Wtórne zanieczyszczenie wody w sieci wodociągowej żelazem - cz. I

Przyczyn wtórnego zanieczyszczenia sieci wodociągowej może być wiele. Większość z nich wiąże się jednak ze wspomnianym wieloletnim tłoczeniem nie spełniającej norm wody.

Gdy do sieci wodociągowej trafia woda o przekroczonej zawartości żelaza i/lub manganu następuje jego osadzanie na ściankach rurociągów. Prowadzone badania i obserwacje wskazują, że już przy stężeniu żelaza w wodzie wodociągowej równym 0,05 mg/L (a więc 4x poniżej dopuszczalnej normy) może się tworzyć osad żelazowy wewnątrz rurociągu.

Obecność osadu w sieci wodociągowej może wywoływać następujące problemy eksploatacyjne:

wzrost oporów sieci wodociągowej, a tym samym zwiększenie kosztów energii tłoczenia wody do odbiorców,
ryzyko rozwoju bakterii w osadzie żelazowym,
utrudnioną dezynfekcję sieci wodociągowej (zwłaszcza przy zastosowaniu podchlorynu sodu, czy chloru wolnego, który jest zdecydowanie bardziej skuteczny w stosunku do bakterii zawieszonych w toni wodnej),
problem zrywania osadów i bardzo licznych skarg odbiorców w przypadku wprowadzenia dezynfekcji wody dwutlenkiem chloru,
zwiększanie stężenia żelaza w wodzie wodociągowej, mimo jej dobrego składu chemicznego w momencie wtłaczania do sieci.
Przedmiotem artykułu jest ostatni z wymienionych problemów.
Zwiększanie się stężenia żelaza w wodzie wodociągowej może następować wskutek dwóch mechanizmów:

Mechanizm zrywania osadów, na skutek zmian kierunku lub natężenia przepływu wody w sieci wodociągowej – najczęściej występujący, wywołujący efekt tzw. brudnej wody. Stężenie żelaza wzrasta gwałtownie po włączeniu wody następującej np. po wcześniejszym, awaryjnym przestoju. Stężenie żelaza u odbiorców może wówczas wielokrotnie przekraczać normy. Dodatkowo występuje zwiększenie mętności oraz barwy. Praktycznie całość zerwanego żelaza to żelazo (III).

Mechanizm przechodzenia żelaza do wody wskutek jego rozpuszczania. Osad żelazowy jest ustabilizowanym związkiem chemicznym, który, jeśli nie zaistnieją czynniki zewnętrzne nie będzie wtórnie się rozpuszczał w wodzie. Do czynników zewnętrznych można zaliczyć w przypadku sieci wodociągowej dwa podstawowe elementy:

wprowadzenie do wody substancji powodującej rozpuszczenie żelaza (osadów żelazowych) – dotyczy to przede wszystkim kwasów – substancji zakwaszających,
wytworzenie (bądź występowanie) w sieci wodociągowej warunków redukcyjnych w których będzie zachodziła reakcja redukcji żelaza III do żelaza II.

Jeśli wystąpią zatem odpowiednie warunki żelazo będzie przechodziło do wody mimo stabilnych warunków przepływu. Co charakterystyczne można zauważyć w takim przypadku że:

żelazo przechodzi w sposób równomierny do wody (nie obserwuje się – poza okresami płukań sieci wodociągowej) nagłych wzrostów i spadków zawartości tego wskaźnika typowych dla zerwań osadu żelazowego podczas uderzeń hydraulicznych – kinetyka procesu jest bardzo stabilna,
woda w sieci wodociągowej nie jest mętna – co oznacza, że żelazo znajduje się w niej w postaci rozpuszczonej, jego wytrącenie następuje dopiero po pierwszym kontakcie z powietrzem (bezpośrednio u odbiorców, przede wszystkim na armaturze), stąd charakterystyczny rdzawy nalot,
charakterystyczny – żelazisty – zapach wody, typowy dla żelaza zredukowanego (nie utlenionego),
wyższe stężenia żelaza w sieci wodociągowej występują na końcówkach, czego przyczyną jest m.in. dłuższy czas kontaktu wody z osadem żelazowym oraz większa powierzchnia tegoż kontaktu (najniższy wzrost stężenia żelaza obserwuje się na sieciach magistralnych).

Jeśli wystąpią wymienione wyżej objawy, można stwierdzić, że wzrost stężenia żelaza w wodzie następuje wskutek rozpuszczania osadu żelazowego.

Zgodnie z doświadczeniami eksploatacyjnymi najczęstsze przyczyny przechodzenia do wody żelaza w omówionym II mechanizmie są następujące:

wewnątrz sieci wodociągowej znajdują się osady żelaza (III), które zostały odłożone we wcześniejszym okresie eksploatacji wodociągu (okresie, gdy dopuszczano wyższe stężenia żelaza w wodzie),
do sieci wodociągowej trafia woda o niskiej zawartości tlenu (< 2,0 mg/L) (np. wskutek mało efektywnej pracy urządzeń napowietrzających) w wyniku czego w sieci wodociągowej występują warunki beztlenowe lub anoksyczne,
do wodociągu jest wtłaczana woda o wyższej niż minimalna zawartości tlenu, ale również o przekroczonym stężeniu jonu amonowego, który jest usuwany wskutek procesów nitryfikacji prowadzonych przez bakterie rozwijające się w osadach wodociągowych, co powoduje znaczący ubytek tego utleniacza (na utlenienie 1,0 mg jonu amonowego potrzeba ok 4,54 mg tlenu).

Zatem podstawowym czynnikiem technologicznym w takiej sytuacji jest stężenie tlenu w sieci wodociągowej. Jeśli będzie się ono znajdowało poniżej określonej wartości (ok 2,0 – 3,0 mg/L) wówczas będzie następowała redukcja Fe(III) znajdującego się w osadach wodociągowych do Fe(II).

Dodatkowo powstaje ryzyko rozwoju w sieci bakterii beztlenowych, w tym redukujących siarczany do siarkowodoru, które mogą powodować znaczne pogorszenie walorów organoleptycznych wody (wyraźnie wyczuwalny zapach H2S).

Jeśli zatem przyczyną występowania opisanego powyżej mechanizmu są występujące w sieci warunki redukcyjne sposobem na zatrzymanie mechanizmu wtórnego zanieczyszczenia będzie zmiana tych warunków.

Podwyższenie tego potencjału można uzyskać poprzez dozowanie do wody odpowiednich utleniaczy. Spośród wszystkich utleniaczy wykorzystywanych w technologii uzdatniania wody, wydaje się, że najkorzystniejsze będzie dozowanie tlenu (albo w postaci czystego gazu, albo też w postaci powietrza).

Wprowadzenie do wody tlenu pozwoli zahamować proces przechodzenia żelaza (II) z osadu do wody przepływającej przez rurociąg. Co więcej, można się spodziewać występowania sytuacji odwrotnej – tj. żelazo z ujęć (studzien głębinowych) będzie się osadzało na sieci, w efekcie czego jego stężenie będzie spadać (sytuacja taka występuje na większości wodociągów, które wprowadzają do sieci wodę natlenioną, nie do końca odżelazioną).

Oczywiście nadal problemem pozostanie osad, który znajduje się w sieci wodociągowej, niemniej jednak on w tym momencie zdecydowanie łatwiejszy do odpłukania, czy usunięcia wskutek dozowania preparatów fosforanowych.

Sposobem ustalenia mechanizmu wtórnego zanieczyszczenia sieci wodociągowej, co pozwala bardziej precyzyjnie dobrać działania zaradcze, będą pomiary tlenu na sieci wodociągowej.

Pomiary powinny być wykonane:

na SUW w miejscu wtłoczenia wody do sieci wodociągowej,
na końcówkach sieci wodociągowej.

Naturalnie większą dokładność dają pomiary ma miejscu. Jednak pomiar tlenu bywa obarczony błędem – zwłaszcza jeśli wodę pobiera się do butelki nie zachowując przy tym elementarnych zasad – tj. przede wszystkim zasady minimalizacji rozdeszczenia (wtórnego natlenienia) strumienia pobieranej do badań wody.

Najlepsze wyniki (najbardziej stabilne) dają pomiary ciągłe – których najprostszą odmianą jest metoda polegająca na wprowadzeniu strumienia badanej wody (najlepiej wężem) do zlewki (lub innego naczynia), w której znajduje się sonda tlenowa i dokonywania pomiaru przy ciągłym przepływie tejże badanej wody. Badanie tą metodą np. wody surowej (przed napowietrzeniem) pozwala stwierdzić stężenia tlenu nawet < 0,3 mgO2/L.

W drugiej części artykułu, który zostanie wkrótce opublikowany na stronie www.technologia-wody.pl przedstawiony zostanie przykład rozwiązania problemu wtórnego zanieczyszczenia wody żelazem, który bazuje na bezpośredniej przyczynie, jaką jest niskie stężenie tlenu w wodzie.

Autor: Łukasz WEBER