworzące biofilm na skorodowanym podłożu są mniej wrażliwe na działanie środków dezynfekcyjnych niż obecne w obrostach biologicznych na powierzchniach tworzyw sztucznych, przez co wymagane ilości środków dezynfekcyjnych są bardzo duże. Pomimo zapewnienia dużej ilości środków dezynfekcyjnych obecnych w wodzie wodociągowej nie ma gwarancji całkowitego zlikwidowania obrostów biologicznych, głównie tych, które rozwijają się na skorodowanych podłożach. Zastosowanie zwiększonych dawek środków dezynfekcyjnych nie tylko prowadzi do niepożądanej zmiany jakości wody dostarczanej odbiorcom jak również podnosi koszty eksploatacji systemu wodociągowego [9]. Rozwój biofilmu i związane z nim wtórne zanieczyszczenie wody w sieci wodociągowej jest przyczyną pogorszenia smaku i zapachu wody, wzrostu intensywności barwy, mętności i poziomu zanieczyszczenia substancjami organicznymi oraz produktami korozji metali, obniżenia stężenia tlenu rozpuszczonego i zwiększone zapotrzebowanie na środki dezynfekcyjne, co skutkuje wzrostem stężenia ubocznych produktów dezynfekcji [6,9,10]. Szczególnie korzystnymi miejscami rozwoju biofilmu są końcówki sieci wodociągowych oraz obszary stagnacji wody w sieci [7]. Wynika to przede wszystkim z wydłużonego czasu przebywania wody w sieci wodociągowej w odległych od miejsca wtłoczenia wody do sieci wodociągowej punktach miasta, gdzie pozostała zawartość dezynfektanta jest mniejsza
Warunki hydrauliczne
Ciśnienie, prędkość oraz zmiany kierunku przepływu wody mają istotny wpływ na zjawisko wtórnego zanieczyszczenia wody w sieci wodociągowej. Wysokie ciśnienie wpływa na osłabienie materiału przewodów wodociągowych i prowadzi do zwiększenia ich awaryjności a także powstawania makroporów, co sprzyja rozwojowi korozji biologicznej. Zbyt niskie ciśnienie tj. poniżej 0,2MPa może prowadzić do wnikania zanieczyszczeń z zewnątrz do wody wodociągowej. Istotniejszym parametrem pod względem wpływu na zanieczyszczenie wody w sieci wodociągowej jest prędkość przepływu oraz zmiany tej wielkości. Mała prędkość poruszającej się wody sprzyja osadzaniu się cząstek stałych i ich kumulacji na dnie przewodów. Podczas zwiększonych poborów wody obserwowane są duże i gwałtowne wzrosty prędkości przepływającej wody co prowadzi do wypłukiwania składników osadów chemicznych i biologicznych pokrywających ścianki przewodów wodociągowych. Z punktu widzenia jakości wody niekorzystna jest również stagnacja wody w sieci wodociągowej. Temperatura wody stagnującej jest wyższa, co powoduje wzrost zużycia środków dezynfekcyjnych, co przyczynia się do wzrostu gęstości biofilmu.
Zagrożenia dla jakości wody w sieci wodociągowej miasta Krakowa (wtórne zanieczyszczenia wody) wraz z potencjalnymi przyczynami (czynnikami sprzyjającymi
O wielkości zanieczyszczenia wody w systemie dystrybucji decyduje zarówno jakość wody w miejscu wtłoczenia jej do sieci wodociągowej jak również szereg zachodzących w niej procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych. Celem ograniczenia niepożądanych zmian jakości wody w czasie jej transportu do odbiorców są: zapewnienie stabilności chemicznej i biologicznej wody wprowadzanej do systemu dystrybucji, zawartość odpowiednio dobranej dawki dezynfektanta w całym systemie wodociągowym, a także właściwa eksploatacja systemu wodociągowego polegająca na zapobieganiu powstawania i gromadzenia się osadów na powierzchni przewodów wodociągowych. Niemniej istotne są warunki hydrauliczne panujące w sieci wodociągowej, które wpływają na stopień uwalniania zanieczyszczeń do przepływającej wody.
Zagrożenia dla jakości wody w sieci wodociągowej miasta Krakowa (wtórne zanieczyszczenia wody) wraz z potencjalnymi przyczynami (czynnikami sprzyjającymi) przedstawiono na schemacie 1.
Analiza zmian jakości wody w sieci wodociągowej miasta
Krakowa Wodociągi Miasta Krakowa dysponują obecnie bardzo nowoczesnym i sprawnym systemem kontroli jakości wody, który obejmuje analizy jakości wody począwszy od stref sanitarnych rzek stanowiących źródła wody do picia, poprzez stacje osłonowe zabezpieczające ujęcia wody przed incydentalnymi zanieczyszczeniami, kontrolę ciągów technologicznych zakładów uzdatniania, a skończywszy na kompleksowych badaniach wody do picia dostarczanej do miejskiej sieci wodociągowej oraz wody na końcówkach tej sieci.
Badania jakości wody w sieci wodociągowej prowadzone są w oparciu o ponad 60 stałych punktów kontrolnych (rys. 1), w których systematycznie pobierane są próbki wody a duża liczba wyników analitycznych pozwala na ocenę dynamiki zmian jakości wody w sieci oraz tworzy solidną bazę danych uwzględniającą wszystkie „zjawiska” związane z siecią wodociągową takie jak: awarie, skargi i reklamacje, informacje uzyskiwane przy okazji remontów, rutynowe badania jakości wody w sieci, informacje dot. uszkodzeń wodomierzy i inne. Istotną rolę w gromadzeniu danych odgrywa istniejąca baza danych w systemie informacji przestrzennej GIS dot. sieci wodociągowej. W tej bazie funkcjonują już warstwy dotyczące „jakości wody” oraz „awarii sieci wodociągowej” jak też warstwa „skargi i reklamacje”. Zarówno lokalizacja ww. punktów poboru próbek do badań jakości wody w sieci wodociągowej jak i zakres oraz częstotliwość monitoringu, są zgodne z Rozporządzeniem Ministra Zdrowia z dnia 7 grudnia 2017 r. w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi (Dz. U. 2017 Poz. 2294) i zostały zatwierdzone przez Małopolskiego Wojewódzkiego Inspektora Sanitarnego.
Mając na uwadze przewymiarowanie krakowskiego systemu dystrybucji (zbyt dużą przepustowość w stosunku do aktualnego zapotrzebowania na wodę), szczególnego znaczenia nabiera monitorowanie wtórnego zanieczyszczenia wody w sieci, które może być spowodowane zbyt małymi prędkościami przepływu.
Ze względu na bardzo dużą liczbę danych z ww. monitoringu jakości wody w sieci, pełna analiza zmian jakości wody w sieci wodociągowej miasta Krakowa wykracza poza ramy niniejszego opracowania. W związku z powyższym w niniejszej pracy dokonano wstępnej analizy zmian jakości wody dla wybranego obszaru sieci wodociągowej miasta Krakowa i tylko wybranych wskaźników jakości wody, ściśle związanych z tzw. wtórnym zanieczyszczeniem wody, takich jak mętność, żelazo ogólne, zawartość środka dezynfekcyjnego oraz ogólna liczba mikroorganizmów w 22°C:
1. Do analizy wytypowano 7 punktów poboru próbek wody w strefie zasilania z ZUW Raba, dla których, na podstawie modelu hydraulicznego, oszacowano wiek wody (czas dotarcia wody z ZUW Raba do punktu poboru – min/max): ul. Cechowa 57 – szkoła (wiek wody ok. 31-35 h),
2. ul. Myślenicka/Stojałowskiego – CPN (wiek wody ok. 32-38 h),
3. ul. Chałubińskiego 21 – sklep (wiek wody ok. 42-46 h),
4. ul. Zawiła 69 – Zakłady Poligraficzne (wiek wody ok. 42-46 h),
5. ul. Czerwone Maki – campus UJ (wiek wody ok. 43-46 h),
6. ul. Babińskiego – szpital (wiek wody ok. 48-50 h),
7. ul. Poronińska – przedszkole (wiek wody ok. 47-54 h).
Punkty te są zlokalizowane w okolicach magistrali wodociągowej φ1200 mm, na trasie od Nastawni Piaski Wielkie do kładki technologicznej nad Wisłą. Przebieg ww. magistrali przedstawiono na rys. 2, natomiast lokalizację wybranych punktów poboru próbek wody przedstawiono na rys. 3.
Przeprowadzono analizę wyników badań laboratoryjnych jakości wody w siedmiu wymienionych punktach poboru próbek w trzech kolejnych latach: 2016 – 2018. Obliczono średnie roczne wartości dla każdego z wytypowanych wskaźników jakości wody i każdego punktu monitoringu. Wyniki obliczeń przedstawiono w tabeli.
W celu wizualizacji zmian jakości wody w sieci wodociągowej w kolejnych punktach poboru w odniesieniu do wieku wody (kolejność punktów poboru), wyniki obliczeń przedstawiono na wykresach: Mętność (wykres 1), Żelazo ogólne (wykres 2), Zawartość środka dezynfekcyjnego (wykres 3), oraz Ogólna liczba mikroorganizmów w 22°C (wykres 4).
Punkty kontroli jakości wody w sieci wodociągowej Miasta Krakowa (Baza GIS)
Przebieg magistrali wodociągowej φ1200, na trasie od Nastawni Piaski Wielkie do kładki technologicznej nad Wisłą
Lokalizacja wybranych punktów poboru próbek wody
Zmiana mętności wody w sieci wodociągowej w kolejnych punktach poboru
Zmiana stężenia żelaza ogólnego w sieci wodociągowej w kolejnych punktach poboru
Zmiana zawartość środka dezynfekcyjnego w sieci wodociągowej w kolejnych punktach poboru
Zmiana ogólnej liczby mikroorganizmów w 22°C w sieci wodociągowej w kolejnych punktach poboru
Wnioski
1. Woda dystrybuowana za pośrednictwem rozległego systemu wodociągowego na terenie miasta Krakowa, spełnia wszystkie obowiązujące normy jakościowe. Z uwagi na systematyczny przyrost długości sieci wodociągowej oraz obserwowane zmniejszenie zapotrzebowania na wodę, czas przebywania wody w systemie dystrybucji wydłuża się. Prowadzić to może do pogorszenia jakości wody spowodowanego wtórnym jej zanieczyszczeniem.
2. Krakowska sieć wodociągowa jest systemem przewymiarowanym, co ma szczególnie istotny wpływ na jakość wody transportowanej za jej pośrednictwem. Pogorszeniu może ulegać jakość wody w odległych od miejsca jej wtłoczenia do sieci punktach miasta charakteryzujących się zabudową bardziej rozproszoną, w której obserwuje się znacznie mniejsze pobory wody.
3. Miejskie Przedsiębiorstwo Wodociągów i Kanalizacji S.A. w sposób ciągły monitoruje parametry pracy sieci wodociągowej oraz jej jakość za pośrednictwem zlokalizowanych w systemie dystrybucji wody punktów monitoringu. Ponadto Spółka prowadzi prace nad udoskonalaniem istniejącego systemu monitoringu jakości wody dostarczanej odbiorcom ukierunkowanego na minimalizację ryzyka związanego z wtórnym zanieczyszczeniem wody, wspierającego procesy zarządzania systemem dystrybucji wody.
L I T E R AT U R A
[1] J. RAK, Wybrane aspekty inżynierii bezpieczeństwa w systemach zbiorowego zaopatrzenia w wodę, Instal, 2013, nr 3, ss. 47-49.
[2] B. TCHÓRZEWSKA-CIEŚLAK, Analiza akceptacji kosztów redukcji ryzyka awarii systemów zbiorowego zaopatrzenia w wodę, Instal, 2013, nr 3, ss. 50-53.
[3] J. ŁOMOTOWSKI, Jak oceniać stabilność chemiczną i biologiczną wody w systemach wodociągowych, Instal, 2018, nr 1, ss. 37-40.
[4] Materiały MPWiK S.A. w Krakowie.
[5] T. ŻABA, R. IWANEJKO, J. BAJER, Wybrane zagadnienia monitoringu krakowskich wodociągów, Instal, 2012, nr 12, ss.80-83.
[6] I. ZIMOCH, Szacownie zmian jakości wody w systemie dystrybucji na podstawie analizy powstawania trihalometanów, Ochrona Środowiska 2007, vol. 29, nr 4, ss. 49-52.
[7] M. ŚWIDERSKA-BRÓŻ, M. WOLSKA: Główne przyczyny wtórnego zanieczyszczenia wody w systemie dystrybucji, Ochrona Środowiska 2006, vol. 28, nr 4, ss.29-34.
[8] I. ZIMOCH, Modelowanie zmian zawartości trójhalometanów w wodzie wodociągowej, Ochrona Środowiska 2011, Vol. 33, nr3, ss. 35-42.
[9] M. ŚWIDERSKA-BRÓŻ, Skutki obecności biofilmu w systemach dystrybucji wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi, Ochrona Środowiska 2012, vol. 34, nr 1, ss. 9-14.
[10] M. ŚWIDERSKA-BRÓŻ, M. WOLSKA, Ocena wtórnego zanieczyszczenia niestabilnej chemicznie wody w systemie dystrybucji, Ochrona Środowiska 2005, vol. 27, nr 4, ss.35-38.