Page 1

technologia uzdatniania wody jako autonomiczna dyscyplina nauki 21 / zarządzanie rozwojem ZUW 32

1/2009 (01) zł (w tym 7% VAT)

15

systemy zaopatrzenia w wodę / ogólnopolski kwartalnik dla profesjonalistów

ZAOPATRZENIE W WODĘ W CYWILIZACJACH STAROŻYTNYCH Pierwsze udane próby zastosowania inżynierii wodnej dla potrzeb rolniczych sięgają czasów neolitu (ok. 57002800 r. p.n.e.). Miały one miejsce w Egipcie i Mezopotamii. Pozostałości prehistorycznych systemów nawadniania pól zachowały się do dnia dzisiejszego... ISSN 2080-1467

www.technologia-wody.pl


  㤵 㜵

㈵ 㔀

 

 

 


4

5

spis treści

Od Redakcji Marek M. Sozański Magdalena Seidel-Przywecka

7

praktyka wodociągowa i instalacyjna

Zaopatrzenie w wodę w cywilizacjach starożytnych Wojciech Bonenberg

Zarządzanie i eksploatacja systemów zaopatrzenia w wodę ISSN 2080-1467 Dwumiesięcznik Rok założenia 2009 Czasopismo redaguje i wydaje Wydawnictwo Seidel-Przywecki Sp. z o.o. Adres redakcji ul. Królowej Marysieńki 25 B; 02-954 Warszawa tel. 022 877 31 88

21

32

56

nauka i technika

Technologia uzdatniania wody jako autonomiczna dyscyplina nauki Marek M. Sozański Krystyna Olańczuk-Neyman Peter M. Huck

Zarządzanie rozwojem technologii zakładów uzdatniania wody Marek M. Sozański Joanna Jeż-Walkowiak Zbysław Dymaczewski

Eksploatacja pomp głębinowych w systemach zaopatrzenia w wodę Marian Strączyński

61

konferencje i kongresy

Stanowisko Ministerialne Międzynarodowego Forum Wodnego w Stambule Marek Jerzy Gromiec

65

z pzh i stacji sanepid

Ocena jakości wody wodociągowej w Polsce w 2007 r. w świetle badań Państwowej Inspekcji Sanitarnej Małgorzata Jamsheer-Bratkowska Krzysztof Skotak Jakub Bratkowski

Redakcja Magdalena Seidel-Przywecka – redaktor naczelna, 606 958 214 Joanna Trepka – redaktor prowadząca i sekretarz redakcji, 698 852 386 Łukasz Weber – redaktor i autor artykułów technicznych, 606 467 284 Tomasz Gąska – redakcja techniczna i skład, 503 081 660 Marta Gąszczak – reklama; 606 987 439 Ryszard Szambelańczyk – kontakty z przedsiębiorstwami, 601 775 244 Karol Szambelańczyk – portal informacyjny www.technologia-wody.pl rada Programowa Przewodniczący Prof. dr hab. inż. Marek M. Sozański, Politechnika Poznańska Prof. dr hab. inż. Peter M. Huck, University of Waterloo, Ontario Kanada Członkowie prof. dr hab. inż. Anna Anielak, Politechnika Koszalińska prof. dr hab. inż. Michał Bodzek, Politechnika Śląska prof. dr hab. inż. Wojciech Bonenberg, Politechnika Poznańska prof. dr hab. inż. Wojciech Dąbrowski, Politechnika Krakowska prof. dr hab. inż. Maria Elektorowicz, Department of Civil and Einviromental Engineering, Montreal Kanada prof. dr hab. inż. Zbigniew Heidrich, Politechnika Warszawska dr inż. Joanna Jeż-Walkowiak, Politechnika Poznańska prof. dr inż. Marek Gromiec, Wyższa Szkoła Ekologii i Zarządzania, Warszawa dr inż. Małgorzata Leszczyńska, Politechnika Poznańska mgr inż. Andrzej Malinowski, PWiK Dąbrowa Górnicza dr Bożena Krogulska, Państwowy Zakład Higieny, Warszawa prof. dr hab. inż. Krystyna Olańczuk-Neyman, Politechnika Gdańska prof. dr hab inż. Janusz Rak, Politechnika Rzeszowska prof. dr hab inz. Sawiniak Waldemar, Politechnika Śląska prof. dr hab. inż. Zbigniew Siwoń, Politechnika Wrocławska dr inż. Marian Strączyński, „Mast” Bełchatów dr inż. Bożenna Toczyłowska, Instytut Techniki Budowlanej, Zakład Inżynierii Sanitarnej mgr inż. Tomasz Wachowiak, portal www.forum-wodociagi.pl mgr Bogna Wichrowska, Główny Inspektorat Sanitarny, Warszawa mgr inż. Marek Wielunicki, GPW SA Miasteczko Śląskie inż. Roman Wiertelak, PWiK Kalisz prof. dr hab. inż. Andrzej Urbaniak, Politechnika Poznańska, Instytut Informatyki Czasopismo recenzowane Nakład 3000 egz. Druk: Petit s.k. www. petit.lublin.pl Redakcja zastrzega sobie prawo do skracania artykułów. Materiałów nie zamówionych nie zwracamy. Redakcja nie odpowiada za treść reklam i artykułów sponsorowanych. Warunki prenumeraty: Prenumeratę prosimy zamawiać w redakcji czasopisma lub przez strony internetowe: www.seidel-przywecki.pl Koszt rocznej prenumeraty (6 zeszytów) wynosi 90 zł


5

od redakcji

oD rEDAKCJI „Mogę przewidzieć drogę ciał niebieskich, ale nie potrafię powiedzieć nic o ruchu małej kropli wody” GALILEo GALILEI

C

zasopismo „TECHNOLOGIA WODY” jest adresowane do wszystkich zainteresowanych zarządzaniem technologią uzdatniania wody, a w szczególności eksploatacją zakładów uzdatniania wody. Polecamy je zarówno tym, którzy zechcą nadsyłać do redakcji artykuły o tej tematyce, dzieląc się swoim doświadczeniem i informacjami – za co z góry serdecznie dziękujemy, jak i młodym pracownikom, absolwentom różnych szkół kształcących w tym zakresie (np. Politechniki – kierunki Inżynieria Środowiska). Szanowny PT Czytelniku. Oto trzymasz w ręku pierwszy numer nowego czasopisma, które powstało jako impuls – wynik dyskusji prowadzonych na konferencjach i szkoleniach oraz zachęty i poparcia jego wydawania jakie otrzymaliśmy ze strony wielu pracowników: wyższych uczelni, instytutów, przedsiębiorstw wodociągowych, projektantów, producentów, administracji państwowej. Podstawową genezą tej decyzji jest także brak w polskiej tradycji wodociągowej czasopisma wyraźnie ukierunkowanego na eksploatację zakładów uzdatniania wody oraz w szerszym zakresie na zarządzanie rozwojem technologii tych zakładów. Brak ten jest szczególnie widoczny obecnie w okresie intensywnych przemian w naszym kraju, obejmujących także systemy zaopatrzenia w wodę, wymagających spełnienia postulatu starannej i efektywnej eksploatacji coraz bardziej złożonych technologii uzdatniania wód powierzchniowych. Kompleksowa ocena współczesnej Technologii Uzdatniania Wody (Schemat) jest dokonywana w aspekcie: — podmiotowym jako autonomicznej dyscypliny nauki, — przedmiotowym w zakresie zarządzania rozwojem jej metod, operacji jednostkowych, procesów i technologii ZUW, z uwzględnieniem czynnika czasu. Zagadnienia te staramy się wstępnie przybliżyć naszym czytelnikom już w pierwszym numerze czasopisma.

Zarządzanie systemami zaopatrzenia w wodę, a w szczególności technologii jej uzdatniania to problematyka obejmująca zintegrowany i złożony układ czynników mających charakter fizyczny, chemiczny, biologiczny, środowiskowy, techniczny, prawny, ekonomiczny i społeczny. Współczesne systemy zaopatrujące w wodę najbardziej rozwinięte aglomeracje miejsko-przemysłowe, klasyfikują się do największych osiągnięć myśli naukowej i technicznej, a ich produktem jest zdrowa, czysta i smaczna woda. Osiągnięcia w zakresie systemów zaopatrzenia w wodę zostały dostrzeżone m.in. przez Amerykańską Akademię Nauk Technicznych, która sklasyfikowała je na 4 miejscu w rankingu największych osiągnięć technicznych minionego XX wieku (Tablica). Listę tę przedstawił Neil Armstrong w lutym 2000 roku podczas uroczystości jaka odbyła się w Amerykańskim Klubie Prasy w Waszyngtonie. Znaczne osiągnięcia naukowe

Tablica największych osiągnięć technologicznych XX wieku (Amerykańska Akademia Nauk Technicznych) L.p.

Dziedzina lub nazwa osiągnięcia

L.p.

Dziedzina lub nazwa osiągnięcia

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Powszechna elektryfikacja Motoryzacja Lotnictwo Systemy zaopatrzenia w wodę Technologie elektroniczne Radio i telewizja Mechanizacja rolnictwa

11. 12. 13. 14. 15. 16. 17.

Autostrady Badania kosmosu Internet Diagnostyka medyczna Sprzęt gospodarstwa domowego Technologia medyczna (antybiotyki, implanty...) Petrochemia

8.

Komputeryzacja

18.

Lasery i optoelektronika

9. 10.

Telefonia

19.

Atomistyka

Klimatyzacja i chłodnictwo

20.

Inżynieria materiałowa

Marek M. SOZAŃSKI Przewodniczący Rady Programowej

Magdalena SEIDELPrZYWECKA Redaktor Naczelna


6

od redakcji

INŻYNIERIA

NAUKA

ZAKŁADY UZDATNIANIA WODY

TECHNOLOGIA UZDATNIANIA WODY – DYSCYPLINA NAUKI

BADANIA, PROJEKTOWANIE

INTEGRACJA

METODOLOGIA ROZWOJU REGUŁY, PARADYGMATY, ZASADY METODYCZNE

WDROŻENIA, EKSPLOATACJA

ETAPY ROZWOJU AQUAE-DUCTUS ŻRÓDŁO + TRANSPORT

POWSTANIE

STAN ISTNIEJĄCY

PROGNOZY

SYSTEMY ZAOPATRZENIA W WODĘ UJĘCIE + UZDATNIANIE + DYSTRYBUCJA

Schemat koncepcji oceny Technologii Uzdatniania Wody

dokonane ostatnio także i w zakresie Technologii Uzdatniania Wody mogą prowadzić do powstania tzw. „bariery eksploatacyjnej” tzn. dystansu między postępem wiedzy naukowej, a praktyką eksploatacyjną. Bez odpowiedniej wiedzy coraz trudniej jest bowiem prawidłowo zarządzać działalnością eksploatacyjną. Identyfikacja, analiza i ocena sytuacji eksploatacyjnej w zakładach uzdatniania wody są w stanie określić dysfunkcje słabych ogniw m.in. w strukturach technologicznych tych zakładów jak i w strukturach organizacyjnych przedsiębiorstw wodociągowych zarządzających eksploatacją tych zakładów. Jesteśmy przekonani, iż problematyka ta, zmierzająca do wypracowania własnych doświadczeń i metod optymalizujących funkcje eksploatacji oraz powiązania zadań zarządzania ze strategią eksploatacji znajdzie się w pracach nadsyłanych do druku. Mamy także nadzieją, iż w ten sposób czasopismo TECHNOLOGIA WODY stanie się źródłem inspiracji do działań poznawczych i badawczych dla szerokiego kręgu czytelników, a w szczególności pracowników naukowych i praktyków branży wodociągowej oraz wszystkich zainteresowanych niniejszą tematyką. Od strony organizacyjnej redakcja czasopisma będzie prowadzona przez

Wydawnictwo Seidel-Przywecki, pod merytorycznym przewodnictwem prof. dr hab. inż. Marka Sozańskiego i prof. dr. hab. inż. Petera Hucka oraz wszystkich członków Rady Programowej. Patronem medialnym czasopisma będzie portal internetowy www. technologiawody.pl. Stałą współpracę Technologia Wody będzie prowadziła z następującymi instytucjami: — Politechnika Poznańska, — Instytut Inżynierii Środowiska, — Stowarzyszenie Producentów Stali Nierdzewnej, — Stowarzyszenie Armatury, — Stowarzyszenie Rur z Tworzyw Sztucznych, a także z portalem www.forum-wodociagi.pl Czasopismo będzie podzielone na XI stałych działów tematycznych, takich jak: I. Nauka i technika. II. Wiadomości z uniwersytetów i laboratoriów zagranicznych. III. Z Państwowego Zakładu Higieny i Stacji sanitarno-Epidemiologicznych. IV. Praktyka wodociągowa i eksploatacja. V. Architektura obiektów wodociągowych. VI. Historia wodociągów. VII. Wody mineralne. VIII. Woda element życia. IX. Newsy branżowe. Notatki prasowe i inne informacje z branży.

X. Konferencje i kongresy– Polska i Świat. XI. Zagadnienia prawne i ekonomiczne. Naszą intencją jest, aby tematyka czasopisma była dostosowywana do bieżących zmian i potrzeb systemów zaopatrzenia w wodę. Mamy nadzieję, że nazwiska największych autorytetów w branży, a także poruszane przez nich problemy, przyciągną potencjalnych czytelników, przez co czasopismo Technologia Wody na dobre zagości na rynku. Nie ukrywamy, że kluczem do zwycięstwa jest Państwa wsparcie. Nasz nowy projekt skierowany jest w dużej mierze do eksploatatorów, stworzony dla rozwiązywania ich problemów. Bez Państwa pomocy, bezcennych wskazówek, sugestii, nie będziemy mogli stworzyć czasopisma doskonałego. Bo to właśnie stworzenie czasopisma doskonałego, które zaspokoi ambicję, głód wiedzy i ciekawość czytelników, jest naszym zamierzeniem. Zatem wspólnie realizujmy ten cel. Budujmy sukces, wspólny sukces. Zapraszamy do zapoznania się z pierwszym numerem i życzymy przyjemnej lektury

Rada Programowa i Redakcja „Technologii Wody”


praktyka wodociągowa i instalacyjna

7

Zaopatrzenie w wodę w cywilizacjach starożytnych Water supply in the civilizations of the Ancients Wojciech Bonenberg

Streszczenie Pierwsze udane próby zastosowania inżynierii wodnej dla potrzeb rolniczych sięgają czasów neolitu (ok. 57002800 r p.n.e.). Miały one miejsce w Egipcie i Mezopotamii. Pozostałości prehistorycznych systemów nawadniania pól zachowały się do dnia dzisiejszego1. Wzrost plonów zawdzięczany zabiegom irygacyjnym spowodował rozwój ośrodków osiedleńczych, które u schyłku neolitu przekształciły się w miasta. Sztuczne nawadnianie pól wymagało sprawnego systemu zarządzania przez scentralizowany ośrodek władzy zlokalizowany w mieście. Zwiększenie zapotrzebowania na wodę w miastach wynikało z powiększającej się liczby mieszkańców.

Abstract The first successful attempts to use water engineering for agriculture dates back to Neolithic times (c. 57002800 BC). They took place in Egypt and Mesopotamia. Remnants of prehistoric irrigation systems have been preserved to this day. The increase in yields is due irrigation treatments resulted in the development of centers of settlement, which at the end of the Neolithic developed into the city. Artificial irrigation fields require an efficient system for managing the centralized power center located in the city. Increasing demand for water in urban areas due to the growing population.

1. Początki Pierwsze miejskie układy dystrybucji wody powstały na Krecie w czasach minojskich (Epoka Brązu). Są datowane na około 3000-1700 p.n.e. Cywilizacja minojska szczyciła się niepodważalnymi osiągnięciami w zakresie miejskiej inżynierii wodnej oraz racjonalnego wykorzystania skąpych zasobów wodnych do celów rolniczych i sanitarnych. Inne wielkie kultury starożytnego świata nie pozostawały w tyle. Cywilizacja doliny Indusu (kultura harappańska) rozwijająca się w okresie 3300-1300 p.n.e. na obszarze subkontynentu indyjskiego osiągnęła również znaczące postępy w inżynierii wodnej. W głównym centrum urbanizacji, mieście Mohenjo-Daro (Mohendżo Daro) datowanym na 2550 p.n.e. woda dostarczana była z ponad 700 studni połączonych systemem wodnym i zaspokajała nie tylko potrzeby domowe mieszkańców, ale również zapewniała funkcjonowanie systemu publicznych łaźni2. Ta metropolia zajmująca obszar większy niż dwa kilometry kwadratowe mogła konkurować pod względem wielkości i bogactwa ze współczesnymi jej miastami Mezopotamii, które nie wiele ustępowały pod względem tech-

niki dystrybucji wody. Przykładowo można tu wymienić miasto Eshnunna (80 km na północ od Bagdadu), gdzie wykopaliska archeologiczne odsłoniły ceglane kanały odprowadzające ścieki z domów. W sumeryjskim mieście Nippur odkryto gliniane rury z systemem łączników, kolanek i trójników umożliwiających wykonywanie odgałęzień sieci wodociągowej3. W mieście Jawa w północno-wschodniej Jordanii woda deszczowa gromadzona w specjalnych cysternach była rozprowadzana rurociągami biegnącymi pod ziemią4. Wśród starożytnych osiągnięć w zakresie inżynierii wodnej szczególne miejsce zajmują miasta starożytnej Grecji.

3 1

2

Edwards E. S. The Cambridge Ancient History. Part I Prolegomena and Prehistory. Cambridge University Press, Cambridge. 1970. s. 5874. Jansen M. (1989). Water Supply and Sewage Disposal at MohenjoDaro. World Archaeology. 21(2), The Archaeology of Public Health. s. 177-192.

4

Gray H.F. Sewerage in Ancient and Medieval Times. Sewage Works Jounal. 12 (5) 1940. s. 939–946. Abdel Khaleq R.A., Alhaj Ahmed I. Rainwater harvesting in ancient civilizations in Jordan. Water Science and Technology: Water Supply, 7(1) 2007. s. 85–93.


8

praktyka wodociągowa i eksploatacyjna

2. Starożytna Grecja W przeciwieństwie do ośrodków osiedleńczych Mezopotamii i Egiptu bazujących na eksploatacji wielkich rzek (Tygrysu, Eufratu, Nilu), miasta starożytnej Grecji zmagały się z ciągłym niedostatkiem wody wynikającym z niewielkiej ilości zasobów naturalnych. W związku z tym Grecy byli zmuszeni rozwijać innowacyjne technologie pozyskiwania, gromadzenia i transportu wody, niekiedy na duże odległości5. Systemy wodne obejmowały zbiorniki, wodociągi, sieci kanalizacyjne i urządzenia sanitarne. Stosowano również recykling zużytej wody. Toalety, łazienki z wannami, pralnie, baseny były budowane w miastach mykeńskich od około 3000 roku p.n.e.6 Cechy szczególne wyróżniające sposób gospodarowania wodą przez społeczności starożytnej Grecji dotyczą praktycznego wdrażania wiedzy naukowej w zakresie inżynierii wodnej. Wielcy uczeni i wynalazcy, wśród których można wymienić Archimedesa, Herona, Ktesibiosa, Eupalinusa i Filona Byzantiusa konstruowali niezwykłe jak na swoje czasy urządzenia hydrauliczne. Spośród wielu wynalazków można wymienić trzy, które wywarły znaczący wpływ na systemy doprowadzania wody do miast7: 2.1.

Śruba Archimedesa

Urządzenie było (i jest) wykorzystywane do pompowania wody z niższego poziomu na wyższy za pomocą ślimacznicy umieszczonej wewnątrz ukośnie ustawionej rury. Śruba pod-

Rys. 1. Schemat śruby Archimedesa. Rysunek autora na podstawie opisu i szkicu Witruwiusza (księga 10, rozdział 6).

czas obrotu podnosi wodę wewnątrz rury i w ten sposób napełnia górny zbiornik magazynujący wodę. Urządzenie w starożytności było napędzane siłą ludzkich mięśni (Rys. 1). 2.2.

Grecy używali rozwiniętej techniki dostarczania wody z dalszych odległości. Do tego służyły akwedukty prowadzone w tunelach i na mostach. Instalacje te wykorzystywały grawitacyjny przepływ wody. Woda płynęła z wyżej położonych źródeł do odbiorców, zajmujących obszary położone poniżej. Akwedukty rozgałęziały się i doprowadzały wodę do wielu odbiorców, tworząc rozwinięte systemy wodociągowe. 2.3.

5

6

7

Angelakis A.N., Koutsoyiannis D. Urban water engineering and management in Ancient Greece. w: Stewart B.A., Howell T. (Eds.). The Encyclopedia of Water Science. Marcel Dekker. New York. 2003. s. 999– 1008. Angelakis A.N., Spyridakis S.V. The status of water resources in Minoan times: a preliminary study. w: Angelakis, A.N., Issar, A.S. (Eds.). Diachronic Climatic Impacts on Water Resources with Emphasis on Mediterranean Region. Springer. Heidelberg. 1996. s. 161–191 (Chapter 8). Tokaty G.A. A History and Philosophy of Fluid Mechanics.: Foulis. Henley on Thames. 1971 (reprinted by Dover. New York. 1994).

Akwedukty

Syfony

Osiągnięcia w hydraulice zawdzięczali Grecy słynnym wynalazcom epoki helleńskiej. Ich badania i eksperymenty pozwoliły na wykonanie skomplikowanych instalacji, w których zastosowano rury działające pod ciśnieniem wody. W pofałdowanym terenie do zapewnienia grawitacyjnego przepływu wody niezbędne były mosty nad dolinami i tunele przebijające wzgórza. Zasada odwróconego syfonu pozwała na dopasowanie

przebiegu akweduktów do pionowego ukształtowania terenu, co spowodowało znaczne oszczędności przy ich budowie. Tunele i mosty podtrzymujące akwedukty nie były już konieczne. Najbardziej spektakularnym zastosowaniem zasady syfonu jest system doprowadzenia wody do akropolu w Pergamonie.

3. Kultura Minojska – metody zrównoważonego zarządzania systemami wodnymi Pod tym względem szczególnie interesująca jest kultura starożytnej Krety. Do dzisiaj imponują metody zarządzania systemami wodnymi w miastach minojskich, a przede wszystkim osiągnięcia w zakresie utrzymania higieny. Systemy obiegu wody w miastach minojskich były zaplanowane w sposób bardzo przemyślany. W celu maksymalnego wykorzystania ograniczonych zasobów, niezbędne było powtórne wykorzystanie wody. Woda deszczowa odprowadzana pionowymi rurami spustowymi z dachów gromadzona była w studzienkach i cysternach, a następnie wykorzystywana do przepłukiwania ustępów i łazienek.


zaopatrzenie w wodę w cywilizacjach starożytnych

9

Angelakis, Koutsoyiannis i Tchobanoglous9 opisują zachowaną rurę spustową we wschodnim skrzydle zabudowy pałacowej. Rynienki odprowadzały wodę deszczową z płaskich dachów i tarasów do przełazowego kanału ściekowego przykrytego płytami kamiennymi. Rysunek 4 przedstawia częściowo zachowany fragment tego systemu. W Pałacu w Minos10 wody opadowe spływały z centralnego dziedzińca kanału przebiegającego pod ziemią. Kamienny tunel był usytuowany wzdłuż pasażu idącego do północnego wejścia. Do kanału podłączono kilka 9

Rys. 2. Widok zespołu pałacowego w Knossos. Rysunek autora na podstawie: Zarkadoulas N., Koutsoyiannis D., Mamassis N., Papalexiou S.M.. Climate, Water and Health in Ancient Greece. European Geosciences Union General Assembly 2008. Vienna, Austria, 13-18 April 2008. Session IS22: Climate, Water and Health.

10

Angelakis A.N., Koutsoyiannis D., Tchobanoglous G. Urban wastewater and stormwater technologies in ancient Greece. Water Research 39 (2005). s. 210–220. Zarys urbanizacji minojskiej jest przedstawiony w pracy: Chant C, Goodman D.C. Preindustrial cities and technology. Routledge. New York, London. 2000. s. 50-56.

Reprezentatywnym przykładem jest pochodzący z 2000-1400 r. p.n.e. zespół urbanistyczny w Knossos (nazywany Pałacem Minosa) położony u stup gór Ida w odległości 6 km na wschód od Iraklionu. Tarasowe zabudowania o powierzchni 17 400 m2 okalają wewnętrzny dziedziniec o wymiarach 20 x 60 m, przy którym po stronie zachodniej usytuowano pomieszczenia reprezentacyjne i kultowe: sanktuarium i salę tronową. Po wschodniej stronie dziedzińca znajdują się apartamenty królowej i komnata Króla Minosa (tzw. Sala Obusiecznych Toporów). Rysunek 2 przedstawia widok rekonstrukcji Pałacu. W odkrytych w 1899 roku przez Arthura Evansa pozostałościach Pałacu zwraca uwagę niezwykły, liczący ponad 150 m długości system kanalizacji biegnący w pobliżu wewnętrznego dziedzińca8 (rys. 3).

8

System ten został opisany w pracy: Angelakis. A.N. Spyridakis. S.V. Wastewater management in Minoan times. w: Proceedings of the Meeting on Protection and Restoration of Environment. August 28–30, 1996. Chania, Greece. s. 549–558.

Rys. 3. Fragment system kanalizacji odkryty w pozostałościach pałacu w Knossos. Schemat autora na podstawie: : Zarkadoulas N., Koutsoyiannis D., Mamassis N., Papalexiou S.M.. Climate, Water and Health in Ancient Greece. European Geosciences Union General Assembly 2008. Vienna, Austria, 13-18 April 2008. Session IS22: Climate, Water and Health.


10

praktyka wodociągowa i eksploatacyjna

Rys. 4. Rynienki odprowadzające wodę z tarasów pałacu w Knossos. Rysunek autora na podstawie opisu i zdjęć w: Angelakis A.N., Koutsoyiannis D., Tchobanoglous G. Urban wastewater and stormwater technologies in ancient Greece. Water Research 39 (2005) str. 215.

odgałęzień doprowadzających wodę z różnych kwartałów zabudowy. Kanał obsługiwał toalety, zbierał wody opadowe z dziedzińców i z dachów. Wielkość przekroju porzecznego była na tyle duża, że pozwalała na wejście człowieka w celu czyszczenia i na-

praw. Pionowe szyby służyły do wentylacji kanału. Wykopaliska archeologiczne wskazują, ze domy mieszkalne i budynki publiczne w miastach minojskich miały rynny i rury spustowe podłączone do kanalizacji ściekowej biegnącej pod ulicami (rys. 5). Woda odpadowa z kąpieli była powtórnie używana do mycia posadzek i do nawadniania roślin w ogrodach przydomowych. Deszczówka z dachów i wpustów ulicznych mogła być wykorzystana do nawadniania upraw. Po wzbogaceniu przez ścieki sanitarne, wpadające wzdłuż trasy kanału, stawała się cennym nawozem. Daje to podstawę do stwierd z e n i a , ż e o kre s i e m i n o j s ki m (3000-1600 r. p.n.e.) po raz pierwszy zaczęto stosować zasadę powtórnego wykorzystania wód odpadowych11. Minojskie osiągnięcia w gospodarowaniu zasobami wody ustanowiły standardy, które rozpowszechniły się w pomniejszych okresach starożytności. W pewnym zakresie dotrwały nawet do naszych czasów i są stosowane we współczesnych miastach. Upadek kultury minojskiej nie spowodował zaniku miejskich technologii zarządzania wodą. Przeciwnie, odkrycia archeologiczne wskazują, że technologie te były rozwijane na 11

Angelakis A,N. Koutsoyiannis D. Tchobanoglous G. Urban wastewater and stormwater technologies in ancient Greece. Water Research 39 (2005). s. 216.

terenie Grecji kontynentalnej i Wyspach Egejskich w kolejnych okresach rozwoju kultury greckiej – okresie mykeńskim, archaicznym, klasycznym i hellenistycznym. Dla przykładu można tu wymienić założone w XIV w p.n.e. prehistoryczne miasto Tera (Santoryn), gdzie wykopaliska archeologiczne natrafiły na sieć kanalizacyjną biegnącą pod ulicami. Sieć była bezpośrednio doprowadzona do łazienek i toalet, w które były wyposażone wszystkie domy. Podobny system występuje w starszym (2550 r. p.n.e.) prehistorycznym mieście MohenjoDaro w Indiach12. Z całą pewnością można stwierdzić, że miasta starożytne posiadały rozwinięte systemy zarządzania wodą. Wodociągi i kanalizacja były uważane za niezbędny element infrastruktury miejskiej, który choć nie rzucający się w oczy tak jak świątynie, teatry i place miejskie, decydował o urodzie miast i wysokiej jakości życia mieszkańców.

4. Rozwiązania techniczne 4.1.

Obiekty sanitarne

Rozwiązania sanitarne stosowane prawie 5 tysięcy lat temu w miastach minojskich można śmiało porównać z nowoczesnymi systemami 12

Gray H.F. Sewerage in Ancient and Medieval Times. Sewage Works J. 12 (5) 1940. s. 939–946.

Rys. 5. Rozwiązanie kanalizacji w miastach minojskich. Kanał zbierający wody opadowe i ścieki sanitarne, biegnący pod ulicą. Rysunek autora na podstawie: Angelakis, A.N., Spyridakis, S.V., 1996. Wastewater management in Minoan times. In: Proceedings of the Meeting on Protection and Restoration of Environment, August 28–30, Chania, Greece, pp. 549–558.


zaopatrzenie w wodę w cywilizacjach starożytnych

Rys. 6. Knossos. Schemat najstarszej spłukiwanej toalety w historii. Na podstawie: Graham, J.W. The Palaces of Crete. Revised Ed. Princeton University Press, Princeton, New Jersey. 1987., oraz: Angelakis A.N., Koutsoyiannis D., Tchobanoglous G. Urban wastewater and stormwater technologies in ancient Greece. Water Research 39 (2005) str. 212.

wodno– kanalizacyjnymi rozwijanymi w Europie w drugiej połowie XIX wieku n.e. W pozostałościach pałaców minojskich odkrytych w XX wieku, jednym z najważniejszych elementów były instalacje do magazynowania i dystrybucji wody. W Pałacu Minosa w Knossos można wskazać co najmniej dwa pomieszczenia, co do których nie ma wątpliwości, że pełniły funkcje sanitarno-higieniczne. Jedno z tych pomieszczeń zajmowała toaleta położona na parterze we wschodniej mieszkalnej części pałacu. Toaleta sąsiadowała z megaronem królowej. Ustęp był wyposażony w drewniany sedes i kanał odprowadzający ścieki. Wodę wlewano przez otwór w posadzce bezpośrednio na zewnątrz ustępu. Kanał podposadzkowy łączył otwór w podłodze z pionową glinianą rurą znajdująca się pod sedesem. Toaleta mogła być spłukiwana przez osobę bezpośrednio korzystającą z ustępu, lub z zewnątrz przez służącego13. Według odkrywcy pałacu, Arthura Evansa, woda do każdorazowego spłukiwania ustępu była gromadzona w dużym dzbanie stojącym w pobliżu sedesu. Niezależnie, kilka razy w roku kanał ściekowy był przepłukiwany przez wody opadowe gromadzone w specjalnych studniach i cysternach14. Ry13

14

Castleden R. Minoans: Life in Bronze Age Crete. Routledge. London. 1993. Evans S.A. The Palace of Minos at Knossos: a comparative account of the successive

sunek 6 przedstawia prawdopodobnie najstarszą spłukiwaną toaletę w historii. Wykopaliska prowadzone w pierwszej połowie XX w odsłoniły ruiny innego zespołu urbanistycznego kultury minojskiej w położonej na południowym wybrzeżu Krety miejscowości Fajstos. Pochodzący z 2000-1900 p.n.e. Pałac o powierzchni ok. 8,3 tys. m2 był ukształtowany wokół centralnego dziedzińca o wymiarach 46,5 x 22,3 m. 15 Podobnie jak w Knossos spłukiwane wodą toalety sąsiadują tu z apartamentami królowej. Ustępy były podłączone do zamkniętego

15

stages of the early Cretan civilization as illustrated by the discoveries. Macmillan and Co. London. 1921–1935. vols. I–IV. (Reprinted by Biblo and Tannen. New York. 1964.) Branigan K. Urbanism in the Aegean Bronze Age. Sheffield Studies in Aegean Archaeology, 4. Sheffield Academic Press. Continuum International Publishing Group. 2001. s. 28-44.

11

kanału ściekowego, częściowo zachowanego do dzisiaj. Analogiczny system sanitarny odkryto w miejscowości Malia (Mallia) położonej na północny wschód od Fajstos, około 30 km od Iraklionu. W jednym z zabudowań w pobliżu Pałacu w Malia zachowały się w bardzo dobrym stanie toalety, w których deski sedesowe wykonano nie z drewna jak w Pałacu w Knossos, ale z wygładzonego kamienia. Te kamienne siedziska ustępowe umieszczone na wysokości 35-38 cm nad posadzką miały długość 70 cm i szerokość 46 cm 16. Ustępy zbudowano po przeciwnej stronie zewnętrznej ściany budynku, pod którą przebiegał kanał ściekowy. Bardziej zaawansowany system stale przepłukiwanych toalet został odkryty w Pyrgos (Tyliossos) w centralniej części Krety. Woda do spłukiwana była magazynowana w cysternie i dostarczana wodociągiem 17. Wodociągi minojskie były zbudowane z ceramicznych rur o długości segmentów 70-80 cm i średnicy 8,5-17 cm. Do dzisiaj budzi podziw precyzja ich wykonania oraz przemyślny sposób łączenia ceramicznych elementów (rys. 7). Warto zwrócić uwagę, że współcześnie w wielu krajach nie osiągnięto takiego poziomu higienicznego jaki rozwinęła kultura sanitarna starożytnej Krety 5000 lat temu. 16

17

Angelakis A,N. Koutsoyiannis D. Tchobanoglous G. Urban wastewater and stormwater technologies in ancient Greece. Water Research 39 (2005). s. 212. Angelakis A.N., Spyridakis S.V. Wastewater management in Minoan times. w: Proceedings of the Meeting on Protection and Restoration of Environment. August 28–30, 1996. Chania, Greece. s. 549–558.

Rys. 7. Minojskie rury wodociągowe (segmenty wykonane z terrakoty). Rysunek autora na podstawie: Angelakis, A.N., Koutsoyiannis, D., 2003. Urban water engineering and management in Ancient Greece. In: Stewart, B.A., Howell, T. (Eds.), The Encyclopedia of Water Science. Marcel Dekker, New York, USA, pp. 999–1008.


12 4.2.

praktyka wodociągowa i eksploatacyjna

Łazienki

Łazienki minojskie były wyposażone w wanny, umywalnie i instalacje do odprowadzania ścieków. Woda do mycia gromadzona była w specjalnych cysternach. Odgałęzienia wodociągu zaopatrywały również poidełka (w kształcie rynienek) z czystą wodą do picia18. Gliniane wanny w minojskich łazienkach były prawdopodobnie napełniane i opróżniane ręcznie, choć znaleźć można przykłady umywalni podłączonych bezpośrednio do bieżącej wody i kanalizacji. W zajeździe przy drodze wychodzącej na południe z Pałacu w Knossos, umywalnie dla podróżnych przeznaczone do mycia nóg były wyposażone w rury odprowadzające bezpośrednio brudną wodę do wydzielonego przewodu kanalizacyjnego19. Większość domowych łazienek była podłączona do niezależnych szamb zlokalizowanych na zewnątrz domów.

Rys. 8. Pozostałości Akropolu w Atenach (stan obecny). Rysunek autora. 5.1.

Akwedukt Peisistratosa w Atenach

Najbardziej znaczącą budowlą doprowadzającą wodę do Aten był zbudowany w V wieku p.n.e. akwedukt Peisistratosa. Była to przełomowa inwestycja w rozwoju urbanistycznym miasta, dzięki której populacja

Aten osiągnęła 200 tysięcy mieszkańców20. W dotychczasowej historii, dostawa wody stanowiła istotny czynnik 20

Historia budowy Aten jest omówiona w pracy: Joint Association of Classical Teachers. The World of Athens: an introduction to classical Athenian culture. Cambridge University Press. 1984. s. 74-88.

5. Urządzenia i obiekty wodociągowe Trudno znaleźć antyczne miasto, rozwijające się śródziemnomorskim kręgu kulturowym bez zaawansowanego systemu wodociągowego. System taki składał się ze zintegrowanych elementów, stale udoskonalanych i rozwijanych aż do czasów upadku Imperium Rzymskiego. Spośród wielu urządzeń wodnych służących do zaopatrywania miast, wybrano kilka reprezentatywnych przykładów, które dają pogląd na temat rozmachu starożytnych instalacji hydraulicznych. 18

19

Angelakis A.N., Spyridakis S.V. The status of water resources in Minoan times: a preliminary study. w: Angelakis A.N. Issar A.S. (Eds.). Diachronic Climatic Impacts on Water Resources with Emphasis on Mediterranean Region. Springer. Heidelberg. 1996. s. 161–191 (Chapter 8). Angelakis A.N., Spyridakis, S.V. The status of water resources in Minoan times: a preliminary study. In: Angelakis, A.N., Issar, A.S. (Eds.). Diachronic Climatic Impacts on Water Resources with Emphasis on Mediterranean Region. Springer. Heidelberg. 1996. s. 161–191 (Chapter 8).

Rys. 9. Przypuszczalny sposób drążenia akweduktu Peisistratosa. Szkic autora na podstawie: Tassios T.P. Water supply of ancient Greek cities. Water Science and Technology: Water Supply Vol 7 No 1 Q IWA Publishing. 2007. str. 165–172.


zaopatrzenie w wodę w cywilizacjach starożytnych

Rys. 10. Rury akweduktu Peisistratosa odsłonięte podczas budowy metra w Atenach. Z: Rozos E., Koutsoyiannis D. (National Technical University of Athens). Managing water supply resources in karstic environment. UNESCO WORKSHOP Integrated Urban Water Management in TC – Temperate Climates Belgrade 15-16 May 2006.

ograniczający rozwój urbanistyczny miasta położonego w suchej okolicy. Zamek warowny na wzgórzu Akropolis wzniesiony w okresie mykeńskim (w drugiej połowie II tysiąclecia p.n.e.) był zalążkiem grodu (rys. 8). W rejonie Akropolu znajdowały się trzy naturalne źródła, z których najbardziej znane to „Clepsydra”. Źródła te, szczególnie w okresach suszy nie dawały wystarczającej ilości wody dla potrzeb mieszkańców. Dlatego Ateńczycy budowali urządzenia do magazynowania wód podziemnych i opadowych. Wykopaliska archeologiczne świadczą, że miasto rozwinęło system zaopatrzenia w wodę składający się ze studni, cystern i podziemnych ujęć wody źródlanej21. Z czasem wszystkie te urządzenia zostały połączone siecią podziemnych przewodów. System był stale rozbudowywany i objął całe Ateny. W okresie mykeńskim podobne instalacje były budowane w wielu miastach. Potwierdzają to znaleziska w Tyrynsie na Peloponezie i Itace, wyspie na Morzu Jońskim. 21

Knauss J. Observations and considerations concerning mycenaean underground wellhouses, etc. w: Proc. of the 2nd Int. Conf. on Ancient Greek Technology. Tech. Chamber of Grece. Athens. 2006.

Kluczową inwestycją zabezpieczającą dostawę wody do Aten był zbudowany w 510 r. p.n.e. podziemny akwedukt Peisistratosa, który doprowadzał wodę do centrum miasta z odległych o 7,5 km zboczy góry Hymettos. Większa część akweduktu była wykonana w formie podziemnego tunelu, osiągającego miejscami głębokość 14 metrów (rys. 9). Kamienny tunel miał wysokość 130-150 cm i szerokość 65 cm22. Na dnie tunelu był umieszczony wodociąg składający się z terakotowych rur o wewnętrznej średnicy ok. 20 cm. Każda rura miała u góry eliptyczny otwór do czyszczenia, zamykany ceramicznym „korkiem”. Na niektórych rurach można odczytać nazwisko wytwórcy i dane techniczne dotyczące kierunku układania rurociągu. Rury na końcach miały ukształtowane kołnierze, tak, że można je było ściśle łączyć i uszczelniać (rys. 10). Podziemny akwedukt Peisistratosa jest typowym przykładem greckich urządzeń dostarczających wodę do miast. Podziemne wodociągi funk22

Angelakis A. N., Koutsoyiannis D. Urban Water Engineering and Management in Ancient Greece. Marcel Dekker. New York. 2002. s. 1004-1006.

13

cjonowały w wielu miastach greckich w okresie archaicznym i klasycznym (VIII w. p.n.e.–V w. p.n.e.)23 Przykładem są Syrakuzy, gdzie na miejscu dawnego podziemnego akweduktu powstały wiele wieków później katakumby używane w okresie wczesnego chrześcijaństwa (IV-VI w n.e). Analogiczny system podziemnego doprowadzania wody częściowo zachował się w położonym na południowym wybrzeżu Sycylii mieście Acragas (Agrigento)24. Akwedukt zbudowany przez tyrana Phalarisa (ok. 570-554 p.n.e.) przebiegał w podziemnym tunelu o długości 15 km i przekroju przekroju 1 x 2 m. Charakterystyczną cechą systemów doprowadzających wodę do miast greckich jest dywersyfikacja zaopatrzenia wodnego (źródła podziemne, studnie, cysterny wodne, akwedukty doprowadzające wodę z oddalonych miejsc) oraz prowadzenie instalacji pod ziemią, często w znacznym zagłębieniu. Prawdopodobnie było to spowodowane przyczynami strategicznymi. Woda zapewniała miastom podstawy rozwoju cywilizacyjnego. Jednak ze względu na ciągłe wojny między miastami, akwedukty doprowadzające wodę musiały być ukryte. Unikano widocznych rurociągów układanych na mostach. Był to główny powód rozwoju podziemnych akweduktów. Technologię budowy tuneli stale udoskonalano dzięki wynalazkom urządzeń do pomiarów topograficznych. Rozkwitała obróbka kamienia, wyrób rur, ceramiki i technika wytwarzania ołowiu (w później fazie okresu helleńskiego). Zarządzanie systemami wodnymi stało na bardzo wysokim poziomie. Systemy wodne obejmowały nie tylko urządzenia służące celom higieniczno-utylitarnym, ale również fontanny miejskie i sztuczne zbiorniki do ozdoby miejsc publicznych.

23

24

Wilson N.G. Encyclopedia of ancient Grece. Routledge. New York, London. 2006. World Heritage List. Agrigento (Italy). ICOMOS. 1977 (No. 831). s. 135-151.


14

praktyka wodociągowa i eksploatacyjna

blisko 1000 lat, do roku 700 n.e.27 Do zbudowania tunelu niezbędna była zaawansowana wiedza w zakresie geometrii, oraz praktyczna umiejętność wykonywania pomiarów geodezyjnych28. Całe przedsięwzięcie można śmiało zaliczyć do arcydzieł sztuki inżynieryjnej. 5.3.

Rys. 11. Tunel Eupalinosa w Samos. Przekrój pionowy przez górę Kastro. Rzut poziomy trasy akweduktu. Rysunek autora na podstawie: Angelakis, A. N., and D. Koutsoyiannis, Urban water engineering and management in ancient Greece, The Encyclopedia of Water Science, edited by B. A. Stewart and T. Howell, 999-1007, Dekker, New York, 2003. str. 1003.

5.2.

Tunel Eupalinosa w Samos

Najsłynniejsza konstrukcja hydrotechniczna starożytnej Grecji to akwedukt doprowadzający wodę do miasta Samos, położonego na egejskiej wyspie u wybrzeży Azji Mniejszej. Budowla było przedmiotem zachwytu w starożytności podobnie jak jest podziwiane współcześnie. Twórcą dzieła był słynny grecki architekt Eupalinos, syn Naustrofosa, pochodzący z Megary. Akwedukt o długości 2800 m powstał za czasów panowania tyrana Polikratesa (535-522 p.n.e.), inicjatora wielkiej rozbudowy miasta i portu morskiego w Samos. Najbardziej zdumiewającą częścią akweduktu jest tunel długości 1036 m, wydrążony w sięgającej 225 m wysokości górze Kastro (rys. 11). Tunel został zbudowany w celu doprowadzenia wody do miasta od północnej strony. Budowa rozpoczęła się w 530 r. p.n.e. i trwała 10 lat25. Dwa pracujące z obu stron góry zespoły spotkały się w środku trasy tunelu na głębokości 170 m z przesunięciem jedynie 60 cm. Największym problemem było wytyczenie trasy tunelu i precyzyjna kontrola postępu podziemnych robót. Było to tym bardziej skomplikowane, że wią-

zało się z koniecznością zachowania spadku zapewniającego grawitacyjny przepływ wody na całej długości akweduktu. Robotnicy mieli problemy z powodu nieustabilizowanego podłoża, co spowodowało, że podczas robót ziemnych wystąpiło niewielkie pionowe odchylenie tunelu od wytyczonej trasy. Odchylenie nastąpiło w odległości ok. 400 metrów od północnego wejścia. Wprowadzono więc odpowiednie poprawki, pogłębiając rów na przewód wodociągowy w tej części tunelu. W oparciu o tekst Herodotusa, francuski archeolog Victor Guérin w roku 1853 odnalazł północne wejście do tunelu. W 1883 r. Ernst Fabricius z Niemieckiego Instytutu Archeologicznego w Atenach zbadał cały tunel i opublikował wyniki badań, wykonując szczegółowe rysunki.26 Tunel miał przekrój poprzeczny zbliżony do kwadratu o boku 1,75 m. Wzdłuż bocznej ściany biegł 60 cm rów, w którym ułożono wodociąg. W tunelu woda płynęła glinianymi rynnami zbudowanymi z 4000 segmentów produkowanych ręcznie. Na zewnątrz tunelu odnaleziono starannie wykonane gliniane rury zagłębione w ziemi. Akwedukt służył do zaopatrzenia miasta w wodę przez

Uważa się, że pierwszą budowlą wodną działającą pod ciśnieniem był wodociąg w Pergamonie 29. Zbudowany za króla Eumenesa II (197-159 B.C) odwrócony syfon działający pod ciśnieniem 200 m słupa wody można uznać za kamień milowy w rozwoju inżynierii wodnej. Miasto Pergamon w latach 283133 p.n.e. było stolicą hellenistycznego państwa. Ufortyfikowany gród położony na południowo-zachodnim zboczu stromego wzgórza królował nad doliną rzeki Kaikos na wschodnim krańcu Anatolii (dzisiejsza Turcja). Pergamon należał do najpiękniejszych miast hellenistycznych i był wspaniałym przykładem urbanistyki greckiej. Rozplanowanie okazałych budowli i siatka ulic nawiązywały do ukształtowania terenu, a całość otaczały mury obronne. Około 200 r. p.n.e. zapotrzebowanie na wodę w stolicy królestwa znacznie przekroczyło ograniczone zasoby lokalnych źródeł. Aby zaradzić tej sytuacji rozpoczęto budowę nowych długich akweduktów od strony północnej miasta. Dwa z nich miały początek w dolinie Selinos (trasa 2, rys. 12) trzeci o długości 42 km doprowadzał wodę spod góry Madradag (trasa 1, rys. 12). 27

28

29 25

Kienast H. J. Der Tunnel des Eupalinos auf Samos. Architectura. Zeitschrift für Geschichte der Architektur. 1977. s. 97-116.

26

Apostel T. The Tunnel of Samos. Engineering and Science. No.1 (2004). s. 30-40.

Syfon w Pergamonie – arcydzieło inżynierii wodnej

Tsimpourakis D. 530 BC, The Digging of Eupalinos in Ancient Samos. Editions Arithmos. Athens. 1997. Około 500 lat po zbudowaniu akweduktu Heron opisał metody jakimi wytyczano tunel. W tym celu używano dioptry, instrumentu służącego do pomiarów geodezyjnych. Miał kształt pręta z oznaczeniami na końcach obracającego się na poziomej okrągłej tarczy z podziałką kątową. Urządzenie było prototypem teodolitu. De Feo G. Historical Development of the Augustan Aqueduct in Southern Italy. W: Water and Wastewater Technologies in Ancient Civilizations. IWA. Heraklion. 2006.


zaopatrzenie w wodę w cywilizacjach starożytnych

Rys 12. Pergamon. Schemat dostaw wody do miasta za pomocą głównych akweduktów. Schemat autora na podstawie: Darcy H., Brown G.O., Garbrecht J., Willi H. Hager. „Henry P.G. Darcy and other pioneers in hydraulics”. ASCE Publications, Philadelphia 2003. str 120.

Ciągi wodne na przeważającej długości były wykonane z potrójnych rur terakotowych o średnicy 18 cm i grubości ścianek 3,5 cm. Obliczenia wskazują, ze sieć akweduktów dostarczała na wzgórza Pergamonu ok. 4600 m 3 wody na dobę 30. Jednak aby doprowadzić wodę od strony północnej należało pokonać dolinę o szerokości ponad 3 km, która oddzielała górę Madradag od wzgórza, na którym wznosił się Pergamoński Akropol. W tym celu zastosowano innowacyjną koncepcję odwróconych syfonów. Było to pierwsze na tak dużą skalę praktyczne wdrożenie sformułowanej przez Archimedesa zasady naczyń połączonych. Rury w syfonach akweduktów prowadzących wodę przez dolinę Selinos (trasa 2) były wykonane z gliny i kamienia. Natomiast syfon najdłuższego 42 km akweduktu biegnącego z góry Madradag ze zbiornikiem przepływowym umieszczonym na Hagios Georgios (trasa 1) był wykonany z rur ołowianych. Ci30

Darcy H., Brown G.O., Garbrecht J., Hager W. H. Henry P.G. Darcy and other pioneers in hydraulics: contributions in celebration of the 200th birthday of Henry Philibert Gaspard Darcy. ASCE Publications. Philadelphia. 2003.

śnienie w syfonach dwóch pierwszych akweduktów wynosiło odpowiednio 25 i 30 m słupa wody. Natomiast trzeci akwedukt na ostatnim 3,25 km odcinku pracował pod imponującym ciśnieniem 180-200 m słupa wody (rys. 13). Oczywiście dla takiego ciśnienia rury kamienne lub ceramiczne były nieodpowiednie – należało zastosować rury ołowiane. Grubość

15

ścianek rur wynosiła prawdopodobnie ok. 3-4 cm. Rurociąg był zbudowany z połączonych segmentów o długości 1,2 m każdy. Rury były podtrzymywane co 1,2 m za pomocą solidnych bloków kamiennych. W każdym bloku wykonany był otwór, przez który przechodziła rura. Połączenia rur były uszczelnione samopęczniejącą zaprawą z piasku, mułu i gliny ułożoną pod zewnętrznym ołowianym kołnierzem. Syfon musiał być wyposażony w odpowiednie urządzenia do odpowietrzania. Ciśnienie w rurociągu w Pergamonie może być uznane za wybitne osiągnięcie starożytnej technologii hydraulicznej. Według szacunkowych obliczeń wydajność syfonu wynosiła średnio 2700 m3 wody na dobę31. Niestety rury, z których był zbudowany syfon nie zachowały się, jednak analiza chemiczna gleby na trasie syfonu potwierdza, że były wykonane z ołowiu. Próbki pobranej ziemi wykazały kilkudziesięciokrotne przekroczenie stężenia tego metalu. Po udanej realizacji syfonu w Pergamonie Grecy, a później Rzymianie zaczęli wykorzystywać wodę biegnącą w rurach pod ciśnieniem do zaopatrywania miast.

31

von Zabern Ph. Die Wasser-Versorgung antiker Städte. Mainz am Rhein. 1991. s. 26.

Rys 13. Pergamon. Końcowa część akweduktu nr. 1, doprowadzającego wodę z góry Madradag pod ciśnieniem hydraulicznym 200 m. Schemat autora na podstawie: Hodge T. A. Roman Aqueducts and Water Supply. Duckworth, London, 1992. str 43.


16

praktyka wodociągowa i eksploatacyjna

Rys. 14. Syfon rzymski. Rysunek autora.

Według A. Trevora Hodge32 udane zastosowanie odkryć w dziedzinie hydrauliki przełamano istotne ograniczenia w rozwoju miast Hellady, które dzięki dostawom wody pozwalającym na rozbudowę, stały się ośrodkami wywierającymi coraz to większe wpływy polityczne i kulturalne. Rozwój inżynierii wodnej umożliwił dostarczanie wody do miast nawet z odległości 40-50 km. Równie ważnym czynnikiem było znaczne obniżenie kosztów budowy akweduktów dzięki zastosowaniu odwróconych syfonów. Doliny i wzgórza nie musiały już być pokonywane głębokimi tunelami i mostami, a za pomocą syfonów (rys. 14). To rozwiązanie było innowacyjnym greckim osiągnięciem, które gwałtownie rozprzestrzeniło się w wielu miastach Grecji i Azji Mniejszej, a po przejęciu przez Rzymian stało się typowym elementem rzymskich akweduktów budowanych w całym Imperium (rys. 15). Reprezentatywnym przykładem morze być zbudowany w trzecim stuleciu naszej ery akwedukt w Aspendos, mieście położonym 50 km na wschód od Attalii na południowym wybrzeżu Anatolii. Wodę dostarczano z oddalonych o 20 km od miasta źródeł górskich poprzez dolinę o szerokości 1,5 km za pomocą odwróconego syfonu. Ru32

Hodge T. A. Roman Aqueducts and Water Supply. Duckworth. London. 1992.

rociąg tworzący syfon wykonany był z perforowanych bloków kamiennych i łączył dwie „wieże hydrauliczne” z otwartymi zbiornikami wody. Przypuszcza się, że Rzymianie stosowali syfony w akweduktach po starannej analizie kosztów doprowadzenia wody w porównaniu z innymi metodami. Kalkulacja wykazywała, że przy przekraczaniu dolin, budowa mostów wyższych niż 40-50 m przestawała być opłacalna i tańszym rozwiązaniem było stosowanie syfonów, jak to miało miejsce w Aspendos33. Również dobór materiałów budowlanych podlegał szczegółowej kalkulacji. Materiały konstrukcyjne rur były dostosowane do panującego w nich ciśnienia.

W związku z tym w Aspendos na poszczególnych odcinkach wodociągu rury były wykonane z różnych materiałów: ołowiu, kamienia, betonu i ceramiki. Cechą charakterystyczną akweduktu w Aspendos są dwie „wieże hydrauliczne” wysokości ok. 30 m usytuowane na załamaniach syfonu. We wnętrzu wież znajdowały się otwarte zbiorniki wody: zbiornik dopływowy i zbiornik odpływowy. Zbiornik dopływowy położony był 14,4 m powyżej dna zbiornika odpływowego. Według Kessenera 34 ciśnienie hydrauliczne w syfonie wynosiło 45 m słupa wody. Odległośc między wieżami wynosiła 924 m, rurociąg przekraczający dolinę był ułożony na arkadowym moście o szerokości 5,5 m i długości 550 m. Niezależnie od wodociągu na moście była ułożona jezdnia35. Orientacyjna ilość wody, która mogła być dostarczana syfonem wynosiła 65 l / sek = 5600 m3/dobę. Przypuszczalne dzienne zużycie wody w ilości 300-500 l na mieszkańca na dobę (wliczając zużycie wody w publicznych łaźniach, fontannach i utrzymania czystości ulic), pozwala określić populację Aspendos w 2-3 wieku n.e. na około 14 000 mieszkańców. Dla porównania szacunkowe zużycie

34

35 33

Hodge T.A. Siphons in Roman Aqueducts. BRS 51, 1983. s. 174-221.

Kessener P., Piras S. The pressure line of the Aspendos aqueduct. Adalya II (159-187) 1997. s. 168. Ward-Perkins J.B. The Aqueduct of Aspendos. Papers of the British School at Rome. (BRS 23) 1955. s. 115-123

Rys. 15. Schemat typowego syfonu rzymskiego. Rysunek autora na podstawie: Passchier, C.W. and Schram, W.D. (2006). Roman Aqueducts. An introduction [Available online at: http://www.romanaqueducts.info/introduction/index.html]


zaopatrzenie w wodę w cywilizacjach starożytnych

Rys. 16. Widok kamiennej rury stosowanej w syfonach. Na podstawie: Tassios T.P. Water supply of ancient Greek cities. Water Science and Technology: Water Supply Vol 7 No 1 Q IWA Publishing, 2007, str. 169.

wody w Pergamonie wynosiło średnio 160-190 l/osobę/dobę36. Schram37 przedstawia listę 79 starożytnych syfonów na terenie dzisiejszej Grecji, Włoch, Francji, Izraela, Hiszpanii, Turcji, Wielkiej Brytanii, Algierii, Syrii, Bułgarii, Jordanii., zbudowanych pomiędzy II wiekiem p.n.e. a III wiekiem n.e. Wśród konstrukcji poprzedzających okres rzymski Trevor Hodge wylicza syfony w Ephesos, Methymna, Magnezja, Antiochias, Blaundros, Patara, Smyrna, Prymnessos, Tralleis, Trapezopolis, Apameia, Akmonia and Laodikeia Smyrna, Prymnessos, Tralleis, Trapezopolis, Apameia, Akmonia i Laodikeia. Większość z tych syfonów działała pod stosunkowo małym ciśnieniem od 15 m (Antiochia nad Meandrem) do 45 m (Aspendos). Zdarzały się przypadki wysokich ciśnień w rurociągach, do których należy opisany akwedukt w Pergamonie (ciśnienie 180-200 m słupa wody), akwedukty w Smyrnie (Turcja) – 158 m, Sartaba-Alexandreion (Izrael) 36

37

Na podstawie informacji zawartych w: a) Stentor E.C., Coulton J.J. The water supply and aqueduct. w: Oinoanda.Anatolian Studies 36 (1986). s. 15-59. b) Patterson J.R. Settlement, city and elite in Samnium and Lycia. w: Edit. Rich J., Wallace-Hadrill A. City and Country in the Ancient Word. Taylor and Francis. London. 1991. s. 147-168. Schram W.D. Greek and Roman Siphons. 2007. Dostępne online: http://www.romanaqueducts.info/siphons/siphons.htm).

– 110 m, Lyon-Gier-L’Yzeron (Francja) 122 m, Alatri (Włochy)– 100 m. Niektóre z tych syfonów zachowały się do dnia dzisiejszego w stanie prawie nie naruszonym. Dotyczy to szczególnie tych, które były zbudowane z kamienia – materiału trwałego i mniej narażonego na kradzież niż ołów. Rury kamienne były wydrążone w blokach o przekroju kwadratowym ok. 0,9x0,9 m z otworem o średnicy ok. 25-30 cm, co dawało grubość otaczającego kamienia ok. 30-35 cm (rys. 16).

17

Taka konstrukcja rury pozwalała na przeniesienie wewnętrznego ciśnienia, które z grubsza można oszacować na 100-120 metrów słupa wody. Przewody wykonane z kamienia mogły więc z łatwością przenosić ciśnienie wody, występujące w większości budowanych syfonów. Pozostaje jednak wyjaśnić jak była zapewniona szczelność na połączeniach bloków kamiennych, których długość wynosiła około 1 m. Odpowiedź na to pytanie podaje Tassios38 w sposób następujący: a) W większości przypadków kamienne połączenia były starannie i precyzyjnie wykonane; końcówki otworów były specjalnie obrabiane. b) Podłużne naprężenia w całym rurociągu (siły działające wzdłuż rur) dawały rodzaj wstępnych naprężeń wpływających na szczelność połączeń elementów kamiennych wykonanych ze stosunkowo miękkiej skały wulkanicznej. c) Osady kalcytu zawartego w wodzie mogły dodatkowo powiększyć szczelność połączeń.

38

Tassios T.P. Water supply of ancient Greek cities. Water Science and Technology. Water Supply Vol 7 No 1 Q IWA Publishing. 2007. s. 165–172.

Rys. 17. Hybrydowa rury wykonane z segmentów ołowianych osadzonych w kamiennych kołnierzach. Rysunek autora na podstawie: Tassios T.P. Water supply of ancient Greek cities. Water Science and Technology: Water Supply Vol 7 No 1 Q IWA Publishing, 2007, str. 171.


18

praktyka wodociągowa i eksploatacyjna

d) Ewentualne wycieki wody na połączeniach rur były niewielkie, co powodowało, ze minimalne straty wody były akceptowane. W syfonach pracujących przy mniejszych ciśnieniach używane były rury terakotowe osadzone w uchwytach kamiennych (np. w przypadki Cezarei), a nawet wydrążone pnie drzew (w późniejszym okresie na europejskich obszarach Imperium Rzymskiego). Warto zwrócić uwagę, że w niektórych syfonach greckich stosowano rozwiązania hybrydowe, polegające na łączeniu kamienia i ołowiu39. Taki syfon zostały odkryty w Jońskim mieście Efez w pobliżu świątyni Artemidy. Ołowiane rury były łączone za pomocą masywnych kołnierzy kamiennych (rys. 17). Opisując to odkrycie archeologiczne Anton Bammer40 zwraca uwagę, jak mylące jest przekonanie, że rury z ołowiu zaczęły być stosowane dopiero przez Rzymian.

6. Cesarstwo Rzymskie Akwedukty są znakiem rozpoznawczym starożytnego Rzymu. Sztukę budowy akweduktów Rzymianie odziedziczyli po starożytnej Grecji, która została włączona do Imperium Rzymskiego w 146 r p.n.e. Akwedukty rozprzestrzeniały się wraz z kolejnymi podbojami Rzymu, stały się zewnętrznym symbolem obecności Rzymian od Syrii poprzez Hiszpanię, Francję i Niemcy do Anglii41 (rys 18). W zasadzie większość rzymskich akweduktów miała znaczenie strategiczne, była budowana w celach militarnych. Chodziło o zapewnienie dostaw wody dla legionów stacjonują39

40

41

Burdy, J. Préinventaire des monuments et richesses artistiques. III. L’aqueduc Romain de la Brévenne. Pre-inventory of the monuments and art treasures. III. The Roman aqueduct of the Brévenne. H. Hours (ed.). Bosc Fre`res. Lyon. 1993. Bammer A. Das Heiligtum der Artemis von Ephesos. Akademische Druck – u. Verlagsanstalt. Graz. 1985. Forbes R.J. Studies in Ancient Technology. E.J. Brill Archive. Vol I. Leiden. 1955. s. 162 -173.

Rys 18. Akwedukt Pont du Gard w dolinie rzeki Gard we Francji (26 – 16 p.n.e.). Rysunek autora.

cych w obozach (wiele z tych obozów przekształciło się później w miasta). Obozy były bardzo często budowane na suchych obszarach, gdzie życie bez dostaw wody z dalszych odległości byłoby niemożliwe. Ukryta pod ziemią część systemu wodnego – kanalizacja – zbierała zużytą wodę dostarczaną akweduktami, spłukiwała ją do rzek płynących poniżej, utrzymując miasta w czystości. Drugą istotną przyczyną budowy akweduktów było dostarczenie wody do term (łaźni miejskich), które pełniły funkcje nie tylko higieniczną. Najstarsze termy z II w. p.n.e., zostały odkryte w Pompejach. Budowanie term w formie dużych kompleksów rekreacyjnych rozpowszechniło się w I w. p.n.e. W skład term wchodziły baseny z zimną i gorącą wodą, sale gimnastyczne, boiska, kolumnady z miejscami do siedzenia przeznaczone dla wypoczywających i dyskutujących Rzymian. Do najbardziej znanych należały termy zbudowane w Rzymie przez cesarzy: Tytusa, Domicjana, Karakallę, Dioklecjana, Konstantyna 42. Woda dostarczana akweduktami służyła również do celów domowych, zaopatrywała szalety publiczne, miejskie fontanny i sadzawki, służyła do nawadniania zieleni miejskiej, napędzania młynów. 42

Fagan G.G. Bathing in public in the Roman Word. University of Michigan Press. 2002.

Rzymscy architekci byli bardzo praktyczni i dlatego za każdym razem, kiedy tylko było to możliwe, projektowali grawitacyjny przepływ wody. W takich przypadkach spadek akweduktów wynosił kilkadziesiąt centymetrów na kilometr długości. Woda płynęła w rurach z terakoty lub z ołowiu, czasami w otwartych betonowych kanałach. W wielu przypadkach akwedukty prowadzone były w podziemnych tunelach. Budowa wodociągów pod ziemią miała tę zaletę, że zabezpieczała wodę pitną przed zanieczyszczeniami. W tym celu teren wokół akweduktu był specjalnie odwadniany aby nie dopuścić do skażenia wody pitnej przez wody gruntowe. Doliny pokonywano najczęściej wielopoziomowymi mostami. W miejscach, dużych różnic wysokości stosowano odwrócone syfony. Podziemne tunele były wyposażone w pionowe szyby służące do przeglądów i usuwania zanieczyszczeń. Rysunek 19 przedstawia typowy schemat rzymskiego akweduktu. Można tu wyróżnić następujące elementy: 1) ujęcie wody, 2) kaskada, 3) osadnik, 4) tunel z pionowymi włazami rewizyjnymi, 5) podziemna część akweuktu, 6) most podtrzymujący akwedukt, 7) odwrócony syfon,


zaopatrzenie w wodę w cywilizacjach starożytnych

19

Rys. 19. Typowy schemat rzymskiego akweduktu. Rysunek autora na podstawie: Passchier, C.W. and Schram, W.D. (2006). Roman Aqueducts. An introduction [Available online at: http://www.romanaqueducts.info/introduction/index.html]

8) część akweduktu prowadzona po terenie, 9) arkada, 10) zbiornik odpływowy, 11) system dystrybucji wody (rozgałęzienia akweduktu). Do najdłuższych rzymskich akweduktów należy liczący 145 km długości akwedukt Serino dostarczający wodę do Neapolu z oddalonego o około 80 kilometrów źródła Acquaro-Pelosi w pobliżu wioski Serino. Wydajność położonego na wysokości 367 m npm wynosiła ponad 6 m3 / sek.43 Akwedukt Serino ostał zbudowany pomiędzy 33 a 12 r. p.n.e. za czasów Marka Wipsaniusza Agrypy. Główny kanał ma około 96 km długości. Wodociąg ma 7 głównych odgałęzień o łącznej długości 49 km, doprowadzających wodę do miast leżących na trasie akweduktu: Nola, Pompei, Acerra, Herculaneum, Atella, Pausillipon, Nisida, Puteoli, Cumae i Baiae. Imponującą długością 132 km może poszczycić się zbudowany w I w n.e. akwedukt Cartagena na śródziemnomorskim wybrzeżu w dzisiejszej Hiszpanii44. Niewiele ustępowały mu akwedukty rzymskie: Aqua 43

44

De Feo G., Galasso M., Belgiorno V. Groundwater recharge in an endoreic basin with reclaimed municipal wastewater. Wat. Sci. Technol., 55(1–2) 2007. s. 449–457. De Feo G. Napoli R.M.A. Historical development of the Augustan Aqueduct in Southern Italy. Water Science and Technology: Water Supply Vol 7 No 1. s. 131–138. Q IWA Publishing. 2007. s. 134.

Marcia liczący 91 km i i Anio Novus o długości 87 km.45 W II wieku n.e. Rzym, który liczył około miliona mieszkańców był zaopatrywany przez 11 akweduktów o łącznej długości prawie 500 km, z czego tylko 47 km przebiegało nad powierzchnią ziemi46. Były to następujące akwedukty: 1) Aqua Appia (313 p.n.e.) długość 16,4 km, 2) Anio Vetus (273-269 p.n.e.) długość 63 km, 3) Aqua Marcia (144-140 p.n.e.) długość 91 km, 4) Aqua Tepula (125 p.n.e.) długość 18 km, 5) Aqua Julia (33 p.n.e.) długość 22,8 km, 6) Aqua Virgo (19 p.n.e.) długość 20 km, 7) Aqua Alsietina (2 p.n.e.) długość 32,8 km, 8) Anio Novus (38-50 n.e.) długość 87 km, 9) Aqua Claudia (36-52 n.e.) długość 69 km, 10) Aqua Traiana (109 n.e.) długość 40 km, 11) Arcus Alexandriana (226 n.e.) długość 22,4 km.

45

46

Adam J.P. L’arte di costruire presso i Romani. Materiali e tecniche. Longanesi and C. Milan. 1988. Evans H. B. Water Distribution in Ancient Rome: The Evidence of Frontinus. University of Michigan Press. Michigan. 1997.

Sieć ta dostarczała milion metrów sześciennych wody na dobę. Dawało to średnie dobowe zużycie wody w przeliczeniu na jednego mieszkańca w granicach 800-1000 litrów. Na grawitacyjnych odcinakach przepływu wodę w akweduktach prowadzono w otwartych korytach lub w podziemnych tunelach. Kiedy akwedukty osiągały miasto, wodę przelewano do zamkniętego systemu wodociągów miejskich. Punkty przelewania wody były usytuowane w na wzniesieniach i miały formę dużych zbiorników lub wież wodnych (wież ciśnień) zwanych „castella publica”47. Z castellum woda była wprowadzana do podziemnych instalacji wykonanych z rur ołowianych i terakotowych biegnących pod ulicami. Ten system doprowadzał wodę do miejsc położonych poniżej castellum. Mniejsze zbiorniki dystrybucyjne, do których wpływała woda z głównych rurociągów rozdzielały wodę do poszczególnych dzielnic miasta48. Publiczna 47

48

Evans H.B. Distribution in Ancient Rome: The Evidence of Frontinus. University of Michigan Press. Michigan. 1997. str. 14. Rozdział wody z poszczególnych akweduktów przedstawiał się następująco: – Aqua Apia dostarczała wodę do 7 rejonów poprzez 20 zbiorników dystrybucyjnych (castellum divisorium), – Anio Vetus, zaopatrywał 10 rejonów poprzez 35 zbiorników dystrybucyjnych, – Aqua Marcia, zaopatrywał 10 rejonów poprzez 51 zbiorników dystrybucyjnych, – Aqua Tepula, zaopatrywał 4 rejony poprzez 14 zbiorników dystrybucyjnych,


20

praktyka wodociągowa i eksploatacyjna

dystrybucja wody obejmowała: koszary pretorian, fontanny i sadzawki miejskie, amfiteatry (w tym również naumachie – przedstawienia bitew morskich w specjalnych basenach), łaźnie, uliczne punkty poboru wody pitnej, zakłady rzemieślnicze (garbarzy, farbiarzy, kowali, płatnerzy, itp.). Zasadniczo, w początkowym okresie rozwoju Rzymu, mieszkańcy nie mieli możliwości podłączania swoich domów do sieci wodociągowej. W późniejszym okresie przywilej prywatnego dostępu do wody przysługiwał najznakomitszym obywatelom. W miarę rozbudowy akweduktów, przywilej ten uzyskiwało coraz więcej odbiorców. Pozwolenie na doprowadzenie wody wiązało się najczęściej z koniecznością budowy prywatnych zbiorników dystrybucyjnych (Castella Privata), które były finansowane bezpośrednio przez użytkowników. Pomimo tego instalacje te uważane były za własność publiczną i działały pod kontrolą władz miejskich (Curator Aquarum). Przywilej prywatnego dostępu do wody nie przechodził na spadkobierców, nie mógł być również przedmiotem handlu. Był to rodzaj patronatu cesarza, za który nie pobierano opłat. Ubożsi mieszkańcy Rzymu mieli nieograniczony dostęp do ulicznych basenów i punktów poboru wody pitnej. Te miejsca były gęsto rozmieszczone w strukturze przestrzennej miasta, rzadko kiedy droga do nich przekraczała 200 metrów. Rzymianie bardzo cenili sobie jakość wody. Woda z jednych akweduktów była uważana za lepszą niż z innych. Pierwsze miejsce w tym rankingu zajmował akwedukt Aqua Marcia, który czerpał wodę z górskich źródeł w pobliżu Carsioli około 40 km – Aqua Julia, zaopatrywał 7 rejonów poprzez 17 zbiorników dystrybucyjnych, – Aqua Virgo, zaopatrywał 3 rejony poprzez 18 zbiorników dystrybucyjnych, – Aqua Claudia i Anio Novus, zaopatrywał 92 zbiorniki dystrybucyjne, Dane na podstawie: M.L. Anderson. Roman Aqueducts. AuthorSTREAM. Dostępne online: http://www.authorstream. com/Presentation/Taddeo-43528-RomanAqueducts-History-Pre-Romans-GreekWater-Supply-mean-Civilization-AquedEntertainment-ppt-powerpoint/. s. 47.

na wschód od Rzymu. Wysoką renomą cieszyła się woda z podziemnego akweduktu Aqua Irgo (współcześnie zaopatrującego fontannę Trevi) 49. Woda z pozostałych akweduktów nie była najlepszej jakości, narzekano na jej smak i mętne zabarwienie. Z tego powodu stosowano oczyszczanie wody w specjalnie budowanych urządzeniach. Były to płytkie baseny odstojnikowe, przez które powoli przepływała woda. Zanieczyszczenia opadały na dno zbiornika, skąd były usuwane. Tą metodą pozbywano się głównie pisku. Stosowano również areację. Podczas przelewania w wieżach ciśnień woda była naturalnie napowietrzana, co poprawiało jej jakość. Cezar August po raz pierwszy powołał urząd nadzorcy akweduktów (Curator Aquarum), do którego obowiązków należały bieżące naprawy i utrzymanie wodociągów. Urząd ten cieszył dużym szacunkiem wśród mieszkańców. Za panowania Trajana podlegało mu około 500 niewolników na stałe przydzielonych do prac związanych z utrzymaniem sieci wodociągowej, fontann, basenów i zbiorników wodnych Rzymu. Aby dobitniej uświadomić sobie znaczenie greckich i rzymskich osiągnięć w zakresie inżynierii wodnej, warto spojrzeć na nie z perspektywy kolejnych wieków rozwoju miast europejskich. Wraz z upadkiem Imperium Rzymskiego w zapomnienie poszły łaźnie, akwedukty, instalacje sanitarne. Powrócono do starotestamentowych instrukcji dotyczących postępowania z nieczystościami. 50 Urządzenia sanitarne, tam gdzie w ogóle istniały, były bardzo prymitywne. Powszechnie uważano, że zbyt wielka uwaga przywiązywana higienie ciała nie idzie w parze z pobożnością, 49

50

Anderson M.L. Roman Aqueducts. Dostępne online: http://www.authorstream. com/Presentation/Taddeo-43528-RomanAqueducts-History-Pre-Romans-GreekWater-Supply-mean-Civilization-AquedEntertainment-powerpoint/. s. 56. „Zaopatrzysz się w kołek, a gdy wyjdziesz na zewnątrz, wydrążysz nim dołek, a wracając przykryjesz to, czegoś się pozbył…” Księga Powtórzonego Prawa, 23,14. Pismo Święte Starego i Nowego Testamentu. Pallotynum. Poznań-Warszawa. 1980.

czystością duszy. Kąpiele i mycie było rzadkością, mieszkania i domy były brudne. W coraz bardziej zagęszczonej zabudowie wewnątrz murów średniowiecznych miast rozkładające się odpady były codziennością. Sytuację ratowały poruszające się swobodnie po ulicach świnie należące do Zakonu św. Antoniego, które miały przyczepione dzwoneczki i zjadając z ulic odpadki, przyczyniały się do oczyszczania miast. Niektóre zamki i baszty obronne miały latryny w formie wież, z których nieczystości spadały prosto do fosy. Bardziej majętni mieszczanie używali nocników przechowywanych w specjalnych szafkach lub pod łóżkami. Zawartość była wylewana bezpośrednio przez okna do rynsztoków ulicznych. W czternastowiecznym Paryżu Karol VI wydał dekret zabraniający wylewania wody przez okna domów, jeżeli przedtem trzykrotnie nie zawołano donośnym głosem „strzeżcie się wody!” Inżynieria wodna w miastach miała przede wszystkim znaczenie obronne. Fosy miejskie broniły przed nieprzyjacielem, a studnie były rozmieszczane pod kątem przetrwania oblężenia. W drugiej kolejności inżynieria wodna skupiała się na wartościach estetycznych. Sztuka krajobrazowa i instalacje do podlewania ogrodów wyprzedziły sztukę projektowania łazienek, umywalni i ustępów spłukiwanych wodą. Pałac w Wersalu miał działającą instalację wodną obsługująca fontanny i ogrody, podczas gdy 300 tysięcy mieszkańców średniowiecznego Paryża pozbawionych było bieżącej wody i kanalizacji. Rozwijający się handel, krucjaty, wojny a przede wszystkim brak dostępu do bieżącej wody powodował rozprzestrzenianie się chorób zakaźnych. W XIV i XV wieku miasta europejskie straciły ponad połowę mieszkańców. Nawroty epidemii dziesiątkowały ludność aż do XIX wieku, kiedy to na nowo dostrzeżono wpływ inżynierii wodnej na jakość życia w miastach. prof. dr hab inż. Wojciech BonenBerg Politechnika Poznańska, Wydział Architektury wojciech@bonenberg.pl


21

nauka i technika

Technologia uzdatniania wody jako autonomiczna dyscyplina nauki – historia, współczesność, prognozy rozwoju Water treatment technology as an autonomic science – past, present and evolution prognosis Marek M. SOZAŃSKI

Streszczenie Praca dotyczy technologii uzdatniania wody – dyscypliny naukowej, która powstała ok. 150 lat temu jako efekt konieczności poprawy higieny i stanu sanitarnego miast. Omówiono w niej podstawowe definicje i kryteria oceny oraz genezę powstania tej dyscypliny. Szczególną uwagę zwrócono na charakterystykę etapów rozwoju w aspekcie historycznym oraz przedstawiono współczesne ograniczenia i uwarunkowania jej rozwoju uwzględniające zapotrzebowanie i zasoby wody, sytuację ekonomiczną oraz rozwój nauki i inżynierii.

Abstract This paper treats of water treatment technology – the discipline of science, which arouse about 150 years ago as an answer to the need to improve the hygiene and sanitary conditions of cities. It discusses basic definitions and evaluation criteria together with the genesis of the discipline. Particularly, it focuses on characteristics of development phases in historical aspects. This paper also describes contemporary constraints and conditions of science development including water needs and supplies, economic situation, research and engineering.

T

echnologia Uzdatniania Wody (TUW) jest typowym przykładem dyscypliny naukowej powstałej w wyniku zapotrzebowań społecznych i gospodarczych, głównie z konieczności poprawy higieny i stanu sanitarnego miast. Od momentu powstania, tj. od około 120÷150 lat TUW uległa bardzo szybkiej transformacji przedmiotowej, metodycznej, instytucjonalnej oraz administracyjno-organizacyjnej, osiągając po II wojnie światowej wszystkie cechy samodzielnej dyscypliny naukowej dysponującej własną wiedzą, która nie redukuje się do pojęć i definicji fizyki, chemii czy biologii. TUW klasyfikuje się do nauk stosowanych, technicznych i typowo empirycznych, opierających swój rozwój na eksperymencie. Przedstawione w niniejszej pracy, informacje przypominają, iż rozwój systemów zaopatrzenia w wodę w szczególności TUW wiąże się ze wzrostem standardu życia społeczeństwa i rozwoju gospodarki, a pierwotne działania praktyczne zaopatrywania w wodę osiedli ludzkich sięgają początków cywilizacji człowieka [1]. Takie spojrzenie na Inżynierię Systemów Zaopatrzenia w Wodę obejmujące TUW poprzez tradycję, współczesność i przyszłość przyczynia się do integracji poglądów i myśli, wskazując równocześnie, iż rozwój TUW jest zajęciem skomplikowanym, zespołowym i kosztownym oraz wpływa na wszystkie dziedziny życia społecznego.

1. Podstawowe definicje i kryteria oceny Technologia Uzdatniania Wody jest definiowana: — w znaczeniu przedmiotowym jako metodycznie uporządkowany zbiór reakcji, procesów i systemów technologicznych, mających na celu zmianę jakości wód ujmowanych do poziomu wymagań stawianych wodzie do picia, głównie przez usuwanie domieszek decydujących o jej zanieczyszczeniu do granic dopuszczalnych, — w znaczeniu naukowym – poznawczym jako zorganizowany metodycznie system prowadzenia doświadczeń, złożony ze zbiorów założeń, kryteriów, hipotez, paradygmatów, procedur i metod oraz relacji zachodzących między

Krystyna OLAŃCZUK-NEYMAN Peter M. HUCK


22

nauka i technika

IIo Naukowe

AUTONOMICZNA DYSCYPLINA NAUKI (Badania B+R, Kształcenie)

wartości poznawcze

kadra naukowa, techniczna

IIo Techniczne

PROINNOWACYJNA POLITYKA PAŃSTWA (Tworzenie i wdrażanie postępu technicznego) wynalazki, odkrycia, patenty

produkcja nowych urządzeń

IIIo Cywilizacyjne

INWESTYCJE W ZAKRESIE ZAKŁADÓW UZDATNIANIA WODY (Modernizacje, nowe inwestycje)

higiena i poziom sanitarny

standard życia

zdrowie publiczne

Rys. 1. Kryteria oceny rozwoju Technologii Uzdatniania Wody

nimi, określonych przez aktualne lub planowane kierunki badawcze zmierzające do rozwoju dyscypliny w sensie przedmiotowym. Ocenę rozwoju współczesnej Technologii Uzdatniania Wody opiera się na trzech kompleksowych kryteriach oceny (rys. 1) [4, 5] klasyfikujących ją jako: — autonomiczną i samokorygującą się dyscyplinę nauki, — wydzielony zasób wiedzy technicznej – aplikacyjnej, niezbędnej do ociągnięcia celów społeczno-gospodarczych, — jeden z podstawowych czynników tworzących współczesną kulturę i cywilizację. TUW jako autonomiczna dyscyplinę nauki charakteryzuje idea łączenia badań i nauczania, czyli tworzenie tzw. szkół wokół określonego zbioru twórczych poglądów i hipotez, zakładające kształcenie kadry naukowej poprzez realizacje prac (B+R)1. Druga z wymienionych cech TUW jako podstawy osiągania celów społeczno-gospodarczych obejmuje bardzo szerokie spektrum działań obejmujących tworzenie infrastruktury sprzyjającej postępowi naukowo-technicznemu (N+T). Działania te obejmują z jednej strony prace badawczo-wdrożeniowe, projektowo-konstrukcyjne, transfer technologii i kapitału, marketing nowych własnych produktów, uruchomienie postlicencyjnych badań naukowych i rozwojowych...

Trzecie kryterium oceny dyscypliny jako czynnika tworzącego współczesną kulturę i cywilizację jest ściśle związane z celami i przedmiotem działania dyscypliny poprzez zakłady uzdatniania wody zintegrowane w tych działaniach z ujęciami wody i sieciami jej dystrybucji, decydując w efekcie o: — poziomie sanitarnym i higienie miast i gmin, — zdrowiu publicznym i walorach estetycznych, — atrakcyjności i rozwoju miast i regionów. Pierwszy kierunek rozwoju Technologii Uzdatniania Wody jako autonomicznej dyscypliny nauki określają działania poznawczo-innowacyjne, obejmujące badania i prace rozwojowe (B+R) w szczególności: — badania podstawowe – prowadzone głównie dla zdobycia nowej wiedzy, nie podejmowane z myślą o stosowaniu bądź wykorzystaniu, — badania stosowane – mogą być również badaniami oryginalnymi podejmowanymi dla zdobycia nowej wiedzy, jednak od

UZDATNIANIE = OCZYSZCZANIE + PROFILAKTYKA PRZYKŁAD PROFILATYKI: PROCES WZBOGACANIA WODY W MAGNEZ – filtracja przez złoże z dolomitu częściwo zdekarbonizowanego UZASADNIENIE: ZWIĄZKI PRZYCZYNOWO-SKUTKOWE f (niedoboru magnezu) =

f (niskiej twardości wody) = 1

B+R – działalność badawczo-rozwojowa, obejmująca badania podstawowe, stosowane i prace rozwojowe

początku zostają ukierunkowane ma konkretny praktyczny cel, — prace rozwojowe – mające na celu np. wytworzenie nowych reagentów, materiałów filtracyjnych w tym również chemicznie aktywnych, nowych urządzeń, instalacji, układów do automatyki i sterowania oraz usprawnienie już stosowanych procesów, urządzeń, instalacji. Działania te finansowane w dużej mierze ze środków budżetu państwa realizowane są na ogół przez samodzielne Instytuty Badawczo-Rozwojowe oraz przez Instytuty Naukowe Wyższych Uczelni Technicznych. W zakresie drugiego kierunku rozwoju TUW opartego na tworzeniu infrastruktury (N+T) niezwykle istotne jest proinnowacyjne oddziaływanie państwa na postęp naukowo-techniczny w gospodarce poprzez m.in. odpowiednią politykę kredytowo-podatkową, politykę celną, kursy walut wymienialnych, strukturę cen na rynku wewnętrznym. Jest oczywistym, że odpowiednia strategiczna polityka państwa obejmuje całą gospodarkę lub też niektóre jej gałęzie celem stworzenia takich warunków aby gospodarka ta mogła konkurować na rynkach światowych. W obecnej sytuacji ekonomicznej Polski – dążenia do równowagi budżetu państwa w zasadzie istnieją bardzo ograniczone możliwości promowania rodzimego postępu naukowo-technicznego także w zakresie gałęzi gospodarki związanych z Technologią Uzdatniania Wody. Również w nielicznych przedsiębiorstwach i firmach prywat-

zaburzenia struktur mózgu nowotwory podrażenienia układu nerwowo-mięśniowego miażdżyca choroby układu wieńcowego nadciśnienie udary mózgu

Rys. 2. Geneza nazwy dyscypliny


technologia uzdatniania wody jako autonomiczna dyscyplina nauki

nych o kapitale polskim związanym z uzdatnianiem wody, środki na prace B+R lub działalność N+T zostały bądź wstrzymane bądź zajmują odległe miejsce na liście priorytetów. Rola cywilizacyjna TUW zależy zatem od wagi rozwiązywanych przez nią problemów egzystencjalnych człowieka oraz rozwoju przemysłu i rolnictwa, natomiast niezawodność urządzeń i obiektów zakładów uzdatniania wody uznaje się za jedno z podstawowych kryteriów poziomu gospodarki danego kraju i standardu życia jego społeczeństwa. W działaniach oraz istniejących tendencjach rozwoju dyscypliny zwraca się uwagę na różnice między definicją Technologii Oczyszczania Wody jako technologii usuwania z niej domieszek szkodliwych i niepożądanych, w tym unieszkodliwiania patogennych mikroorganizmów oraz definicji TUW, jako technologii dostosowania jej składu i właściwości do wymagań wynikających z przeznaczenia. Przypisując nazwie Technologia Uzdatniania Wody nową – rozszerzoną koncepcję dyscypliny zakłada się, iż woda z uwagi na jej znaczący udział w masie ciała (ok. 70% oraz w procesach fizjologicznych, w sposób decydujący kształtuje skład i zdrowotność organizmu człowieka, dlatego woda do picia musi być nie tylko pozbawiona domieszek szkodliwych i niepożądanych, np.: zanieczyszczeń chemicznych czy drobnoustrojów chorobotwórczych, ale powinna mieć skład mineralny najbardziej korzystny dla zdrowia [4,6]. Stąd też ciągłe wysiłki WHO określenia takiego składu. Klasycznym przykładem takiego działania mogą być zalecenia WHO odnośnie twardości wody do picia oraz zawartości w niej magnezu. Geneza tych zaleceń tkwi w stwierdzonych związkach przyczynowych między twardością wody, a chorobami układu wieńcowego, nadciśnieniem i udarami mózgu oraz między niedoborem Mg +2 a zaburzeniami struktury mózgu, zwiększoną zachorowalnością na nowotwory i podrażnienia układu nerwowo-mięśniowego oraz patogenezą miażdżycy (rys. 2).

23

Rys. 3. Skrzyżowanie akweduktów starożytnego Rzymu – rekonstrukcja (mal. Michael Z. Diemer, Deutsches Museum, Monachium).

Można zatem rozwój TUW z jednej strony ocenić jako relatywny do postępu w nauce i inżynierii procesów i technologii rozdzielania (oczyszczania),a z drugiej strony w rozwoju tym widzieć dążenie do ekologicznej profilaktyki w stosunku do chorób uwarunkowanych przez czynniki środowiskowe np.: przez wzbogacenie wody w magnez. W świetle powyższych faktów relację między uzdatnianiem wody (UW), a oczyszczaniem wody (OW) można określić następującą formułą: UW = OW + PROFILAKTYKA (rys. 2).

2. Tradycja zaopatrzenia w wodę, geneza powstania TUW W przekroju historycznym sposób rozwiązania zaopatrzenia w wodę, a przez to i zakres w jakim realizowano postawiony cel, był oczywiście różny, uzależniony od stopnia rozwoju cywilizacji oraz uwarunkowań lokalnych i kulturowych. W czasach najdawniej-

szych zaopatrywano się w wodę czerpiąc ją bezpośrednio z rzek, kopiąc studnie, a także niekiedy zbierano wodę deszczową w specjalnie w tym celu wykonanych zbiornikach. Z tych też względów największe cywilizacje w starożytności powstały nad dużymi zbiornikami wodnymi, głównie nad rzekami i morzami (tab. 1). Woda jest zatem substancją, której rozmieszczenie i dostępność na kuli ziemskiej miały decydujący wpływ na miejsce powstawania i rozwój wielu cywilizacji w starożytności. Gospodarka wodna obszarów, na których rozwinęły się w/w cywilizacje (tab. 1) miała istotny wpływ na rozwój tych cywilizacji jak również była skutkiem ich rozwoju. Najbardziej okazałymi budowlami wodociągowymi w starożytności były akwedukty, którymi sprowadzano wodę do miast najczęściej ze źródeł górskich (rys. 3). Na ogół pod pojęciem akweduktów rozumie się koryta wodociągowe prowadzone na arkadach. W rzeczywistości jedynie około 10% długości akweduktu umieszczono na arkadach, głównie przy pokonywaniu rzek i dolin. Wie-

Tab. 1. Wpływ zbiorników wodnych na miejsca powstawania dużych cywilizacji w starożytności Cywilizacja Egipska Cywilizacja Mezopotamska Cywilizacja Chińska Cywlizacja Helleńska Cywlizacja Rzymska

Rzeka Nil Rzeki Tygrys i Eufrat Żółta Rzeka Morze Egejskie Basen Morza Śródziemnego


nauka i technika

Tab. 2. Charakterystyka wodociągu rzymskiego Początek nowej ery – Rzym miasto 1 mln mieszkańców Początek nowej ery – Rzym miasto 1 mln mieszkańców Woda sprowadzana 11 akweduktami o długości ok. 500 km Objętość wody ok. 600÷1000 l/M∙d – lata 300 p.n.e. do 200 n.e. Dystrybucja: pałace cesarski, bogatych rzymian, fontanny, łaźnie miejskie,miejskie toalety Nadmiar wody odprowadzany do kolektora kanalizacji „Cloaca Maxima” Problem jakości wody i ołowiu w wodzie rzymskiej

Smak i zapach wody były i są nadal podstawowymi kryteriami oceny jej jakości oraz działania wodociągów przez użytkowników w starożytności jak i obecnie. Pojęcie wody smacznej jest znacznie łatwiejsze zarówno w powszechnym zrozumieniu jak i w naukowym ujęciu od pojęcia wody zdrowej. Właściwości organoleptyczne wody jako skutek oceny jakości wody poprzez zmysły nie jest oczywiście wystarczającym kryterium oceny jej jakości. Klasycznym i bardzo pouczającym przykładem jest hipoteza historyków według której upadek Cesarstwa Rzymskiego jest częściowo przypisywany przewle-

transport akweduktami wody ze źródeł górskich

A

WODA UŻYTKOWA

B pobór wody WODY NATURALNE

nie cza ysz icz dy zan wo

wy kor z wo ystan dy ie

WODY NATURALNE

ie

Po upadku cesarstwa rzymskiego w Europie standard życia, poziom sanitarny miast i higiena życia znacznie się obniżyły, co wiązało się częściowo ze zburzeniem przez barbarzyńców

części akweduktów i kanalizacji oraz ich niszczeniem na skutek braku konserwacji, a także powstaniem nowych miast i osiedli nie wyposażonych w żaden zorganizowany system wodociągowo-kanalizacyjny.

n cza ysz icz dy zan wo

lokondygnacyjne arkady były budowlami wielkimi i pracochłonnymi, pozwalały jednak zachować stały spadek dna koryt oraz unikać wysokiego ciśnienia wody, co było istotne z uwagi na nieznajomość pomp – urządzeń do podnoszenia cieczy oraz z uwagi na niewielką wytrzymałość mechaniczną stosowanych wówczas powszechnie rur ceramicznych i ołowianych. W cywilizacji rzymskie osiągnięto najwyższy stopień rozwoju zaopatrzenia w wodę i usuwania ścieków. W starożytnym 1-milionowym Rzymie zużycie wody na jednego mieszkańca było wyższe niż w wielu dzisiejszych miastach, a całkowita ilość dostarczanej wody wynosiła zależnie od okresu od 600 tys. do 1000 tys. m3/d. Należy jednak pamiętać, iż zaopatrzenie w wodę Rzymu i innych ówczesnych miast odbywało się na zasadzie stałego przepływu wody, co oznacza, że niewykorzystana część wody odpływała do kanalizacji. Najbardziej znanym kanałem w starożytności był kanał rzymski o nazwie „Cloaca Maxima”. Został on zbudowany z kamienia w 184 r. przed Chrystusem. Miał przekrój prostokątny z przesklepieniem u góry. Szerokość kanału wynosiła 3,2 m, a maksymalna wysokość 4,2 m, spadek wahał się w przedziale 1÷30‰. Kanał ten zbierał ścieki i wody deszczowe z całego miasta i był w sposób ciągły spłukiwany wodą wodociągową. Kanał ten, jak i wiele innych obiektów tego typu, przetrwał do dnia dzisiejszego i został włączony do dzisiejszego układu kanalizacyjnego miasta.

kłym zatruciom ołowiem społeczeństwa rzymian, wywołanym stosowaniem rur ołowianych (tab. 3). Woda sprowadzana do Rzymu z gór akweduktami, zawierająca znaczne ilości CO2 była smaczna, ale równocześnie w rurach ołowianych stawała się toksyczna rozpuszczając ołów, co nie wpływało w wyczuwalnym stopniu na zmianę jej właściwości organoleptycznych. Już Witruwiusz (I wiek p.n.e.) intuicyjnie zwracał uwagę, iż stosowanie rur ołowianych ze względów zdrowotnych nie jest wskazane. Innym bardzo charakterystycznym przykładem dla czasów nowożytnych jest fakt powszechnego występowania w Europie jeszcze na początku XX wieku epidemii „wodnych” tzn. chorób zakaźnych, głównie przewodu pokarmowego, przenoszonych drogą wodną (rys. 4). Samo zakażenie wody drobnoustrojami chorobotwórczymi nie musiało w znaczącym stopniu wpływać na pogorszenie właściwości organoleptycznych wody. Koncepcja społeczeństwa wolnego od chorób jest oczywiście z biologicznego punktu widzenia utopią. To jednak działania oparte na podstawach naukowych zmierzające do uzdatniania wody w szczególności jej dezynfekcji oraz zbierania i odprowadzania z miast ścieków – układem kana-

ŚCIEKI

WODA UŻYTKOWA

wy kor z wo ystan dy ie

24

ŚCIEKI

WNIOSEK:

WNIOSEK:

Brak kontaktu ścieków bytowo-gospodarczych z wodą użytkową.

Kontakt wody użytkowej – wody do picia ze ściekami bytowo-gospodarczymi Epidemie chorób przenoszonych drogą wodną.

Rys. 4. Schemat gospodarki wodno-ściekowej w miastach. (A) w cywilizacjach starożytnych; (B) w Europie w wiekach średnich.


technologia uzdatniania wody jako autonomiczna dyscyplina nauki

łów zamkniętych i ich oczyszczania, w sposób radykalny poprawiło stan zdrowia publicznego, eliminując praktycznie epidemie „wodne”. Studia i analizy nad identyfikacją przyczyn epidemii „wodnych” były w XIX wieku w Europie zachodniej prowadzone bardzo szczegółowo przez oficjalnie do tego celu powołane komisje, jak i poszczególne osoby. Dotyczy to w szczególności Anglii, w której miały miejsce epidemie cholery m.in. w latach 1831÷1832, 1848÷1849 oraz w 1853÷1854. Dochodzenie przyczyn występowania tych epidemii, w tym także cholery, prowadzone były metodą wnioskowania opartą na analizie miejsca i czasu ich pojawiania się, rozprzestrzeniania oraz zaniku. Odkrycie przyczyn epidemii cholery, jako podstawowej epidemii „wodnej” przypisuje się Johnowi Snowa – angielskiemu lekarzowi – anestezjologowi [2]. John Snowa postawił hipotezę, iż przyczyną cholery, jako choroby przewodu pokarmowego, jest nieznany i niewidzialny żywy mikroorganizm, który jest przenoszony głównie drogą wodną. Hipotezę tę udowodnił on w/w pośrednią metodą wnioskowania, analizując w latach 1849÷1855 przyczyny powstawania cholery

Zdrowie publiczne na

czy rzy

sku

tek

p

Uzdatnianie wody Oczyszczanie ścieków

efekty

i związki między rozprzestrzenianiem się tej choroby, a używanymi przez ludzi źródłami wody. W analizach tych szczególną rolę odegrały informacje dotyczące wybuchu epidemii cholery latem 1854 roku wśród ludzi zaopatrujących się w wodę ze studni wyposażonej w pompę na Broad Street w Londynie [2]. Przyjęty przez Johna Snowa mechanizm pojawiania się i rozprzestrzeniania się cholery w wyniku skażenia wody ściekami bytowo-gospodarczymi ludzi chorych, zastosowany do rzek jako dróg hydraulicznego przenoszenia tej wody, pozwolił na wyjaśnienie ówczesnych przypadków cholery także w innych dużych miastach Europy. Potwierdzenia słuszności hipotezy Johna Snowa już znacznie później

wykorzystanie wody w gospodarce człowieka

gia y lo o d no w ch y te now od

samooczyszczenie wód (procesy tlenowe)

ŚCIEKI OCZYSZCZONE

ie an e) cz ow sz zy d en ec ó tl ni w bez za sy ce ro

(p

oc zy tec sz h cz no an lo ia gi śc a ie kó w

uz te da ch tn no ia lo ni gi aw a od y

Jakość wody do picia Ochrona wód i ziemi Stan sanitarny i higiena miast

Rys. 6. Schemat relacji między zdrowiem publicznym a uzdatnianiem wody i oczyszczaniem ścieków.

WODA UŻYTKOWA

WODY NATURALNE

25

ŚCIEKI

Rys. 5. Schemat gospodarki wodno-ściekowej w miastach po wprowadzeniu uzdatniania wody i oczyszczania ścieków (odnowę wody wprowadzono w niektórych regionach świata kilkadziesiąt lat później).

(w 1883 r.) dokonał Robert Koch identyfikując wskazany przez Snowa mikroorganizm jako vibrio cholerae. Ostatecznie postęp dokonany w mikrobiologii i epidemiologii, a w szczególności odkrycia Ludwika Pasteura i Roberta Kocha, rozwiązały problem przyczyn epidemii „wodnych” wskazując na metody ich zapobiegania. Osiągnięcia te stają się genezą zarówno rozwoju centralnego zaopatrzenia w wodę, jak i zbierania i oczyszczania ścieków na przełomie XIX i XX wieku w miastach najbardziej rozwiniętych krajów Europy i USA. Oznaczało to zmianę już w tamtym okresie struktury systemów gospodarki wodno-ściekowej w miastach, do której na stałe wchodzą takie podsystemy jak Zakłady Uzdatniania Wody i Oczyszczalnie Ścieków (rys. 5). Tworzące się w tym okresie pojęcie zdrowia publicznego zawierało w sobie jako element genezy rodzącą się świadomość odpowiedzialności społeczeństwa za zwalczanie chorób (rys. 6). Przepisy dotyczące zdrowia publicznego jakie pojawiły się w tamtym czasie oraz radykalna poprawa tego zdrowia były w większym stopniu wynikiem ochrony sanitarnej i podniesienia higieny miast w wyniku ich centralnego zaopatrzenia w uzdatnioną wodę, a w mniejszym wynikiem działań służb medycznych (rys. 6). Rozwój centralnego zaopatrzenia w wodę na przełomie XIX i XX wieku w miastach głównie najbardziej rozwiniętych krajów Europy Zachodniej i Stanów Zjednoczonych był bardzo dynamiczny. Przykładowo w USA w roku 1900 było około 3200 miast posiadających


26

nauka i technika

Tab. 3. Pierwsze technologie uzdatniania wody oraz kryteria oceny jakości wody i efektów uzdatniania. Pierwsze Zakłady Uzdatniania Wody: Procesy naturalne + dezynfekcja ↓ ↓ sedymentacja chlor filtracja powolna infiltracja Kryteria jakości wody – efekty uzdatniania: Właściwości organoleptyczne + bakteriologia mętność + barwa E. Coli smak, zapach wskaźniki fizycznochemiczne Escherichia coli – bakteria wskaźnikowa zanieczyszczenia wody D(Cl2) = ZChW + (0,3÷0,5) g Cl2/m3 Wskaźniki fiz.-chem. m.in.: S.p., Tw. og., Utl., Cl¯, SO42-, NO3¯, NH4+, Feog

centralne zaopatrzenie w wodę, natomiast w roku 1950 ilość takich miast wzrasta do około 15 000, zamieszkałych przez ponad 100 mln. ludzi. W tym okresie w Stanach Zjednoczonych zgony na dur brzuszny spadły z 23 na 100 000 mieszkańców do poniżej 0,5, natomiast zgony z powodu biegunek, zapalenia jelit i czerwonki spadły dziesięciokrotnie. W tym też czasie głównie w rozwiniętych krajach Europy Zachodniej i w Stanach Zjednoczonych powstają pierwsze instytucje i zakłady kontroli środowiska szczebla państwowego i regionalnego. W Polsce niepodległej w 1923 roku powstaje Państwowy Zakład Higieny, a w dalszej kolejności jego

oddziały w Krakowie, Poznaniu, Lwowie, Wilnie, Toruniu, Łodzi, Lublinie, Gdyni, Katowicach, Zakopanem.

3. Etapy rozwoju TUW i ich charakterystyka Pierwszy etap rozwoju Technologii Uzdatniania Wody w przybliżeniu trwający do lat 19201930, to głównie ciąg dokonywanych indywidualnie większych lub mniejszych odkryć, wynalazków, obserwacji i wniosków opartych na doświadczeniach kierowanych intuicją i zdrowym rozsądkiem. Uzdatnianie wody w tym czasie było raczej umiejętnością niż

Tab. 4. Charakterystyka TUW jako autonomicznej dyscypliny nauki L.p.

Desygnaty i kryteria

1.

Przedmiot badania – dający się formalnie wyróżnić zakres wiedzy teoretycznej i doświadczalnej, która nie redukuje się do pojęć i definicji biologii, chemii, fizyki i która obejmuje metodycznie porządkowany zbiór reakcji, procesów i systemów technologicznych, mających na celu zmianę jakości wód ujmowanych do poziomu wymagań stawianych wodzie do picia Stopień rozwoju metod i narzędzi jako zorganizowany metodycznie system prowadzenia doświadczeń i badań naukowych określonych przez aktualne i planowane kierunki rozwoju dyscypliny w sensie przedmiotowym. Przedmiot autonomicznego wykładu i kierunku dyplomowania. Kształcenie kadry, nadawanie stopni naukowych i tytułów specjalności TUW. Poprzez tworzenie katedr, zakładów, zespołów TUW – wpływa na strukturę Instytutów i Wydziałów Inżynierii Sanitarnej, przemianowanych później na Inżynierii Środowiska. Wypływa na organizację, planowanie i realizację badań oraz unifikację programów kształcenia głównie wydziałów Inżynierii Środowiska. Wpływa na poziom, spoistość i międzynarodowe powiązania ruchu naukowego – konferencje i kongresy, towarzystwa naukowe, czasopisma, książki, monografie naukowe i techniczne.

2.

3. 4. 5.

6. 7.

nauką, a odkrycia wynikały z wyobraźni pojęciowej inżynierów i pomysłowości manipulacyjnej rzemieślników. Dopiero na początku XX wieku osiągnięcia te w większym stopniu stały się wynikiem planowanej pracy zespołowej, a metody uzdatniania wody stosowane aktualnie w zakładach wodociągowych zaczęły wchodzić do programów nauczania wyższych szkół technicznych i uniwersytetów głównie w ramach takich przedmiotów jak: Higiena Miast, Inżynieria Sanitarna, Budownictwo Ogólne lub Budownictwo Wodne. Historycznie pierwsze technologie uzdatniania wody powierzchniowej składają się z procesów (tab. 3): – sedymentacji, – filtracji powolnej lub infiltracji, – dezynfekcji głównie chlorem. Wzrost zanieczyszczenia środowiska naturalnego w tym okresie, jak i dynamicznie powstające na przełomie XIX i XX wieku zakłady uzdatniania wody i oczyszczalnie ścieków, głównie w rozwiniętych krajach Europy i Stanach Zjednoczonych, doprowadziły do powstania Biologii Sanitarnej i Chemii Sanitarnej jako odrębnych gałęzi nauk biologicznych i chemicznych. Biologia Sanitarna i Chemia Sanitarna stały się odrębnymi gałęziami nauki bardziej przez wypracowane metody doświadczalne niż przez sam przedmiot badań. Bezpośrednią przyczyną ich powstawania była konieczność opracowania i rozwijania doświadczalnych metod kontroli stanu sanitarnego środowiska, źródeł zanieczyszczeń tego środowiska, metod badania przemian i procesów zachodzących w środowisku, w tym także wiarygodnej oceny efektów uzdatniania wód i oczyszczania ścieków. W drugim zasadniczym okresie swego rozwoju TUW osiąga wszystkie cechy samodzielnej dyscypliny naukowej, określone przez wymagany w teorii nauki podstawowy desygnat jakim jest obiektywny rezultat twórczego poznania (tab. 4). Do charakterystycznych – szczegółowych trendów i kierunków rozwoju Technologii Uzdatniania Wody tego okresu, wyraźnie za-


technologia uzdatniania wody jako autonomiczna dyscyplina nauki

znaczających się po II wojnie światowej należy zaliczyć: — umiędzynarodowienie problematyki jakości wody do picia głównie poprzez jej włączenie w zakres działalności Światowej Organizacji Zdrowia – WHO (powstałej w 1946 r.), której zalecenia, okresowo nowelizowane rozszerzają i uściślają zakres limitowanych wskaźników i składników w oparciu o specjalistyczne i wieloletnie badania wpływu jakości wody na stan zdrowia publicznego, — organizacje katedr i instytutów, planowanie i realizacje badań oraz unifikacje programów kształcenia na kierunkach i specjalnościach Wydziałów Inżynierii Sanitarnej, a w dalszej kolejności Inżynierii Środowiska w kraju, głównie w Politechnikach oraz w Uniwersytetach za granicą, — uruchomienie wielu kompleksowych programów badawczych rozwojowych, głównie ze środków krajowych, społecznych, międzynarodowych i specjalnych fundacji, a uzyskane wyniki z uwagi na humanitarny i etyczny wymiar problemu są udostępniane oraz rozpowszechniane podczas licznych konferencji w tym także międzynarodowych, w czasopismach, opracowaniach monograficznych, raportach i książkach, — wzrost interdyscyplinarnego charakteru badań oraz ich specjalizacja i integracja z zastosowaniem osiągnięć i metod głównie Biologii Sanitarnej, Hydrobiologii, Mikrobiologii, Chemii Sanitarnej i Analitycznej, Kinetyki i Inżynierii Chemicznej oraz Biochemicznej, Ekotoksykologii, Mechaniki Cieczy, Hydrologii, Hydrogeologii, Automatyki, Informatyki, — zwrot od jakościowego opisu zjawisk i procesów do ich matematycznej identyfikacji oraz wzrost złożoności technologicznych systemów uzdatniania wody i dążenie do ich optymalizacji i automatyzacji,

— dominacje procesów fizykochemicznych i chemicznych nad procesami naturalnymi i biologicznymi, w szczególności koagulacji z filtracją pospieszną nad filtracją powolną w technologicznych systemach uzdatniania głównie wód powierzchniowych. W okresie tym TUW ulega szybkiemu rozwojowi i transformacji zarówno pod względem przedmiotowym, metodycznym jak i instytucjonalnym i administracyjno-organizacyjnym. Zmiany te były wynikiem: — postępu dokonującego się w naukach podstawowych i technicznych, warunkującego rozwój metod badań teoretycznych, eksperymentów doświadczalnych i technik pomiarowych, — rosnących wymagań stawianych wodzie do picia i potrzeb gospodarczych oraz dążenia do osiągnięcia rozwiązań optymalnych, — powstania wielkich aglomeracji miejskich i zakładów przemysłowych oraz budową relatywnie dużych systemów wodociągowych, — potęgującego się zanieczyszczenia wód naturalnych głównie na skutek odprowadzania do tych wód nieoczyszczonych lub niedostatecznie oczyszczonych ścieków przemysłowych i miejskich, a także w wyniku nieodpowiednio zlokalizowanych i eksploatowanych składowisk urobku i odpadów, awarii przemysłowych i chemizacji rolnictwa. Zakłady Uzdatniania Wody (ZUW) projektowane i budowane bezpośrednio po II wojnie światowej składają się już z procesów:

koagulacji – sedymentacji – filtracji pospiesznej – dezynfekcji. W okresie do lat 1960÷1970, a w Polsce do lat 1970÷1980 celem intensyfikacji efektów uzdatniania dokonywano wielu modyfikacji urządzeń i obiektów tych zakładów jednak bez zmiany ww. pierwotnej struktury technologicznej. Dopiero w latach 1970÷1980 na zachodzie oraz w 1980÷2000 w Polsce powstają programy modernizacji tej technologii polegającej głównie na jej rozszerzeniu o procesy chemicznego utleniania, adsorpcji na węglu aktywnym i „biologicznej filtracji”. Stąd też większość współczesnych dużych ZUW powierzchniowej charakteryzuje się bardzo złożonymi strukturami technologicznymi zakładającymi sekwencję działań następujących procesów: wstępne utlenianie → koagulacja → sedymentacja → filtracja pospieszna → utlenianie pośrednie → „filtracja biologiczna” lub adsorpcja → dezynfekcja. Te zmiany struktury systemowej technologii uzdatniania wód powierzchniowych z uwagi na ich zakres jak i powszechność obejmującą zarówno programy badawcze jak i wdrożenia zamykające drugi okres rozwoju TUW określając równocześnie problematykę współczesną dyscypliny. Należy również podkreślić, iż drugi okres rozwoju TUW jako autonomicznej dyscypliny nauki charakteryzował się w przybliżeniu wykładniczym wzrostem wartości wskaźników identyfikujących ten rozwój (Tab. 5).

Tab. 5. Wykładniczy model drugiego okresu rozwoju TUW. L.p. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

27

Rozwój określony wykładniczym wzrostem Wydatków na prace B+R dyscypliny Liczby pracowników naukowo-dydaktycznych (Politechniki, Uniwersytety) i naukowo-badawczych (Instytuty) Liczby konferencji, kongresów Wydawanych książek, podręczników, monografii naukowych Wydawanych czasopism (tytuły, nakłady) Liczby i wielkości programów i prac badawczych Liczby prac doktorskich i habilitacyjnych Liczby patentów i wynalazków


28

nauka i technika

Tab. 6. Charakterystyczne cechy i problemy współczesnego etapu rozwoju TUW. L.p. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Cechy i problemy Spadek jednostkowego zapotrzebowania wody (L/M∙d) Wzrost wymagań stawianych wodzie do picia – analiza ryzyka (WHO, UE, PL) Zagrożenia mikrobiologiczne a mikrozanieczyszczenia Koncepcja wielostopniowych barier uzdatniania wody Redefinicja procesu dezynfekcji Biologiczna stabilność wody Jakość wody w sieci wodociągowej

W Polsce okres wykładniczego rozwoju TUW obejmował lata 1960÷1985. W okresie ostatnich kilkunastu lat obserwuje się zmianę wzrostu wskaźników w nauce światowej z wykładniczego – charakterystycznego dla okresu po II wojnie światowej, na logistyczny opisujący mechanizm tego wzrostu w warunkach istnienia ograniczeń [4]. Dotyczy to także nakładów na rozwój Technologii Uzdatniania Wody, której wyniki badań ukierunkowane są na cele praktyczne, a uzyskane rezultaty zależnie od ich ważności mogą mieć szeroki zakres oddziaływania obejmując w zasadzie całą cywilizację. Cechy i problemy charakteryzujące współczesny etap rozwoju TUW (Tab. 6) rozwiązywane są w oparciu o metodyczne reguły i paradygmaty, do których możemy aktualnie zaliczyć: — regułę „zarządzania ryzykiem” utraty zdrowia spowodowanej spożyciem wody, zakładającą wyższy poziom zagrożenia mikrobiologicznego w stosunku do poziomu zagrożenia toksycznymi mikrozanieczyszczeniami oraz określającą akceptowany poziom ryzyka wyrażony prawdopodobieństwem – p wystąpienia dodatkowego przypadku śmiertelnego w określonej populacji ludzi np.: w 100 tys. dla p = 10-5 w całym okresie życia człowieka zwyczajowo przyjętym jako równym 70 lat; Akceptowalne ryzyko nie jest zatem synonimem bezpieczeństwa, ale arbitralną decyzją podjętą przez przedstawicieli społeczeństwa najczęściej relatywną do poziomu cywiliza-

cyjnego danego społeczeństwa, głównie w zależności od czynników zdrowotnych, społecznych i ekonomicznych tego społeczeństwa [5,6], — zasady efektywnego oczyszczania, określone dokładnością rozdzielania zanieczyszczeń i domieszek od wody w procesach jej uzdatniania oraz ilością energii i kosztami niezbędnymi dla uzyskania tego rozdzielenia; Wzrost efektywności oczyszczania może wynikać ze wzrostu dokładności rozdzielania, wydajności urządzeń i obiektów zakładu oraz ze spadku energii i kosztów lub też być skutkiem wszystkich w/w przyczyn; W zakresie działania tych zasad znajduje się także problematyka podejmowania decyzji opartych o procedury optymalizacyjne, — zasadę zrównoważonego rozwoju, której aplikacja w uzdatnianiu wody oznacza preferencje dla procesów fizycznych i biologicznych oraz zmniejszenie zastosowań wielu procesów chemicznych; Trendy te wynikają z dążenia do minimalizacji zapotrzebowania energii, zużycia reagentów i tworzących się podczas oczyszczania odpadów w tym także produktów ubocznych chemicznego utleniania (np. THMów) mających cechy rozpuszczonego w wodzie odpadu, — zasady bezpieczeństwa, układów technologii uzdatniania wody rozumiane jako zbiór poglądów i metod określających potencjalną odporność tych technologii na czynniki i zakłócenia prowadzące do ich niesprawności – zawod-

ności; Zasady te wywodzą się z teorii niezawodności przez co i modelowanie matematyczne bezpieczeństwa tych technologii jest inspirowane z obszaru tej teorii; Współczesne technologie zakładów uzdatniania wody spełniające zasady bezpieczeństwa posiadają właściwości „wielostopniowych barier” o wysokim bezpieczeństwie działania w usuwaniu biologicznych i chemicznych zanieczyszczeń, nawet w warunkach pojawienia się nagłego – awaryjnego zanieczyszczenia źródła wody, — zasady ochrony wody uzdatnionej przed jej wtórnym zanieczyszczeniem w sieci wodociągowej, określone warunkami stanu stabilności chemicznej i biologicznej wody osiągniętego w procesach jej uzdatniania oraz metodami i parametrami jej skutecznej dezynfekcji, a także „konserwacji wody” na okres jej przebywania w sieci wodociągowej prowadzonej najczęściej metodą jej chlorowania [11,12,13]. Przedstawione zasady i reguły posiadają cechy konwencji metodologicznej współczesnej TUW określającej jej aktualne metody i kierunki badawczo-rozwojowe [6,8]. Do istotnych problemów współczesnej TUW zalicza się także te, które wynikają z interakcji między właściwościami i jakością wody opuszczającej zakład uzdatniania, a siecią wodociągową niekorzystnie wpływających na jakość wody w kranie u odbiorcy. Jest to zagadnienie bardziej złożone niż wynikałoby to z samej tylko agresywności wody, czy też z wysokiej jej twardości. Złożoność ta wynika z następujących faktów [4,9,10]: — po pierwsze sieć wodociągowa oddziałuje na wprowadzoną do niej wodę jak bardzo duży i specyficzny reaktor hydrauliczny, chemiczny i biochemiczny o przedłużonym czasie przetrzymania, w którym mogą


technologia uzdatniania wody jako autonomiczna dyscyplina nauki

na przemian występować strefy mieszania i stagnacji, natleniania i deficytu tlenu, — po drugie woda w procesach oczyszczania, czy też inaczej mówiąc w procesach rozdzielania jest doprowadzana lub powinna być doprowadzana do stanów równowagi chemicznej i biochemicznej. Jednak te stany równowagi w warunkach realizacji procesów uzdatniania wcale nie muszą być i w większości nie są stanami równowagi w warunkach wielogodzinnego lub nawet wielodobowego przebywania wody w sieci wodociągowej, tym bardziej że ścianki wewnętrzne rurociągów tej sieci pokryte osadami bardzo często stwarzają korzystne warunki do wystąpienia katalizy heterogenicznej dla wielu reakcji, a zawartość w wodzie uzdatnionej niektórych domieszek, np.: rozpuszczonych związków organicznych i związków azotu stwarzają korzystne warunki dla rozwoju drobnoustrojów [14,15]. Zadaniem sieci wodociągowej jest transport hydrauliczny wody uzdatnionej z zakładów uzdatniania wody (ZUW) i jej dystrybucja – rozdział do poszczególnych odbiorców. W działaniach inżynierskich (projektowanie, eksploatacja) należy zatem dążyć do stanu, w którym sieć wodociągowa nie jest aktywnym reaktorem [5,9,10]. W działaniach tych dąży się także do tego, aby woda uzdatniona, opuszczająca ZUW była, w największym możliwym do osiągnięcia stopniu, stabilna zarówno pod względem fizycznym, chemicznym jak i biologicznym, minimalizując w ten sposób przebieg niekorzystnych procesów w sieci [12,13,14]. Powstanie i rozwój układów dystrybucji wody oparty był głównie na prawach hydrauliki przewodów wodociągowych. Obecnie współdominującym zagadnieniem w projektowaniu i eksploatacji tych układów jest jakość wody wodociągowej.

4. Prognozy, współczesne ograniczenia i uwarunkowania rozwoju TUW Poziom współczesnej inżynierii, technologii i ekonomii pozwala projektować, budować i eksploatować niezawodne systemy zaopatrzenia w wodę z uwzględnieniem ich wielkości oraz lokalnych uwarunkowań środowiskowych, cywilizacyjnych i kulturowych. Systemy te w największych i najbardziej rozwiniętych aglomeracjach miejskoprzemysłowych świata klasyfikują się do największych osiągnięć współczesnej nauki, techniki i ekonomii tak pod względem wielkości obiektów i urządzeń, kosztów inwestycji, jak również precyzji i stopnia automatyzacji, sterowania oraz monitorowania, a także wielowymiarowości wykorzystanych w tych systemach procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych. Równocześnie systemy te są systemami otwartymi i dynamicznymi, a ich otoczenie to środowisko naturalne, gospodarka i społeczeństwo. Podstawowe zbiory wejść do tych systemów to objętość i jakość ujmowanej wody, doprowadzane materiały, reagenty i energia oraz niezbędne informacje, natomiast wyjścia to objętość i jakość uzdatnionej wody dostarczanej użytkownikom. Powyższe informacje wskazują, iż zasadniczymi ograniczeniami wielkości i niezawodności systemów zaopatrzenia w wodę, w tym i jakości wody uzdatnionej są wielkość zasobów wody dyspozycyjnej, jej jakość oraz koszty inwestycyjne, a w szczególności eksploatacyjne, pozostające w bezpośredniej relacji do ceny wody. Ograniczona wielkość zasobów wody oraz koszty jej ujmowania, uzdatniania i dystrybucji będą miały decydujące znaczenie dla rozwoju większości miast w XXI wieku. Stwierdzenie to znajduje także uzasadnienie w niezwykle dynamicznej urbanizacji świata. Szacuje się, iż w roku 1900 w miastach żyło około 160 mln ludzi, tj. ok. 10% ludności świata, natomiast

29

w roku 2000 już około 50%, tj. 3,2 mld ludzi. Równocześnie rośnie liczba gigantycznych metropolii, tj. miast w których liczba mieszkańców przekracza 10 mln. W praktyce oznacza to, iż miasta stanowiące zaledwie 2% powierzchni Ziemi skupiają połowę jej ludności oraz zużywają około 60% wody do celów spożywczych [3]. 4.1.

Zapotrzebowanie i zasoby wody

Woda wydaje się być zasobem powszechnie dostępnym na Ziemi, ale nie wszędzie, a więc nie dla wszystkich. Należy podkreślić, iż jedynie około 0,01% ogólnych zasobów wodnych Ziemi należy do zasobów wody słodkiej – zasobów odnawialnych i dostępnych do użytkowania. W XX wieku zużycie wody na potrzeby miejskie wzrosło około 20 razy, na potrzeby przemysłu ponad 25 krotnie oraz dla celów rolniczych 5 krotnie. Przewiduje się, iż w okresie 1995-2025 zapotrzebowanie na wodę wzrośnie w skali globalnej o około 40%, natomiast na wodę przeznaczoną do picia o około 80%. Jednak prognozy dotyczące zapotrzebowania wody opracowywano ekstrapolując trendy występujące w przeszłości, bez głębszej analizy możliwości zmian czynników decydujących o wielkości poborów wody w przyszłości. Ostatnie dwie dekady charakteryzują się natomiast wyraźnym spadkiem i stabilizowaniem się zapotrzebowania na wodę w wielu uprzemysłowionych krajach świata, wskazując na zawyżony charakter wielu stawianych prognoz. Równocześnie poziom rozwoju współczesnej cywilizacji, w tym nauki i wiedzy technicznej, określa jednoznacznie wielkość posiadanych zasobów wodnych równą 1000 m3 przypadających na 1 mieszkańca i rok, jako na wartość graniczną, poniżej której woda staje się barierą ograniczającą rozwój danego kraju. Wyjątkiem mogą być kraje bardzo bogate (np. Kuwejt, w którym wskaźnik ten w roku 2000 został oszacowany na około 70 m3/M⋅rok) [3], które stać jest na pokrycie swego zapotrzebowania


30

nauka i technika

wody ze źródeł alternatywnych, np. przez ujmowanie i uzdatnianie wody morskiej lub przez odzysk jej ze ścieków – odnowa wody, bądź transportując ją z dalekich odległości. Zasoby wodne Polski pozwalają oszacować wartość tego wskaźnika w 2000 roku na około 1450 m3/M⋅r. Biorąc jednak pod uwagę poziom zanieczyszczenia naszych wód, należy podkreślić, iż zaopatrywanie w wodę większości gmin i miast naszego kraju, spełniające aktualne standardy stanowić będzie duże obciążenie dla ich budżetów. Wiele jednak krajów świata nie posiada wystarczających zasobów wody dla swego rozwoju. Ten niedobór zasobów wody dyspozycyjnej skutkuje nadmierną eksploatacją wód podziemnych i stałym obniżaniem się poziomu tych wód, wyraźnie widocznym na wszystkich kontynentach, a mającym rozmiary katastrofy m.in. w Indiach, Meksyku i Chinach. Wreszcie wiele krajów zależy od sąsiadów w zakresie zaspokojenia swoich potrzeb wodnych, bowiem wiele dużych dorzeczy i jezior mieści się w granicach dwóch lub kilku państw. Przedstawione fakty podkreślają strategiczne znaczenie wody wskazując tym samym na XXI wiek, jako na okres w którym: — niedobór zasobów wody dyspozycyjnej może okazać się najbardziej niedocenianym globalnym problemem ekologicznym, — wystąpić mogą napięcia geopolityczne i wojny związane z niedoborem wody w różnych regionach świata. 4.2.

Ekonomia

Problematyka zaopatrzenia w wodę jest postrzegana i rozwiązywana w skali międzynarodowej, narodowej, regionalnej, gminnej i miejskiej. W analizie tej problematyki woda jest bardziej zasobem regionalnym niż globalnym, a jej niedobory mogą mieć charakter: — niedoborów środowiskowych związanych z wyczerpaniem się zasobów wody dyspozycyjnej w danym regionie, które

dodatkowo ulegają zwiększeniu w okresie lat suchych, — niedoborów spowodowanych biedą występujących w krajach mało rozwiniętych, z powodu braku środków na inwestycje wodociągowe. Współczesne wodociągi, które w miastach europejskich i amerykańskich (USA) pojawiły się w XIX wieku, były budowane na ogół z funduszy publicznych, albo zaciąganych przez miasta długoterminowych kredytów, spłacanych z późniejszych przychodów. Również obecnie zgodnie z tradycją władze miejskie i gminne w większości krajów uznają zaopatrzenie w wodę za zadanie własne. Jednak miasta jak i gminy coraz częściej zwracają się do sektora prywatnego o środki finansowe na budowę i/lub modernizację systemów wodociągowych. Wówczas w większości przypadków miasta te i gminy sprzedają prawa do zarządzania wodą prywatnym firmom i po podpisaniu długoterminowych odnawialnych kontraktów oddają je w dzierżawę lub koncesjują. Rynek współczesnych systemów zaopatrzenia w wodę w skali globalnej ocenia się w setkach miliardów dolarów amerykańskich. Rynek ten obecnie opanowują głownie firmy francuskie i amerykańskie, jak np. Lyonnaise des eaux i SAUR (Francja) oraz Vivendi Environnement (USA), które dysponują odpowiednio dużym kapitałem oraz efektywnymi technologiami, doświadczeniem i systemami zarządzania. Firmy te konkurują ze sobą, ale potrafią także współpracować tworząc odpowiednie konsorcja, jak np. Vivendi – Lyonnaise jakie powstało w 1993 roku celem zarządzania systemami zaopatrzenia w wodę w miastach Meksyk i Buenos Aires. Sukcesy firm prywatnych w zarządzaniu systemami wodociągowymi sprawiły, iż tendencja do inwestycji i eksploatacji tych systemów oparta o potencjał finansowy i wykonawczy tych firm jest coraz większa, w szczególności w Ameryce Łacińskiej i Azji Wschodniej. Oczywistym jest, iż firmy prywatne w działaniach tych zawsze wymagać będą zwrotu kosz-

tów oraz zysku, co rzutować będzie wzrostem cen wody, na które nie będzie stać społeczeństw wszystkich krajów. Zaopatrzenie w wodę jako klasyfikujące się do działań decydujących o zdrowiu publicznym, zawsze wymagać będzie odpowiednich form kontroli publicznej oraz regulacji prawnych zapewniających właściwą jakość wody i jej rozsądną cenę. Wprowadzenie w skali globalnej cen wody pokrywających w pełni koszty jej ujmowania, uzdatniania i dystrybucji oraz zysk, jest praktycznie niemożliwe, a prywatyzacja tych usług nie jest metodą pozwalającą rozwiązać ten problem we wszystkich regionach świata. Zaopatrzenie w wodę biedniejszych społeczeństw staje się zatem jednym z najważniejszych zadań humanitarnych współczesnej cywilizacji, przechodząc w tych regionach z obszaru działań ekonomicznych (rynkowych) do polityki. Jest oczywistym, iż woda jako produkt systemów wodociągowych odpowiadająca współczesnym standardom, jest z całą pewnością, niezależnie od miejsca, a więc i zamożności społeczeństwa oraz poziomu rozwoju kraju, towarem wysokiej jakości, posiadającym wszystkie cechy dobra ekonomicznego. Należy jednak podkreślić, że woda jest przede wszystkim dobrem naturalnym, społecznym należącym do wspólnego dziedzictwa całej ludzkości o fundamentalnym znaczeniu dla zdrowia i życia i dlatego też nie można jej statusu sprowadzać wyłącznie do miar ekonomicznych. Cała złożona problematyka zaspokajania potrzeb wodnych człowieka wskazuje, iż zarządzanie systemami zaopatrzenia w wodę w przyszłości, podobnie jak i dzisiaj, opierać się będzie na metodach pośrednich między mechanizmami rynkowymi, a działaniami publicznymi. 4.3.

Nauka i inżynieria

Współczesne systemy zaopatrzenia w wodę są zbiorem obiektów i podsystemów, które wraz z relacjami zachodzącymi między nimi oraz między ich właściwościami, tworzą złożone struktury dostosowane do zabudo-


technologia uzdatniania wody jako autonomiczna dyscyplina nauki

wy miejskiej lub gminnej. Największe z nich obejmujące swym zasięgiem od kilku do kilkunastu miast i osiedli są na ogół wielostrefowe, wyposażone w różnego typu pompownie i zbiorniki oraz zasilane wodą z wielu ujęć poprzez zakłady uzdatniania wody. Współczesny stan wiedzy [1, 16] dostarcza metod i narzędzi dla rozwiązywania aktualnych zagadnień prognozowania rozwoju i projektowania tych systemów w tym: — prognozowania dynamiki zmian składu domieszek ujmowanej wody w szczególności wody powierzchniowej, — prognozowania zapotrzebowania wody oraz rozbiorów wody z sieci wodociągowej, — badań nad intensyfikacją i optymalizacją technologii zakładów uzdatniania wody, — badań optymalnych kierunków modernizacji struktury sieci wodociągowej w aspekcie kryteriów hydraulicznych i jakości wody, — planowania optymalnych układów sterowania eksploatacją procesów, technologii, urządzeń, obiektów i sieci wodociągowych. W rozwiązywaniu ww. zagadnień korzysta się z osiągnięć nauk podstawowych i inżynierskich, między innymi z: — inżynierii procesowej i materiałowej, — hydromechaniki i teorii sieci hydraulicznych, — analizy systemowej z elementami teorii decyzji, — inżynierii systemów informacyjnych, — metodologii projektowania, — teorii eksploatacji. Współczesnym narzędziem badania systemów zaopatrzenia w wodę są programy komputerowe wspomagające ich projektowanie oraz umożliwiające symulację pracy, a w konsekwencji uzyskanie rozwiązań optymalnych. Ta komputeryzacja projektowania stała się m.in. możliwa dzięki opracowaniu teoretycznych podstaw matematycznego modelowania struktury tych syste-

mów opartego na teorii grafów oraz modelowania zachodzących w nich procesów przepływowych i technologicznych. Istotny wpływ na aplikację komputerowego projektowania miało pojawienie się na rynku dobrej klasy osobistych komputerów z przyjaznym oprogramowaniem (np. program amerykański EPANET). Dzięki temu już od dwóch ostatnich dekad XX wieku w inżynierii systemów zaopatrzenia w wodę następuje zmiana metodologii formułowania i rozwiązywania problemów oraz ewolucja badań i projektowania. Klasyczne projektowanie ograniczało zakres obliczeń procesów i urządzeń tych systemów do wybranych ustalonych warunków pracy przy ich obciążeniach ekstremalnych. Współczesne projektowanie z zastosowaniem komputerów obejmuje natomiast szeroki zakres warunków ich pracy dla wielu stanów ustalonych, a także symulację pracy tych systemów w warunkach nieustalonych. Powszechne stosowanie matematycznego modelowania w problematyce wodociągowej stało się przyczyną powstania ważnego nurtu badawczego obejmującego kalibrację modeli matematycznych mającej na celu zwiększenie dokładności z jaką odwzorowują one rzeczywiste warunki pracy systemów wodociągowych. Kolejne nowe kierunki badawcze realizowane na przełomie XX i XXI wieku to optymalizacja i niezawodność struktury systemów oraz urządzeń i obiektów, zarządzanie w eksploatacji systemów, a także zagadnienia optymalnego sterowania procesów technologicznych i sieci wodociągowych. Istotny wpływ na realizację tych prac ma rozwój ogólnej teorii systemów, inżynierii systemów informacyjnych i technik komputerowych oraz informatycznych systemów zarządzania.

5. Literatura [1] Z. Dymaczewski, M.M. Sozański i in., Wodociągi i Kanalizacja w Polsce, tradycja i współczesność, Polska Fundacja Ochrony Zasobów Wodnych, Poznań-Bydgoszcz 2002. [2] N. Paneth, Assessing the contributions of John Snow to epidemiology. 150 years after removal of the Broad Street pump handle, Epidemiology 15. 2004 (s. 514÷516).

31

[3] P.Kowalczyk, Konflikty o wodę, Wydawnictwo Kurpisz S.A., Przeźmierowo 2007. [4] M.M. Sozański, K. Olańczuk-Neyman, Stan wiedzy i perspektywy rozwojowe technologii uzdatniania wody jako współczesnej dyscypliny nauki, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, vol. 10, 2002, nt. Inżynieria Środowiska Stan obecny i perspektywy rozwoju, Wydawnictwo Drukarnia LIBER DUO S.C., Lublin 2002. [5] M.M. Sozański, P.M. Huck, Badania doświadczalne w rozwoju technologii uzdatniania wody, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, vol. 42, 2007, Wydawnictwo Drukarnia LIBER DUO S.C. Lublin 2007. [6] MWH, Water Treatment Principles and Design (Revised by J.C. Crittenden, R.R. Trussell, D.W. Hand, K.J. Howe, G. Tchobanoglous), John Wiley & Sons, Inc., Hoboken 2005. [7] M.Bodzek, K. Konieczny, Wykorzystanie procesów membranowych w uzdatnianiu wody, Wyd. Projprzem, Bydgoszcz 2005. [8] AWWA-ASCE (Technical Editor E.E. Baruth), Water Treatment Plant Design, Mc Graw-Hill, New York 2005. [9] E.W. Mielcarzewicz, Obliczanie systemów zaopatrzenia w wodę, Wydawnictwo Arkady, Warszawa 2000. [10] J. Łomotowski, Przyczyny zmian jakości wody w systemach wodociągowych, Monografie Instytutu Badań Systemowych PAN. Seria Badania Systemowe, tom 55, 2007. Wydawnictwo IBS PAN, Warszawa 2007. [11] P.J. Ollos, P.M. Huck, R.M. Slawson, Factors affecting biofilm accumulation in model distribution systems, Jour. AWWA, 95 (1), 2003. [12] J. Oleszkiewicz, M. Geringer d’Odenberg, A. Chapman, Doświadczenia w usuwaniu Asellus aquaticus z sieci wodociągowej, Materiały IV Międzynarodowej Konferencji “Zaopatrzenie w Wodę, Jakość i Ochrona Wód”, Kraków 11-13 września 2000. [13] K. Olańczuk-Neyman, Mikroorganizmy w kształtowaniu jakości i uzdatnianiu wód podziemnych, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, vol. 1 2001, Wydawnictwo P.G. 2001. [14] W.G. Mackay, L.T. Gribbon, L.T. Barer, D.C. Reid, Biofilms in drinking water systems – a possible reservoir for Heliocobacter pylori, Wat. Sci. Tech. vol. 38 nr 12, 1998. [15] M. W. LeChevallier, N.E. Show, L.A. Kaplan, T.L. Bott, Development of rapid AOC method for water. Appl. Environ. Microbiol., vol. 59, nr 5, 1993. [16] M. M. Sozański, Technologia uzdatniania wody, tradycja i problemy wspólczesne; Monografia Szkoły Jakości Wody 08, Politechnika Koszalińska, Koszalin 2008.

Marek M. SOZAŃSKI Politechnika Poznańska marek.sozanski@put.pozna.pl Krystyna OLAŃCZUK-NEYMAN Politechnika Gdańska kola@pg.gda.pl1 Peter M. HUCK University of Waterloo, Canada pmhuck@uwaterloo.ca


32

nauka i technika

Zarządzanie rozwojem technologii zakładów uzdatniania wody Management of technology development water treatment plants Marek M. SOZAŃSKI Joanna JEŻ-WALKOWIAK Zbysław DYMACZEWSKI

Streszczenie Wody naturalne, w szczególności powierzchniowe, klasyfikują się do złożonych układów heterogenicznych zawierających bardzo dużą ilość różnych domieszek, w tym pochodzenia antropogenicznego, powodujących zarówno ich zanieczyszczenie chemiczne – skażenie, jak i mikrobiologiczne – zakażenie. Do szczególnie niebezpiecznych domieszek klasyfikują się zanieczyszczenia mikrobiologiczne, w tym: chorobotwórcze bakterie, wirusy i enterowirusy, pierwotniaki i pasożyty jelitowe [18]. Nie istnieją realne możliwości likwidacji w środowisku naturalnym chorobotwórczych mikroorganizmów, jak również nierealna jest koncepcja społeczeństwa wolnego od chorób i to niezależnie od poziomu jego rozwoju jak i standardu życia. Tym nie mniej wprowadzając centralne zaopatrzenie w wodę na przełomie XIX i XX wieku, a w szczególności uzdatnianie wody, w tym jej dezynfekcję, wyeliminowano tzw. „epidemie wodne”. Pod tym terminem rozumie się choroby zakaźne przewodu pokarmowego (np. cholera, czerwonka, dur brzuszny ...) przenoszone drogą wodną, które w okresach poprzednich wyludniały miasta i całe regiony we wszystkich zaludnionych częściach świata, a w szczególności Europy.

Abstract Water environment, particularly surface classified as complex heterogeneous systems containing very large number of different additives, including anthropogenic origin, resulting in both their chemical pollution - contamination, and microbiology - infection. For particularly dangerous additives classified as microbiological contamination, including pathogenic bacteria, viruses and enteroviruses, protozoa and intestinal parasites [18]. There is no real possibility of liquidation in the environment of pathogenic microorganisms, as well as unrealistic is the idea of a society free from disease, regardless of its level of development and living standards. Nonetheless, introducing a central water supply at the turn of the century, in particular, water treatment, including its disinfection eliminated so. „Epidemics of water’’. Under this term is meant gastrointestinal diseases (for example: cholera, dysentery, typhoid fever ...) transmitted by water, which in previous periods ravaged cities and entire regions in all the populated parts of the world, particularly Europe.

1. Ogólne cele zakładów uzdatniania wody Technologia Uzdatniania Wody jako dyscyplina nauki, powstając w okresie „walki z epidemiami wodnymi” na przełomie XIX i XX wieku, wprowadza na stałe do rozwoju cywilizacji człowieka materialny obiekt tej walki – Zakłady Uzdatniania Wody. Wprowadzenie centralnego zaopatrzenia w wodę, w tym budowa ujęć, zakładów uzdatniania wody i systemów jej dystrybucji, w szczególności w dużych miastach, wymagało zaangażowania środków

o charakterze społeczno-politycznym, podnosząc dzięki temu w sposób radykalny ich stan sanitarny i higienę życia ludności, wpływając na poziom zdrowia publicznego. Zebrane w wyniku tych działań doświadczenia wskazują, iż problematyka zdrowia publicznego i medycyny nie może być rozpatrywana i rozwiązywana w oderwaniu od zagadnień środowiska naturalnego, a inwestycje dotyczące zakładów uzdatniania wody należy traktować jako najkorzystniejsze inwestycje także w aspekcie poprawy stanu zdrowia publicznego. Wprowadzenie skutecznych metod dezynfekcji dało z jednej strony nie notowaną w przeszłości możliwość niszczenia chorobotwórczych drobnoustrojów w systemach uzdatniania wody, a z drugiej uzyskane efekty wykazały istnienie genetycznej plastyczności mikroorganizmów jako cechy ich zmiennej oporności na te metody. Należy podkreślić, iż mikrobiologiczne zanieczyszczenie wody w procesach jej uzdatnia-


zarządzanie rozwojem technologii zakładów uzdatniania wody

nia winno być szczególnie konsekwentnie i starannie eliminowane, ponieważ powoduje ono jednoczesne występowanie infekcji u znacznej liczby ludzi. Te nieobliczalne konsekwencje mikrobiologicznego zanieczyszczenia wody do picia powodują, iż ryzyko zdrowotne spowodowane jej zanieczyszczeniem związkami chemicznymi, w tym także toksycznymi mikrozanieczyszczeniami sytuuje się niżej, ponieważ nie wywołuje ono tak rozległych i nagłych skutków. Zanieczyszczenia chemiczne zawarte w wodzie uzdatnionej wywołują niepożądane skutki zdrowotne po dłuższym okresie jej spożywania. Z tych też względów Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) w swoich zaleceniach dotyczących norm dla wody do picia [22] na pierwszym miejscu stawia wymagania dotyczące eliminacji zanieczyszczeń mikrobiologicznych, natomiast usuwanie substancji chemicznych w tym toksycznych mikrozanieczyszczeń, jakkolwiek niezbędne, to w sekwencji ważności celów stawianych technologii uzdatniania usytuowane jest na drugim miejscu. To rozgraniczenie ważności celów między usuwaniem zanieczyszczeń mikrobiologicznych i chemicznych w kontekście niezbędności usuwania jednych jak i drugich wydaje się być sztuczne. Jednak geneza celowości tego rozgraniczenia tkwi we właściwościach współczesnych metod dezynfekcji wody opierających się w większości rozwiązań na stosowaniu silnych utleniaczy, w tym głównie chloru, dwutlenku chloru lub ozonu. Stosowanie tych utleniaczy jako dezynfektantów w procesie dezynfekcji z jednej strony eliminuje zanieczyszczenia mikrobiologiczne, ale z drugiej powoduje powstawanie chemicznych produktów ubocznych w tym także o właściwościach toksycznych. W wielu zakładach uzdatniania wody zdarzają się okresy, w których z uwagi na jakość wody ujmowanej niezbędna wysokość dawek dezynfektantów, gwarantująca właściwe efekty dezynfekcji, powoduje równocześnie tworzenie się toksycznych produktów ubocznych w stęże-

niach przekraczających dopuszczalne wartości dla wody do picia. Wówczas zalecenie WHO dotyczące pierwszeństwa usuwania zanieczyszczeń mikrobiologicznych przed chemicznymi umożliwia podjęcie właściwej decyzji. Przedstawione informacje wskazują na dezynfekcję wody jako na proces o priorytetowym znaczeniu, definiując jakby od nowa jego funkcje i rolę w całej współczesnej technologii uzdatniania wody [19,20]. To nowe spojrzenie na dezynfekcję polega na: — określeniu funkcji dezynfekcji jako ogniwa pośredniego między poprzedzającym go układem procesów uzdatniania wody oraz siecią wodociągową, definiowaną jako specyficzny reaktor hydrodynamiczny, fizykochemiczny, biochemiczny i mikrobiologiczny, — przyjęciu tego procesu jako kryterium oceny efektywności uzdatniania wody w procesach go poprzedzających, umożliwiających skuteczną i bezpieczną dezynfekcję tej wody bez tworzenia się ponadnormatywnych stężeń toksycznych produktów ubocznych, — rozszerzeniu definicji dezynfekcji jako procesu niszczenia drobnoustrojów w szczególności chorobotwórczych oraz jako procesu zabezpieczania wody („konserwowania wody”) przed wtórnym zakażeniem podczas jej przebywania w sieci wodociągowej. To nowe spojrzenie na dezynfekcję kształtuje aktualne tendencje rozwoju współczesnych technologii uzdatniania, w szczególności wody powierzchniowej zmierzające do doskonalenia takich metod uzdatniania jak: koagulacji z filtracją pospieszną, adsorpcji na węglu aktywnym, biologicznej filtracji, ozonowania z adsorpcją lub z biologiczną filtracją oraz zastosowania mikrofiltracji, ultrafiltracji i nanofiltracji. Dąży się także do rozwijania technologii uzdatniania w wyniku których powstaje znacznie mniej produktów ubocznych jak np. procesów membranowych.

33

2. Wprowadzenie do technologii zakładów uzdatniania wody Systemy technologiczne uzdatniania wody są to zbiory procesów i relacji systemotwórczych, które wraz ze środkami niezbędnymi do ich realizacji stanowią funkcjonalną i strukturalnie uporządkowaną całość. Są to systemy otwarte, zasilane w sposób ciągły ujmowaną wodą, a ich działanie jest podtrzymywane przez stałe dostarczanie niezbędnych informacji i energii. Systemy te za pośrednictwem tworzących je procesów oddziaływują na składniki i wskaźniki jakości wody ujmowanej, zmieniając ich wartość do poziomu wymagań stawianych wodzie do picia. Całkowity cel technologii uzdatniania wody, jakim jest transformacja jakości wody ujmowanej w jakość wody do picia, zgodnie z zasadą dekompozycji, można podzielić na cele cząstkowe, realizowane w procesach połączonych szeregowo. Najczęściej używaną – klasyczną formą struktury systemów są szeregowe połączenia procesów, a znacznie rzadziej występujące połączenia równoległe dotyczą na ogół bardzo dużych ZUW ujmujących wodę z kilku źródeł o różnej jakości, których technologie uzdatniania w obrębie całej lub części struktury różnią się między sobą. Połączenia równoległe stanowią natomiast typowy element struktury połączeń urządzeń lub obiektów tego samego typu (np.: filtrów) i wynikają z dużej objętości uzdatnianej wody. Istotnym zagadnieniem projektowym jest dobór i logiczna sekwencja, według której procesy te są uszeregowane w system technologiczny. Innymi słowy istnieje pewien logiczny porządek – kolejność, wynikająca z uwarunkowań technologicznych, według której są stawiane i realizowane cele technologiczne (usuwanie cząstek, obniżanie OWO, dezynfekcja itp.). Należy stwierdzić, że w systemach technologii uzdatniania wody „wszystko jest powiązane ze wszyst-


34

nauka i technika

kim”, co oznacza, że zmiany jakości wody, które występują w jednym procesie wpływają na procesy następne. Wynika to między innymi z faktu, że istnieją tzw.: „główne zmienne” – parametry globalne – istotne dla całej technologii uzdatniania, wpływające na większość procesów w całym systemie. Jednym z najważniejszych jest odczyn wody. Zmiany pH wywołane procesem koagulacji będą wpływały na przykład na proces obniżania OWO oraz na dezynfekcję. Drugim równie ważnym parametrem jest poziom OWO wpływający na dawkę koagulantu i dezynfektanta oraz na ilość powstających produktów ubocznych podczas dezynfekcji, a także na szybkość zużycia granulowanego węgla aktywnego. Idąc tym tropem myślowym dochodzimy do problematyki optymalizacji uzdatniania, czyli do określenia wartości zmiennych i parametrów procesowych, które prowadzić będą do maksymalizacji lub minimalizacji określonego wskaźnika (lub wskaźników) jakości. Mówimy tu o optymalizacji doświadczalnej, której celem jest planowanie i realizacja doświadczeń prowadzących do określenia optymalnych decyzji w zakresie technologii uzdatniania konkretnej wody. Sformułowanie zadania optymalizacji prowadzi do hierarchizacji celów

optymalizacji, kompromisu w ich realizacji oraz wyboru adekwatnego kryterium optymalizacji. Klasycznym już dzisiaj przykładem takiego kompromisu jest poziom dezynfekcji, który z jednej strony gwarantuje bezpieczeństwo sanitarno-higieniczne wody, a z drugiej strony może podwyższać stężenie produktów ubocznych dezynfekcji. W działaniach tych bardzo istotnym jest zachowanie „odporności” – niezawodności systemu technologicznego. Można to osiągnąć poprzez stosowanie technologii uzdatniania wody spełniającej warunek systemu „wielostopniowych barier” dla usuwanych zanieczyszczeń. Niezawodny system uzdatniania nie jest na ogół systemem tanim. Ważnym aspektem niezawodności systemu jest wzięcie pod uwagę stanu wiedzy i umiejętności operatorów eksploatujących system. Dobry system uzdatniania będzie spełniał zasadę zrównoważonego rozwoju, czyli będzie wykorzystywał głównie procesy fizyczne i biologiczne, minimalizując ilość dawkowanych reagentów oraz powstających produktów ubocznych. Technologia zakładów uzdatniania wody zależy od rodzaju wody ujmowanej. W Polsce większość małych i średnich zakładów ujmuje wody podziemne. Są to wody natural-

nie chronione przed zanieczyszczeniami antropogenicznymi, stąd technologia ich uzdatniania jest znacznie prostsza niż wód powierzchniowych, a zakres ewentualnej modernizacji relatywnie mniejszy, rzadko wykraczający poza intensyfikację efektów poszczególnych procesów uzdatniania. Wody powierzchniowe w porównaniu do podziemnych są łatwiej dostępne i występują w większych ilościach, stanowiąc tym samym źródło zaopatrzenia większych miast i zakładów przemysłowych. Są one jednak bardziej narażone na zanieczyszczenia, stąd ich wykorzystanie wymaga na ogół zastosowania znacznie droższych technologii uzdatniania, zarówno w fazie inwestycji jak i eksploatacji.

3. Technologie zakładów uzdatniania wód powierzchniowych Układy technologiczne uzdatniania wód powierzchniowych stosowane w praktycznych rozwiązaniach wodociągowych w okresie ostatnich 100 lat przeszły szereg zasadniczych modyfikacji, które w sposób uproszczony obrazują schematy blokowe przedstawione na rys. 1 [21].

A) OPARTY NA PROCESACH NATURALNYCH (decydujący o wielu inwestycjach przed II wojną światową) SEDYMENTACJA

FILTRACJA POWOLNA

DEZYNFEKCJA

B) OPARTY NA INFILTRACJI (aktualny w różnych modyfikacjach od przeszło 100 lat) OCZYSZCZANIE WSTĘPNE

INFILTRACJA

TECHNOLOGIA OCZYSZCZANIA WÓD PODZIEMNYCH

DEZYNFEKCJA

C) OPARTY NA FIZYKOCHEMICZNYM PROCESIE KOAGULACJI (decydujący o inwestycjach z lat 50. i 60.) KOAGULACJA

SEDYMENTACJA

FILTRACJA POSPIESZNA

DEZYNFEKCJA

D) WYSOKOEFEKTYWNY (przyjmowany w koncepcjach rozwiązań od drugiej połowy lat 70.) UTLENIANIE WSTĘPNE

KOAGULACJA Z ADSORPCJĄ

SEDYMENTACJA

FILTRACJA POSPIESZNA

Rys. 1. Technologie zakładów uzdatniania wód powierzchniowych.

UTLENIANIE POŚREDNIE

FILTRY WĘGLOWE

DEZYNFEKCJA


zarządzanie rozwojem technologii zakładów uzdatniania wody

Technologia zakładów uzdatniania wody w początkowym stadium swego rozwoju opierała się na procesach naturalnych zachodzących w przyrodzie, tj.: na sedymentacji i filtracji oraz dodatkowo na dezynfekcji głównie chlorem (rys. 1A). Badanie zjawisk i procesów zachodzących w środowisku naturalnym i przenoszenie ich na grunt rozwiązań technicznych okazało się ponadczasową metodą inspirującą powstanie i rozwój wielu dyscyplin nauki, w tym także technologii uzdatniania wody. Technologie uzdatniania wody, złożone głownie z sedymentacji, filtracji powolnej lub infiltracji oraz dezynfekcji (rys. 1A, 1B) okazały się wyjątkowo efektywnymi w szczególności w usuwaniu drobnoustrojów, w tym chorobotwórczych oraz szeregu zanieczyszczeń mechanicznych i chemicznych. Zakłady uzdatniania stosujące filtry powolne po okresie powszechnego stosowania były w latach 1930 ÷ 1960 wypierane przez technologie oparte na procesach koagulacji i filtracji pospiesznej. Przyczyną było silne zanieczyszczenie wód powierzchniowych, które doprowadziło między innymi do wzrostu zasolenia wód, temperatury, stężenia związków organicznych, pojawiania się różnego rodzaju toksyn, w tym metali ciężkich. Skutkiem zanieczyszczenia jest eutrofizacja i zakwity wód, intensyfikacja zabarwienia, pogorszenie smaku i zapachu wody, tworzenie kożucha z piany, dużego zużycia tlenu, prowadzącego do jego deficytu. Większość metali ciężkich klasyfikuje się do groźnych trucizn, których obecność w wodzie prowadzi do obniżenia aktywności fotosyntetycznej fitoplanktonu, zahamowania procesów samooczyszczania się wód, kumulacji w poszczególnych ogniwach łańcucha troficznego. Ropa naftowa i jej pochodne pokrywają dno i rośliny zbiorników wodnych trudno rozkładalnym osadem, uniemożliwiającym oddychanie. Detergenty są czynnikiem eutrofizującym oraz powodują rozpuszczanie w wodzie wielu substancji np.: rakotwórczych, w normalnych warunkach nieroz-

puszczalnych. Wymienione tylko niektóre rodzaje zanieczyszczeń i ich skutki zmusiły do radykalnej ochrony wód, w szczególności ujęć wód komunalnych oraz do ich uzdatniania w bardziej efektywnych systemach technologicznych opartych na koagulacji i filtracji pospiesznej (rys. 1C). Lata 1930 ÷ 1960 to okres powstania bardzo wielu nowych zakładów uzdatniania wody oraz intensywnej modernizacji zakładów eksploatowanych. Z tych względów zasadniczy fragment struktury zdecydowanej większości współcześnie modernizowanych systemów technologicznych uzdatniania wód powierzchniowych tworzą procesy: koagulacji – sedymentacji – filtracji pospiesznej – dezynfekcji (rys. 1C). W okresie kilkudziesięciu minionych lat w wyniku badań eksperymentalnych oraz doświadczeń eksploatacyjnych dokonano bardzo wielu modyfikacji tej technologii, a w dalszej kolejności rozbudowy tego systemu. Modyfikacje urządzeń i obiektów dokonywane bez zmiany jego pierwotnej struktury systemowej obejmowały: — koagulację objętościową domieszek wody prowadzoną w różnych układach zbiorników mieszania i komór flokulacji, — koagulację powierzchniową realizowaną w różnego typu osadnikach z zawieszonym osadem lub w filtrach kontaktowych, — sedymentacje w osadnikach wielostrumieniowych, — dezynfekcję ozonem, promieniami UV. Efekty uzdatniania wody uzyskiwane w systemach technologicznych opartych na procesie koagulacji uwarunkowane były głównie trafnym doborem: — rodzaju i dawki koagulantu lub koagulantów, — odczynu wody, — rodzaju i dawek substancji wspomagających, — kolejności dawkowania reagentów,

35

— parametrów mieszania regentów z wodą (intensywność, czas), — parametrów procesu flokulacji (gradient prędkości, czas), — parametrów sedymentacji i filtracji pospiesznej lub kontaktowej. Wymienione parametry procesowe są równocześnie podstawowymi czynnikami decyzyjnymi systemów technologicznych, określanymi w projektowaniu tych systemów, a także w pewnym stopniu podczas ich eksploatacji, co w praktyce oznacza możliwości ich celowej i kontrolowanej zmiany dla maksymalizacji efektów uzdatniania. Dobór wartości tych parametrów jest uzależniony od składników i wskaźników jakości ujmowanej i uzdatnionej wody, do których należą: — skład fizyczno-chemiczny, bakteriologiczny i hydrobiologiczny wody ujmowanej, — temperatura wody ujmowanej, — zmienność wskaźników jakości wody ujmowanej w cyklu rocznym, — efekty uzdatniania określone wymaganiami stawianymi wodzie do picia. W rozwoju systemów technologicznych uzdatniania wody, opartych na procesie koagulacji, wyszczególnia się dwa następujące charakterystyczne okresy wynikające z zakładanych efektów tego procesu: — okres wcześniejszy (lata do 1980 roku), w którym efekty procesu określano m.in. obniżeniem mętności uzdatnianej wody do 3÷5 mg SiO 2/L i barwy do 15÷20 mg Pt/L, — okres współczesny (począwszy od lat dziewięćdziesiątych) wysokiej efektywności koagulacji prowadzonej z korektą odczynu do ok. (5,0÷6,5) pH i zakładającej obniżenie mętności do wartości nie przekraczającej 0,10÷1,0 NTU barwy do 1,0÷5,0 mg Pt/L, a także znaczne obniżenia w wodzie ChZT, OWO, prekursorów produktów ubocznych chemicznego utleniania i dezyn-


36

nauka i technika

A)

KOAGULACJA

SEDYMENTACJA

FILTRACJA POSPIESZNA

DEZYNFEKCJA

CHEMICZNA STABILIZACJA

B)

KOAGULACJA

SEDYMENTACJA

MIKROFITRACJA

DEZYNFEKCJA

CHEMICZNA STABILIZACJA

KOAGULACJA

SEDYMENTACJA

ULTRAFITRACJA

DEZYNFEKCJA

CHEMICZNA STABILIZACJA

Rys. 2. Technologia uzdatniania wód powierzchniowych o dobrej jakości. A – wariant z filtracją pospieszną; B – warianty z filtracją membranową

fekcji, wielu mikrozanieczyszczeń np. metali ciężkich, w tym produktów resztkowych dawkowanych reagentów np. glinu. Na rys. 2 przedstawiono wariantowe systemy uzdatniania wody powierzchniowej opartej na koagulacji z zastosowaniem filtracji pospiesznej (rys. 2A) oraz filtracji membranowej tj. mikrofiltracji lub ultrafiltracji. Zastosowanie filtracji membranowej winno być poprzedzone podobnie jak pozostałych procesów badaniami przedprojektowymi. Badania te winny dostarczyć informacji o przewidywanych efektach usuwania cząstek (zawiesina, mętność, barwa, drobnoustroje) o stanie równowagi pracy membran obejmującej przepływ i proces czyszczenia. Należy także sprawdzić doświadczalnie możliwość pracy membran bez uzdatniania wstępnego (koagulacja...). Dążenie w połowie lat 70. i w latach 80. XX wieku do wyższych

Woda ujmowana Surowiec (S)

efektów uzdatniania wód, przy utrzymującym się lub postępującym w dalszym ciągu znacznym zanieczyszczeniu ujmowanych wód powierzchniowych, doprowadziło do rozbudowy i rozszerzenia systemów technologicznych (rys. 1D) o procesy chemicznego utleniania, adsorpcji na węglu aktywnym, biologicznej filtracji. Stąd też większość współczesnych dużych systemów uzdatniania wód powierzchniowych charakteryzuje się bardzo złożonymi strukturami technologicznymi zakładającymi sekwencję wielu procesów (rys. 1D). Dwu- i trójpunktowe stosowanie chemicznego utleniania, głównie ozonowania jest cechą charakterystyczną tych systemów i występuje w sekwencji przemiennej z procesami koagulacji, adsorpcji, filtracji pospiesznej i „filtracji biologicznej”. Uzdatnianie wód powierzchniowych w wysokoefektywnych systemach technologicznych o właściwościach „wielostopniowych barier” (rys. 3)

K + S + FP

ChU + FW

BARIERA I STOPNIA dla: drobnodyspersyjne cząstki (koloidy, humusy, drobnoustroje) Efekty: usunięcie zawiesin, obniżenie mętności do � 0,1÷1,0 NTU, barwy do � 5÷15 mgPt/L, obniżenie rozpuszczonych związków organicznych, mikrozanieczyszczeń

zakłada niezawodne działanie tych systemów, przy założeniu możliwości wystąpienia nagłego zanieczyszczenia źródła wody zarówno biologicznego jak i chemicznego. Znaczący postęp w intensyfikacji uzdatniania poprzez zwiększenie efektywności rozdziału domieszek szkodliwych i niepożądanych od wody jaki dokonał się na obecnym etapie rozwoju dyscypliny objął w zasadzie wszystkie procesy stosowane w praktyce wodociągowej. Jednak najbardziej spektakularny postęp udało się uzyskać w procesach chemicznego utleniania, filtracji przez filtry biologicznie aktywne oraz w procesach membranowych. W wyniku osiągniętego postępu w praktyce naukowej i inżynierskiej pojawiły się reguły i zasady technologiczne obejmujące między innymi: — maksymalizację efektów koagulacji poprzez korektę odczynu, dobór rodzaju i dawek stosowanych reagentów (koagulantów, flokulantów w tym polielektroli-

D + KW

BARIERA II STOPNIA dla: rozpuszczone związki organiczne

BARIERA III STOPNIA dla: drobnoustroje

Efekty: obniżenie OWO, RWO do poziomu gwarantującego efektywną dezynfekcję wody, obniżenie zawartości drobnoustrojów

Efekty: jakość mikrobiologiczna wody do picia, stabilność biologiczna wody,

ROZWIĄZYWANE PROBLEMY II. Technologia ZUW – wielostopniowy system uzdatniania

I. Ilość i jakość wody ujmowanej

Woda uzdatniona Produkt (P)

II/1 K,S,FP – parametry procesowe, urządzenia, efekty, intensyfikacja

II/2 ChU, FW – parametry procesowe, urządzenia, efekty

II/3 D, KW – metody, parametry, efekty

K – koagulacja, S – sedymentacja, FP – filtracja pospieszna, ChU – chemiczne utlenianie, FW – filtry węglowe, D – dezynfekcja, KW – konserwowanie wody

Rys. 3. Koncepcja wielostopniowych barier uzdatniania wody.

III. Efekty uzdatniania, monitoring jakości wody uzdatnionej


zarządzanie rozwojem technologii zakładów uzdatniania wody

tów, utleniaczy, pylistych sorbentów...), określenie kolejności ich dawkowania, dobór hydrauliki i rozwiązania komór procesowych w warunkach homogenicznych – objętościowych oraz heterogenicznych – powierzchniowych (osadniki z zawieszonym osadem, filtry kontaktowe); zwiększenie wydajności i efektów filtracji pospiesznej głównie poprzez zastosowanie złóż wielowarstwowych, a także wykorzystanie kolumn filtracyjnych do prowadzenia adsorpcji na węglu aktywnym, selektywnej wymiany jonowej, np.: azotu amonowego na klinoptylolicie, heterogenicznego utleniania np. Mn+2 na braunsztynie oraz innych procesów fizykochemicznych, w tym także katalizy heterogenicznej; problem produktów ubocznych tworzących się w procesach chemicznego utleniania i dezynfekcji oraz właściwości toksycznych tych substancji, ograniczających zakres stosowania procesów chemicznego utleniania w praktyce do warunków fizykochemicznych ściśle określonych składem wody oraz rodzajem i wielkością dawek stosowanych utleniaczy; filtry biologicznie aktywne będące współczesną modyfikacją filtrów powolnych, w tym filtry ze złożami węglowymi, oraz ich powszechne zastosowanie, najczęściej łącznie z komorami ozonowymi do obniżania zawartości rozpuszczonych związków organicznych; zastosowanie mikrofiltracji, ultrafiltracji i nanofiltracji zamiast klasycznej filtracji pospiesznej, co umożliwia całkowite usunięcie z wody drobnoustrojów (wirusy, bakterie, pierwotniaki), zawiesin i koloidów, a w połączeniu z innymi procesami oczyszczania także domieszek rozpuszczonych, jak np.: z utlenianiem – usuwanie Fe i Mn z wód podziemnych; wykorzystanie infiltracji w układzie z basenami nawad-

niającymi jako wysokoefektywnego i bezreagentowego procesu oczyszczania wód powierzchniowych, wraz z modyfikacją ich właściwości do właściwości wód podziemnych. Zakładane wysokie e f e k t y uzdatniania wód ze zbiorników retencyjnych lub jezior obejmują: okresowe usuwanie zawiesiny i glonów, ich metabolitów (np. toksyn wytwarzanych przez sinice Cyanophyta), efektywne obniżenie mętności i barwy, wskaźników zanieczyszczenia organicznego tj. ChZT, OWO, absorbancji w nadfiolecie, prekursorów THM i innych produktów ubocznych, zapotrzebowania wody na chlor, poprawę właściwości organoleptycznych wody (tj. usuwanie zapachów i smaków spowodowanych obecnością metabolitów organizmów wodnych), niszczenie bakterii, wirusów, pasożytów oraz zapobieżenie możliwości tworzenia się błon biologicznych, głównie bakteryjnych w urządzeniach i sieciach wodociągowych. Systemy technologiczne uzdatniania wód ujmowanych bezpośrednio z rzek bądź jezior klasyfikują się do najbardziej złożonych i trudnych w eksploatacji. Duże ilości stosowanych reagentów, ich trafny dobór, określenie optymalnych dawek, właściwej kolejności dawkowania w warunkach znacznych zmian składu wody wymaga rozległego monitoringu analitycznego w części automatycznego oraz ogranicza informatyzację i instrumentalizację procesów szczególnie w zakresie kontroli mikrobiologicznej, hydrobiologicznej i technologicznej trudnej do pełnego automatycznego monitorowania. Szczególnie istotnym jest trafny dobór rodzaju chemicznych utleniaczy, ich dawek oraz parametrów procesowych adsorpcji, „filtracji biologicznej” i końcowej dezynfekcji zabezpieczającej sieć wodociągową przed wtórnym skażeniem. Duża złożoność strukturalna i eksploatacyjna systemów uzdatniania wód powierzchniowych prowadzi do działań upraszczających np. przez zastosowanie sztucznej infiltracji wody powierzchniowej ze

37

stawów lub basenów nawadniających (rys. 1B). Współcześnie infiltracja jest wykorzystywana zarówno jako metoda odnawiania, a więc i wzbogacania zasobów wód podziemnych oraz jako wysokoefektywny proces uzdatniania wód powierzchniowych w wyniku czego nabierają one cech wód podziemnych. Proces infiltracji jako wysokoefektywny i bezreagentowy proces uzdatniania wody jest stosowany w wielu eksploatowanych dużych systemach technologicznych uzdatniania wód powierzchniowych, szczególnie tam gdzie istnieją hydrogeologiczne warunki dla jego stosowania. Zastosowanie infiltracji umożliwia uzyskanie: — znacznej stabilności składu i temperatury wody uzdatnianej, praktycznie niezależnej od zakresu zmian jakości wody powierzchniowej, — wysokich efektów w szerokim zakresie uzdatniania obejmującym obniżenie mętności, barwy, ChZT, RWO, BOM1, AOC 2, BDOC 3, azotu amonowego, a także usuwania wirusów, bakterii, pasożytów ich form przetrwalnikowych oraz glonów, — dużej potencjalnej niezawodności działania w usuwaniu wielu mikrozanieczyszczeń w tym metali ciężkich, WWA, pestycydów, detergentów, radionuklidów w okresach ich nieprzewidzianego pojawienia się w wodzie powierzchniowej, — niezawodnego zaopatrywania w wodę także w okresach konieczności zaprzestania poboru wody powierzchniowej w okresie jej awaryjnego zanieczyszczenia, — niskich kosztów i prostej eksploatacji systemów technologicznych opartych na infiltra1

2

3

BOM – biodegradable organic material (substancje organiczne podatne na rozkład biologiczny) AOC – assimilable organic karbon (przyswajalny przez mikroorganizmy węgiel organiczny) BDOC – biodegradable dissolved organic karbon (biodegradowalna frakcja rozpuszczonego węgla organicznego)


38

nauka i technika

cji w stosunku do równoważnych pod względem efektów uzdatniania systemów opartych na procesach chemicznych, fizykochemicznych i biochemicznych. Uzyskanie wysokich efektów uzdatniania w procesie infiltracji, czasami ochrona strefy aeracji i warstwy wodonośnej przed zanieczyszczeniem wód powierzchniowych, jak również racjonalna eksploatacja basenów nawadniających, w tym czyszczenie ich dna, wymaga niekiedy wstępnego oczyszczania wody powierzchniowej. To wstępne oczyszczanie obejmuje najczęściej sedymentację lub filtrację pospieszną. W systemach z infiltracją sztuczną osiągnięcie przez wodę biologicznej stabilności, określone np. granicznymi wartościami AOC i BDOC wymaga na ogół dodatkowego zastosowania ozonowania w końcowej fazie uzdatniania i „biologicznej filtracji”. Proces dezynfekcji w takim systemie wymaga już bardzo niewielkich dawek dezynfektantów. Wśród osiągnięć i zmian, jakie dokonały się w Technologii Uzdatniania Wody w ostatnim dwudziestoleciu, wiodący udział miały wyniki eksperymentów procesów chemicznego utleniania (rys. 1D). Wyniki te z jednej strony doprowadziły do sformułowania szerokich i ogólnych reguł oraz zasad umożliwiających praktyczne wykorzystanie procesów chemicznego utleniania w uzdatnianiu wody, a z drugiej strony w decydujący sposób wpłynęły na działania legislacyjne i ustawodawcze odnośnie zaleceń i norm jakości wody do picia. W wytycznych WHO [22] dotyczących jakości wody do picia cały odrębny rozdział jest poświęcony „Środkom dezynfekcyjnym i produktom ubocznym dezynfekcji”. Żaden inny proces uzdatniania wody w ostatnich kilkunastu latach nie wpłynął w tak zasadniczy sposób na obecny kształt krajowych i międzynarodowych zaleceń oraz norm jakości wody do picia jak chemiczne utlenianie. Dezynfekcja wody stanowi końcową i niezwykle istotną „barierę” (rys. 3) w uzdatnianiu wody do picia, która ma na celu niezawodną ochro-

nę zdrowia przed mikroorganizmami patogennymi (głównie wirusami, bakteriami i pierwotniakami). W badaniach nad dezynfekcją jako funkcjonalnym elementem całego systemu zaopatrzenia w wodę zwraca się między innymi uwagę na metody oraz konieczność obniżania mętności do wartości poniżej 0,1 NTU, celem zniwelowania chroniącego mikroorganizmy działania drobnodyspersyjnych cząstek stałych obserwowanego we wszystkich chemicznych metodach dezynfekcji, a także podczas dezynfekcji promieniami UV. Wyniki badań nad procesem dezynfekcji wskazują również na procesy koagulacji z filtracją pospieszną, adsorpcji na węglu aktywnym, „biologicznej filtracji”, ozonowania z „biologiczną filtracją” oraz nanofiltracji jako na procesy obniżające BOM, AOC i BDOC. Obniżenie AOC i BDOC do wartości progowych umożliwia zastosowanie ozonowania z „biologiczną filtracją” oraz nanofiltracja. Drugim obok chemicznego utleniania procesem najczęściej podejmowanym w tematach prac doświadczalnych jak i w wielu modernizacjach eksploatowanych ZUW powierzchniowej jest proces „biologicznej filtracji” (rys. 1. A, B, D i rys. 3). Procesy biologiczne zachodzą w filtrach biologicznie aktywnych, w biologicznie aktywnych filtrach węglowych, w filtrach powolnych, a także podczas infiltracji sztucznej ze stawów nawadniających. Klasyfikują się one do procesów złożonych z wielu nakładających się jednostkowych operacji i procesów: fizycznych (wymiana pędu, masy...), chemicznych (reakcje), fizyczno-chemicznych (adsorpcja, flokulacja...), biochemicznych (biodegradacja, nitryfikacja, denitryfikacja...), biologicznych (wzrost i dynamika zmian błony biologicznej...). Zjawiska te i procesy zachodzą zarówno w makroskali, to znaczy w porach i kanalikach złoża filtracyjnego oraz w mikroskali, czyli wewnątrz komórek drobnoustrojów jak i w porach struktury wewnętrznej złoża np. węgla aktywnego. Proces „biologicznej filtracji” prowadzonej na filtrach powolnych jest jednym

z najstarszych w technologii uzdatniania wody, jednak współczesna restauracja tego procesu w zmodernizowanej postaci posiada inny cel i funkcję technologiczną. Uwzględniając aspekt optymalizacji procesu adsorpcji w złożach węgla aktywnego, w tym dążenie do wydłużenia cyklu pracy, zakłada się ich eksploatację jako biologicznie aktywnych filtrów węglowych. W filtrach takich tworzy się biocenoza złożona z bakterii heterotroficznych, które powodują bioregenerację węgla w wyniku biodegradacji zaadsorbowanych na jego powierzchni związków organicznych. Prowadzi to do znacznego wydłużenia pracy kolumn węgla aktywnego bez regeneracji, a więc i do relatywnego zmniejszenia kosztów eksploatacyjnych tych kolumn. Filtracja przez biologicznie aktywne filtry węglowe klasyfikuje się do procesów wysokoefektywnych, ale osiągnięcie tych efektów wymaga trafnego doboru rodzaju węgla, parametrów procesowych i całego systemu technologii uzdatniania dostosowanego do właściwości i składu uzdatnianej wody. Badania filtrów biologicznie aktywnych mają istotny wpływ na: — rozwiązanie problemu stabilności biologicznej wody, ze szczególnym uwzględnieniem zachowania tej stabilności w warunkach eksploatacyjnych sieci wodociągowej oraz na zmniejszenie dawek dezynfektantów chemicznych, — znaczne obniżenie w wodzie stężenia wielu prekursorów produktów ubocznych powstających w procesach chemicznego utleniania, a także mikrozanieczyszczeń w tym nieorganicznych, — wyeliminowanie z wody większości ewentualnie znajdujących się w niej chorobotwórczych drobnoustrojów, głównie pasożytów oraz ich cyst i oocyst, — sformułowanie dodatkowych kryteriów oceny skuteczności technologicznej procesów uzdatniania wody uwzględniających efekty obniżania wartości wskaźników zawartości substan-


39

zarządzanie rozwojem technologii zakładów uzdatniania wody

cji organicznych podatnych na rozkład biologiczny.

i zapachu do poziomu akceptowalnego.

Jak już wspomniano obecnie zwraca się uwagę na celowość osiągnięcia przez wodę w procesach uzdatniania nie tylko równowagi chemicznej (w tym węglanowo-wapniowej), ale także biologicznej, której brak powoduje wtórne zanieczyszczenie wody drobnoustrojami podczas dystrybucji w sieci wodociągowej. Dotychczasowe wyniki badań wskazują, iż dla utrzymania biologicznej stabilności wody w sieci wodociągowej zalecane jest obniżenie AOC do wartości poniżej 10 µgC/L, temperatura wody nie powinna przekraczać 15oC, a stężenie pozostałego chloru wolnego nie powinno być niższe od 0,1 mgCl2/L. Z kolei inne badania wykorzystujące biodegradowalną frakcję węgla organicznego wskazują, iż rozwój pokarmowego łańcucha drobnoustrojów w sieci wodociągowej zachodzi powyżej progowego stężenia BDOC równego 0,15 mgC/L. Na ile te dwa kryteria trafnie i jednoznacznie określają biologiczną stabilność wody w sieci wodociągowej okaże się po dalszej doświadczalnej weryfikacji. Wiele przeprowadzonych doświadczeń wskazuje na bardzo wyraźny wpływ MAP na intensywny wzrost liczby bakterii heterotroficznych w wodzie. Przykładowo dowiedziono [19, 20, 21], iż 1 µg MAP może spowodować wzrost liczby bakterii aż o 109 JTK. Główne zagadnienia dotyczące technologii uzdatniania wód powierzchniowych niskiej jakości dotyczą zatem: — wyboru procesu dezynfekcji, — wyboru metody filtracji (klasycznej czy membranowej) — wyboru najlepszej metody obniżania OWO badanej wody, — wyboru procesu lub procesów jakie należy zastosować dla usunięcia domieszek chemicznych, — wyboru najlepszej metody poprawy w uzdatnianej wodzie smaku

Na wybór sposobu dezynfekcji wpływa metoda prowadzenia procesu chemicznego utleniania. W przypadku stosowania chemicznego utleniania (np.: wstępnego i/lub pośredniego) osiąga się częściową lub całkowitą dezynfekcję. Jednym z podstawowych warunków ewentualnego zastosowania membran jest intensywność ich kolmatacji (fouling) oraz sposoby jej zapobiegania [2]. Projekt systemu uzdatniania wody powierzchniowej o niskiej jakości winien opierać się na badaniach pilotowych sprawdzających kilka wariantów uzdatniania. Badania takie muszą trwać dostatecznie długo, tak aby objąć sezonowe zmiany jakości wody, a procesy osiągnęły stan stabilnej pracy. Zakres badań pilotowych może być szeroki, należy więc przeprowadzać badania wstępne w skali laboratoryjnej i/lub w skali modelowej w celu opracowania wytycznych do właściwych badań pilotowych. W badaniach wstępnych można oddzielnie prowadzić testy nad usuwaniem cząstek, nad usuwaniem domieszek chemicznych oraz zapachu i smaku. Efekty koagulacji przy niskim pH (obniżanie OWO) mogą być wstępnie określone w testach naczyniowych. Badania wstępne procesów membranowych winny określić stopień zanieczyszczenia (foulingu) membran. Badania te mogą przebiegać podobnie jak w przypadku wód powierzchniowych o dobrej jakości, należy jednak przypuszczać, że uzdatnianie wstępne poprzedzające membrany będzie konieczne. Zasadnicze badania pilotowe w pierwszej kolejności winny skoncentrować się na usuwaniu cząstek, szukając odpowiedzi na pytanie dotyczące zastosowania filtracji tradycyjnej lub membranowej oraz zakresu i warunków uzdatniania wstępnego

KOAGULACJA

SEDYMENTACJA

FILTRACJA POSPIESZNA

CHEMICZNE UTLENIANIE

Rys. 4. Technologia uzdatniania wód powierzchniowych o niskiej jakości.

FILTRY WĘGLOWE

– poprzedzającego filtrację. W dalszej kolejności badania pilotowe winny obejmować możliwe do zastosowania warianty rozwiązań procesów dezynfekcji, usuwania domieszek chemicznych oraz poprawy smaku i zapachu wody. W tej fazie prac należy badaniami objąć także proces biofiltracji. Rysunek 4 przedstawia przykład systemu technologii uzdatniania wód powierzchniowych o niskiej jakości, zaprojektowany na podstawie badań pilotowych.

4. Technologie zakadów uzdatniania wód podziemnych Wody podziemne posiadają większe znaczenie użytkowe dla celów spożywczych niż wody powierzchniowe. Nie zanieczyszczone antropogenicznie są wolne od bakterii chorobotwórczych, wirusów i pierwotniaków, a także od toksycznych mikrozanieczyszczeń i zanieczyszczeń typu organicznego. Posiadają bardziej korzystne i stabilne właściwości fizycznochemiczne od wód powierzchniowych i stałą temperaturę [6,7]. Podstawowymi kryteriami oceny przydatności wód podziemnych jako źródła zaopatrzenia w wodę są ich właściwości, skład fizycznochemiczny, poziom i charakterystyka hydrogeologiczna wodonośca – w tym jego zasoby eksploatacyjne oraz występowanie naturalnej izolacji przed zanieczyszczeniem antropogenicznym. Naturalna izolacja znacznie utrudnia lub uniemożliwia kontakt i łączność hydrauliczną z powierzchnią terenu, jak również z wodami glebowymi i wodami strefy aeracji. Mimo wielu zalet i wysokiej jakości, jedynie niewielki ułamek ujmowanych wód podziemnych nadaje się do bezpośredniego wykorzystania bez uzdatniania [21]. Zdecydowana większość wód podziemnych, także tych klasyBIOL. AKTYWNE FILTRY WĘGLOWE

CHEMICZNA STABILIZACJA


40

nauka i technika

fikujących się do najwyższej jakości, wymaga odżelaziania i odmanganiania, przez co procesy te odgrywają podstawową rolę w technologii ich uzdatniania. W większości nie zanieczyszczonych antropogenicznie wód podziemnych sole żelaza i manganu są najbardziej uciążliwymi związkami warunkującymi ich wykorzystanie dla celów komunalnych i przemysłowych. W wodach podziemnych o wysokiej jakości żelazo i mangan występują na drugim stopniu wartościowości, głównie w postaci wodorowęglanów, rzadziej siarczanów. Dopuszczalne stężenia żelaza i manganu w wodzie do picia, określone z uwzględnieniem przesłanek zdrowotnych są nie do zaakceptowania przez odbiorców wody i eksploatatorów systemów wodociągowych. Dzieje się tak, dlatego że dopuszczalne stężenia żelaza i manganu w wodzie, określone jedynie względami zdrowotnymi powodują: — wytrącanie się osadów w rurociągach i armaturze, — tworzenie się plam na umywalkach, wannach i pranej bieliźnie, — rozwój bakterii żelazowych i manganowych w sieciach wodociągowych, prowadzący do ich korozji i dalszego zarastania, — pojawienie się metalicznego smaku wody, — pogorszenie się zapachu wody, — zwiększenie barwy wody. Zarastanie rurociągów jest równoznaczne ze zmniejszeniem ich średnicy, co powoduje wzrost strat hydraulicznych oraz straty energetyczne związane z eksploatacją systemów wodociągowych. Korozja bakteryjna i chemiczna znacznie obniża stopień niezawodności działania sieci i urządzeń wodociągowych, powodując zwiększenie kosztów remontów i napraw. Korozja ta powoduje również pogorszenie jakości wody dostarczanej konsumentowi. Zjawiska te występują już przy stężeniach żelaza i manganu przekraczających odpowiednio 0,3 mgFe/L i 0,1 mgMn/L. To zadecydowało o przyjęciu przez WHO tych wartości jako dopuszczalnych stężeń żelaza i man-

ganu w wodzie do picia. Stężenia te nie zabezpieczają jednak rurociągów sieci wodociągowej przed osadami. W wodzie do picia spełniającej zalecenia WHO stwierdza się czasami zabarwienie i mętność wody, a także obecność drobnych cząstek zawiesiny MnO2. Stanowi to uzasadnienie zaostrzenia wymagań względem zawartości żelaza i manganu w wodzie do picia w przepisach Unii Europejskiej w stosunku do zaleceń WHO. Według Dyrektywy 80/778/EEC poziom zalecanej zawartości żelaza i manganu wynosi odpowiednio: 0,05 mgFe/L oraz 0,02 mgMn/L. Z kolei według Dyrektywy obowiązującej obecnie poziom wymagany, określający maksymalne stężenia tych pierwiastków ustalono na 0,2 mgFe/ L oraz 0,05 mgMn/L. Obowiązujące zatem w Polsce Rozporządzenie Ministra Zdrowia określa maksymalne stężenie żelaza i manganu na poziomie 0,2 mgFe/L i 0,05 mgMn/L. Mechanizm odżelaziania i odmanganiania wód podziemnych [1,3,4,5] polega na wykorzystaniu nierozpuszczalności uwodnionych tlenków żelaza – Fe2O3·nH2O i manganu MnO2·mH2O jako czynnika umożliwiającego usunięcie tych pierwiastków z wody. Stąd celem technologii uzdatniania wód podziemnych jest transformacja związków żelaza i manganu do postaci nierozpuszczalnych tlenków Fe(III) i Mn(IV). Dwa zasadnicze kierunki tej transformacji to: — zwiększenie potencjału utleniania roztworu wody poprzez zastosowanie utleniaczy lub czynników utleniających np.: tlenu z powietrza, — zwiększenie odczynu roztworu wody poprzez dawkowanie zasad np.: wodorotlenku wapniowego. W syntetycznym ujęciu wygodnie jest przedstawiać oddzielnie technologie uzdatniania wód podziemnych wysokiej i średnie jakości oraz technologie uzdatniania wód podziemnych niskiej jakości. Zatem podane technologie uzdatniania wód ujmowanych obejmują: — wody podziemne o wysokiej i średniej jakości zawierają-

ce żelazo i mangan występujące w związkach mineralnych i w niewielkim stopniu przekraczające wartości dopuszczalne dla wody do picia. Wody te charakteryzują się niskim ChZT i OWO. Są bakteriologicznie pewne i nie wymagają dezynfekcji. Technologia uzdatniania obejmować będzie głównie procesy odżelaziania i odmanganiania wody. — wody podziemne o obniżonej jakości z podwyższoną zawartością żelaza i manganu, z substancjami humusowymi oraz z domieszkami antropogenicznymi, głównie organicznymi (np. substancje ropopochodne, fenol). Dla takiej wody celem uzdatniania będzie dezynfekcja, usunięcie domieszek antropogenicznych (związki organiczne) oraz żelaza i manganu. Podstawowym problemem technologii uzdatniania będzie wybór metody dezynfekcji, procesów usuwania związków antropogenicznych, w tym organicznych oraz procesu usuwania żelaza i manganu. 4.1.

Wody podziemne o wysokiej jakości

Uzdatnianie wód podziemnych nie zanieczyszczonych antropogenicznie w większości eksploatowanych wodociągów opiera się na stosunkowo prostej technologii (rys. 5A) składającej się z procesów: — napowietrzania , w którym usuwa się z wody zawarte w niej gazy głównie dwutlenek węgla i siarkowodór oraz wprowadza do wody tlen, — filtracji pospiesznej jednostopniowej lub dwustopniowej przez złoża oksydacyjne mające na celu usunięcie z wody związków żelaza i manganu, — dezynfekcji „konserwującej” stabilność biologiczną wody w sieci wodociągowej za pomocą chloru lub chloroamin. Technologia odżelaziania i odmanganiania wód podziemnych oparta na procesach napowietrzania i fil-


zarządzanie rozwojem technologii zakładów uzdatniania wody

41

A) STEŻĘNIE ŻELAZA do 5,0 mg Fe/L AERACJA

FILTRACJA POSPIESZNA

DEZYNFEKCJA

B) STĘŻENIE ŻELAZA powyżej 10,0 mg Fe/L AERACJA

SEDYMENTACJA

FILTRACJA POSPIESZNA

DEZYNFEKCJA

Rys. 5. Technologia odżelaziania i odmanganiania wód podziemnych z dezynfekcją „konserwującą” stabilność biologiczna wody w sieci wodociągowej.

tracji pospiesznej przez złoża aktywne jest skuteczna, gdy żelazo i mangan występują w związkach mineralnych (np.: kwaśne węglany i siarczany). System oparty o procesy napowietrzania i filtracji pospiesznej bywa uzupełniany o proces sedymentacji (rys. 5B). Uważa się, że sedymentacja powinna być stosowana podczas uzdatniania wód podziemnych, których zawartość żelaza przekracza 10 mg/L. Zastosowanie procesu napowietrzania umożliwia: — natlenianie wody tlenem z powietrza, w wyniku czego następuje wzrost potencjału redox i zmiana charakteru redukcyjnego środowiska wody podziemnej na utleniający, — odkwaszanie wody przez usunięcie z niej agresywnego CO2 w wyniku czego następuje naruszenie układu węglanowego wody i osiągnięcie punktu równowagi węglanowo-wapniowej, — usunięcie z wody innych gazów jak np.: H2S, metanu oraz poprawa właściwości organoleptycznych czyli dezodoryzacja. Napowietrzanie jest procesem dyfuzyjnym zachodzącym podczas bezpośredniego kontaktu wody z powietrzem, w wyniku którego następuje wyrównanie ciśnień cząstkowych wymienionych gazów (O2, N2, CO2, H2S) w wodzie i powietrzu. W napowietrzanej wodzie równocześnie z procesem desorpcji CO2, H2S przebiega proces absorpcji tlenu z powietrza. Pod wieloma względami desorpcja fizyczna jest odwróceniem fizycznej absorpcji. Należy jednak podkreślić, iż szybko-

ści desorpcji są przeważnie mniejsze (25÷30%) w stosunku do szybkości absorpcji w porównywalnych warunkach. Również efektywna desorpcja CO 2 z wody wymaga zastosowania bardziej intensywnych metod napowietrzania w stosunku do tych, które gwarantują pełne nasycenie wody tlenem. Z tych względów dobór rodzaju i parametrów procesu napowietrzania wody determinują efekty jej odkwaszania a nie natleniania. Urządzenia do napowietrzania wody nazywamy aeratorami (napowietrzaczami). Konstrukcja aeratorów powinna zapewniać jak największą powierzchnię rozdziału faz woda-powietrze z jednoczesnym mieszaniem napowietrzanej wody oraz z łatwym odżelazianiem powietrza z usuniętymi z wody gazami. Urządzenia do napowietrzania wody dzieli się na aeratory: — ciśnieniowe wprowadzające sprężone powietrze do wody (w instalacji zamkniętej – ciśnieniowej) w postaci drobnych pęcherzyków — otwarte, rozdzielające wodę na krople, cienkie strugi lub warstewki wody w powietrzu atmosferycznym (aeratory rozdeszczające, aeratory rozbryzgujące, złoża ociekowe, aeratory kaskadowe). Dobór metody napowietrzania wody warunkuje jej skład fizycznochemiczny, a w szczególności zasadowość. Zasadowość określa zawartość dwutlenku węgla równowagi węglanowo-wapniowej, do której należy obniżyć w procesie napowietrzania zawartość pozostałego w wodzie wolnego dwutlenku węgla. Stąd

relacja między efektami odkwaszania charakteryzującymi metodę napowietrzania, a zasadowością wody napowietrzonej stanowi kryterium doboru metody. Wyniki badań potwierdzają słuszność tego kryterium, wskazując zarówno na osiągnięcie równowagi węglanowo-wapniowej wody napowietrzonej, jak i na jej natlenianie tlenem z powietrza bliskie nasyceniu. W małych ZUW podziemnej w Polsce stosuje się na ogół napowietrzanie i filtrację ciśnieniową. Układ ciśnieniowy jest preferowany ze względu na korzystne pod względem kosztów zmniejszenie ilość stopni pompowania wody. Napowietrzanie ciśnieniowe zapewnia dobry efekt natlenienia wody, natomiast mały stopień jej odkwaszania. Stosowanie aeracji ciśnieniowej dla wód o niskiej zasadowości, mniejszej od 5 mval/L, prowadzi do niestabilności chemicznej i korozyjnych właściwości uzdatnionej wody. Filtry pospieszne są podstawowym urządzeniem wszystkich systemów uzdatniania wód podziemnych. Mają zasadniczy wpływ na uzyskiwane efekty oraz na koszty inwestycyjne i eksploatacyjne systemów uzdatniania. Czynną częścią filtrów są złoża filtracyjne, w których zachodzi szereg złożonych procesów odżelaziania i odmanganiania wody. Są to procesy natury fizycznej, fizykochemicznej i chemicznej, występujące kolejno po sobie lub zachodzące równolegle. W złożach filtrów ciśnieniowych mangan, a także żelazo są usuwane głównie w wyniku katalitycznego utleniania. Katalityczne utlenianie Fe(II) i Mn(II) w praktyce wodociągowej


42

nauka i technika

prowadzi się w złożach filtracyjnych o właściwościach oksydacyjnych, czyli metodą katalizy heterogenicznej [9, 10, 12, 17]. Wśród złóż oksydacyjnych wyróżniamy złoża o ziarnach pokrytych powłokami MnO2 (lub Fe2O3) i złoża składające się z ziaren naturalnych rud manganowych, czyli piasku braunsztynowego. Stosowanymi na większości polskich wodociągów złożami oksydacyjnymi są uaktywnione piaski kwarcowe, których ziarna zostały pokryte MnO2. Proces filtracji pospiesznej wody napowietrzonej będzie skutecznie usuwał z niej żelazo i mangan wówczas, gdy wysokość złoża filtracyjnego będzie równa lub większa od sumy wysokości strefy odżelaziania i strefy odmanganiania wody, jakie wytworzą się w tym złożu w wyniku jego aktywacji w istniejących warunkach eksploatacyjnych. Należy podkreślić, iż odżelazianie i odmanganianie wód podziemnych w zdecydowanej większości (ponad 95%) ZUW w Polsce oparte jest na technologiach przedstawionych na rys. 5.

4.2.

Wody podziemne o obniżonej jakości

Technologia uzdatniania wód podziemnych o obniżonej jakości obejmuje systemy, które mogą składać z następujących procesów: — napowietrzania wody, obejmującego jej fizyczne odkwaszanie i utlenianie tlenem z powietrza, — chemicznego utleniania (np.: ozonem), uwalniającego żelazo i mangan z połączeń kompleksowych ze związkami organicznymi, do form podatnych na utlenianie tlenem w oksydacyjnych złożach filtracyjnych, — koagulacji z ewentualną sedymentacją i korektą odczynu form kompleksowych żelaza, rzadziej manganu, z substancjami humusowymi występującymi w postaci koloidalnej, prowadzonej w warunkach objętościowych lub kontaktowych, — chemicznego odkwaszania przez dawkowanie wapna (lub NaOH),

— zmiękczania przez strącanie (za pomocą Ca(OH)2 lub Ca(OH)2 + Na2CO3...), — sedymentacji cząstek zawiesiny kłaczkowatej, głównie Fe(OH)3, — filtracji pospiesznej, mającej głównie na celu odżelazianie i odmanganianie wody, — dezynfekcji, — filtracji przez złoże zeolitowe; złoże przed procesem filtracji jest uaktywniane roztworem nadmanganianu potasu i soli manganawej, — adsorpcji celem usuwania substancji antropogenicznych, w szcze gólności występujących w postaci związków organicznych (np.: substancje ropopochodne, fenol...), — wymiany jonowej (głównie na jonicie Na), woda dopływająca na jonit nie może być uprzednio natleniona (napowietrzona) by uniknąć kolmatacji złoża cząstkami Fe2O3 i MnO2. Należy podkreślić, że trzy ostatnie procesy w warunkach polskich są bardzo rzadko stosowane. Dezynfekcja wód podziemnych wysokiej jakości jest na ogół stosowana celem „konserwacji” stabilności biologicznej wody w sieci wodociągowej. W klasie wód podziemnych o obniżonej jakości zakładamy, że należy stosować dezynfekcję. Należy również podkreślić, iż ze wzrostem zanieczyszczenia wód podziemnych ich skład zaczyna zbliżać się do składu wód powierzchniowych, a technologia uzdatniania wód podziemnych silnie zanieczyszczonych zaczyna być podobna do złożonych technologii uzdatniania wód powierzchniowych. Większość domieszek wód podziemnych może być usunięta z wody w wyniku procesu utleniania [9,10,12]. W celu zintensyfikowania procesu utleniania Fe(II) i Mn(II) stosuje się dodatkowo lub alternatywnie chemiczne utleniacze (rys. 6A), w szczególności: — nadmanganian potasu, — ozon, — chlor, — dwutlenek chloru.

W praktyce eksploatacyjnej w ZUW podziemnych najczęściej, stosuje się KMnO4, dawkując go do wody przed filtrami, okresowo celem uaktywnienia złoża kwarcowego, lub w sposób ciągły w czasie filtracji, bądź też alternatywnie, dawkując go jedynie do wody płuczącej. W tej ostatniej metodzie KMnO 4 dawkowany okresowo w czasie płukania podnosi w tym czasie katalityczną aktywność powłok kontaktowych złóż filtracyjnych. Obecność w wodach podziemnych substancji organicznych, humusowych i ilastych może prowadzić do tworzenia się różnych form kompleksowych żelaza i manganu z wymienionymi substancjami. Ta zmiana form występowania żelaza i manganu (z mineralnych na kompleksowe) w wodach podziemnych prowadzi do intensyfikacji przedstawionej prostej technologii ich odżelaziania i odmanganiania, opartej na napowietrzaniu i filtracji pospiesznej, dokonywanej najczęściej przez dodatkowe zastosowanie procesów chemicznego utleniania i koagulacji z sedymentacją, lub koagulacji prowadzonej w złożach filtracyjnych. Poziom OWO określa zapotrzebowanie na chlor i ułatwia podjęcie decyzji dotyczącej zastosowania chloru jako dezynfektanta i utleniacza. OWO określa również zapotrzebowanie na ozon. Lotne związki organiczne można usunąć w całości lub częściowo przez zastosowanie napowietrzania. Jeśli jednak w wodzie obecne są nielotne związki organiczne takie jak np.: niektóre związki ropopochodne, należy liczyć się z koniecznością zastosowania utleniania i/lub adsorpcji (rys. 6B). W przypadku stosowania adsorpcji poziom OWO pomaga w ocenie długości cyklu pracy granulowanego węgla aktywnego, także z uwagi na efekt „wstępnej ekranizacji” jego powierzchni wynikający z faktu zmniejszenia pojemności GWA względem ewentualnie usuwanych z wody toksycznych mikrozanieczyszczeń pochodzenia antropogenicznego, spowodowanego adsorpcją „tła OWO”.


43

zarządzanie rozwojem technologii zakładów uzdatniania wody

A) W OPARCIU O CHEMICZNE UTLENIANIE CHEMICZNE UTLENIANIE

FILTRACJA POSPIESZNA

DEZYNFEKCJA

B) Z ZASTOSOWANIEM CHEMICZNEGO UTLENIANIA ADSORPCJI CHEMICZNE UTLENIANIE

FILTRACJA POSPIESZNA

ADSORPCJA GWA

DEZYNFEKCJA

C) Z ZASTOSOWANIEM KOAGULACJI AERACJA

FILTRACJA POSPIESZNA

KOAGULACJA

DEZYNFEKCJA

CHEMICZNA STABILIZACJA

D) Z CHEMICZNYM ODKWASZANIEM AERACJA

CHEMICZNE ODKWASZANIE

FILTRACJA POSPIESZNA

DEZYNFEKCJA

AERACJA II°

ALKALIZACJA (podwyższanie pH)

FILTRACJA II° (usuwanie Mn)

E) W OPRCIU O PROCESY BIOLOGICZNE AERACJA I°

FILTRACJA I° (usuwanie Fe)

DEZYNFEKCJA

Rys. 6. Technologie uzdatniania wód podziemnych o obniżonej jakości.

Ozon jest stosowany w uzdatnianiu wód podziemnych o obniżonej jakości w celu utlenienia żelaza i manganu, dezynfekcji, oraz do całkowitego lub częściowego usunięcia domieszek organicznych (rys. 6B). Następnym procesem uzdatniania tych wód jest filtracja pospieszna – niekatalityczna, usuwająca utlenione ozonem i wytrącone w postaci uwodnionych tlenków związki żelaza i manganu. Kolejnym procesem jest filtracja przez złoże GWA, stosowana alternatywnie w przypadku konieczności usunięcia z wody organicznych domieszek chemicznych. Końcową dezynfekcję (konserwowanie wody) zapewnia chlor lub chloroaminy, gwarantujące obecność dezynfektanta pozostałego w sieci wodociągowej. Na rys. 6C przedstawiono schemat technologiczny uzdatniania wód podziemnych o obniżonej jakości w oparciu o proces koagulacji. Proces koagulacji wód podziemnych może być prowadzony w osadnikach z zawieszonym osadem. System ten jest najczęściej stosowany w uzdatnianiu wód o podwyższonej

barwie, utlenialności i dużej zawartości żelaza (przekraczającej 10 mg/L), występującego w kompleksach z kwasami huminowymi i fulwowymi [16]. Przed osadnikami dawkuje się reagenty, głównie koagulanty i alkalia. Efekty usuwania żelaza i manganu w tym systemie rosną wraz ze wzrostem odczynu. Zawieszony osad, składający się z uwodnionych i działających katalitycznie tlenków żelazowych, intensyfikuje utlenianie Fe(II). System ten polecany jest dla większych wodociągów z uwagi na trudną eksploatację urządzeń. Technologią zalecaną do uzdatniania wód zawierających trwałe kompleksy żelaza i manganu ze związkami organicznymi (np.: wody mioceńskie) jest koagulacja kontaktowa lub filtracja wspomagana koagulacją. Do typowych procesów stosowanych w uzdatnianiu wód podziemnych zalicza się także chemiczne odkwaszanie (np.: wapnem) wspomagające proces napowietrzania wody zalecane przy niskiej jej zasadowości i znacznych stężeniach żelaza występującego w postaci siarczanu żelazawego (rys. 6D).

W niektórych ZUW obserwuje się biologiczne usuwanie żelaza i manganu [13,14,15]. Proces ten zachodzi w błonie biologicznej, składającej się z utleniających bakterii żelazistych i manganowych na ziarnach złóż filtracyjnych, których działanie może zintensyfikować i przyspieszyć procesy utleniania Fe(II) i Mn(II). Bakterie te są chemolitotrofami, wykorzystującymi energię powstałą z utleniania żelaza i manganu do asymilacji CO2. Według Moucheta [11] zastosowanie metody biologicznej umożliwia wyeliminowanie chemicznych utleniaczy, a także znaczne zwiększenie prędkości filtracji (do 30 m/h) oraz pojemności masowej złoża (do 5 kg/m2) (rys. 6E). Według tego autora uzdatnianie wody podziemnej metodą biologiczną nie sprawia trudności eksploatacyjnych, a powstający osad tlenków żelaza i manganu jest bardziej podatny na odwadnianie. System biologicznego uzdatniania wody podany przez Moucheta składa się z dwustopniowej filtracji i korekty odczynu wody. Korekta odczynu jest niezbędna z uwagi na różne optymalne wartości pH


44

nauka i technika

dla biologicznego utleniania żelaza i manganu. Skuteczność tej metody musi być sprawdzona w czasie badań pilotowych, prowadzonych w dostatecznie długim czasie, zapewniającym ustalenie równowagi procesów biologicznych. Innym procesem biologicznym wykorzystywanym w technologii uzdatniania wód podziemnych jest nitryfikacja, zachodzącą w złożach filtracyjnych pod wpływem zasiedlonych bakterii autotroficznych (Nitrosomonas i Nitrobacter) w warunkach występowania w wodzie azotu amonowego [14]. Do systemów uzdatniania wód podziemnych rzadziej stosowanych w Polsce należą technologie wykorzystujące: — filtrację przez złoża z zeolitu manganowego, — filtrację przez równolegle usytuowane złoża zeolitu manganowego i kationitu zmiękczającego wodę, Zeolit manganowy jest minerałem z grupy glaukonitu, strukturalnie podobnym do montmorillonitu i illitu. Popularnie minerał ten nazywa się zielonym piaskiem lub piaskiem glaukonitowym. Przed zastosowaniem minerał oczyszcza się, przesiewa, i uaktywnia związkami manganu. Na filtr ze złożem dwuwarstwowym, składającym się z antracytu oraz zeolitu manganowego doprowadza się napowietrzoną wodę, do której okresowo lub ciągle dawkuje się nadmanganian potasu. W celu podniesienia odczynu dawkuje się do wody alkalia. Wytrącone produkty utleniania: Mn(IV) i Fe(III) są zatrzymywane w górnej warstwie gruboziarnistego antracytu, natomiast nieutleniony lub częściowo utleniony mangan zostaje zatrzymany w wyniku katalitycznego utleniania w dolnej warstwie zeolitu. Dawki i sposób dawkowania reagentów należy określić doświadczalnie. Technologia ta okazuje się skuteczna w uzdatnianiu wód zawierających żelazo, mangan, siarczki, i siarkowodór. W drugim systemie woda jest rozdzielana na dwa strumienie, z których

jeden kierowany jest na filtr ze złożem zeolitowym, zmiękczającym wodę, natomiast drugi strumień kierowany jest na filtry z zeolitem manganowym, usuwającym Fe i Mn w postaci utlenionej. Ponieważ zeolit zmiękczający wodę usuwa z niej kationy Ca+2, Mg+2, Fe+2, Mn+2, woda nie powinna być napowietrzana i nie powinno dawkować się do niej reagentów. Zeolit zmiękczający musi być regenerowany co pewien czas roztworem NaCl. Z kolei zeolit manganowy jest zasilany wodą napowietrzoną. Do wody dawkuje się ponadto nadmanganian potasu i alkalia. Stosunek natężeń przepływów obu strumieni zależy od oczekiwanego stopnia zmiękczania wody.

5. Zarządzanie procesem projektowania zakładów uzdatniania wody (ZUW) 5.1.

Ogólny schemat działania

Współczesne systemy zaopatrzenia w wodę są zbiorem obiektów i podsystemów wraz z relacjami zachodzącymi między nimi oraz między ich właściwościami. Do podstawowych obiektów i podsystemów każdego systemu wodociągowego zaliczamy: — ujęcie lub ujęcia ze źródeł naturalnych, — zakład lub zakłady uzdatniania wody, — urządzenia i obiekty do podnoszenia wody – pompownie, — obiekty do gromadzenia wody – zbiorniki, — sieć wodociągowa, w tym przewody przesyłowe – tranzytowe oraz rozprowadzające – rozdzielcze, — wewnętrzne instalacje wodociągowe, doprowadzające wodę z przewodów rozdzielczych do punktów czerpalnych. Charakterystyka tych systemów obejmuje ich strukturę oraz ilość, wielkość i rodzaj podsystemów, a także obiektów i urządzeń, których dobór jest zawsze uwarunkowany od bardzo wielu czynników między innymi od: możliwości do wykorzystania źródeł

wody, od odległości ujęcia lub ujęć dla miasta, od wielkości miasta i jego charakteru, od ukształtowania terenu, od wymagań co do ilości i jakości dostarczanej wody, od istniejącego stany wiedzy, od posiadanych funduszy inwestycyjnych i eksploatacyjnych. Podstawową właściwością systemów wodociągowych jest niezawodność działania określona jako zdolność do ciągłego dostarczania wody o wymaganej jakości i określonej ilości w danych warunkach eksploatacyjnych. Istnieją wyraźne zależności pomiędzy kosztami inwestycyjnymi i eksploatacyjnymi a niezawodnością działania systemów. Każdy system wodociągowy jest systemem otwartym i dynamicznym, co dodatkowo zwiększa jego złożoność. Systemy wodociągowe są otwarte ponieważ ich działanie wymaga ciągłego zasilania w ujmowaną wodę, w różnego rodzaju materiały (np.: reagenty do uzdatniania), a także w energię oraz w informacje. Otwartość systemu powoduje, iż jest on powiązany ze środowiskiem naturalnym wejściami, do których zaliczamy właściwości, skład i ilość ujmowanej wody, warunki klimatyczne oraz wyjściami określonymi składem i ilością uzdatnionej wody, składem i objętością odprowadzanych popłuczyn i osadów, stratami wody podczas awarii. Dynamiczne właściwości systemów wodociągowych wynikają głównie ze zmian zachodzących w środowisku, a przez to i na wejściu do systemu, (np.: zmiana właściwości i składu ujmowanej wody) oraz ze zmian zapotrzebowania na wodę w mieście (w okresie dobowym, tygodniowym i rocznym). W przebiegu realizacji inwestycji – budowy nowego systemu zaopatrzenia w wodę, lub modernizacji istniejącego, można wyszczególnić następujące sekwencyjnie prowadzone fazy: — programowanie — planowanie, — prace studialno-koncepcyjne i badania laboratoryjne, — badania technologiczne w skali pilotowej, — projektowanie z analizą kosztów,


45

PLANOWANIE

PRACE STUDIALNO-KONCEPCYJNE BADANIA LABORATORYJNE

harmonogramy realizacji inwestycji finansowanie inwestycji

fizyczno-chemiczne, bakteriologiczne, hydrobiologiczne zasady i metody chemii wody, mikrobiologii wody, technologii wody

BADANIA PILOTOWE (weryfikacja koncepcji) zasady i metody technologii wody, sedymentacja, koagulacja, sorpcja, utlenianie, dezynfekcja, odżelazianie, odmagnezowanie, odkwaszanie, stabilność

koncepcje technologii uzdatniania wody — wariant 1 — wariant 2 — wariant 3 ...

zakres prac, struktura realizacji inwestycji, terminy, koszty

odrzucenie źródeł wody ze względów ilościowych i jakościowych

ustalenie technologii uzdatniania wody — wariant 1 — wariant 2 — wariant 3 ...

ANALIZA KOSZTÓW zasady ogólne z ekonomii procesów oczyszczania wody

ocena wariantów uzdatniania wody

DANE DO PROJEKTOWANIA

PROGRAMOWANIE cele, możliwości, koncepcja inwestycji

zarządzanie rozwojem technologii zakładów uzdatniania wody

odrzucenie wariantów z powodu prognoz zmian składu sprzężenie zwrotne (ekonomia uzdatniania) odrzucenie nieekonomicznych wariantów uzdatniania

Rys. 7. Schemat podstawowych wstępnych faz procesu inwestycyjnego systemów zaopatrzenia w wodę, ze szczególnym uwzględnieniem technologii uzdatniania.

— wykonawstwo, — opracowanie instrukcji obsługi, rozruch. Powyższe fazy realizacji inwestycji, przedstawione schematycznie na rys. 1, dzielą ten proces na dwa charakterystyczne etapy: — etap I – przygotowania inwestycji obejmujący 5 pierwszych faz, — etap II – realizacji inwestycji.

nych źródeł wody o wystarczającej wydajności. Koncepcje te w dalszej kolejności są przedmiotem weryfikacji doświadczalnej w skali pilotowej. W końcowej fazie analiza ekonomiczna opracowanych wariantów technologii uzdatniania umożliwia podjęcie decyzji wyboru właściwego wariantu, który będzie przedmiotem projektu technicznego. 5.2.

Budowa nowych wodociągów lub modernizacja istniejących jest na ogół poprzedzona badaniami przedprojektowymi. Dotyczy to w szczególności zakładów uzdatniania wody. Badania przedprojektowe, z natury aplikacyjne, dotyczące wyboru technologii uzdatniania wody obejmują także wybór rodzaju źródła wody i rodzaju ujęcia, co w szczególności dla dużych miast jest na ogół zagadnieniem bardzo złożonym. Powszechnie znana jest zasada, iż lepiej jest ujmować wody mniej zanieczyszczone z dalszej odległości, niż bardziej zanieczyszczone ale położone bliżej miejsca zaopatrzenia. W kompleksowych badaniach przedprojektowych dużych wodociągów koncepcje technologii uzdatniania opracowuje się dla kilku wytypowa-

Planowanie inwestycji

Pierwszym krokiem przy opracowywaniu projektu systemu zaopatrzenia w wodę jest planowanie ogólne, obejmujące następujące zagadnienia: — procesy i urządzenia ZUW, — system przesyłu wody surowej, — ocena sposobów dystrybucji wody uzdatnionej, — ocena podstawowych elementów infrastruktury (kanalizacja, oczyszczalnia ścieków). Liczba, rozmiar i usytuowanie lokalnych zbiorników terenowych zależy od oczekiwanego ciśnienia strefowego na obsługiwanym obszarze. Ponieważ większość wody uzdatnionej trafia po zużyciu do kanalizacji i oczyszczalni ścieków, należy te obiekty również poddać ocenie.

Innymi elementami infrastruktury, ważnymi przy realizacji inwestycji są: — nowe drogi dojazdowe, — dostępność energii elektrycznej, — inne udogodnienia. ZUW są „zakładami produkcyjnymi”, w których stosuje się duże ilości różnych reagentów, w tym niebezpiecznych, takich jak chlor gazowy, ozon, dwutlenek chloru, wodorotlenek sodu i inne, a ponadto powstają produkty uboczne – osady, popłuczyny. Należy rozważyć zatem, czy nie wystąpi konieczność dostosowania odpowiednich stref ochronnych lub procedur postępowania. Ogólny plan zagospodarowania terenu powinien obejmować ocenę wpływu i powiązania z istniejącym systemem zaopatrzenia w wodę i systemem oczyszczania ścieków. Niekiedy kwestie wodno-prawne i dotyczące składowania osadów są trudne do rozwiązania, zwłaszcza gdy rozciągają się na sąsiadujące gminy. Na wczesnych etapach programowania inwestycji należy ocenić potencjalne źródła wody surowej, ich jakość i bezpieczną wydajność. Woda może pochodzić z rzek, jezior, zbiorników lub pokła-


46

nauka i technika

dów wód podziemnych. W ogólnej ocenie wody podziemne są cenniejszym źródłem ze względu na lepszą jakość, niższe koszty uzdatniania i na ogół mniejszą masę powstających osadów. Wydajność tych ujęć jest jednak ograniczona. Plany zagospodarowania powinny obejmować ocenę możliwości zanieczyszczenia wód gruntowych, osiadania gruntów i przenikania wód morskich w miejscowościach nadmorskich na skutek intensywnego poboru wód podziemnych. Zanieczyszczanie wód podziemnych może być powodowane ściekami bytowymi, z produkcji zwierzęcej i z przemysłu, z działalności rolniczej lub warunkami geologicznymi. Ostatnio dużo uwagi poświęca się zawartości radonu w wodach podziemnych z uwagi na jego działanie kancerogenne. Ponadto plan zagospodarowania musi obejmować następujące zagadnienia: — propozycję ochrony zasobów wodnych, — ocenę warunków terenowych, łącznie z topografią, geologią i historią powodzi, — dostępność terenu, sposób zagospodarowania terenu, — wstępne rozpoznanie archeologiczne i wstępną ocenę wpływu na środowisko. Jednym z najtrudniejszych zadań planowania jest określenie zapotrzebowania na wodę w przyszłości. Jakkolwiek istnieją podstawowe metody i równania matematyczne, to wartości parametrów tych równań charakteryzujące dane miasto, region (zmiana warunków socjoekonomicznych, zmiany klimatyczne) oraz inne czynniki ogólne mogą wykazywać fluktuacje niemożliwe do przewidzenia w dłuższej perspektywie (rzędu 10-15 lat). Niestety, parametry i czynniki te są bardzo trudne do oszacowania, co pokazuje wiele przykładów z naszego kraju i całego świata. W rezultacie, planowanie zapotrzebowania na wodę obejmujące okres rzędu 30-50 lat jest bardzo niedokładne i nie posiada żadnej praktycznej wartości.

Współczesne modernizacje eksploatowanych systemów zaopatrzenia w wodę jak i nowe inwestycje tych systemów muszą spełniać coraz bardziej rygorystyczne standardy dotyczące jakości wody do picia, co prowadzi w konsekwencji do zastosowania bardziej efektywnych procesów uzdatniania jak chemiczne utlenianie czy „filtracja biologiczna” lub nowych technologii uzdatniania jak filtracja membranowa. W przeszłości ogólne plany rozwoju, mające na celu głównie wzrost wydajności systemu, przedstawiały przyszłą rozbudowę ZUW jedynie jako dobudowanie dodatkowych, równoległych modułów opartych na tych samych klasycznych procesach uzdatniania. Takie podejście obecnie nie może być polecane ponieważ dokonywane zmiany mają na celu wzrost poziomu jakości wody do picia, co oznacza wprowadzanie nowych procesów i technologii i wiąże się z rozbudową systemów uzdatniania w kierunku szeregowym, co może wymagać innej (większej lub mniejszej) ilości miejsca. Z tego powodu szacowanie wymaganego terenu dla planowanych ZUW i wybór procesów technologicznych do zastosowania w przyszłości stało się o wiele trudniejsze. Bezpiecznie jest więc zarezerwować dodatkowy teren wyłącznie na potrzeby przyszłej rozbudowy ZUW w ogólnym planie zagospodarowania. W tym kontekście nie można nie doceniać ważności prac programowych i studialnych prowadzonych w ramach planu ogólnego. Dostarcza on wstępnych – szacunkowych informacji do ogólnego budżetu, czasu trwania inwestycji i harmonogramu planowania. Zasadniczą częścią realizowanych prac przedprojektowych, stanowiącą punkt wyjścia do wszystkich projektów rozwoju systemów zaopatrzenia w wodę (gminy, miasta, regionu) jest tzw. studium wykonalności inwestycji obejmujące najczęściej następujący zakres problemów: — horyzont czasowy planowania, — obszar zaopatrzenia w wodę, — prognozowana liczba ludności,

— dobowe zapotrzebowanie na wodę przez 1 mieszkańca, — wybór źródła wody – ujęcie wody, — wielkość i lokalizacja ZUW, — finansowanie inwestycji. Okres rzędu 10-20 lat uważany jest za najbardziej rozsądny horyzont czasowy dla planowania nowych lub rozwoju eksploatowanych systemów zaopatrzenia w wodę, włączając w to wydajność zakładów uzdatniania wody. Należy zauważyć, że wszystkie regiony naszego kraju zużywają znacznie mniej wody w stosunku do wartości prognozowanych w latach 80. Dotyczy to również Europy i w mniejszym stopniu USA. Niemniej mimo trudności studiów prognostycznych, okres ok. 15 lat jest uważany za właściwy do planowania inwestycji przeznaczonych do bezpośredniej realizacji (projektowanie i budowa). Przy określaniu obszarów, które mają być obsługiwane przez system zaopatrzenia w wodę, należy ograniczyć się głównie do obszarów mających otrzymać wodę w czasie objętym projektowaniem. Jednakże, tereny przyległe i potencjalna możliwość ich połączenia z obszarem objętym projektem powinny być brane pod uwagę w ogólnych rozważaniach projektowych. Prognozowanie liczby ludności obszarów objętych zaopatrzeniem w wodę prowadzi się za pomocą znanych metod prognozowania uwzględniając w tym strukturę demograficzną obszaru oraz interakcje między jego sferą ekonomiczną, społeczno-demograficzną oraz polityczno-instytucjonalną. Jednym z podstawowych zadań studium wykonalności jest ocena maksymalnego dobowego zapotrzebowania wody na 1 mieszkańca. Dla nowego systemu ocena taka jest sporządzana na podstawie danych pochodzących z innych miejscowości o podobnym charakterze. W przypadku rozbudowy ZUW najlepszą ocenę można sporządzić na podstawie zaobserwowanych trendów. Maksymalne dobowe zapo-


zarządzanie rozwojem technologii zakładów uzdatniania wody

trzebowanie wody na mieszkańca jest podstawą do ustalenia wydajności ZUW. W Polsce na początku lat 2000 średniodobowe zapotrzebowanie na wodę wynosi 130-160 L/M·d, a maksymalne jest większe o około 150-200%. W Europie wartości te wynoszą 130 – 200 L/M·d, oraz ok. 150%. W USA w regionach przemysłowych średniodobowe zużycie wody wynosi 680 L/M·d i waha się od 570 do 795. Maksymalne dobowe zużycie stanowi zwykle 150% tej wartości. Źródłem wody może być rzeka, jezioro, zbiornik retencyjny, woda gruntowa. Na ocenę i wybór wpływają: — zapotrzebowanie na wodę, — jakość wody ujmowanej, — względy klimatyczne, — potencjalne trudności przy budowie ujęcia, — bezpieczeństwo obsługi, — minimalizacja kosztów eksploatacyjnych, — możliwe przyszłe zanieczyszczenie źródła, — łatwość rozbudowy ujęcia. Woda podziemna i infiltracyjna jest uważana za najbardziej bezpieczną i pozwala na znaczne ograniczenie kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych, zwłaszcza w przypadku mniejszych ZUW. Jakość tych wód jest nieporównywalnie lepsza od wód powierzchniowych i z tego powodu powstaje mniej osadów a efektywność technologii uzdatniania nie wykazuje wahań sezonowych. Wielkość ZUW uzależniona jest od maksymalnego dobowego zapotrzebowania na wodę w rozpatrywanym obszarze. Przy planowaniu wielkości ZUW i wyborze jego lokalizacji należy wziąć również pod uwagę tereny, które prawdopodobnie będą obsługiwane przez ten zakład w przyszłości. Dodatkowymi czynnikami wpływającymi na wielkość ZUW są niezawodność dostaw wody oraz analiza opłacalności budowy jednego dużego ZUW lub dwóch albo nawet trzech małych lub średnich, zlokalizowanych w różnych miejscach obsługiwanego obszaru i zlokalizowanych na różnych wysokościach.

Wyboru miejsca na lokalizację ZUW dokonuje się przede wszystkim w oparciu o: — odległość od ujęcia, — układu procesów jednostkowych, — wpływu ZUW na środowisko naturalne, — sposobu rozprowadzania wody (grawitacyjnie czy pompowo). W badaniach szczegółowych, analizach i pracach studialnych należy rozważyć również następujące aspekty: — dane z badań geologicznych, — dostępność energii elektrycznej i innych potrzebnych mediów, — dostęp do głównych dróg, — dane na temat występowania na danym terenie powodzi, — koszty budowy, — koszty eksploatacyjne, — możliwość przyszłej rozbudowy, — ocena wpływu na środowisko, łącznie z badaniami archeologicznymi. Rozważania wstępne odnośnie finansowania inwestycji muszą zawierać również propozycję różnych źródeł finansowania projektu. Finansowanie inwestycji rozwoju systemów zaopatrzenia w wodę może być realizowane z wykorzystaniem różnych źródeł pozyskiwania środków. Podstawowe źródła to: — środki własne inwestora przewidziane w budżecie na planowaną inwestycję, — środki przeznaczone na ten cel z budżetu gminy, — środki budżetowe z KBN na dofinansowanie projektów celowych, — środki pomocowe UE dofinansowujące inwestycje pozyskiwane za pośrednictwem urzędu marszałka i wojewody, — dotacje z budżetu centralnego, przyznawane sporadycznie w wyjątkowych okolicznościach (np. powódź), — fundusze ekologiczne otrzymywane z Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej, otrzymywane jako niskooprocentowane pożyczki, które mogą być częściowo umorzone,

47

— kredyty preferencyjne udzielane głównie przez BOŚ na finansowanie działalności m.in. w zakresie ochrony środowiska i gospodarki wodnej, — środki pochodzące z ekokonwersji polskiego zadłużenia, uzyskiwane z fundacji EKOFUNDUSZU, która dofinansowuje projekty inwestycyjne, — środki pozyskiwane z emisji obligacji, mające charakter pożyczki, — fundusze prywatne. Pierwszym krokiem przy zdobywaniu finansowania jest oszacowanie wysokości kosztów budowy określonych przez zespół złożony z inżynierów, ekonomistów i prawników. 5.3.

Badania doświadczalne przedprojektowe

5.3.1. Zasady ogólne Prace przedprojektowe powinny obejmować także badania w skali laboratoryjnej i pilotowej [8,19]. Pozwalają one uzyskać wartościowe dane do projektowania jak również pozwalają na optymalizację oraz weryfikację proponowanego rozwiązania technologicznego. Badania w skali laboratoryjnej można prowadzić w krótkim czasie i przy ograniczonym budżecie. Badania pilotowe wymagają przynajmniej 6-12 miesięcy by uzyskać znaczące i wiarygodne wyniki. W rezultacie badania te są bardziej kosztowne. Wybór skali eksperymentu oraz projekt instalacji doświadczalnej są przedmiotem wstępnych decyzji i analiz stanowiących istotną część programowania i planowania inwestycji rozwoju systemu zaopatrzenia w wodę. Decyzje dotyczące wyboru skali eksperymentu podejmowane są głównie w oparciu o cel i przedmiot badań w tym charakterystykę badanego zjawiska, procesu, systemu czy urządzenia. Procesy i systemy uzdatniania wody klasyfikują się do systemów otwartych będących pod istotnym wpływem otoczenia a w szczególności klimatycznych i antropogenicznych zmian właściwości


48

nauka i technika

i składu wody. Prognozowanie zmian składu wody ma podstawowe znaczenie dla projektowania i eksploatacji współczesnych zakładów wodociągowych i na ogół wchodzi w zakres badań w skali pilotowej. Pod pojęciem badań prowadzonych w skali laboratoryjnej w zakresie ustalania technologii uzdatniania wody rozumiemy na ogół: — badania zjawisk i procesów jako układów odosobnionych względem otoczenia co oznacza, że badana woda posiada skład i właściwości stałe lub zmienne w zakresie planowanym przez eksperyment, — badania w układzie statycznym lub dynamicznym na bardzo małych próbkach wody (objętość 1,0-10,0 L lub wydajności 1,0-10,0 L/h) w warunkach fenomenologicznych czyli bez głębszego wnikania w istotę cząsteczkową domieszek wody oraz bezgradientowych, co oznacza wyeliminowanie wpływu zjawisk dyfuzji zewnętrznej. Badania takie prowadzi się na ogół w aparaturze wykonanej z typowego szkła laboratoryjnego, wyposażonej we wszystkie potrzebne przyrządy kontrolno-pomiarowe stosując „ręczną regulację” procesów. Celem badań są na ogół reakcje chemiczne, biochemiczne, fizykochemiczne, ich parametry, szybkość procesów, wydajność, produkty końcowe, pośrednie, uboczne... Istotna jest analityczna i biologiczna kontrola badanych procesów. Wyniki tych badań wskazują na ogół małą zmienność przez co ich interpretacja nie wymaga stosowania złożonych metod statystycznych. W doświadczeniach laboratoryjnych warunki przebiegu badanych procesów i zjawisk na ogół odbiegają od warunków środowiskowych (zmienność składu i właściwości wody), dlatego otrzymane wyniki często stanowią punkt wyjścia do dalszych badań prowadzonych w skali pilotowej. Badania w skali pilotowej są kosztowne przez to stosuje się je wówczas gdy niezbędnych informa-

cji nie udaje się uzyskać w inny sposób. Za badaniami w skali pilotowej przemawiają na ogół następujące cele: — całkowita nowość procesów, technologii, urządzeń i obiektów technologicznych, — ocena przydatności wysokoefektywnych i mało jeszcze poznanych procesów, technologii i urządzeń do zdecydowanie różnych warunków eksploatacyjnych, jak np.: inna strefa klimatyczna, inny rodzaj wody, — intensyfikacja lub optymalizacja efektów eksploatowanych urządzeń i obiektów technologicznych wynikająca z pogorszenia jakości wody lub zmiany wymagań stawianych wodzie do picia. Pierwszy cel klasyfikuje badania do poznawczych, rozszerzających stan wiedzy technologicznej, drugi i trzeci cel to badania rozwojowe. W badaniach pierwszego i drugiego celu instalacja pilotowa jest modelem jeszcze nie istniejącego zakładu uzdatniania wody, natomiast w badaniach trzeciego celu instalacja pilotowa stanowi odwzorowanie zakładu istniejącego i daje możliwość równoległego prowadzenia badań w stosunku do zadań eksploatacyjnych zakładu istniejącego. Inne bardziej użyteczne cele akceptujące w praktyce inżynierskiej realizację badań pilotowych to: — badania wpływu zmian składu fizykochemicznego, hydrobiologicznego i bakteriologicznego wody na parametry procesowe urządzeń i obiektów technologicznych oraz uzyskiwane efekty; — optymalizacja istniejących w szczególności dużych systemów uzdatniania wody na drodze poszukiwania obszaru optymalnych wartości parametrów procesowych, systemowych oraz prac modernizacyjnych istniejących urządzeń i obiektów z ograniczeniem zakresu inwestycji do niezbędnego minimum; — konieczność sprawdzania w warunkach eksploatacyjnych nowych materiałów i tworzyw

konstrukcyjnych, prototypowej armatury, aparatury kontrolnopomiarowej, zmian w konstrukcji i kształcie obiektów technologicznych... Powyższe cele badawcze są podejmowane zarówno w ramach prac przedprojektowych budowy nowych systemów jak również w zakresie prac modernizacyjnych systemów eksploatowanych. Badania w skali pilotowej prowadzone są w terenie na wodzie naturalnej, na instalacji wykonanej z materiałów proponowanych do zastosowania w skali technicznej. Sposób rozwiązania konstrukcji i hydrauliki urządzeń instalacji pilotowej umożliwia jej eksploatację w bardzo szerokim zakresie parametrów procesowych, dostosowanych do realizacji badań metodą eksperymentu czynnego. Również wyposażenie w aparaturę kontrolno-pomiarową jest na ogół szersze niż instalacji i obiektów w skali technicznej. Samo rozwiązanie instalacji pilotowej może być w większym lub mniejszym stopniu zautomatyzowane w oparciu o technikę mikrokomputerową i zaawansowaną informatykę stosowaną. Podstawowe funkcje technologiczne i badawcze instalacji pilotowych mogą być realizowane metodami tradycyjnymi – manualnymi. Bardziej zaawansowane rozwiązania instalacji pilotowych obejmują automatyzację procesu zbierania danych z pracy instalacji i monitorowania głównych wielkości procesów. Prowadzi to do znacznego uproszczenia zbierania danych, ich archiwizacji jak również umożliwia szybkie przetwarzanie informacji o eksploatacji instalacji i wyników badań. W najbardziej zaawansowanych rozwiązaniach instalacji pilotowych zakłada się pełną automatyzację procesów technologicznych jak i realizacji programu badań. Wymaga to wyposażenia poszczególnych stacji technologicznych instalacji pilotowej w automatyczne urządzenia sterujące w postaci sterowników mikroprocesowych, co pozwala na pełną automatyzację pracy poszczególnych urządzeń instalacji.


zarządzanie rozwojem technologii zakładów uzdatniania wody

Z drugiej strony połączenie sterowników w sieć lokalną zintegrowaną komputerem nadrzędnej klasy dobrego komputera osobistego (PC) pozwala na efektywną implementację algorytmów optymalnego sterowania procesami technologicznymi, wraz z wyborem konfiguracji instalacji pilotowej. Jednak zasadniczym problemem metodycznym projektu każdej instalacji pilotowej jest określenie wielkości i wydajności jej urządzeń w stosunku do wielkości i wydajności urządzeń w skali technicznej. Podstawowym kryterium określającym wielkość i wydajność urządzeń instalacji pilotowej jest spełnienie warunku bezpośredniego przenoszenia wyników (parametry, efekty) ze skali pilotowej na skalę techniczną bez wystąpienia efektu skalowego. Dla niektórych złożonych procesów uzdatniania wody zachodzących w układach dwufazowych, uzyskanie tego podobieństwa jest możliwe jedynie wówczas gdy wielkość i geometria urządzeń jest taka sama w skali pilotowej jak w technicznej. Klasycznym przykładem takich procesów jest proces koagulacji prowadzonej w osadnikach z zawieszonym osadem. Przy obecnym stanie wiedzy zadania poprawnego projektowania tych urządzeń rozwiązuje się doświadczalnie, przy częściowej znajomości mechanizmu procesów. Wzrastają w tym przypadku zadania stawiane technice eksperymentu. Pojawia się konieczność budowy urządzeń pilotujących przystosowanych do eksperymentu czynnego. W pierwszym przybliżeniu badania klarowania wody w osadnikach z zawieszonym osadem można realizować według metody modelowania cząstkowego. Metoda ta polega na analizie technologii na procesy jednostkowe oraz oddzielnym modelowaniu i badaniu każdego procesu. Podstawową trudnością tej metody jest wykonanie syntezy wyników doświadczeń, mającej na celu ocenę pracy urządzeń z uwagi na to, że niezaburzona superpozycja procesów jest w tym przypadku zbyt dużym przybliżeniem. Również trudną do zastosowania jest metoda modelo-

wania przybliżonego umożliwiająca pominięcie niektórych kryteriów podobieństwa. Postępowanie takie należy każdorazowo uzasadnić podając wielkość powstającego błędu, co jednak utrudnia brak znajomości wszystkich adekwatnych kryteriów podobieństwa określających modelowanie zupełne. Dzieje się tak dlatego, ponieważ charakter powiązań kinetyki flokulacji, adsorpcji i desorpcji z transportem pędu i masy zawieszonego osadu jest bardzo trudny do matematycznego opisania nawet przy zastosowaniu liczb kryterialnych. Trudności te wynikają głównie z: — braku dostatecznie dokładnej teorii zjawisk hydromechanicznych, która nie uwzględnia wszystkich czynników wpływających na efekty i kinetykę flokulacji oraz na wielkość powierzchni właściwej kłaczków osadu, — niskiej energii aktywacji procesu adsorpcji fizycznej i niewielkiej wytrzymałości struktury kłaczków w wyniku czego równowaga sorpcyjna między zmieniającą się w czasie powierzchnią kłaczków, a roztworem wodnym ma charakter odwracalny. Z tych względów w osadnikach tych zmieniają się zarówno wymiary kłaczków oraz ich kształt i aktywność powierzchniowa, które poza czynnikami hydromechanicznymi określają zasady pełnego podobieństwa tych komór. Równoczesne spełnienie wymagań podobieństwa hydromechanicznego i chemicznego jest możliwe jedynie w przypadku rozciągnięcia podobieństwa geometrycznego na kłaczki osadu i modelowania ich aktywności powierzchniowej. Wówczas aktywność powierzchniowa kłaczków w modelu powinna być większa niż w urządzeniu technicznym o liczbę razy określoną liniowym współczynnikiem skali co jest praktycznie niemożliwe. Z tych względów na obecnym etapie prac niemożliwe jest zatem opracowanie modelu osadnika przy zachowaniu pełnego podobieństwa tych zjawisk. Eksperyment czynny w skali pilotowej można prowadzić jedynie na modelu odwzorowującym

49

wybrany element osadnika, przy zastosowaniu zasad modelowania przybliżonego. Celem takich badań jest najczęściej ustalenie wpływu pojedynczego czynnika, lub kilku czynników na przebieg jednostkowego procesu. Podstawowe znaczenie poznawcze mają badania na modelach w skali naturalnej o uproszczonej i przez to tańszej konstrukcji, ale umożliwiającej odtworzenie wszystkich podstawowych cech badanego osadnika z zawieszonym osadem. 5.3.2. Zasady szczegółowe i uwagi praktyczne Zagadnienia będące najczęściej przedmiotem badań w skali laboratoryjnej to: — optymalizacja chemicznej koagulacji, łącznie z korektą odczynu, — kolejność dawkowania reagentów — sprawdzenie warunków mieszania w procesie flokulacji, — oszacowanie obciążenia hydraulicznego powierzchni w procesie sedymentacji poprzez pomiar szybkości opadania cząstek, — całkowity poziom trihalometanów potencjalnie produkowanych w wodzie, — kontrola związków powodujących smak i zapach powstających w wyniku stosowania utleniaczy lub węgla aktywnego. „Test naczyniowy” (jar test Phippsa-Birda) jest podstawowym instrumentem stosowanym w tego typu badaniach. Trwają one minimum 200-350 godzin, włączając w to opracowanie wyników i sporządzenie raportu. Badania optymalizacyjne procesu koagulacji obejmują zarówno wybór najefektywniejszego koagulantu, odpowiedniej dawki i odczynu zapewniających dobrą jakość wody po sedymentacji zawiesin oraz najlepsze warunki dla procesu filtracji. Podczas interpretacji wyników należy pamiętać, że tradycyjne procesy uzdatniania wody składają się z wielu procesów jednostkowych jak: koagulacja, flokulacja, sedymentacja i filtracja, które muszą być wzajemnie zintegro-


50

nauka i technika

wane w sposób prowadzący do intensyfikacji całkowitych efektów, co jest niezbędnym warunkiem dla uzyskania dobrej jakości wody uzdatnionej. Zaleca się, by efektywność koagulantów, takich jak sole glinu i żelaza oraz polimery kationowe oceniać zarówno oddzielnie jak i w kombinacji glinu i polimerów. Optymalizacja dawki flokulantów powinna wskazać najefektywniejszy polimer lub dodatek (np. glinka bentonitowa), najlepszą dawkę i właściwą kolejność dawkowania koagulantów i flokulantów. Najbardziej efektywnymi flokulantami są zwykle polimery anionowe lub niejonowe ponieważ powodują one wzrost zarówno wielkości kłaczka jak i prędkości opadania. Bardzo ważny jest moment dodania polimeru. Powinien być dodany po rozpoczęciu procesu flokulacji, co przejawia się uformowaniem kłaczków o wielkości powyżej 0,3 mm, zwykle następuje to po ok. 5 minutach od rozpoczęcia procesu flokulacji koagulantów hydrolizujących np. solami glinu. Kolejność dawkowania chemikaliów jest niezwykle istotna także w przypadku innych kombinacji reagentów stosowanych w uzdatnianiu wody, np. wapno i siarczan glinu, chlor i polimery, chlor i pylisty węgiel aktywny, itp. Warunki mieszania dla procesu flokulacji można optymalizować w oparciu o test naczyniowy, a dane uzyskane w ten sposób są bardzo pomocne we wstępnych pracach projektowych. Test naczyniowy pozwala inżynierom na określenie optymalnego poziomu energii mieszania (wartość G), czasu mieszania i zmian dostarczanej w czasie mieszania energii. Choć większość ZUW o tradycyjnych technologiach stosuje mieszanie o średniej wartości G ok. 35S-1 i czasie mieszania równym 30 min., to powinno się również przebadać eksperymentalnie szeroki zakres wartości parametrów mieszania przy optymalnym dawkowaniu koagulantów i flokulantów w celu maksymalizacji efektów. Zmienne – malejące mieszanie czyli początkowe mieszanie o wysokiej intensywności na początku flokulacji, przechodzące

stopniowo w coraz wolniejsze, pomaga w powstawaniu kłaczków o dużej masie i powinno być również przedmiotem badań. Cztery główne parametry znacząco wpływające na proces optymalizacji mieszania to: — temperatura wody, — jakość wody surowej, — rodzaj koagulantu, — dawka. Dlatego badania w skali laboratoryjnej powinny być prowadzone zimą, latem i jesienią lub wiosną dla lepszego zrozumienia konieczności dostosowania dawek reagentów do zmieniającej się jakości wody ujmowanej i w celu określenia sezonowej zmiany ilości produkowanych osadów. Do celów badań laboratoryjnych należy określenie prędkości opadania kłaczków i powinna ona być określona w warunkach optymalnej dawki i optymalnego mieszania. Badania powinny być prowadzone zarówno w okresie letnim jak i zimowym. Określenie zależności prędkości opadania kłaczków na podstawie testu naczyniowego jest względnie proste. Mętność jest badana w próbce wody sklarowanej, pobranej około 10 cm poniżej powierzchni wody z dwulitrowego naczynia po czasie 1, 2, 4, 8 i 16 minutach od momentu rozpoczęcia testu naczyniowego. Próbki pobrane w tych momentach odpowiadają prędkościom sedymentacji 10; 5; 2,5; 1,25 i 0,625 cm/min. Nie jest dopuszczalne prowadzenie badań metoda testu naczyniowego na wodzie o mętności sztucznie wytworzonej lub na wodzie pobranej 1-2 dni wcześniej, gdyż wówczas wyniki badań nie są wiarygodne. Coraz powszechniejsze stosowanie w praktycznych rozwiązaniach wysokoefektywnych i mało rozpoznanych procesów uzdatniania jak i zupełnie nowych technologii nie stosowanych dotychczas na wodociągach komunalnych (np. procesy membranowe) stało się przyczyną realizacji badań w skali pilotowej. Choć badania pilotowe mogą zaowocować potencjalnymi znacznymi

oszczędnościami w budowie i eksploatacji to koszt tych badań jest raczej wysoki. Rzetelne badania pilotowe prowadzone w warunkach amerykańskich zazwyczaj kosztują w granicach 100 000 do 1 000 000 dolarów. Z tego względu jeśli mamy uzyskać wiarygodne wyniki z tych badań to należy dobrać aparaturę najbardziej odpowiednią do danego zadania i najlepszej jakości. Co więcej, badania musi prowadzić i nadzorować wysoko wykwalifikowany personel, przez okres co najmniej 6 do 12 miesięcy [19,23,24]. Można wtedy się spodziewać, że dobre badania pilotowe mogą przynieść oszczędności rzędu milionów dolarów na etapie budowy oraz znaczącą obniżkę kosztów eksploatacji wybudowanego obiektu poprzez zastosowanie prostych, lecz wysokoefektywnych procesów jednostkowych z niewielkim zapotrzebowaniem powierzchni terenu. Badania pilotowe pomagają osiągnąć następujące cele: — uzyskanie pozwoleń wydawanych przez odpowiednie organy administracyjne, konieczne przy stosowaniu procesów niekonwencjonalnych; — ocenę efektywności i przydatności nowych procesów technologicznych; — porównanie efektywności różnych procesów; — opracowanie wytycznych projektowych i wskaźników kosztów eksploatacji; — poprawę istniejących procesów; — przebadanie możliwych przyczyn wystąpienia problemów; — potwierdzenie skuteczności zaproponowanej technologii uzdatniania; — odkrycie ewentualnych, nieprzewidzianych problemów związanych z zastosowaniem danej technologii. Choć badania pilotowe są bardzo wartościowym narzędziem do opracowania wytycznych projektowych i ustalenia parametrów eksploatacyjnych to mają one następujące ograniczenia [8,19]:


zarządzanie rozwojem technologii zakładów uzdatniania wody

— trudności w przeprowadzeniu badań wpływu zmian jakości wody surowej w okresie całego roku, — różnice w warunkach prowadzenia procesu, w tym m.in. różnice w znajomości zachodzących procesów przez wysokokwalifikowany personel stacji pilotowej oraz operatorów obiektów w skali technicznej, — problemy wynikające z przeniesienia skali. Badania pilotowe można zakwalifikować do dwóch podstawowych kategorii – badania charakterystyk hydraulicznych oraz badania efektywności procesów jednostkowych. Te pierwsze określają głównie charakterystyki wydajności źródeł wody surowej, charakterystyki przepływów w osadnikach. Drugie obejmują badania pilotowe dotyczące korozyjności, procesu filtracji tradycyjnej i membranowej, flokulacji, flotacji sprężonym powietrzem, adsorpcji na granulowanym węglu aktywnym, ozonowania. Do istotnych decyzji realizacji badań pilotowych należy określenie zakresu wartości zmiennych procesowych, które należy przebadać. Również niezwykle istotne jest trafne wybranie odpowiedniej struktury technologicznej z uwzględnieniem procesów: flokulacji, sedymentacji, flotacji, ozonowania przed procesem filtracji celem uzyskania maksymalnych efektów uzdatniania i minimalnych kosztów systemu uzdatniania wody. Z praktycznego punktu widzenia niemożliwe jest zbadanie wszystkich parametrów procesowych z uwagi na ograniczenia kosztów i czasu prowadzenia badań. Dlatego konieczne jest ograniczenie liczby tych zmiennych i wybranie tylko najbardziej istotnych dla opracowania planowanej inwestycji. Podstawowe badania pilotowe obejmują koagulację, flokulację, sedymentację, filtrację, chemiczne utlenianie, adsorpcję, biologiczną filtrację i końcową dezynfekcję. Badania powinny najpierw zoptymalizować dawkę koagulantu i innych wymaga-

nych reagentów pod kątem uzyskania najlepszego efektu filtracji dla wybranego układu filtrów. Zmienne fizyczne procesu wstępnego, takie jak intensywność mieszania, czas przetrzymania, obciążenie hydrauliczne powinny być wyznaczone przy zastosowaniu ustalonej optymalnej dawki koagulantu. Optymalna dawka wyznaczana jest w teście naczyniowym. Uzyskanie dokładnej informacji odnośnie jakości wody po sedymentacji w osadnikach poziomych z instalacji pilotowych jest praktycznie bardzo trudne, ponieważ wymaga zastosowania osadników pilotowych o wymiarach równych technicznym, co jest niemożliwe. Filtry pilotowe, włączając w to także proces adsorpcji na granulowanym węglu aktywnym pozwalają na uzyskanie wiarygodnych wyników i są stosunkowo łatwe do monitorowania. Wydajność filtru może być efektywnie oceniana nawet przy użyciu kolumn o małej średnicy (5-10cm). Jeśli jednak przedmiotem badań jest płukanie, niezbędne są większe kolumny, by uniknąć efektu przyściennego. Regułą jest używanie do badań kolumn o średnicy 1000 razy większej od średniej średnicy ziaren materiału filtracyjnego, np. jeśli średnia średnica ziaren piasku filtracyjnego wynosi 0,8mm to kolumna do badań powinna mieć 80cm średnicy. W przypadku badań procesu filtracji średnica kolumn filtracyjnych powinna być 100 razy większa od efektywnej średnicy materiału filtracyjnego. Badania pilotowe procesu filtracji powinny obejmować następujące zagadnienia: — optymalizacja pracy złoża filtracyjnego, w tym prędkości filtracji, — ustalenie warunków płukania, — kontrola poziomu mętności na początku i końcu cyklu filtracyjnego (przebicia mętności). W niektórych przypadkach porównanie filtracji przy stałej i malejącej prędkości może zostać włączone jako jeden z celów badań. Aby osiągnąć te cele, niezbędne są jako absolutne minimum 3 kolumny filtracyj-

51

ne, zaleca się jednak badania na 5-6 kolumnach, z czego jedna jest kolumną kontrolną. Optymalizacja materiału filtracyjnego obejmuje ocenę różnych parametrów i czynników takich jak: rodzaju materiału filtracyjnego, wielkości ziaren, wysokości warstwy filtracyjnej, porównanie efektywności złóż jednorodnych i wielowarstwowych. Jednym z najpopularniejszych złóż filtracyjnych w drugiej połowie XX wieku są złoża dwuwarstwowe o głębokości 0,75-1,25 m. Złoże zbudowane jest z antracytu oraz kwarcu. To złoże powinno być użyte jako kontrolne dla porównania z wydajnością innych typów złoża. W czasie badań pilotowych zaleca się używanie stałej prędkości filtracji w zakresie 7,5-15 m/h. Prędkość 15 m/h jest często stosowana przy filtracji pospiesznej przez złoża dwuwarstwowe. Jak wspomniano wcześniej badania pilotowe osadników poziomych posiadają istotne ograniczenia. Jeżeli celem badań jest ustalenie charakterystyki hydraulicznej osadnika to należy zastosować model w skali odpowiadającej prawu podobieństwa Froude’a. Jeżeli celem jest określenie efektywności usuwania mętności w osadniku to bardzo trudne jest znalezienie odpowiedniej skali dla modelu, głównie z powodu trudności z uzyskania podobieństwa charakterystyki sedymentacyjnej kłaczków w skali pilotowej i technicznej nawet w przypadku dobrze opracowanej charakterystyki hydraulicznej osadnika. W rezultacie tradycyjne parametry projektowe, takie jak obciążenie hydrauliczne powierzchni i czas przetrzymania wykorzystuje się do określenia wielkości osadnika pilotowego dla najmniejszego z możliwych do zastosowania przepływów. Osadniki pilotowe, których wymiary wynikają z zastosowania parametrów obiektów technicznych mają na ogół zniekształcone proporcje, np. są głębokie i krótkie. Ponadto, odpływ z tych osadników jest niezadowalającej jakości a warunki zatrzymywania osadów nie odpowiadają zwykle warunkom panującym w obiektach w skali technicznej. Sposobem na


52

nauka i technika

podniesienie jakości odpływu z osadników pilotowych jest poprawa zdolności sedymentacyjnych kłaczków poprzez zastosowanie odpowiednich polimerów, a także poprzez instalację pakietów wielostrumieniowych. Wprowadzenie pakietów wielostrumieniowych umożliwia uzyskanie obciążenia hydraulicznego powierzchni równego od 2,5 do 5 m3/m2h. W oparciu o dane uzyskane z szeregu pilotowych osadników z zawieszonym osadem można stwierdzić, że obciążenie hydrauliczne urządzeń pilotowych można wykorzystać z pewnym przybliżeniem do modelowania pracy technicznych osadników z zawieszonym osadem i wkładów wielostrumieniowych. Zależność pomiędzy pionową prędkością przepływu wody i prędkością opadania kłaczków jest podstawową zależnością dla modelowania obu typów wymienionych urządzeń. Zachowanie tej zależności pozwala na prowadzenie badań pilotowych z dobrym skutkiem, przy braku krótkich spięć wewnątrz osadnika. Nawet dla bardzo dużych zakładów uzdatniania wody badania hydrauliczne przeprowadzane są stosunkowo rzadko, ponieważ modele te poszczególnych urządzeń trzeba konstruować indywidualnie dla każdego projektu. W takim przypadku koszt badań jest zawsze wysoki. Badania na modelach hydraulicznych stwarzają jedynak niepowtarzalną okazję wyznaczenia charakterystyk osadników, a także wyboru odpowiednich rozwiązań wlotów i odpływów. Jedynie nieliczne uczelnie i instytuty badawcze prowadzą takie badania w celach naukowych i na potrzeby bardzo dużych projektów. 5.4.

Prace studialne i projektowe ZUW – doświadczenia zachodnie

5.4.1. Prace studialne Zakres i tematyka prac studialnych realizowanych przez duże amerykańskie wodociągi komunalne, jeszcze przed ogłoszeniem przetargu,

najczęściej obejmuje następujące zagadnienia: — jakość i podatność na uzdatnianie wody ujmowanej, — wymagania odnośnie jakości wody uzdatnionej, — dodatkowe wymagania, — założenia projektowe – warunki i kryteria, — ograniczenia dotyczące projektu ZUW, — zalecana technologia wraz z oprzyrządowaniem, kontrolą procesów i zagospodarowaniem osadów, — alternatywne procesy uzdatniania, — wstępne założenia projektowe dla procesów jednostkowych, łącznie z dawkowaniem reagentów chemicznych, — profil hydrauliczny ZUW, — prace geotechniczne, — opracowanie oceny wpływu na środowisko dla nowego zakładu, — wstępne oszacowanie kosztów, — rozmieszczenie obiektów i projekt architektoniczny ZUW, — plan zarządzania fazą projektową. Prace studialne kończą się wnioskami zawierającymi dokładne zalecenia odnośnie układu technologicznego, wielkości obciążenia hydraulicznego dla każdego procesu, wszystkie najistotniejsze elementy wyposażenia. Na tym etapie projektu prowadzone są dyskusje z odpowiednimi agencjami decyzyjnymi w celu poznania ich opinii. Informacje odnośnie jakości wody powierzchniowej jako źródła wody gromadzone są z wystarczająco długiego okresu: od 5 do 10 lat i są analizowane pod kątem fizycznej, chemicznej, mikrobiologicznej i radiologicznej charakterystyki wody. Ocena ryzyka musi być również przeprowadzona w odniesieniu do możliwych zanieczyszczeń źródła przez zrzuty toksycznych chemikaliów lub odpadów radioaktywnych. Ponadto należy wziąć pod uwagę obecny i przyszły stopień rozwoju regionu w obrębie całej zlewni. Jeśli jako źródło wody wybrano wody podziemne, prowadzi

się takie same prace badawczo-studialne. Ponadto bierze się pod uwagę warunki hydrogeologiczne, zwierciadło wód gruntowych, obniżenie jego poziomu będące wynikiem pompowania i potencjalne zanieczyszczanie odciekami ze składowisk odpadów przemysłowych i komunalnych oraz nawozami naturalnymi i sztucznymi stosowanymi w rolnictwie. Z przedstawionych powyżej powodów, analiza danych jest niezwykle istotna przy ocenie jakości źródeł wody. W analizie tej podawane są zarówno średnie arytmetyczne parametrów składu wody jak i statystyczna ocena dostępnych wyników. Prezentację statystyczną przedstawia się na wykresach w skali dziesiętnej, ogarytmicznej lub skali prawdopodobieństwa. Najważniejsze aspekty takiej prezentacji to możliwość zaobserwowania tendencji zmian jakości wody i możliwość oceny wahań wartości poszczególnych analizowanych wskaźników. Bardzo dokładnie bada się te wskaźniki, których dopuszczalne wartości w wodzie surowej są limitowane przez amerykańskie standardy jakości wody do picia. Podatność wody surowej na procesy uzdatniania ocenia się poprzez badania w skali laboratoryjnej i pilotowej. Jeżeli w okolicy istnieje ZUW o podobnej wielkości i ujmujący wodę z tego samego źródła wówczas uwzględnia się jego doświadczenia eksploatacyjne. Najważniejsze uwzględniane w ocenie parametry wody to: zakres zmian temperatury, obecność specyficznych mikroorganizmów, OWO, mikrozanieczyszczenia w tym podejrzewane o rakotwórczość związki organiczne, związki nieorganiczne. Mikrobiologiczna charakterystyka wód powierzchniowych obejmuje wirusy, cysty Giardia i oocysty Cryptosporidium. Poza wymaganiami stanowymi i federalnymi dotyczącymi wody uzdatnionej, dodatkowo próbuje się określić w jaki sposób osiągane w ZUW cele technologiczne wpływać będą na system dystrybucji wody i na środowisko, określa się zadania każdego z procesów jednostkowych całe-


zarządzanie rozwojem technologii zakładów uzdatniania wody

go ciągu technologicznego. Tradycyjnie takie zadania jak optymalizacja kosztów inwestycyjnych, koszt całego „cyklu życia” ZUW i czas budowy są przedmiotem prac studialnych. Prace te obejmują ustalenie podstawowych parametrów technologicznych oraz opracowanie wstępnych warunków eksploatacyjnych. Sugerowane są m.in. następujące zalecenia: — zakres zmienności wydajności ZUW nie powinien przekraczać 25%, — mętność w odpływie z osadnika musi być mniejsza od 2 NTU, — na etapie projektowania należy zakładać jedno płukanie filtra w ciągu doby, — mętność filtratu powinna być mniejsza 0,1 NTU, — liczba cząstek w filtracie nie powinna przekraczać 50 cząstek/Ml (cząstki większe od 2μm), — pierwszy filtrat należy odprowadzać do kanalizacji aż do momentu uzyskania mętności poniżej 0,25 NTU, — stężenie glinu w wodzie uzdatnionej nie powinna przekraczać 0,05 mg/L, — OWO w wodzie przefiltrowanej powinien być mniejszy od 2,0 mg/L, — THM-y powinny być mniejsze od 40μg/L, — bromiany powinny być mniejsze od 10μg/L.

5.4.2. Projektowanie ZUW Projektowanie rozwoju systemów zaopatrzenia w wodę, w szczególności ZUW dla dużych miast i regionów, jest jednym z ważniejszych ale i trudniejszych zadań stąd jego realizacja powinna opierać się na efektywnych i sprawdzonych metodach działania. Porównując nasze słabo jeszcze dopracowane metody takich działań z doświadczeniami zachodnimi można zauważyć różnice dotyczące: — funkcji i roli wiodącego inżyniera, konsultantów i doradców, — analizy wartości jako procedury mającej na celu identyfikację nie-

potrzebnych kosztów planowanej inwestycji, — bieżącej kontroli nad całością prac przygotowania i realizacji inwestycji, — zakresu i tematyki prac wstępnych – przedprojektowych programowania i planowania inwestycji. Doświadczenia Amerykańskie [8, 23, 24] jednoznacznie wskazują na funkcję i rolę wiodącego inżyniera i konsultantów jako na przyczynę umożliwiającą osiągnięcie: — okresu realizacji inwestycji wynoszącego około 3 lata, — okresu trwania prac przygotowawczych i projektowych równego około 9-12 miesięcy, — kosztów fazy planowania i projektowania nie przekraczających 5-10% kosztów inwestycji. Podstawową zasadą przy wyborze konsultantów jest kierowanie się ich doświadczeniem. W żadnym wypadku cena usług konsultanta nie jest decydującym kryterium. Procedura wyboru konsultanta jest dwuetapowa i obejmuje: — opracowanie listy wymagań stawianych konsultantom wraz z weryfikacją kwalifikacji firm starających się o kontrakt konsultanta, — wybór wstępnej listy (3 do 5 firm) w oparciu o doświadczenie, wiedzę i potencjalną zdolność do wykonania zadania, — opracowanie szczegółowych wymagań dla firm ze wstępnej listy; każda firma przedstawia dokładny opis własnych kwalifikacji i możliwości wykonania zadania, obejmujący informacje dotyczące wielkości firmy, liczby personelu, dostępności wykwalifikowanego personelu, proponowanego do realizacji przedsięwzięcia oraz informacje dotyczące doświadczenia, zdobytego przy podobnych zadaniach. — wybór najlepszej firmy oraz firmy rezerwowej na wypadek fiaska negocjacji z firmą wybraną. — powiadomienie firmy o wyborze na konsultanta i rozpoczęcie

53

negocjacji dotyczących kosztów i sprecyzowania szczegółowych zadań. W praktyce amerykańskiej dotyczącej większych ZUW (>30 tys. m3/d) 80-85% decyzji z zakresu szczegółowego projektu opracowuje przedsiębiorstwo wodociągowe (pracownia studialno-rozwojowa) łącznie z zatrudnionym konsultantem. W szczególności określane są: technologia uzdatniania, lokalizacja i profil hydrauliczny ZUW, podstawowe parametry procesowe w tym obciążenia hydrauliczne osadników, filtrów i innych urządzeń. Na tej podstawie wybrany oferent przygotowuje projekt ZUW. W większości krajów Europy zachodniej 70-80% projektu powstaje po wyborze wykonawcy. W krajach tych, w tym także w Polsce, ogłasza się przetargi, w których zaprasza się firmy do składania ofert podając jedynie kilka kryteriów. Oferent ma na ogół swobodę w wyborze technologii, w tym procesów jednostkowych układu ZUW, ilości w wymiarów urządzeń oraz obiektów, rodzaju systemu kontrolno-pomiarowego, materiałów konstrukcyjnych. Niewiele dużych publicznych przedsiębiorstw wodociągowych w Europie ma zdolność przeprowadzenia wszystkich etapów przedsięwzięcia, włączając w to szczegółowy projekt, zarządzanie budową, rozruch technologiczny własnymi siłami. Na ogół studia przedprojektowe, takie jak ocena różnych procesów i wybór miejsca w Europie nie są tak szczegółowe jak w USA. Samowystarczalność decyzyjna dużych amerykańskich przedsiębiorstw wodociągowych jest wynikiem zaangażowania konsultantów oraz inżynierów wiodących, którzy są fachowcami, potrafiącymi zastosować najnowsze osiągnięcia nauki do rozwiązań inżynierskich. Szczegółowa analiza wartości obejmująca w szczególności eksploatację winna być standardową metodą oceny wielowariantowych koncepcji rozwoju w szczególności dużych systemów zaopatrzenia w wodę mimo jej popularności na zachodzie. Zespół zajmujący się analizą wartości powinien się składać z 1 lub 2 licencjono-


54

nauka i technika

wanych inżynierów analizy wartości oraz ze specjalistów (praktyków) systemów zaopatrzenia w wodę. Analiza taka jest czasochłonna. Ocena małego projektu ZUW trwa ok. 1 tygodnia. Projekt jest oceniany głownie pod kątem funkcjonalności, a indywidualne preferencje projektowe jako elementy drugoplanowe mogą być wykluczone z procesu analizy. Według doświadczeń amerykańskich dobrze przeprowadzony proces analizy wartości pozwala zaoszczędzić około 10-30% kosztów przedsięwzięcia. Analiza wartości jest metodą systematyczną i kreatywną poszukiwania nieuzasadnionych kosztów w ramach analizowanego projektu. Celem jej jest określenie ewentualnych oszczędności w fazie konstrukcji i eksploatacji przy zachowaniu żądanej efektywności i niezawodności systemu. Analizy nie stosuje się do wszystkich elementów projektu, ale wybiera się te najbardziej kosztochłonne. Wyniki analizy to zalecenia, które inwestor i projektant powinni rozważyć, czy przyjąć je czy odrzucić. Plan działania analizy wartości winien obejmować: — zdobycie informacji, (faza informacji), — opracowanie, (faza kreatywna), — fazę oceny, — fazę rozwoju, — zalecenia, rekomendacje. W fazie informacji wiodący inżynier projektu gromadzi potrzebne dokumenty i informacje związane z analizowanym projektem. Dokumentacja powinna trafić do wszystkich członków zespołu na co najmniej tydzień przed planowaną prezentacją zagadnienia. (spotkanie informacyjne). Drugi etap analizy wartości realizowany jest zwykle w formie „burzy mózgów”, w czasie której wskazuje się obszary, w których można coś potencjalnie poprawić lub zmienić powodując zmniejszenie kosztów. Zasadniczym celem tego etapu jest wygenerowanie nowych koncepcji rozwiązań (alternatyw). Te z nich, które warte są by się nimi dalej zajmować, wybierane są później.

Na etapie fazy oceny oceniane są alternatywne rozwiązania projektowe. Każdemu z nich przyporządkowuje się związane z nim koszty, a następnie szereguje w kolejności zależnej od potencjalnych oszczędności. Dalsze rozważania, np. odnośnie estetyki, efektywności, wiarygodności i okresu realizacji mogą być prowadzone i dodane do ocenianych rozwiązań.. Rozwiązania projektowe, które otrzymały wysokie oceny w rankingu są w fazie rozwoju dopracowywane. Zespół od analizy wartości powinien przeanalizować najbardziej obiecujące koncepcje bardziej szczegółowo i przeprowadzić porównanie kosztów w odniesieniu do projektu oryginalnego. Analiza kosztów „cyklu życia” jest przydatna wtedy, gdy koszty inwestycyjne są zbliżone, natomiast zauważalne są różnice kosztów eksploatacji i utrzymania ruchu. Po szczegółowej analizie wyżej wymienionych zagadnień w fazie rekomendacji przystępuje się do opracowania zaleceń. Rekomendacje te są przedstawiane wiodącemu inżynierowi projektu i inwestorowi w formie prezentacji. W czasie jej trwania nie powinno dochodzić do dyskusji, opracowane zalecenia nie są decyzjami ostatecznymi, mają tylko służyć jako sugestie. Zespół analizy wartości powinien swoje pomysły zaprezentować w przekonujący i budzący zaufanie sposób. Jest to możliwe tylko wtedy gdy zespół ten posiada dostateczną wiedzę na temat analizowanego przedsięwzięcia. Po prezentacji przygotowuje się końcowy raport, który jest gotowy zwykle po 1-2 tygodniach. Bieżąca kontrola nad całością prac przygotowania i realizacji inwestycji to jedno z podstawowych zadań wiodącego inżyniera. Kontrola bieżąca obejmuje: — programowanie i planowanie, — analizę techniczna, — studia przedprojektowe środowiskowe, — projektowanie, — wykonawstwo, — opracowanie podręcznika obsługi i eksploatacji,

— rozruch ZUW, — konsultacje podstawowe. Ponieważ każdy projekt powinien być wykonywany zgodnie z planem terminowym i finansowym, w idealnym przypadku bez błędów i usterek dlatego niezwykle ważna jest bieżąca kontrola przebiegu prac. Do typowych zadań przykładowej kontroli prac przygotowania i realizacji inwestycji w warunkach amerykańskich można zaliczyć: — sporządzenie zestawienia kosztów i harmonogramu finansowego, — przygotowanie harmonogramu kontroli projektu, obejmującego: terminy, budżet dla każdej branży, — plan spotkań każdej sekcji, — ustalenie daty końcowej kontroli oraz daty końcowej akceptacji, — ustalenie daty przygotowania dokumentacji dotyczącej procesu kontroli projektu. — rozpoznanie wszystkich wymagań i uzgodnień stawianych przez władze lokalne, stanowe i federalne, — zorganizowanie wszystkich niezbędnych dodatkowych usług np. analizy gruntów, czy pomiarów geodezyjnych. — wybór członków zespołu doradczego i zespołu do opracowania analizy wartości, — opracowanie planu spotkań zespołu doradczego, spotkania powinny się odbywać sukcesywnie z realizacją prac co 5 – 10% całości zadań, — sporządzenie sprawozdania z każdego spotkania, — stałe informowanie przedsiębiorstwa o postępach prac, realizowane w czasie spotkań, wzajemna wymiana uwag dotyczących ich realizacji, — miesięczne sprawdzanie kosztów, — sporządzenie dokumentacji budowy, — sprawdzenie rysunków budowy, — dostarczenie całości dokumentacji inwestorowi do zapoznania się, — opracowanie wstępnego kosztorysu budowy.


zarządzanie rozwojem technologii zakładów uzdatniania wody

7. Wnioski ogólne 7.1.

Współczesne systemy zaopatrzenia w wodę klasyfikują się do największych osiągnięć myśli naukowej i technicznej. Ich projektowanie, budowa i eksploatacja jest zajęciem skomplikowanym, zespołowym i kosztownym. Rozwój systemów zaopatrzenia w wodę jest działaniem interdyscyplinarnym, w którym etapy planowania, organizowania i kontroli wzajemnie się integrują prowadząc do określenia najbardziej efektywnych decyzji w zakresie technologii ZUW, sposobu podziału zadań oraz ich realizacji zgodnej z harmonogramem w ramach przyjętego budżetu. 7.2.

Technologie uzdatniania, szczególnie dużych zakładów ujmujących wody powierzchniowe, są przedmiotem kompleksowych badań pilotowych oraz optymalizowania podejmowanych decyzji. Większość współczesnych dużych systemów uzdatniania wód powierzchniowych charakteryzuje się bardzo złożonymi strukturami technologicznymi, zakładającymi sekwencje działania wielu zintegrowanych procesów. W systemach takich ilość stosowanych reagentów, ich trafny dobór, określenie dawek optymalnych, właściwej kolejności dawkowania, realizowane w warunkach znacznych zmian składu wody ujmowanej, wymaga stosowania rozległego monitoringu analitycznego, wpływając na informatyzację i instrumentalizację tych systemów uzdatniania. Eksploatacja takich systemów, zakładająca optymalizację dynamiczną, polega na ciągłym dostosowywaniu zmiennych sterujących do ich wartości optymalnych, uzależnionych od zbioru i poziomu działających zakłóceń. 7.3.

Technologie uzdatniania wód podziemnych, z uwagi na ich bardziej korzystny i stabilny skład oraz właści-

wości w stosunku do wód powierzchniowych, są realizowane w znacznie prostszych systemach, składających się często z napowietrzania i filtracji pospiesznej. Z tych względów technologie uzdatniania wód podziemnych nie ulegają w czasie tak szybkiej transformacji pod względem przedmiotowym jak i metodycznym, jak technologie uzdatniania wód powierzchniowych. 7.4.

Wypracowanie odpowiednich polskich metod i tradycji w tym zakresie działania wymaga ciągłej współpracy naszych ośrodków naukowych, przedsiębiorstw wodociągowych oraz firm projektowo-wykonawczych, a także korzystania z zagranicznych doświadczeń.

8. Literatura źródłowa [1] Benefield L. D., Judkins J. F., Weand B. L., Process Chemistry for Water and Waste Water Treatment, Prentice Hall, Inc., USA, 1982. [2] Bodzek M. Konieczny K., „Wykorzystanie procesów membranowych w uzdatnianiu wody”, Oficyna Wydawnicza Projprzem-EKO, Bydgoszcz 2005. [3] Faust S. D., Aly O. M., Chemistry of Water Treatment, Ann Arbor Press, Michigan 1997. [4] Grochulska-Segal E. M., Sozański M. M., Wybrane zagadnienia z technologii odżelaziania i odmanganiania wód podziemnych, Ochrona Środowiska – Informator Dolnośląskiego Oddziału PZITS, Nr 134, Tom XVIII, Wrocław 1984. [5] Jeż-Walkowiak J., Rozprawa Doktorska „Intensyfikacja odżelaiania i odmanganiania wód podziemnych w złożach osydacyjnych filtrów pospiesznych”, Politechnika Poznańska, Instytut Inżynierii Środowiska, 2000. [6] Macioszczyk A., Hydrogeochemia, Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa 1987. [7] Malinowski J., Zasoby i ochrona wód podziemnych, Wyd. Uniwersytetu Wrocławskiego, Wrocław 1993. [8] Kawamura S. „Integrated design and operation of water treatment ficilities” John Wiley&sons, inc, New York, 2000. [9] Morgan J. J. Chemical Equilibria and Kinetic Properties of Manganese in Natural Waters w Principles and Applications in Water Chemistry, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1967. [10] Morgan J. J., Application and Limitation of Chemical Thermodynamics in Water Systems w Equilibrium Concepts in Natural Water Systems, American Water Society, Washington, 1967.

55

[11] Mouchet P., From Conventional to Biological Removal of Iron and Manganese in France, AWWA Journal, April, 1992. [12] O’Connor J. T., Iron and manganese, w Water Quality and Treatment, AWWA, Inc., 1971. [13] Olańczuk-Neyman K., Bakterie utleniające żelazo i ich występowanie w wodach podziemnych, Zeszyty Naukowe Politechniki Gdańskiej Nr 415, Budownictwo Wodne Nr XXVIII, Gdańsk 1988. [14] Olańczuk-Neyman K., “The role of physico-chemical and biological processes in manganese and ammonia removal from groundwater”. Polish Journal of Env. Studies 9 Nr 2, 2000. [15] Olańczuk-Neyman K., „Mikroorganizmy w kształtowaniu jakości i uzdatnianiu wód podziemnych”, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, Nr 1, 2001. [16] Perchuć M., Problemy przy uzdatnianiu wód podziemnych, Mat. Konf. I Konferencji Naukowo-Technicznej nt.: Uzdatnianie wód podziemnych – badania, projektowanie i eksploatacja, Warszawa, 1996. [17] Reh C. W., Water Supply Engineering for the Removal of Iron and Manganese, Proc. 14 Water Quality Conference, Urbana, USA, 1972. [18] Rheinheimer G., Mikrobiologia wód, PWRiL, Warszawa 1987. [19] Sozański M. M., Huck P.M., „ Badania doświadczalne w rozwoju technologii uzdatniania wód”, 2006. [20] Sozański M.M., Olańczuk-Neyman K., “Stan i perspektywy rozwojowe Technologii Uzdatniania Wody jako współczesnej dyscypliny nauki”, Monografia Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, Vol. 9, Lublin 2002. [21] Sozański M. M. i inni, “Wodociągi i kanalizacja w Polsce – tradycja i współczesność” Polska Fundacja Ochrony Zasobów Wodnych, Poznań-Bydgoszcz, 2002. [22] Guidelines for drinking-water quality. Third edition. Volume 1. Recommendations. World Health Organization, Geneva 2004. [23] Water Quality and Treatment, AWWA, Mc’Graw-Hill, Inc., 1990. [24] Water Treatment Plant Design, American Water Works Association, McGraw-Hill Publishing Company, New York 1990.

prof. dr hab.inż. Marek Sozański marek.sozanski@put.poznan.pl dr inż. Joanna Jeż-Walkowiak joanna.jez-walkowiak@put.poznan.pl dr inż. Zbysław Dymaczewski zbyslaw.dymaczewski@put.poznan.pl Politechnika Poznańska Instytut Inzynierii Środowiska


56

nauka i technika

Eksploatacja pomp głębinowych w systemach zaopatrzenia w wodę Exploitation of post order pump in supply systems to water Marian STRĄCZYŃSKI

Streszczenie Ujęcia wód głębinowych zaliczyć można do podstawowego źródła pozyskiwania wody dla celów bytowych. Wg danych szacunkowych – zarówno dla wodociągów miejskich, a tym bardziej wiejskich, wody głębinowe pokrywają blisko 60% ogólnych potrzeb w tym zakresie.

Abstract It is possible to include for basic source of winning water for life purposes captivation of post order water. According to estimate data for city water-supply – equal, but it country more, post order waters cover in this range 60% general requirements.

U

względniając koszty wydobycia wód głębinowych wiadomo, że podstawowym ich składnikiem jest zużycie energii elektrycznej przez głębinowe agregaty pompowe, których eksploatacja zapewnia wydobycie i transport tzw. wody surowej. Eksploatacja głębinowych agregatów pompowych stanowiących pierwsze, naturalne ogniwo w pozyskiwaniu wód wgłębnych, należy do skomplikowanych zagadnień technicznych obejmujących zagadnienia hydrogeologii, techniki pompowej, elektrotechniki i techniki systemów.

1. Układy pompowe ujęć głębinowych Na rys. 1. pokazano poglądowy widok – przekrój typowej zabudowy głębinowego agregatu pompowego – potocznie zwanego pompą głębinową, pracującego na oddalonym od aglomeracji miejskiej ujęciu wody pitnej. Wyraźnie widać, że pompa głębino-

Rys. 1. Przekrój typowej zabudowy głębinowego agregatu pompowego.


moja oczyszczalnia

Rys. 2. Budowa układu pompowego pompy głębinowej.

wa wchodząca w skład głębinowego agregatu pompowego stanowi jeden z pierwszych elementów całego układu transportu i odprowadzenia wody ze studni ujęciowej – układu pompowego ujęcia. Rys. 2. obrazuje budowę układu pompowego pompy głębinowej i jednocześnie zestawia komplet danych i parametrów, które opisują jego pracę. Z przedstawionych parametrów wyraźnie widać związek eksploatacji głębinowego agregatu pompowego z eksploatacją studni ujęciowej. Związek ten dla specyfiki pracy pomp głębinowych jest bardzo istotnym faktem gdyż następuje wyraźne przenikanie się techniki pompowej oraz techniki wiertniczej, hydrogeologii i elektrotechniki.

Rys. 3. oraz rys. 4. przedstawiają typowe rozwiązania stosowane w budowie i eksploatacji studni ujęć głębinowych.

2. Eksploatacja pomp i ujęć głębinowych Podstawowym wskaźnikiem właściwej eksploatacji pomp i ujęć głębinowych jest jednostkowe zużycie energii elektrycznej na wydobycie 1 m3 wody. Oczywiście wskaźnik ten uzależniony jest od wydajności pompy – Q, a więc ilości wypompowanej wody w czasie oraz od głębokości położenia zwierciadła wody w stud-

57

ni – HD. O wartości tego wskaźnika decyduje sumaryczna sprawność energetyczna pompy oraz silnika głębinowego jak również sprawność systemu zasilania energetycznego i systemu odprowadzenia wody. Z zestawionych na rys. 2. danych oraz parametrów technicznych pracy układu pompowego pompy głębinowej wyraźnie widać, że optymalizacja eksploatacji głębinowego agregatu pompowego wymaga właściwego „zgrania” poszczególnych parametrów – zaczynając od jakości zasilania energetycznego, przez właściwy dobór przekroju przewodu zasilającego, właściwy dobór pompy głębinowej oraz dostosowanie przekroju rurociągu tłocznego pompy i armatury do prędkości przepływu wody. Trzeba też pamiętać, że z punktu widzenia techniki wiertniczej oraz hydrogeologii podstawowe założenia do dokonania właściwego doboru elementów układu pompowego wynikają z dopuszczenia wodno – prawnego pracy ujęcia, typu i rodzaju konstrukcji studni – w tym położenia części czynnych filtra, stanu technicznego zafiltrowania itd. Nie bez znaczenia jest tzw. chemizm wody oraz zawartość części stałych w pompowanym medium, w tym głównie piasku. Procentowy udział zużycia energii elektrycznej przeznaczonej na wydobycie wody z ujęć głębinowych w odniesieniu do całkowitego zużycia energii, w Zakładzie Wodociągów i Kanalizacji (łącznie z oczyszczalnią ścieków, przepompowniami, itp.) może wahać się od ca 25% do nawet 50%. Udział zależy od głębokości wydobycia wody, pory roku oraz innych czynników technologicznych. Przykładowo w ZWiK Łomża przed wprowadzeniem systemu monitoringu i sterowania udział ten wynosił ca 33%, a po wdrożeniu systemu udział ten spadł do ca 27%. W ZWiK Myszków, w innym systemie wydobycia wody różnice wahają się na poziomie ca 45% do ca 34%. Oba Zakłady posiadają wysoko zoptymalizowane systemy eksploatacji pomp i ujęć głębinowych w tym również bardzo dobrze wyszkolony personel techniczny. Różnice związane są głównie z głębo-


58

moja oczyszczalnia

Rys. 3-4. Typowe rozwiązania stosowane w budowie i eksploatacji studni ujęć głębinowych.

kością wydobycia wody od kilkunastu metrów do kilkudziesięciu metrów w drugim przypadku. Wyraźnie widać jak duży wpływ na koszty funkcjonowania zakładów ZWiK mają koszty zużycia energii w eksploatacji pomp i ujęć głębinowych. Oprócz zużycia energii elektrycznej na sumaryczne koszty wydobycia wody w ujęciach głębinowych ma wpływ również niezawodność pracy głębinowych agregatów pompowych oraz koszty ich obsługi. Niezawodność pracy pomp i silników głębinowych zależy wprost od właściwego doboru tych urządzeń do warunków eksploatacyjnych. Można bez przesady stwierdzić, że jaki jest dobór pompy taka jest późniejsza jej eksploatacja. Uproszczenia w tym zakresie praktycznie uniemożliwiają prowadzenie poprawnej eksploatacji ujęć. Specyficzne warunki eksploatacji głębinowych agregatów pompowych charakteryzują się funkcjonowaniem tzw. szeregowej struktury niezawodności tych urządzeń. Polega to na tym, że uszkodzenie podczas pracy któregokolwiek elementu pompy, silnika głębinowego lub przewodu zasilającego wiąże się z koniecznością demontażu i wybudową całego układu pompowego ze studni ujęcia. Prace te są wysoce kosztowne i czasochłonne. Współczesne konstrukcje głębinowych agregatów pompowych wykorzystując najnowsze osiągnięcia zarówno po stronie komputerowych technik obliczeniowych hydraulik pomp jak i po wdrożeniu nowoczesnych technologii materiałowych, zapewniają wysoka niezawodność pracy agregatów, a tym samym pompy osiągają znaczną trwałość w eksploatacji. Można przyjąć, że standardowo, właściwie dobrane pompy głębinowe powinny pracować bez awaryjnie, w cyklu ciągłym min. 2-4 lat, a bywa też do 6-8 lat. Oczywiście liczy się tu nie tylko sam fakt pracy pompy ale też jej utrzymywanie właściwych parametrów hydraulicznych (Q, H) mających wpływ na sprawność energetyczną. W celu zobrazowania zależności związanych z wpływem warunków


moja oczyszczalnia

59

Tab. 1. Podstawowe uszkodzenia pomp i silników głębinowych. Objawy uszkodzeń a b c d

Obniżone Q–H Drgania Wyłączenie elektryczne Nadmierny pobór prądu

Tab. 2. Podstawowe przyczyny uszkodzeń pomp i silników głębinowych. Przyczyny uszkodzeń 1 2 3 4

Praca przy Q < Qmin Praca przy Q > Qmax Chemia wody Piaszczenie

pracy głębinowych agregatów pompowych na ich awaryjność, w tab. 1 oraz tab. 2 zestawiono cztery podstawowe uszkodzenia pomp i silników głębinowych i podano również cztery podstawowe przyczyny ich występowania. Na rys. 5 schematycznie pokazano związek wybranych przyczyn i skutków uszkodzeń głębinowych agregatów pompowych (oczywiście w pewnym uproszczeniu) ilustrując w ten sposób wspomniane zależności w eksploatacji pomp i silników głębinowych. Współczesne prowadzenie eksploatacji pomp i ujęć głębinowych jest bardzo często wspomagane komputerowymi systemami monitoringu i sterowania. Specjalistyczne programy komputerowe (np. system SEGAP) wyposażone w modele matematyczne oceniające miedzy innymi energochłonność pracujących układów pompowych, aktywnie wspomagają użytkownika w podejmowaniu właściwych decyzji eksploatacyjnych. Układy pompowe pomp głębinowych uzbrojone są w czujniki pomiarowe, które współpracując z odpowiednio skonfigurowanymi sterownikami, przy wykorzystaniu najnowszych technik przekazu danych i sygnałów (GPRS, światłowody, itp.) mogą przekazywać zdalnie pomierzone wartości parametrów i sterować pracą pomp. Na rys. 6 pokazano przykładowe rozwiązania szafek zasilająco – sterowniczych natomiast rys. 7 obrazuje przy-

Rys. 5. Związek wybranych przyczyn i skutków uszkodzeń głębinowych agregatów pompowych.

kładową komputerową wizualizację pracy ujęć. Podstawowym celem stosowania tych systemów jest uporządkowanie i przyspieszenie obiegu informacji pochodzących z eksploatacji ujęć. Dodatkowo wykorzystuje się możliwość zdalnej ochrony obiektów ujęć głębinowych. Ważnym zagadnieniem związanym z eksploatacją głębinowych agregatów pompowych jest problem remontów uszkodzonych pomp i silników głębinowych. Pomijając sporadyczne przypadki remontów gwa-

rancyjnych, kłopoty mogą pojawić się przy remontach pogwarancyjnych i to wtedy gdy mamy wykonać remont agregatu mało znanego producenta. Aktualnie na rynku polskim ukształtował się pewien zakres znanych i renomowanych firm oferujących pompy i silniki głębinowe i na ogół firmy te posiadają sieć swoich autoryzowanych serwisów, które profesjonalnie prowadzą remonty agregatów pompowych. Należy jednak pamiętać, że w przypadku głębinowych agregatów pompowych jest szczególnie ważne by każdy remont kończył się próbą ru-


60

moja oczyszczalnia

chową agregatu na stacji badań i w finale takiej próby powinien powstać protokół z aktualnymi parametrami pompy i silnika. Remont głębinowego agregatu pompowego bez próby ruchowej należy uznać za niedostateczny i niepełny.

3. Posumowanie Trzeba wyraźnie podkreślić fakt poważnego znaczenia ujęć głębinowych w całkowitym bilansie dostępu do zasobów wody w Polsce. Tendencja wzrostu zapotrzebowania na wody głębinowe na pewno nie zmieni się w najbliższej przyszłości i dalej trzeba będzie sięgać po zasoby tych wód. Uwzględniając ten fakt śmiało można stwierdzić, że przyszłość należy do coraz szerszego stosowania pomp głębinowych, których konstrukcje w naturalny sposób ulegną ulepszeniu i dalszemu udoskonaleniu. Już pojawił się na rynku system modułowych pomp głębinowych – MS-T, które w najbliższym czasie sprawdzą się w nowych zastosowaniach.

4. Bibliografia Rys. 6. Przykładowe rozwiązania szafek zasilająco-sterowniczych.

[1]

[2] [3]

[4] [5]

Rys. 7. Komputerowa wizualizacja pracy ujęć.

Strączyński M., Związek przyczyn i skutków w uszkodzeniach głębinowych agregatów pompowych. Forum Eksploatatora, 6/2006. Strączyński M., Sprawność energetyczna układu pompowego pompy głębinowej. Forum Eksploatatora, 2/2007. Straczyński M., Pakuła G., Urbański P., Solecki J. Podręcznik Eksploatacji Pomp w Wodociągach i Kanalizacji. Izba Gospodarcza Wodociągi Polskie, Wydawnictwo „Seidel-Przywecki” Sp. z o.o. Warszawa 2007. Strączyński M., Modułowe pompy głębinowe. Forum Eksploatatora, 2/2008. Strączyński M., Pompy głębinowe – pierwsze ogniwo łańcucha systemów zaopatrzenia w wodę. Pompy Pompownie, 2/2008.

Marian StrĄCZYŃSKI MAST, Bełchatów mast@mast.com.pl


61

konferencje i kongresy – świat

Stanowisko Ministerialne Międzynarodowego Forum Wodnego w Stambule 5th World Water Forum – Istanbul Ministerial Statement Marek Jerzy GroMIEC

Streszczenie Międzynarodowe Forum Wodne w Stambule, największe światowe spotkanie poświęcone tematyce wodnej, odbyło się w marcu 2009 roku. Podczas obrad zajęto się trzema podstawowymi procesami: regionalnym, tematycznym i polityczym. Najważniejszym skutkiem spotkania było przyjęcie „Stanowiska Ministerialnego”, któremu poświecony jest artykuł.

Abstract The World Water Forum, the world’s largest water – related event, was organized in Istanbul, Turkey in March 2009. The Forum’s political process was interacted with the thematic and regional processes. The main objective of the political process was to rise awareness on water issues and solution at political level. The main output of this process was “Ministerial Statement” which is presented and discussed in this paper.

H

asłem przewodnim V Światowego Forum Wodnego, które odbyło się w Stambule dniach 16-22 marca 2009 roku było: „Woda ponad podziałami”. Hasło wskazuje na konieczność tworzenia nowych lub wzmocnienie istniejących związków między: wodą a środowiskiem, wodą a zdrowiem, wodą a energią, wodą a klimatem itp. Równocześnie widzi celowość zmniejszenia różnic występujących pomiędzy państwami w zakresie technologii wodno-ściekowej, finansowania i zarządzania gospodarowaniem wodą i ochroną wód przed zanieczyszczeniem, jak też konieczność wzajemnego przekazywania wiedzy i doświadczeń w zakresie gospodarki wodnej.

1. Proces regionalny, proces tematyczny i proces polityczny W ramach Forum można było wyróżnić trzy podstawowe procesy: regionalny, tematyczny i polityczny. Proces regionalny poświęcony był problemom wodnym w wybranych częściach świata, w tym w Europie. Proces tematyczny ukierunkowany był na sześć głównych tematów: zmiany globalne i zarządzanie ryzykiem, dalszy rozwój a milenijne cele rozwoju, gospodarowanie zasobami wodnymi i ich ochrona przed zanieczyszczeniem, zarządzanie gospodarowaniem wodami, finansowanie gospodarki wodnej oraz edukacja i rozwój wiedzy w zakresie gospodarki wodnej.

2. Obrady Okrągłych Stołów Najistotniejszą część forum stanowił proces polityczny, którego ważnymi elementami było opracowanie i przyjęcie podczas forum „Stanowiska Ministerialnego” oraz osiem tzw. okrągłych stołów z przedstawicielami rządów państw uczestniczących w forum. W tym miejscu warto zaznaczyć,

że forum było z pewnością największą światową imprezą wodną. Wzięło w niej udział 25 tysięcy uczestników ze 180 państw. Z ramienia Polski w forum wzięła udział oficjalna delegacja w skład której wchodzili: Stanisław Gawłowski– Sekretarz Stanu w Ministerstwie Środowiska, Aleksandra Organiszczak– Doradca Sekretarza Stanu oraz Marek Jerzy Gromiec – Przewodniczący Krajowej Rady Gospodarki Wodnej, którzy wzięli udział w obradach w ramach okrągłych stołów. Okrągłe stoły obejmowały następująca tematykę: — woda jako element rozwoju państw afrykańskich, — redukowanie wpływów katastrof związanych z wodą, — łączenie agendy wodnej z klimatyczną,


62

konferencje i kongresy – świat

— woda dla energii, energia dla wody, — woda dla żywności i zmniejszania ubóstwa, — wody słodkie a wody morskie, — implementacja prawa do wody i sanitacji, — finansowanie infrastruktury wodnej i usług wodnych. Należy dodać, że proces polityczny poprzedzony był posiedzeniami ekspertów z całego świata, które poprzedzały forum i odbyły się w Genewie (ONZ), Rzymie (FAO) i Paryżu (UNESCO). W posiedzeniach tych Polskę reprezentował Marek Jerzy Gromiec, z ramienia ministra środowiska. Posiedzenia te umożliwiły opracowanie i żmudne uzgadnianie międzynarodowej treści podstawowych dokumentów forum, a mianowicie „Stanowiska Ministerialnego” oraz Istambulskiego Poradnika Wodnego”.

— —

3. Stanowisko Ministerialne – najważniejszy dokument Forum Najważniejszy dokument polityczny V Światowego Forum Wodnego, przyjęty przez wszystkich ministrów uczestniczących w forum, stanowi „Stanowisko Ministerialne” (opublikowane w bieżącym numerze Technologii Wody, jako załącznik do niniejszego artykułu), w którym między innymi uznano za konieczne: — osiągnąć bezpieczeństwo wodne poprzez zwiększenie adaptacji gospodarowania, wodą do zachodzących zmian globalnych, jak i polepszenie współpracy na wszystkich poziomach, — intensyfikować działania dla osiągnięcia milenijnych celów rozwoju, — wspierać wdrożenie zintegrowanego gospodarowania zasobami wodnymi na poziomie dorzecza , zlewni i systemów wód podziemnych, — polepszać sterowanie zapotrzebowaniem na wodę i efektywnie wykorzystywać wodę w rolnictwie, — budować nową i polepszać istniejącą infrastrukturę dla celów magazynowania wody, nawad-

— —

niania, produkcji energii, żeglugi, zapobiegania katastrofom, działać aby zachować przepływy nienaruszalne, odnowić zdegradowane ekosystemy, ustanowić partnerstwa wodne z leśnikami, zapobiegać zanieczyszczeniu wód powierzchniowych i podziemnych, wdrażać systemy zbierania i oczyszczania ścieków, stosować wtórne wykorzystanie ścieków, rozważyć celowość odsalania wody na obszarach ubogich w wodę, opracować plany i programy gospodarowania wodą uwzględniając odniesienie się do wpływów zmian globalnych, reagować na katastrofy naturalne i spowodowane przez człowieka, włączając powodzie i susze, polepszyć systemy monitoringowe związane z wodą i zapewniać aby użyteczne informacje były dostępne dla całej zainteresowanej ludności, popierać badania naukowe, edukację, rozwój i wdrożenie nowych technologii w dziedzinie wody, promować współpracę dotyczącą użytkowania i ochrony wód gruntowych promować efektywne wykorzystanie środków finansowych, uznawać potrzebę zrównoważonych strategii odzysku kosztów, z tym, że podejścia wyłącznie ekonomiczne nie mogą odzwierciedlać wszystkich aspektów społecznych i środowiskowych odzysku kosztów.

Wszystkie powyższe stwierdzenia „Stanowiska Ministerialnego”, wsparte uzupełnieniem merytorycznym ze „Stambulskiego Poradnika Wodnego” mają duże znaczenie dla gospodarki wodnej Polski, szczególnie w świetle opracowywanych aktualnie dokumentów o charakterze strategicznym i planistycznym. Należy dodać, ze działanie Polski dotyczące gospodarki wodno-ściekowej znalazły uznanie na forum międzynarodowym. prof. dr inż. Marek M. Gromiec Przewodniczący Krajowej Rady Gospodarki Wodnej mgromiec@op.pl

Stanowisko ministerialne opracowane i przyjęte w procesie ministerialnym V Światowego Forum Wodnego

J

ako ministrowie i przewodniczący delegacji, zebrani w Stambule, Turcja w dniach 20-22 marca 2009 r., z okazji V Światowego Forum Wodnego pod hasłem „Woda ponad podziałami”, zdecydowaliśmy odnieść się do globalnych problemów związanych z wodą w kontekście zrównoważonego rozwoju i dlatego:

— Potwierdzamy uprzednie zobowiązania, podjęte przez rządy państw, aby osiągnąć przyjęte międzynarodowo cele dotyczące wody i sanitacji, włączając cele z Agendy 21 oraz Planu Implementacyjnego z Johanesburga i dziękujemy za decyzje Komisji ds. Zrównoważonego Rozwoju ONZ (UNCSD) oraz za multilateralne porozumienia związane z wodą, jej wykorzystaniem, sanitacją i zdrowiem. — Uznajemy potrzebę osiągnięcia bezpieczeństwa wodnego. W tym względzie istotne jest lepsze dostosowanie gospodarowania wodą do wszystkich zmian globalnych oraz polepszenie współpracy na wszystkich poziomach. — Uznajemy, że świat doświadcza szybkich i bezprecedensowych zmian globalnych, włączając w to wzrost ludności, migrację ludności, urbanizację, zmiany klimatyczne, pustynnienie, susze, zmiany użytkowania i degradację ziemi, zmiany ekonomiczne i żywieniowe. — Uznajemy, w szczególności, występujące w różnych częściach świata zwłaszcza w Afryce, specyficzne problemy w spełnianiu milenijnych celów rozwoju i osiągnięciu akceptowalnego poziomu bezpieczeństwa wodnego dla rozwoju społeczno-ekonomicznego. Dlatego, jako ministrowie i przewodniczący delegacji, obecni na kon-


stanowisko ministerialne V międzynarodowego forum wodnego w stambule

ferencji Ministerialnej V Światowego Forum Wodnego, wyrażamy następujący pogląd: 1. Będziemy intensyfikować nasze wysiłki, aby osiągnąć cele uzgodnione międzynarodowo, takie jak milenijne cele rozwoju, i aby polepszyć dostęp do bezpiecznej i czystej wody, sanitacji i higieny oraz zdrowych ekosystemów, w najkrótszym możliwie czasie, przez odpowiednie polityki i odpowiednie środki finansowe na wszystkich poziomach. 2. Będziemy dalej wspierać implementację zintegrowanego gospodarowania zasobami wodnymi na poziomie dorzecza, zlewni rzecznej i systemów wód podziemnych, w ramach każdego państwa, a tam gdzie stosowne poprzez współpracę międzynarodową, aby spełnić sprawiedliwe potrzeby ekonomiczne, społeczne i środowiskowe, między innymi odnosząc się do wpływu zmian globalnych, biorąc pod uwagę interesy wszystkich użytkowników, stosując proces partycypacji w podejmowaniu decyzji i planowaniu, w trakcie tworzenia lepszych związków między sektorami w celu wypracowania rozwiązań , które są korzystne dla wszystkich stron. 3. Wspieramy poprawę sterowania zapotrzebowaniem na wodę, wydajne i efektywne wykorzystanie wody w rolnictwie, włączając obszary gdzie stosowne jest budowanie sieci nawadniających i polepszenie rolnictwa zasilanego deszczami, aby zwiększyć produktywność upraw i oszczędzanie wody w celu osiągnięcia zrównoważonej produkcji wystarczającej ilości żywności dla szybko wzrastającej liczby ludności, jak też wspieramy zmiany konsumpcji, polepszenie standardów życia, szczególnie na obszarach wiejskich, zakończenie ubóstwa i głodu w harmonii z celami rozwoju uwzględnionymi międzynarodowo i innymi stosownymi zobowiązaniami/porozumieniami międzynarodowymi. 4. Popieramy prowadzone krajowe projekty rozwojowe, w różnych sektorach, związane z wodą, szczególnie dotyczące energii, bezpieczeństwa żywnościowego i zmniejszenie ubóstwa. Będziemy pracować, aby zbudować nową, a także utrzymać,

5.

6.

7.

8.

9.

wzmocnić i polepszyć istniejące infrastruktury dla różnych celów wodnych, włączając magazynowanie wody, nawadnianie, produkcję energii, żeglugę, zapobieganie katastrofom i gotowość do działania, które są bezpieczne ekonomicznie, zrównoważone środowiskowo i sprawiedliwe społecznie. Zwiększymy zrozumienie wpływu zmian globalnych na zasoby wodne, naturalne procesy hydrologiczne i ekosystemy. Będziemy działać tak, aby zachować przepływy środowiskowe, wzmocnić odporność i odnowić zdegradowane ekosystemy, uwzględniając nowe mechanizmy, jak też partnerstwo z leśnikami, aby zwiększyć usługi leśne związane z wodą. Wzmocnimy zapobieganie zanieczyszczeniu wód powierzchniowych i podziemnych, ze wszystkich sektorów, w sposób właściwy stosując zasadę „zanieczyszczający płaci”, równocześnie dalej rozwiązując i wdrażając zbieranie oraz oczyszczanie ścieków i ich wtórne wykorzystanie. Dla obszarów ubogich w wodę, rozważymy potrzebę inwestowania w odsalanie wody i oczyszczanie ścieków dla ich wtórnego wykorzystania i dostarczymy pomoc technologiczną i „know-how”, aby uczynić je zrównoważonymi i o rozsądnej cenie. Będziemy respektować prawo międzynarodowe gwarantujące ochronę zasobów wodnych, infrastruktury wodnej i środowiskowej, w czasach zbrojnych konfliktów, jak też współpracować w dalszym rozwoju prawa, gdy konieczne. Postanawiamy opracować, wdrażać i dalej rozwijać międzynarodowe, krajowe i/lub drugoplanowe plany i programy, aby zarówno przewidzieć zmiany, jak i odnieść się do możliwych wpływów zmian globalnych. Oceny zmieniających się warunków hydrologicznych, ekstremalnych zdarzeń wodnych oraz kształtu i funkcjonalności istniejącej infrastruktury są podstawowe w tym kontekście. Wysiłki inwestycyjne dla utworzenia koniecznej infrastruktury, w szczególności prowadzone w celu powiększenia pojemności magazynowanej wody, winny być zwiększane stopniowo, biorąc pod uwagę efektywność wodną.

63

10. Postanawiamy reagować na katastrofy naturalne i spowodowane przez człowieka, włączając powodzie i susze. Postanawiamy, tam gdzie to możliwe, przechodzić z zarządzania kryzysowego na przygotowanie się na katastrofy i na zapobieganie katastrofom spowodowanym przez człowieka oraz na zarządzanie ryzykiem przez opracowanie systemów wczesnego ostrzegania, wprowadzanie działań strukturalnych i niestrukturalnych, zarówno w stosunku do zasobów wodnych, jak i dostępu do wody i sanitacji oraz budowanie potencjału na wszystkich poziomach. Postanawiamy także podejmować, po wystąpieniu katastrofy, konieczne działania ograniczające jej skutki oraz działania rehabilitacyjne w stosunku do dotkniętych nimi ludzi i systemów hydrologicznych. 11. Będziemy usiłować polepszyć systemy monitoringowe związane z wodą i zapewnić, aby użyteczne informacje były powszechnie dostępne dla całej zainteresowanej ludności, włączając państwa sąsiednie. 12. Będziemy wyjaśniać na wszystkich poziomach, o ile stosowne, rolę prawa oraz odpowiedzialność wszystkich udziałowców, jak też promować koordynację poprzeczną i polityki, aby umożliwić ludziom dostęp do wody jako klucz do osiągnięcia rozwoju zrównoważonego, w szczególności, przy zachowaniu odpowiedzialności w uzgodnieniu z rządami i władzami lokalnymi, oraz wspierać różne formy partnerstwa. 13. Aby polepszyć zarządzanie sektorem wodnym na poziomie krajowym, gdy stosowne, będziemy: a) promować reformy instytucjonalne gospodarowania wodą, b) wzmacniać prawo sektora wodnego i ramy kontrolne, zwiększać odpowiedzialność polityczną i administracyjną dla implementacji prawa oraz zapewniać jego efektywne przestrzeganie, c) zapobiegać korupcji i zwiększać integralność we wdrażaniu polityk, planów i praktyk związanych z wodą, d) zapewniać przejrzystość w procesach podejmowania decyzji, e) wzmacniać uczestnictwo społeczeństwa odzwierciedlające-


64

14.

15.

16.

17.

18.

konferencje i kongresy – świat

go wszystkich użytkowników wodnych. Będziemy popierać badania naukowe, edukację, rozwój i wdrażanie nowych technologii oraz rozszerzenie wyborów technologicznych w dziedzinie wody, promować ich stosowanie w kierunku wykorzystania i gospodarowania zasobami wodnymi oraz zwiększenia możliwości adaptacyjnych i odporności społeczeństw. Podejmiemy wysiłki aby promować współpracę międzynarodową w rozwoju, zastosowaniu i rozpowszechnianiu, w tym upowszechnianiu technologii, praktyk i procesów dotyczących spraw wodnych, jak też promować badania naukowe, technologiczne, społeczno-ekonomiczne i inne w kierunku lepszego uniwersalnego dostępu do wody i sanitacji. Dziękujemy za dyskusje wewnątrz systemu ONZ dotyczące praw człowieka i dostępu do bezpiecznej wody do picia i sanitacji. Uznajemy, że dostęp do bezpiecznej wody pitnej i sanitacji stanowi podstawową potrzebę człowieka. Podejmiemy konkretne i rzeczowe kroki, gdy stosowne, aby polepszyć i promować kooperację dotyczącą zrównoważonego użytkowania i ochrony granicznych zasobów wodnych poprzez skoordynowane działania związanych z tym państw, w zgodzie z istniejącymi porozumieniami i/lub innymi stosownymi umowami, biorąc pod uwagę interesy wszystkich nadrzecznych państw, których do dotyczy. Gdy stosowne, będziemy pracować, aby wzmocnić istniejące instytucje i utworzyć nowe, jak też wprowadzić instrumenty, by polepszyć gospodarowanie wodami granicznymi. Zapraszamy międzynarodowe organizacje i instytucje do wspierania wysiłków międzynarodowych, by zwiększyć upowszechnienie doświadczeń i dzielenie się najlepszymi praktykami dotyczącymi zrównoważonej odnowy wód, ochrony wód oraz zachowania, gospodarowania i wykorzystania zasobów wodnych. Będziemy usiłowali ustalić priorytety dla wody i sanitacji w planach krajowych i strategiach rozwojowych, opracować lokalne i krajowe/ regionalne plany gospodarowania

wodą, alokować odpowiednie środki budżetowe na gospodarowanie wodą i dostarczenie usług sanitacyjnych, będziemy kierować procesami koordynacyjnymi donorów i kreować korzystne środowisko dla inwestycji wodnych i sanitacyjnych. Będziemy działać, by mobilizować zasoby finansowe ze wszystkich źródeł, włączając źródła finansowe publiczne i prywatne. 19. Będziemy promować efektywne wykorzystanie środków finansowych ze wszystkich źródeł, w tym zachęcać międzynarodowe instytucje finansowe, partnerów rozwojowych, państwa beneficjentów, by zwiększyć pomoc dla gospodarowania wodą, zaopatrzenia w wodę i sanitacji. Postanawiamy również wspierać bardziej efektywną i zróżnicowaną pomoc, systemy kredytowe i finansowe, które są łatwo dostępne i o przystępnym oprocentowaniu. 20. Uznając, że nowe i odpowiednie środki finansowe są potrzebne, aby osiągnąć milenijne cele rozwoju, wzywamy społeczność międzynarodową, partnerów rozwojowych i prywatne źródła finansowania, aby inwestowali środki w celu uzupełnienia wysiłków podjętych przez państwa rozwijające się i państwa o gospodarkach w okresie przejściowym, aby rozwinąć zrównoważone gospodarowanie zasobami wodnymi i zbudować podstawową infrastrukturę dla zrównoważonego wzrostu społeczno-gospodarczego, szczególnie w Afryce i najmniej rozwiniętych państwach. 21. Uznajemy potrzebę uzasadnionych, sprawiedliwych i zrównoważonych strategii odzysku kosztów i dlatego będziemy promować i wdrażać realistyczne i zrównoważone strategie finansowania sektora wodnego, szczególnie sektora zaopatrzenia w wodę, osiągnięcia dobrej jakości wody i sanitacji. Uznajemy, że podejścia i narzędzia wyłącznie ekonomiczne nie mogą odzwierciedlać wszystkich aspektów społecznych i środowiskowych odzysku kosztów. Strategie finansowe powinny być oparte na najlepszych możliwych zastosowaniach oraz na łączeniu taryf dla wszystkich usług wodnych oraz o podatki i transfery bankowe, aby

pokryć potrzeby związane z rozwojem infrastruktury, jej rozszerzeniem, eksploatacją i utrzymaniem w ruchu. 22. Uznajemy na końcu, że woda stanowi zagadnienie o aspekcie horyzontalnym, stąd będziemy przekazywać nasze przesłanie poza sektor wodny, włączając najwyższe poziomy polityczne. Będziemy podejmowali znaczne wysiłki, aby być na bieżąco z tym zagadnieniem, w celu opracowania nowatorskiego zarządzania, zintegrowanego sterowania polityką wodną, ram prawnych, mechanizmów finansowych, technologii, w połączeniu z rozwojem potencjału. Dlatego, jako ministrowie i przewodniczący delegacji, obecni na Ministerialnej Konferencji Światowego Forum Wodnego przedstawiamy następujący punkt widzenia: A) Wyniki procesu ministerialnego V Światowego Forum Wodnego należy przekazać do stosownych procesów międzynarodowych i regionalnych. B) Wzywamy i apelujemy do wszystkich zainteresowanych do wzięcia pod uwagę powyższego „Stanowiska Ministerialnego” i jego rekomendacji, aby zostały włączone, gdy stosowne, do naszych krajowych polityk związanych z gospodarowaniem zasobami wodnymi, jak również do wzięcia pod uwagę „Stambulskiego Poradnika Wodnego” i jego rekomendacji. C) Będziemy kontynuować prace, razem z parlamentem i władzami lokalnymi, aby odnosić się do zagadnień wodnych i sanitacji w uzgodniony sposób. D) Na końcu ministrowie i przewodniczący delegacji obecni na Konferencji Ministerialnej V Światowego Forum Wodnego pragną: E) Podziękować Rządowi Turcji, Metropolitalnemu Miastu Istambuł i Światowej Radzie Wodnej za zorganizowanie V Światowego Forum Wodnego i Konferencji Ministerialnej. F) Zauważyć z uznaniem uczestnictwo rządów krajowych, organizacji regionalnych i międzynarodowych i grup bezpośrednio zainteresowanych w ministerialnych, regionalnych i tematycznych procesach V Światowego Forum Wodnego.


65

z państwowego zakładu higieny i stacji sanitarno-epidemiologicznych

Ocena jakości wody wodociągowej w Polsce w 2007 r. w świetle badań Państwowej Inspekcji Sanitarnej Ocena jakości wody wodociągowej w Polsce w 2007 r. w świetle badań Państwowej Inspekcji Sanitarnej Streszczenie Przedmiotem pracy była ocena wyników badań wody wodociągowej, wykonanych w 2007 r. na obszarze całego kraju przez organy Państwowej Inspekcji Sanitarnej (PIS) w ramach monitoringu i nadzoru nad jakością wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi. Oceną objęto rezultaty analiz blisko 90 tysięcy próbek wody, zwracając szczególną uwagę na występowanie w ponadnormatywnych ilościach zanieczyszczeń, mogących negatywnie wpływać na stan zdrowia ludności, oceniając częstość i stopień przekroczeń wartości dopuszczalnych, określonych w przepisach prawnych. Najczęstszym powodem niezgodnej z wymaganiami jakości wody były podwyższone wartości wskaźników nie mających bezpośredniego wpływu na bezpieczeństwo wody dla zdrowia, lecz istotnych dla jej oceny sensorycznej i akceptowalności przez konsumentów (mangan – przekroczenia wartości dopuszczalnych w 18,09% badanych próbek, żelazo - 10,81%, mętność -11,21%, barwa – 2,94%, ogólna liczba mikroorganizmów w temp. 22oC – 9,56% badanych próbek). Znacznie rzadziej stwierdzano przekroczenia wartości dopuszczalnych stężeń w przypadku parametrów, które osiągając wartości niezgodne z wymaganiami mogą wywierać niekorzystny wpływ na bezpieczeństwo wody dla zdrowia ludzi. Biorąc pod uwagę częstość i stopień wykrytych przekroczeń, największe znaczenie spośród nich miały trichlorometan (przekroczenia w 4,12% badanych póbek), ołów (1,07%), azotany (0,93%), fluorki (0,70%), kadm (0,57%). Znaczącym problemem pozostają przypadki kałowego zanieczyszczenia wody, których wskaźnikiem jest E. coli, wykryta w nadmiernych ilościach w 0,97% badanych próbek oraz paciorkowce kałowe (enterokoki) (2,34% róbek badanych). W badaniach stwierdzono odwrotną zależność między jakością wody a wielkością dobowej produkcji wody w danym obiekcie – w wodociągach wytwarzających do 100 m3 wody na dobę 28,6% badanych próbek wody nie spełniało wymagań jakościowych, głównie z powodu przekroczeń wartości dopuszczalnych dla parametrów istotnych z uwagi na akceptowalność wody przez konsumentów, podczas gdy w wodociągach o produkcji wody przekraczającej 100 000 m3/d zjawisko to dotyczyło 5,3% badanych próbek wody.

Abstract The quality of drinking water from public supply networks in Poland was analysed on the basis of the data collected in 2007 by polish public health services, responsible for drinking water nationwide routine monitoring system. Laboratory tests results of all taken samles (90 thousands) were analysed with special emphasis on indicators having significant impact on drinking water health safety when present in amounts exceeding the maximum limit values. The frequency and degree of failure to comply with the requirements was recorded. The most frequent causes of inadequate water quality included indicators of water sensory acceptance: high manganese and iron content (18,09% and 10,81% samples, respectively), high turbidity (11,21%), colour (2,94%), heterotrophic plate count at 22 oC (9,56% samples). The frequency of water faecal contamination was relatively high (0,97% of samples positive for E. coli; 2,34% for Enterococci). The incidence of failure to comply with the maximum limit values for contaminants with potential significance for health was particularly high for trichloromethane (4,12% samples), lead (1,07%), nitrate (0,93%), fluoride (0,70%), cadmium (0,57%). A strong adverse relationship between drinking water quality and daily water production by water treatment plant was recorded.

Małgorzata JAMSHEERBRATKOWSKA Krzysztof SKoTAK Jakub BRATKOWSKI


66

z państwowego zakładu higieny i stacji sanitarno-epidemiologicznych

J

akość wody przeznaczonej do spożycia, dostarczanej mieszkańcom za pośrednictwem systemów wodociągowych, podlega stałemu nadzorowi Państwowej Inspekcji Sanitarnej. Obejmuje on wiele elementów, wpływających pośrednio na jakość wody, z której korzystają konsumenci, w tym stan ochrony i zabezpieczenia stref ujęcia, ocenę jakości wody ujmowanej, aspekty bezpieczeństwa zdrowotnego stosowanych technologii uzdatniania wody i wyrobów konstrukcyjnych, instalowanych w sieciach dystrybucji. Najważniejszą częścią nadzoru pozostaje jednak monitoring jakości wody, na który składają się systematyczne badania próbek wody pobieranej z systemów zbiorowego zaopatrzenia, w tym w punktach czerpalnych u konsumentów. System monitoringu obejmuje zarówno bieżące badania wody, mające zweryfikować jej jakość mikrobiologiczną, skuteczność uzdatniania i dezynfekcji oraz wskaźniki decydujące o akceptowalności wody przez konsumentów (monitoring kontrolny) oraz badania, w których analizowany jest poszerzony zakres parametrów, umożliwiający dokładniejszą ocenę bezpieczeństwa wody dla zdrowia ludzi (monitoring przeglądowy). Częstość tych badań oraz zakres analizowanych parametrów określa rozporządzenie Ministra Zdrowia z dn. 29 marca 2007 r. (Dz. U. z 2007 r., Nr 61, poz. 417) [1], stanowiące implementację zaleceń dyrektywy 98/83/WE [2]. Ustanawia ona ujednolicone kryteria oceny jakości wody w państwach członkowskich Unii Europejskiej, zarówno w zakresie wskaźników mikrobiologicznych, jak i fizykochemicznych oraz ich maksymalnych wartości dopuszczalnych. Jedynym odstępstwem jest uwzględnienie w polskich regulacjach prawnych kilku dodatkowych parametrów, głównie ubocznych produktów dezynfekcji. Powyższe przepisy odnoszą się wyłącznie do systemów zbiorowego zaopatrzenia w wodę, w których dobowa produkcja wody wynosi co najmniej 10m3 lub które zaopatrują w wodę nie mniej niż 50 osób.

W myśl przepisów przywołanego rozporządzenia [1], od 2007 r. (w praktyce od 2008 r.) w kontrolnych badaniach jakości wody uczestniczą także jej producenci, uzgadniając z organami PIS liczbę, czas i punkty pobrania próbek przez przeszkolonego próbkobiorcę, a następnie dokonując analizy jakości wody w zatwierdzonych przez PIS laboratoriach (wewnętrzna kontrola jakości wody). Państwa Inspekcja Sanitarna sprawuje natomiast tak zwaną kontrolę urzędową, niezależnie pobierając próbki wody i przeprowadzając ich badania we własnych akredytowanych laboratoriach. Szczegółowe rozwiązania określone w przepisach prawnych zmierzają do zapewnienia optymalnej kontroli jakości wody, sprawowanej w sposób zmniejszający możliwość jej mylnej oceny. Analizie poddano wyniki badań jakości wody z systemów zbiorowego zaopatrzenia ludności na terenie całego kraju, wykonane w 2007 r. w ramach rutynowego monitoringu przez organy Państwowej Inspekcji Sanitarnej. Objęły one praktycznie wszystkie czynne wodociągi, w których dobowa produkcja wody wynosiła 10 i więcej m3/d i/lub które zaopatrywały 50 i więcej osób. W analizie nie uwzględniano badań wykonywanych w związku z rozruchem nowych lub modernizowanych urządzeń wodociągowych oraz z przypadkami awarii systemów wodociągowych. Próbki wody pobierane były wyłącznie przez przeszkolonych i certyfikowanych próbkobiorców. Badania wykonywano

w laboratoriach Państwowej Inspekcji Sanitarnej, z których wszystkie były akredytowane w zakresie stosowanych metod analitycznych. Analizy te wykonywano stosując metodyki zawarte w Polskich Normach lub spełniające wymagania określone w regulacjach prawnych, dotyczących jakości wody przeznaczonej do spożycia [1]. Częstość badań wody pochodzacej z określonego wodociągu była uzależniona od wielkości produkcji wody i wahała się od badań wykonywanych codziennie do 4x w ciągu roku w przypadku małych wodociągów. Zakres badanych parametrów był zgodny z określonym we wspomnianych regulacjach prawnych [1] i ogólnie biorąc obejmował cztery grupy parametrów: (1) wskaźniki bakteriologiczne zanieczyszczenia kałowego wody, w przypadku których przekroczenie wartości dopuszczalnych zagraża wystąpieniem wodozależnych chorób zakaźnych; (2) substancje chemiczne o znacznej toksyczności, które występując w wodzie w ilościach ponadnormatywnych stwarzają ryzyko niekorzystnych następstw zdrowotnych o zróżnicowanym nasileniu, z chorobami nowotworowymi włącznie; (3) wskaźniki mikrobiologiczne i fizykochemiczne, istotne z uwagi na ich znaczenie dla akceptowalności wody przez konsumentów; (4) uboczne produkty dezynfekcji. Dane dotyczące jakości wody, gromadzone przez Powiatowe Stacje Sanitarno-Epidemiologiczne, były przekazywane w formie elektronicznej do Stacji szczebla wojewódzkiego, któ-

re z kolei przesyłały je do Narodowego Instytutu Zdrowia Publicznego – Państwowego Zakładu Higieny. Po poddaniu ich końcowej weryfikacji i analizie wyniki badań oceniano odnosząc je do wyszczególnionych w przepisach prawnych wartości dopuszczalnych dla badanych parametrów i określając na tej podstawie odsetek próbek nie spełniających wymagań i stopień przekroczenia wartości dopuszczalnych, analizując także zróżnicowanie terytorialne stwierdzanych zmian. Zestawienie wyników przedstawiono w tabeli nr 1 i nr 2. W skali kraju odsetek ludności zaopatrywanej w wodę za pośrednictwem systemów wodociągowych wykazuje w ciągu ostatnich lat stały, systematyczny wzrost, osiągając w 2007 r. 86%. W miastach wynosi on obecnie 95%, podczas gdy na wsi – 72%. Sumaryczna ocena jakości wody wskazuje, że woda w pełni odpowiadająca wymaganiom określonym w przepisach prawnych w 2007 r. dostarczana była ogółem przez 82% wodociągów (w miastach 85%, na wsi 81%). Wskaźnik ten był jednak zróżnicowany w poszczególnych częściach kraju, wynosząc około 70% w województwie pomorskim i sięgając ponad 90% w województwie małopolskim, śląskim i świętokrzyskim. Podobnie spośród ponad 90 tys. próbek wody wodociągowej, których analizę przeprowadzono w 2007 r. największy odsetek prób zakwestionowanych z powodu nie dotrzymania wymagań dla co najmniej jednego pa-


67

ocena jakości wody wodociągowej w polsce

Tabela 1. Wybrane parametry jakości wody wodociągowej w 2007 r. w Polsce w badaniach Państowej Inspekcji Sanitarnej: liczba próbek badanych oraz próbek, w których stwierdzono przekroczenia wartości dopuszczalnych Parametr

Przekroczenia wartości normatywnych

Ogólna liczba analiz

E. coli Enterokoki 1,2-dichloroetan Antymon Arsen Azotany Azotyny Benzo(a)piren Bor Bromiany Chrom Cyjanki Fluorki Kadm Miedź Nikiel Ołów Suma pestycydów Selen ΣTHM ΣWWA

74 230 53 597 224 1 204 7 665 60 809 60 473 4 543 981 195 9 119 328 11 868 9 363 3 056 3116 9 384 367 1 463 6 973 3 874

był jednak znacznie wyższy, osiągając w województwie pomorskim 39,3%, wielkopolskim 34,9%, kujawsko-pomorskim 33,7%. Wskazuje to na wyraźnie mniejsze możliwości małych producentów wody w zakresie wyboru optymalnych technologii uzdatniania wody, niezbędnej modernizacji urządzeń wodociągowych oraz właściwego nadzoru nad nimi.

Liczba analiz

Procent

718 1 323 1 2 50 565 249 27 6 8 6 0 83 53 2 33 100 2 5 1 10

0,97 2,34 0,45 0,17 0,65 0,93 0,41 0,59 0,61 4,1 0,07 0 0,70 0,57 0,07 1,06 1,07 0,52 0,34 0,01 0,26

Z uwagi na stopień i skalę zagrożenia epidemiologicznego, jakie wiąże się z przypadkami kałowego skażenia wody, jego wskaźniki – E. coli oraz paciorkowce kałowe (enterokoki) – są stałym i najważniejszym elementem oceny jakości wody w ramach monitoringu kontrolnego i mają zasadnicze znaczenie w ocenie przydatności wody do spożycia. Ich systematyczne badanie

100% 90%

% badanych próbek wody

rametru z ogółu ocenianych stwierdzono w województwie pomorskim i lubelskim, w których przekraczał on 30% (odpowiednio 32,5% i 31,3%). Wskaźnik ten najkorzystniej kształtował sie w województwie małopolskim, w którym zakwestionowano 8,1% badanych próbek wody. Nieodpowiednia jakość wody w zdecydowanej większości przypadków wynikała z podwyższonych wartości parametrów fizykochemicznych, istotnych z uwagi na sensoryczną ocenę wody przez konsumentów (ryc. 1). Wśród ogółu wodociągów, w których jakość wody została oceniona negatywnie, w 90% przypadków powodem tego była niezgodność w wymaganiami dla tej grupy wskaźników – najczęściej w województwach pomorskim, wielkopolskim i warmińsko-mazurskim, w których nieprawidłowości te dotyczyły 20% ogółu objętych nadzorem wodociągów. Systemy wodociągowe, w których stwierdzono nieodpowiednią jakość bakteriologiczną wody stanowiły łącznie ok. 2% ogółu skontrolowanych – sytuacja taka wystąpiła w 219 wodociągach, w tym w 43 w miastach i 176 położonych na terenach wiejskich. W niektórych województwach (dolnośląskie, lubuskie) odsetek ten sięgał 5%, natomiast najkorzystniejsza sytuacja pod tym względem wystąpiła w województwie zachodniopomorskim i podlaskim, gdzie nieodpowiednią jakość mikrobiologiczną wody stwierdzono w 0,5% objętych nadzorem wodociągów. Odsetek próbek, w których jakość wody uznano za niezgodną z wymaganiami wykazuje wyraźną zależność od wydajności wodociągu, wyrażanej jako dobowa produkcja wody (ryc.2). W grupie największych wodociągów, wytwarzających ponad 100 000 m3 wody na dobę, próbki zakwestionowane stanowiły 5,3% ogółu badanych. W wodociągach produkujących mniejsze ilości wody wskaźnik ten wykazuje wzrost – tym większy, im mniejsza dobowa produkcja wody. W kategorii wodociągów o najmniejszej produkcji wody <100 m3/dobę próbki, w których jakość wody budziła zastrzeżenia, stanowiły 28,6%. W niektórych województwach odsetek ten

80% 70% % próbek, w których badane parametry przekraczały wartości dopuszczalne

60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%

A

B

parametry mające istotny wpływ na bezpieczeństwo wody dla zdrowia

parametry wpływające na akceptowalność wody

% próbek, w których badane parametry były zgodne z wymaganiami

Rys. 1. Jakość wody przeznaczonej do spożycia w badaniach PIS (2007 r.). Częstość przekroczeń parametrów chemicznych o istotnym znaczeniu dla bezpieczeństwa wody dla zdrowia ludzi (A) oraz kontrolowanych z uwagi na wpływ na akceptowalność wody przez konsumentów (B)


68

z państwowego zakładu higieny i stacji sanitarno-epidemiologicznych

Parametr

Arsen Azotany Azotyny Benzo(a)piren Chrom Fluorki Kadm Mangan Ołów ΣTHM Trichlorometan ΣWWA

Maksymalna wartość dopuszczalna [1]

Jednostka

Tabela 2. Wyniki oznaczeń wybranych parametrów chemicznych jakości wody o istotnym znaczeniu dla bezpieczeństwa wody dla zdrowia

0,010 50 0,50 0,010 0,050 1,5 0,005 0,05 0,025** 150*** 30 0,10

mg/l mg/l mg/l μg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l μg/l μg/l μg/l

Wartości stężeń w grupie próbek, w których nie przekraczały poziomów dopuszczalnych

Wartości stężeń w próbkach, w których przekraczały poziomy dopuszczalne

Średnie stężenie

Mediana wartości stężeń

Zakres wartości stężeń

Średnie stężenie

Mediana wartości stężeń

0,001121 5,67473 0,02055 0,001951 0,005871 0,267773 0,000702 0,024138 0,005114 12,4834 2 3,833634 0,00664

0,001 2 1 0,0015 0,0024 0,23 0,0005 0,02 0,005 4,3 2 0,005

0,104-0,40 50,02-244,6 0,52-26,71 0,011-0,11 0,06-0,51 1,53-6,12 0,0051-0,10 0,051-5,61 0,0255-0,199 219,4 30,5-77,8 0,12-0,84

0,090897619 68,09850866 3,634664501 0,086347619 0,310708333 4,22195122 0,025511765 0,18795463 0,062079933 219,4 52,28144944 0,632317647

0,0235 60 1 0,07 0,1 2,35 0,009 0,11 0,044 219,4 40 0,3

od dn. 1 stycznia 2008 r. obowiązuje wartość 0,010 mg/l od dn. 1 stycznia 2013 r. obowiązuje wartość 0,010 mg/l *** od dn. 1 stycznia 2008 r. obowiązuje wartość 100 μg/l *

**

jest niezbędne szczególnie w wodociągach zasilanych wodami powierzchniowymi z uwagi na ich znaczny z reguły stopień skażenia mikrobiologicznego. W wodach powierzchniowych surowych, ujmowanych na zaopatrzenie ludności liczba jednostek tworzących kolonie E. coli i paciorkowców kałowych osiąga poziom świadczący o zanieczyszczeniu kałowym w blisko 90% badanych próbek. Na przeprowadzonych ogółem w skali kraju 74 230 badań próbek uzdatnionej wody wodociągowej w kierunku E. coli ponadnormatywne ilości wykryto w 718 z nich (0,97%). Paciorkowce kałowe w ilościach wskazujących na fekalne skażenie wody wykryto w 1 323 próbkach wody wodociągowej spośród 53

597 badanych (2,34%). Stwierdzone przypadki kałowego zanieczyszczenia wody były najliczniejsze na obszarze województwa małopolskiego i świętokrzyskiego, najrzadziej natomiast występowały w województwie podlaskim i warmińsko-mazurskim. Mikrobiologiczne zanieczyszczenie wody typu kałowego oznacza zagrożenie wystąpieniem w znacznej skali chorób zakaźnych, szerzących się drogą pokarmową i wymaga natychmiastowej interwencji i zakazu korzystania z wody do celów spożywczych do czasu ustąpienia zmian i potwierdzenia należytej jakości wody. Stąd mimo iż ilość takich przypadków w świetle powyższych danych wydaje się niewielka, w istocie wobec zagrożenia, jakie

100% 90%

% wodociągów

80%

jakość wody nieodpowiednia jakość wody odpowiednia

70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%

< 100

101-1000

1001-10000 10001-100000 produkcja wody [m3/d]

> 100000

Rys. 2. Jakość wody przeznaczonej do spożycia w zależności o wydajności wodociągu (dane PIS, 2007 r.)

stwarzają, należy uznać je za znaczący problem. Standardowe badania monitoringowe wody wodociągowej obejmują także wskaźniki mikrobiologiczne, nie mające bezpośredniego odniesienia do bezpieczeństwa zdrowotnego, informujące jednak o innych aspektach jakości wody, w tym o zanieczyszczeniu wody ujmowanej, skuteczności oczyszczania wody, stanie technicznym sieci dystrybucyjnej. Ogólnie biorąc, częstość przekroczeń wartości dopuszczalnych w tej grupie wskaźników jest wyższa w porównaniu z parametrami wskazującymi na skażenie kałowe wody. Dotyczy to przede wszystkim ogólnej liczby mikroorganizmów w temp. 22°C, dla której wartości wyższe niż wymagane stwierdzono w 9,56% ogółu badanych próbek. W przypadku pozostałych wskaźników odsetek takich próbek wynosił odpowiednio: ogólna liczba mikroorganizmów w temp. 36oC – 2,67%, C. perfringens (badany wyłącznie w wodach z ujęć powierzchniowych) – 2,72%, bakterie grupy coli – 4,73% próbek z przekroczeniami wartości dopuszczalnych. W ocenie jakości wody wodociągowej szczególne znaczenie mają te spośród zawartych w niej substancji chemicznych, które z uwagi na swe właściwości toksyczne lub/i kance-


ocena jakości wody wodociągowej w polsce

rogenne mogą wywierać niekorzystne skutki zdrowotne, jeśli występują w stężeniach przekraczających poziomy dopuszczalne. W grupie tej znajdują się zarówno substancje obecne w wodach ujmowanych (arsen, bor, fluorki, azotany, pestycydy, cyjanki, selen) jak i wtórne zanieczyszczenia wody, przenikające do niej w trakcie oczyszczania, dezynfekcji i dystrybucji (metale ciężkie – ołów, kadm, nikiel, chrom; trihalometany, w tym trichlorometan, benzo(a)piren, wielopierścioniowe węglowodory aromatyczne). Analiza wyników monitoringu jakości wody wskazuje, że biorąc pod uwagę skalę problemu najbardziej negatywny wpływ na bezpieczeństwo zdrowotne wody wodociągowej mają metale ciężkie, zwłaszcza ołów. Wynika to zarówno z jego toksyczności i tendencji do kumulacji w organizmie, jak i z częstości występowania stężeń przekraczających wartości dopuszczalne. Stwierdzano je w 100 próbkach wody spośród 9 384 badanych (1,07%). Biorąc pod uwagę, że mediana stężeń ołowiu w powyższych próbkach wynosi 0,044 mg/l, a przewidywana maksymalna wartość dopuszczalna od 2013 r. będzie określona na poziomie 0,010 mg/l, należy zauważyć, że jeśli wskaźnik ten nie ulegnie poprawie w ciągu najbliższych 4 lat, odsetek próbek nie odpowiadających wymaganiom (które już obowiązują w niektórych państwach członkowskich UE) znacząco wzrośnie. W skali kraju widoczne jest wyraźne zróżnicowanie terytorialne tego zjawiska, które osiąga największe nasilenie w województwach zachodniej części kraju: dolnośląskim (9,17%), wielkopolskim (8,45%), śląskim (5,27%), zachodniopomorskim (3,25%). Ogółem na obszar powyższych województw przypada 72,3% stwierdzonych przypadków przekroczeń wartości dopuszczalnych stężeń ołowiu. Na ich terenie znajdują się także 3 z 4 powiatów, w których niezgodne z wymaganiami stężenia ołowiu stwierdzono we wszystkich badanych w tym kierunku próbkach wody (2 w województwie dolnośląskim, 1 w województwie śląskim, 1 w województwie warmińskomazurskim). Problem ten nie występuje natomiast w województwach

małopolskim, opolskim, podkarpackim, podlaskim, pomorskim, w których we wszystkich zbadanych próbkach wody wodociągowej wartości stężeń ołowiu mieściły się w granicach dopuszczalnych. Źródłem podwyższonych poziomów ołowiu w wodzie wodociągowej są prawie wyłącznie materiały i wyroby konstrukcyjne stosowane w sieciach wodociągowych, w tym nadal eksploatowane elementy wykonane z ołowiu, zainstalowane przed blisko stu laty. Jednocześnie należy stwierdzić, że w większości próbek, w których wykryto podwyższone wartości stężenia ołowiu nie osiągały one wysokich poziomów, stwarzających znaczne ryzyko szkodliwych skutków dla zdrowia – w 70% próbek nie przekraczały one 0,05 mg/l, czyli poziomu uznawanego do niedawna za dopuszczalny. W grupie próbek, w których stężenia ołowiu mieściły się w granicach wartości dopuszczalnych, zdecydowanie przeważały niskie poziomy tej substancji – w ponad 90% próbek stężenie ołowiu nie przekraczało poziomu 0,01mg/l, a mediana stężeń wynosiła 0,005 mg/l. Odrębny problem stanowią przekroczenia wartości dopuszczalnych stężeń innych metali ciężkich, przede wszystkim kadmu i niklu, choć skala tego zjawiska i jego znaczenie zdrowotne jest znacznie mniejsze. Podwyższone stężenia kadmu dotyczyły 53 próbek wody wodociągowej spośród 9 363 skontrolowanych (0,57%), trudno jednak uznać to za zjawisko pozbawione znaczenia z uwagi na silną toksyczność tej substancji oraz na przyjęty przez państwa członkowskie UE wyższy maksymalny poziom dopuszczalny (0,005 mg/l) niż określony przez specjalistów Światowej Organizacji Zdrowia (0,003 mg/l) [3]. Mediana wartości stężeń kadmu w próbkach, w których były one wyższe niż poziomy dopuszczalne wynosiła 0,009 mg/l. Problem obserwowany był głównie na obszarze województwa dolnośląskiego, w którym poziomy kadmu przekraczające wartości dopuszczalne stwierdzono w 5,3% badanych próbek wody. W niewielkiej liczbie badanych próbek wody wodociągowej stwier-

69

dzono występowanie podwyższonych stężeń niklu (33 próbki spośród 3116 skontrolowanych). Zjawisko to miało zasięg ograniczony do 4 województw, a ponad połowa próbek wody, w których je stwierdzono, pochodziła z województwa zachodniopomorskiego. Oceniając potencjalnie wynikające stąd zagrożenia zdrowotne należy pamiętać, że właściwości toksyczne niklu przy doustnej drodze narażenia są oceniane jako umiarkowane, a ponadto maksymalna wartość dopuszczalna została określona na poziomie bardzo restrykcyjnym – 0,02 mg/l, podczas gdy w myśl zaleceń WHO za w pełni bezpieczne należy uznać poziomy sięgające 0,07 mg/l [3]. Do grupy substancji występujących w wodzie wodociągowej, mogących wywierać negatywny wpływ na stan zdrowia konsumentów należą fluorki, przenikające do wody ujmowanej z utworów geologicznych. W stężeniach przekraczających poziomy dopuszczalne powodują one zmiany w układzie kostnym oraz uzębieniu, określane mianem fluorozy. W Polsce w 2007 r. podwyższone wartości stężeń fluorków wykryto w 83 próbkach wody wodociągowej spośród 11 868 badanych w tym kierunku (0,70%). Wskaźnik ten utrzymuje się od lat na zbliżonym poziomie. Prawie wszystkie przypadki nadmiernej zawartości fluorków w wodzie dotyczyły miejscowości położonych na terenie 5 powiatów województwa pomorskiego, jedynie nieliczne próbki wody, w których stwierdzono to zjawisko pochodziły z województwa dolnośląskiego i łódzkiego. W 50% próbek wody wodociągowej, w których stwierdzono podwyższone wartości stężeń fluorków nie przekraczały one 2,31 mg/l. Przy ekspozycji na tego rzędu stężenia zwykle nie obserwuje się nasilonych zmian kostnych, a stwierdzane niekorzystne następstwa przeważnie ograniczają się do przebarwień szkliwa zębów, mającego charakter defektu kosmetycznego. Mediana wartości stężeń fluorków w próbkach wody, w których stwierdzono przekroczenia poziomów dopuszczalnych, wyniosła 2,35 mg/l. W kilku procentach próbek stężenia te były jednak wyraźnie wyższe, sięgając w skrajnych przypadkach 6,12 mg/l.


70

z państwowego zakładu higieny i stacji sanitarno-epidemiologicznych

Istotne znaczenie dla bezpieczeństwa zdrowotnego wody wodociągowej w Polsce mają występujące w podwyższonych stężeniach azotany i azotyny, zwykle w następstwie skażenia warstw wodonośnych związkami azotowymi, zawartymi w nawozach sztucznych. Spowodowane tym zagrożenie dla zdrowia dotyczy głównie niemowląt do 3 miesiąca życia. Po wpływem rozwijającej się w żołądku przy wysokich wartościach pH soku żołądkowego flory bakteryjnej następuje redukcja azotanów do azotynów, które wchłaniając się, powodują utlenienie zawartego w hemoglobinie żelaza (methemoglobinemia), pozbawiając w ten sposób organizm możliwości transportu tlenu do tkanek. W Polsce w 2007 r. na 60 809 badanych w kierunku azotanów próbek wody przekroczenie maksymalnej wartości dopuszczalnej wykryto w 565 z nich (0,93%). W przypadku azotynów przy zbliżonej liczbie badanych próbek wody (60 473) przekroczenia poziomów dopuszczalnych dotyczyły 249 z nich, były więc prawie dwukrotnie mniej liczne (0,41%). Przypadki zwiększonej zawartości azotanów i azotynów w wodzie wodociągowej odnotowano na terenie całego kraju, z wyraźną przewagą województwa dolnośląskiego, opolskiego, zachodniopomorskiego (azotany) oraz dolnośląskiego, lubuskiego, wielkopolskiego i zachodniopomorskiego (azotynów). Mimo znacznej rozpiętości poziomów obu substancji w tych próbkach wody, w których przewyższały one poziomy dopuszczalne (azotany 50,02-244,6 mg/l; azotyny 0,519 – 26,71 mg/l) należy podkreślić, że w większości z nich przekroczenie to było niewielkie lub umiarkowane – w 60% takich próbek nie przewyższało wartości 63,3 mg/l dla azotanów i 1,35 mg/l dla azotynów. Wysokie wartości stężeń, z którymi mogą wiązać się niekorzystne następstwa zdrowotne, stwierdzono sporadycznie i dotyczyły one pojedyńczych próbek. W 2007 r. blisko 31% ludności w Polsce zaopatrywanych było w wodę pochodzącą z ujęć powierzchniowych, wymagającą stałej dezynfekcji. W wielu wodociągach zasilanych wodą z ujęć

podziemnych stosowano ponadto dezynfekcję okresową. W obu przypadkach najbardziej rozpowszechnionym środkiem dezynfekcyjnym pozostawał podchloryn sodu, wykorzystywany w 294 stacjach uzdatniania wody oraz stosowany w dużych obiektach chlor gazowy (58 stacji). Na podkreślenie zasługuje fakt, że na prawie 7000 wykonanych analiz sumy trihalometanów w wodzie wodociągowej praktycznie nie stwierdzano przekroczeń wartości dopuszczalnych (odnotowano tylko jeden taki przypadek). Wielokrotnie obserwowano natomiast podwyższone stężenia trichlorometanu (chloroformu) w uzdatnionej wodzie – na 2191 badanych próbek wystąpiły one w 90 przypadkach (4,12%), mieszcząc się w granicach 30,5 – 77,8 μg/l. Tu również wiekszość stwierdzonych przekroczeń w niewielkim stopniu przewyższała poziomy dopuszczalne, w 70% próbek nie przekraczając wartości 46,42 μg/l. W próbkach wody, w których stwierdzone poziomy trichlorometanu mieściły sie w granicach dopuszczalnych, były one z reguły niskie – mediana wartości stężeń w tej grupie próbek wynosiła 2 μg/l, a aż w 90% próbek wykryte stężenia nie przekraczały 10,2 μg/l, czyli jednej trzeciej maksymalnej wartości dopuszczalnej. Mimo niewielkiej liczby wykonanych analiz, ze stosunkowo znaczną częstością wykrywano podwyższone wartości stężeń bromianów w badanych próbkach wody – stwierdzono je w 4,10% z przebadanych 195 próbek. W porównaniu z chlorowaniem instalacje ozonowania wody są znacznie mniej rozpowszechnione – według danych z roku 2007 technikę tę stosowano w 28 obiektach. Łącznie w skali kraju populacja narażona na podwyższone wartości stężeń bromianów w wodzie przeznaczonej do spożycia nie jest jednak mała z uwagi na fakt, że ozonowanie wody prowadzone jest zwykle w dużych stacjach uzdatniania wody, w tym zaopatrujących duże ośrodki miejskie. Marginalny charakter miały stwierdzone przypadki podwyższonych stężeń sumy wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych w wodzie przeznaczonej do spożycia

– odnotowano je w 10 próbkach wody na 3 874 zbadanych (0,26%) w województwie łódzkim, mazowieckim i śląskim. W stosunkowo niewielkiej liczbie badań stwierdzono przekraczające maksymalną wartość dopuszczalną stężenia benzo(a) pirenu (27 na 4 543 zbadane próbki wody; 0,59%), wymagają one jednak nieco większej uwagi z uwagi na właściwości rakotwórcze tej substancji. Większość wykrytych przypadków pochodziła z obszaru województwa wielkopolskiego, jedynie nieliczne miały miejsce w województwie mazowieckim i pomorskim. Substancje toksyczne, występujące w podwyższonych stężeniach w wodzie wodociągowej często nie są skutecznie usuwane poprzez ograniczony zakres podstawowych metod uzdatniania, dostępny dla małych wodociągów. Typowym przykładem są azotany i fluorki. W wielu przypadkach korzystniejszym rozwiązaniem jest podłączenie danej miejscowości do innego systemu wodociągowego, zasilanego wodą o pożądanych parametrach jakościowych. Związana z tym rozbudowa sieci dystrybucji, a niekiedy i ujęcia jest jednak zwykle inwestycją czasochłonną i nie pozwala na uzyskanie poprawy jakości wody w krótkim czasie. Miarą zagrożenia dla zdrowia ludzi, jakie stwarzają substancje toksyczne zawarte w ilościach ponadnormatywnych w wodzie przeznaczonej do spożycia jest częstość i stopień przekroczeń ich dopuszczalnych stężeń, czas trwania narażenia oraz wielkość eksponowanej populacji. Analizując potencjalne następstwa zdrowotne występowania podwyższonych stężeń substancji toksycznych w wodzie przeznaczonej do spożycia należy zwrócić uwagę, że wartości dopuszczalnych stężeń ustalane są zawsze z dużym marginesem bezpieczeństwa, to jest na poziomie wielokrotnie niższym, niż mogący stwarzać rzeczywiste zagrożenie zdrowia [3]. W tych warunkach niewielkie przekroczenia wartości dopuszczalnych stężeń (a te stanowią większość stwierdzanych przypadków) na ogół nie stanowią istotnego niebezpieczeństwa dla konsumentów i użykowników wody. Czynnikiem o istotnym znaczeniu jest także czas trwania narażenia [3].


71

ocena jakości wody wodociągowej w polsce

rozyjnym. W badaniach monitoringowych, prowadzonych w 2007 r. przez Państwową Inspekcję Sanitarną spośród 67 148 zbadanych próbek wody wodociągowej podwyższone wartości stężeń manganu stwierdzono w 12 149 próbkach (18,09%), przy czym odsetki te były najwyższe w przypadku województwa śląskiego (25,9% badanych próbek wody) i zachodniopomorskiego (20,4%). Powyższe dane odnoszą się do maksymalnej wartości dopuszczalnej, określonej zgodnie z obowiązującymi przepisami prawnymi na poziomie 0,05 mg/l. Należy z naciskiem podkreślić, że poziom ten przyjęto nie z uwagi na bezpieczeństwo zdrowotne konsumentów, lecz do dążąc do eliminacji występujących przy wyższych wartościach stężeń niepożądanych zmian organoleptycznych wody (wzrost mętności, metaliczny posmak) oraz tendencji do powstawania osadów w sieci dystrybucyjnej. Zgodnie z opinią specjalistów Światowej Organizacji Zdrowia, maksymalna wartość dopuszczalna stężeń manganu ustalona na podstawie kryteriów toksykologicznych wynosi 0,4 mg/l [3]. Podobnie jak w przypadku innych parametrów, w przeważającej liczbie próbek wody, w których stwierdzono podwyższone stężenie manganu odbiega ono od maksymalnej wartości dopuszczalnej w nieznacznym lub niewielkim stopniu, stąd też przekroczenie poziomu uznanego za znaczący ze względów zdrowotnych stwierdza się w mniejszej liczbie badanych próbek (877 próbek – 1,31%). W porównaniu z manganem, częstość występowania podwyższo-

nych stężeń żelaza w wodzie wodociągowej była nieco mniejsza – przy łącznej liczbie zbadanych próbek analogicznej jak dla manganu wartości przekraczające poziomy dopuszczalne stwierdzono w 10,81% z nich. Zjawisko to dotyczy obszaru całego kraju, jednak skala problemu jest największa w województwie pomorskim i zachodniopomorskim – zarówno z uwagi na jego rozpowszechnienie, jak i wysokość odnotowanych poziomów żelaza. Z występowaniem ponadnormatywnych wartości stężeń obu parametrów wiążą się stwierdzane nieprawidłowości dotyczące innych wskaźników jakości wody – podwyższonej mętności i barwy, stwierdzanej odpowiednio w 11,21% badanych próbek (mętność) i 2,94% (barwa). Obrazuje to skalę potrzeb związnych z realizacją inwestycji, niezbędnych do uzyskania stopniowej poprawy jakości wody w powyższym zakresie.

W podsumowaniu należy stwierdzić, że: 1) Wyniki badań wody wodociągowej, uzyskane w ramach rutynowego monitoringu wskazują, że w dość znacznym odsetku badanych próbek stwierdza się przekroczenia wartości dopuszczalnych, dotyczące parametrów decydujących o akceptowalności wody przez konsumentów (mangan – przekroczenia wartości dopuszczalnych w 18,09% badanych próbek, żelazo – 10,81%, mętność -11,21%, barwa – 2,94%, ogólna

jakość wody niezgodna z wymaganiami

jakość wody zgodna z wymaganiami

100% 90%

% badanych próbek wody

W ocenie jakości wody przeznaczonej do spożycia największą wagę przywiązuje się do jej bezpieczeństwa dla zdrowia konsumentów, zarówno w zakresie wskaźników mikrobiologicznych, jak i chemicznych, uznając za mniej istotne parametry organoleptyczne. Opinia konsumentów o jakości wody i jej nieszkodliwości dla zdrowia jest natomiast kształtowana głównie na podstawie kryteriów dostępnych ich bezpośredniej ocenie, na które składa się barwa, mętność, smak i zapach wody. Specjaliści Światowej Organizacji Zdrowia podkreślają potrzebę należnej dbałości o akceptowalność wody przez konsumentów i ostrzegają przed lekceważeniem tego problemu przez producentów wody i służby sanitarne. Obserwacje wskazują, że konsumenci w takich sytuacjach skłonni są poszukiwać alternatywnych źródeł zaopatrzenia w wodę. Preferują przy tym wodę, która odpowiada ich oczekiwaniom, nie przywiązując wagi do tego, czy jej jakość podlega jakiejkolwiek kontroli. W efekcie woda wybierana przez konsumentów może stwarzać zagrożenie dla zdrowia, czego sami jej użytkownicy nie są świadomi. Za niezbędne uznano zatem objęcie systematyczną kontrolą wskaźników, które w razie występowania w nadmiernym stężeniu lub nasileniu nie stwarzają wprawdzie zagrożenia dla zdrowia ludzi, ale mogą w sposób istotny wpływać na akceptowalność wody. Z uwagi na niekorzystny wpływ na jakość wody dostarczanej odbiorcom, głównie barwę i mętność, ale także na stan techniczny systemów dystrybucyjnych problemem o bardzo dużym znaczeniu praktycznym jest występowanie w wodzie nadmiernych ilości manganu i żelaza (ryc. 4). Obie te substancje występują w Polsce powszechnie na obszarze całego kraju w wodach ujmowanych podziemnego pochodzenia. W mniejszym stopniu mogą stanowić wtórne zanieczyszczenie wody, którego źródłem bywają złoża filtracyjne i katalityczne oraz – w przypadku żelaza – koagulanty żelazowe, elementy konstrukcyjne systemów przesyłowych wody, wykonane ze stali niestopowej lub żeliwa przy ich wadliwym lub niedostatecznym zabezpieczeniu antyko-

80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%

mangan

żelazo

amoniak

mętność

barwa

zapach

Rys. 3. Parametry jakości wody, istotne z uwagi jej ocenę sensoryczną oraz na stan techniczny sieci dystrybucyjnej – procentowy udział próbek, w których stwierdzono przekroczenia wartości dopuszczalnych.


72

z państwowego zakładu higieny i stacji sanitarno-epidemiologicznych

liczba mikroorganizmów w temp. 22oC – 9,56% badanych próbek). Nieprawidłowości te stwierdzano na obszarze całego kraju. Jakkolwiek skala problemów z tym związanych jest znaczna, sytuacja ta nie wiąże się bezpośrednio z negatywnymi konsekwencjami zdrowotnymi dla ludności. 2) Przypadki podwyższonych wartości stężeń substancji, mogących wywierać niekorzystny wpływ na zdrowie ludzi, stwierdzane były rzadziej. Z uwagi na częstość i stopień wykrytych przekroczeń poziomów dopuszczalnych największe znaczenie spośród nich miały trichlorometan (przekroczenia w 4,12% badanych próbek), ołów (1,07%), azotany (0,93%), fluorki (0,70%), kadm (0,57%). Nadal istotnym w skali kraju problemem pozostają przypadki kałowego zanieczyszczenia wody (przekroczenia wartości dopuszczalnych E. coli – 0,97% badanych próbek, paciorkowce kałowe (enterokoki) 2,34% próbek badanych). 3) Ogólnie jakość wody wodociągowej jest tym lepsza i tym rzadziej budzi zastrzeżenia, im większa wydajność wodociągu.

Literatura [1]

Rozporzadzenie Ministra Zdrowia z dn. 29 marca 207 r. w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi. Dz.U. z 2007 r., Nr 61, poz. 417. [2] Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady z dn. 3 listopada 1998 r. w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi. OJ L, 5.12.1998, 330, str. [3] Guidelines on drinking water quality. 3rd edition, 2004, WHO, Genewa

Malgorzata JAMSHErr-BrAtKOWSKA mjamsheer@pzh.gov.pl Krzysztof SKOtAK kskotak@pzh.gov.pl Jakub BrAtKOWSKI jbratkowski@pzh.gov.pl Państwowy Zakład Higieny Zakład Higieny Komunalnej

W kolejnym Substancje szkodliwe w osadach i popłuczynach z uzdatniania wody Małgorzata Leszczyńska

U

zyskanie wody o jakości odpowiadającej wymaganiom stawianym wodzie przeznaczonej do spożycia i na potrzeby gospodarcze jest podstawowym zadaniem procesu uzdatniania wody. Doboru sposobu uzdatniania wody dokonuje się na podstawie takich kryteriów jak: jakość wody w stanie surowym, skład domieszek czy zanieczyszczeń i docelowa jakość wody. Rosnące wymagania wymuszają stosowanie skomplikowanych procesów, co skutkuje coraz większą ilością odpadów i popłuczyn o różnym stopniu szkodliwości. W zależności od rodzaju i jakości uzdatnianej wody – podziemnej lub powierzchniowej – obserwuje się znaczące różnice w składzie osadów powstających w procesie uzdatniania, w szczególności, w ilości i rodzaju związków toksycznych. Rozmiary zagrożeń zależą od składu chemicznego osadów oraz od sposobu ich ostatecznego unieszkodliwiania, w tym także składowania...

Służebność przesyłu. Wybrane zagadnienia prawne Maciej Szambelańczyk

W

dniu 3 sierpnia 2008 roku weszła w życie ustawa z dnia 30 maja 2008 roku o zmianie ustawy – Kodeks cywilny oraz niektórych innych ustaw, która wprowadziła do polskiego porządku prawnego instytucję służebności przesyłu. Celem nowelizacji kodeksu cywilnego było stworzenie podstaw prawnych do lokowania urządzeń przesyłowych (w tym sieci wodociągowo-kanalizacyjnych) na gruntach osób trzecich. Fakt, iż zamierzeniem ustawodawcy było uregulowanie tytułu prawnego do gruntów pod urządzeniami sieciowymi nie oznacza, iż w dotychczasowym stanie prawnym możliwość taka nie była brana pod uwagę. Instytucja swego rodzaju służebności przesyłu była bowiem przedmiotem analiz w doktrynie prawa oraz wypowiedzi judykatury. Jednym z pierwszych orzeczeń w tym zakresie było rozstrzygnięcie Sądu Najwyższego z dnia 31 grudnia 1962 r., II CR 1006/62 (OSPiKA 1964, nr 5, poz. 91), zapadłe jeszcze na gruncie prawa rzeczowego. W orzeczeniu tym SN stwierdził, że „w prawie rzeczowym brak jest przepisu uprawniającego do ustanowienia służebności gruntowej polegającej na dopuszczeniu ustawienia na nieruchomości urządzeń koniecznych dla przeprowadzenia linii elektrycznej. Nie stanowi w szczególności podstawy prawnej dla ustanowienia takiej służebności art. 33 prawa rzeczowego zezwalający na ustanowienie służebności drogi koniecznej...


w kolejnym numerze

73

numerze, m.in.: Problematyka bakteriologicznego skażenia wód Michał Michałkiewicz, Beata Mądrecka

S

tan mikrobiologiczny wody odgrywa niezwykle istotną rolę w życiu człowieka. Pojawienie się lub stała obecność drobnoustrojów chorobotwórczych w wodach przeznaczonych do picia stwarza niebezpieczeństwo wystąpienia i roznoszenia licznych chorób zakaźnych i ma ważne znaczenie w procesach uzdatniania i dezynfekcji wody. Podczas dezynfekcji wody do picia istnieje bowiem możliwość wyeliminowania drobnoustrojów, zwłaszcza chorobotwórczych, które mogą wywoływać groźne epidemie. Skażenie wody może nastąpić u jej źródła, w miejscu czerpania lub produkcji wody, a także bezpośrednio w sieci wodociągowej. Epidemiom zapobiega się zwykle poprzez kontrolę jakości wody na różnych etapach jej produkcji, a także przez stały nadzór mikrobiologiczny nad wyprodukowaną wodą pitną, która dociera bezpośrednio do odbiorców. Obowiązujące w Polsce Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 29 marca 2007 roku (Dz. U. Nr 61, poz. 417) w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi określa, że kontrola mikrobiologiczna dotyczy wody...

Ewolucja systemu zaopatrzenia w wodę w XIX-wiecznym Wrocławiu Miron Urbaniak

W

ciągu XIX w. Wrocław, jako stolica Śląska, stał się olbrzymim ośrodkiem, którego ludność wzrosła z 59 000 w 1806 r. do ponad 500 000 w 1909 r. Olbrzymie miasto, będące jedną z trzech stolic państwa pruskiego, stało się nie tylko centrum administracji państwowej (stolica prowincji śląskiej i rejencji wrocławskiej), ale także prężnym ośrodkiem przemysłowym i ważnym węzłem komunikacyjnym2. To sprawiło, że jednym z najważniejszych zadań samorządu w dziedzinie infrastruktury technicznej miasta było zapewnienie mieszkańcom, instytucjom oraz przemysłowi odpowiednich ilości wody. Woda ta początkowo czerpana była kunsztami wodnymi z rzeki, później zbudowano centralny system wodociągowy, bazujący jednak w dalszym ciągu na wodzie Odry. W miarę pogarszania się jej jakości podjęto działania na rzecz budowy ujęcia wód gruntowych. Proces ewolucji zaopatrzenia w wodę w XIX-wiecznym Wrocławiu jest zarazem rozwiązaniem modelowym, charakterystycznym dla dużych ośrodków miejskich Prus położonych nad rzekami. Zaobserwować go można choćby w pobliskim Poznaniu...


74

aktualności

Jubileusz Grubej Kaśki Opracowała Joanna TrEPKA na podstawie wiadomości zawartych na portalu internetowym: www.tvp.pl/warszawa

J

ej imię to Kaśka. Wśród Warszawiaków jest znana i lubiana. W tym roku obchodzi swoje 45. urodziny. Jest duża. Jej gabaryty budzą spore uznanie: wzrost: ponad 49 metrów, obwód w talii: prawie 44 metry. Jak na prawdziwą gwiazdę przystało ma również swój pseudonim. W stolicy znana jest bowiem jako „Gruba Kaśka”.

Naszej jubilatki nie muszę nikomu przedstawiać. Wszyscy bowiem wiedzą, że pod powszechnie używaną nazwą „Gruba Kaśka”, kryje się studnia infiltracyjna i zasadnicze ujęcie wody w Zakładzie Wodociągu Praskiego (ZWP) w Warszawie. ZWP to jeden z trzech wodociągów uzdatniających wodę dla mieszkańców stolicy, usytuowany jest na Saskiej Kępie, przy ul. Brukselskiej. Po raz pierwszy woda uzdatniona przez ten właśnie zakład pojawiła się w kranach 22 września 1964 roku. Imponującym jest fakt, iż nasza rodzima gwiazda jest największym tego typu obiektem w Europie. Stoi w na środku Wisły, a dokładnie na jej 509. kilometrze. To właśnie z nurtu tej rzeki, Kaśka pobiera wodę uzdatnianą następnie w Zakładzie Wodociągu Praskiego oraz w popularnej Stacji Filtrów. Jej najbliższym krewnym jest zabytkowa studnia stojąca w Al. Solidarności, w pobliżu Placu Bankowego. Początek historii dzisiejszego MPWIK w Warszawie datuje się na rok 1786, czyli na równo sto lat przed uruchomieniem filtrów warszawskich, kiedy to powstała studnia nazwana „Gruba Kaśka na Tłomackiem”. O jej imieniu zadecydowali mieszkańcy Warszawy. Ówczesna władza, po wybudowaniu dość nietypowego jak na tamte czasy obiektu ogłosiła konkurs na jego nazwę. W głosowaniu, które przeprowadzono wygrało imię Kaśka. „Gruba Kaśka” była jedną z najważniejszych inwestycji, jakie przeprowadzała władza ludowa. Autorem projektu został Włodzimierz Skoraszewski, z którym współpracował Stanisław Wojnarowicz. Koncepcja dwóch inżynierów została opatento-

wana w Urzędzie Patentowym PRL. Budowa studni rozpoczęła się w 1953 r. „Gruba Kaśka” ujmuje wodę spod dna Wisły przy pomocy 15 drenów ułożonych promieniście w stosunku do studni, na głębokości 6,5-7 m pod dnem. Mają one łączną długość ponad 1848 metrów. Do drenów dostaje się woda infiltrowana przez złoże dna Wisły, nieporównanie lepszej jakości niż woda płynąca nurtem. Leżąca nad drenami warstwa filtracyjna jest utrzymywana w optymalnej sprawności przez spulchniacze hydrauliczne – „Chudy Wojtek II” i „Chudy Wojtek III”. Zakład Wodociągu Praskiego produkuje średnio 80 000 m3 wody na dobę. „Gruba Kaśka” pobiera średnio w ciągu doby 100 000 m3 wody, która trafia następnie do dwóch zakładów uzdatniających – wodociągu praskiego przy ul. Brukselskiej i centralnego przy ul. Koszykowej. Od połowy lat 90. zakład zaczął przeprowadzać liczne inwestycje. Wszystkie one były podporządkowane programowi „Poprawa jakości wody”. Dzięki temu dzisiejsza technologia uzdatniania wody w Zakładzie Praskim, jest ekologiczna i przyjazna dla środowiska. W najbliższych latach MPWIK planuje przeprowadzać kolejne modernizacje. Wszystkiego najlepszego Gruba Kaśko!


Profile for Seidel-Przywecki

Technologia Wody 01  

temat numeru: zaopatrzenie w wodę w cywilizacjach starożytnych

Technologia Wody 01  

temat numeru: zaopatrzenie w wodę w cywilizacjach starożytnych

Advertisement