System zaopatrzenia w wodę w aglomeracji warszawskiej
     Warszawa zaopatrywana jest w wodę z Wodociągów Układu Centralnego, czyli trzech zakładów produkujących wodę: Zakładu Wodociągu Centralnego (ZWC), Zakładu Wodociągu Praskiego (ZWP) i Zakładu Wodociągu Północnego (ZWPł). Z Wodociągów Układu Centralnego woda przesyłana jest również do Piaseczna, Ząbek, Starych Babic, Izabelina, Lesznowoli i Brwinowa. Spółka eksploatuje również stacje uzdatniania wody zaopatrujące tereny, które nie są objęte Wodociągami Układu Centralnego (m.in. Wesoła, Radość, Falenica).
    Podstawowym źródłem zaopatrzenia Warszawy w wodę są rzeka Wisła oraz Jezioro Zegrzyńskie. Woda ujmowana z Wisły pokrywa około 70% zapotrzebowania miasta. Strefy zasilania w wodę z poszczególnych zakładów nie są sztywno określone i wzajemnie się przenikają.
    Generalnie, obszar Warszawy podzielony jest na dwie zasadnicze strefy ciśnień, których granica przebiega wzdłuż Skarpy Wiślanej – górne miasto (strefa W) i dolne miasto (strefa N).

Rys. 1. Strefy zasilania aglomeracji warszawskiej

Zakład Wodociągu Centralnego (ZWC)
    Zakład Wodociągu Centralnego jest najstarszym zakładem uzdatniającym wodę dla Warszawy. Pracuje od 3 lipca 1886 r., a w roku 2011 obchodził swoje 125-lecie. Wybudowany wg projektu W. H. Lindley’a, początkowo uzdatniał wodę powierzchniową z Wisły na filtrach powolnych. W miarę wzrostu zanieczyszczenia wód Wisły układ technologiczny Stacji Filtrów był rozbudowywany. W latach 20. ubiegłego wieku Stacja Filtrów borykała się z niedostatkiem wydajności filtrów powolnych, spowodowanym zmianami jakości wody rzecznej i rosnącym zapotrzebowaniem miasta. Sukcesywna budowa osadników i kolejnych filtrów powolnych okazała się niewystarczająca. Skutecznym sposobem na rozwiązanie tego problemu, uznawanym jako najpewniejszy środek prowadzący do powiększenia wydajności filtrów powolnych, było zastosowanie wstępnej filtracji pospiesznej. W 1933 r. uruchomiono Zakład Filtrów Pospiesznych („ZFP”) z zespołem filtrów piaskowych, zbudowany z wykorzystaniem nowoczesnych rozwiązań technicznych.
    W okresie powojennym, kiedy następował ogromny rozwój miast, Warszawa ponownie zaczęła odczuwać problemy z wodą, a właściwie z jej brakiem. W związku z tym w 1964 r. została uruchomiona druga stacja uzdatniania wody w Warszawie – Zakład Wodociągu Praskiego, uzdatniający wodę infiltracyjną. W 1972 r. w ZWC uruchomiono II ciąg technologiczny, zbudowany na licencji francuskiej firmy Degremont, oparty na chemicznym uzdatnianiu wody powierzchniowej metodą koagulacji z sedymentacją w pulsatorach i jej filtracji na filtrach pospiesznych piaskowych. Pracował on równolegle z I ciągiem - układem filtrów pospiesznych „ZFP” i filtrów powolnych. Do procesu koagulacji stosowano siarczan glinu, wspomagany okresowo dozowaniem krzemionki aktywowanej. W późniejszym okresie uzupełniono technologię II ciągu o wstępne chlorowanie sezonowe, sorpcję na pylistym węglu aktywnym (PWA) stosowaną doraźnie, wstępne okresowe utlenianie nadmanganianem potasu. Wykonano instalację wapna do stabilizacji wody po koagulacji. Rozbudowa Zakładu Wodociągu Centralnego o II ciąg technologiczny pozwoliła na zwiększenie wydajności stacji do 570 000 m3/d. W 1986 r. uruchomiony został trzeci zakład zaopatrujący w wodę aglomerację warszawską – Zakład Wodociągu Północnego w Wieliszewie.

    Dalsze pogarszanie jakości wody powierzchniowej oraz pozytywny efekt pracy pierwszej studni infiltracyjnej na rzece Wiśle dały przyczynek do budowy następnych ujęć poddennych, m.in. na potrzeby Zakładu Wodociągu Centralnego. W latach 1993÷2000 kolejno oddawano do eksploatacji cztery infiltracyjne ujęcia brzegowe przewodowo- pompowe PU-1 ÷ PU-4, wybudowane na terenie Stacji Pomp Rzecznych ZWC. Umożliwiło to przejście na całkowite zasilanie I ciągu wodą infiltracyjną od 1997 r. oraz pozwoliło na stopniowe zwiększanie jej udziału w surowcu II ciągu. W latach 1995÷2001 dokonano sukcesywnej konwersji złóż filtrów powolnych poprzez ułożenie w nich 10-centymetrowej warstwy granulowanego węgla aktywnego (GWA), co wzbogaciło technologię o procesy sorpcji, a także zintensyfikowało pracę biologiczną filtrów. W 1998 r. rozpoczęto w Zakładzie Wodociągu Centralnego wdrażanie dwutlenku chloru do dezynfekcji wody.
    Do 2002 r. produkcja wody w ZWC odbywała się w dwóch całkowicie niezależnych, równolegle pracujących ciągach uzdatniania o zróżnicowanej technologii. Od 2003 r. w celu optymalizacji układu uzdatniania elementy I i II ciągu zostały powiązane technologicznie. Do praktyki eksploatacyjnej włączono zasilanie filtrów powolnych wodą po koagulacji i filtracji pospiesznej, realizowane dwoma sposobami – bezpośrednio poprzez odprowadzanie części wody po filtrach pospiesznych II ciągu do filtrów powolnych oraz pośrednio poprzez kierowanie części wody skoagulowanej po pulsatorach II ciągu na filtry pospieszne „ZFP” I ciągu, a z nich do filtrów powolnych. Pozwoliło to na poprawę jakości wody uzdatnionej i obniżenie dawek środków dezynfekcyjnych [1].

 

Rys. 2. Schemat technologiczny Zakładu Wodociągu Północnego

Zakład Wodociągu Północnego
    Zalew Zegrzyński jest źródłem wody dla Zakładu Wodociągu Północnego. Pierwsza woda z tego Zakładu popłynęła do Warszawy w dniu 29 września 1986 roku. Zakład Wodociągu Północnego pokrywa średnio 30% ogólnego zapotrzebowania na wodę. Lokalizacja wodociągu nad Zalewem Zegrzyńskim miała na celu zabezpieczenie dostawy wody do Warszawy z innego źródła niż Wisła. Zalew Zegrzyński funkcjonuje również jako ważne, rekreacyjne zaplecze aglomeracji warszawskiej.
    Zalew Zegrzyński jest pod względem zajmowanej powierzchni 5. zbiornikiem, a pod względem objętości 12. zbiornikiem zaporowym w Polsce. Toń wodną tego zbiornika stanowią w ok. 57% wody Bugu i ok. 42% wody Narwi. Do zalewu poza ww. rzekami wpada szereg drobnych rzeczek i potoków. Wisłę z Zalewem Zegrzyńskim łączy Kanał Żerański, który jest jedynym połączeniem żeglugowym pomiędzy nią a Narwią i Bugiem [2].
    Woda na potrzeby Zakładu Wodociągu Północnego ujmowana jest poprzez ujęcie powierzchniowo-brzegowe. Woda surowa gromadzona jest w zbiornikach kontaktowych, z których poprzez pompownię I-go stopnia kierowana jest na układ technologiczny.
    Przed modernizacją pierwszym etapem uzdatniania wody w Zakładzie Wodociągu Północnego był proces utleniania wstępnego ozonem. Zasadniczym procesem uzdatniania wody jest koagulacja siarczanem glinu (wspomagana flokulantem) w pulsatorach, a następnie filtracja pospieszna na złożach piaskowych. Proces koagulacji w przypadku nagłego pogorszenia jakości wody ujmowanej wspomagany jest dozowaniem pylistego węgla aktywnego (PWA). Po procesie koagulacji, w czasie której następuje obniżenie odczynu (pH ), woda wymaga stabilizacji. Do stabilizacji odczynu wody podobnie jak w Zakładzie Wodociągu Centralnego stosowana jest woda wapienna. Ostatnim etapem procesu uzdatniania wody w ZWPł jest dezynfekcja. Dezynfekcja końcowa wody uzdatnionej realizowana jest dwustopniowo z uwagi na to, że Stacja Uzdatniania zlokalizowana jest w Wieliszewie nad Zalewem Zegrzyńskim, a zbiorniki wody czystej, z których woda dystrybuowana jest do sieci miejskiej są zlokalizowane w Warszawie na Białołęce. Woda uzdatniona dezynfekowana jest chlorem i dwutlenkiem chloru.

Rys. 3. Efektywność usuwania absorbancji, utlenialności, OWO oraz barwy w procesach uzdatniania wody w ZWC (wyniki w odniesieniu do wody surowej.

 

Rys. 4. Średnie dobowe dawki dwutlenku chloru w pierwszym etapie eksploatacji układu.

Inwestycja w ZWC
    Inwestycja pn. „Modernizacja technologii w Zakładzie Wodociągu Centralnego – ozonowanie pośrednie i filtracja na węglu aktywnym” jest wynikiem badań technologicznych na Stacji Modelowej ZWC prowadzonych pod kątem optymalizacji układu uzdatniania. Na ich podstawie podjęto decyzję o sposobie modernizacji oraz opracowano wytyczne technologiczne dla potrzeb projektowych.
    Roboty związane z budową nowej inwestycji prowadzone były przy zapewnieniu ciągłości produkcji Zakładu Wodociągu Centralnego. Jednym z najtrudniejszych etapów w toku realizacji kontraktu był rozruch technologiczny, w czasie którego następowało stopniowe przełączanie Zakładu na pracę w nowym układzie technologicznym z jednoczesnym uruchamianiem obiektu ozonowania i filtrów węglowych, a wszystko to odbywało się bez przerw w dostawie wody.
    29 października 2010 r. Zakład Wodociągu Centralnego przejął do eksploatacji nowoczesny, w pełni zautomatyzowany obiekt technologiczny – Budynek Ozonowania Pośredniego i Filtrów Węglowych o maksymalnej wydajności 300 000 m³/d i przepustowości hydraulicznej 350 000 m³/d. Uzdatnianie wody na Stacji Filtrów odbywa się aktualnie w układzie łączącym dotychczasowe procesy I i II ciągu technologicznego oraz nowe procesy wprowadzone w ramach zadania modernizacyjnego (rys. 2). Wymagało to wprowadzenia wielu zmian w infrastrukturze technicznej Zakładu. W obecnym układzie uzdatniania podział na dwa ciągi technologiczne w ZWC ma charakter wyłącznie umowny i został utrzymany z uwagi na możliwość przywrócenia ich autonomicznej pracy w sytuacjach awaryjnych i wyjątkowych. W przypadku pracy niezależnej łączna wydajność obu ciągów wynosi do 530 000 m3/d.

Rys. 5. Zmiany dawki koagulantu od włączenia Stacji Flotacji Ciśnieniowej

Inwestycja w ZWPł
    Układ technologiczny Zakładu Wodociągu Północnego nie był rozwiązaniem optymalnym, biorąc pod uwagę specyfikę ujmowanej wody, którą charakteryzuje wysoki poziom związków organicznych oznaczanych jako OWO (ogólny węgiel organiczny) i utlenialność, wysoka barwa powodowana obecnością związków humusowych i dodatkowo duża ilość planktonu w okresie wiosennym oraz możliwe znaczne pogorszenie jakości wody w okresie spływów powodziowych.
    Podstawowym założeniem modernizacji technologii uzdatniania w Zakładzie Wodociągu Północnego było zastosowanie dwustopniowej koagulacji wody poprzez wprowadzenie pierwszego stopnia koagulacji wody z zastosowaniem flotacji ciśnieniowej przed procesem ozonowania wstępnego, koagulacji i sedymentacji pulsatorach.
    Pierwszy stopień koagulacji wody z zastosowaniem flotacji ciśnieniowej do usuwania wytrąconych z wody zanieczyszczeń jest pierwszą barierą w procesie uzdatniania wody po modernizacji układu. Koagulacja wody drugiego stopnia i usuwanie zanieczyszczeń z wody poprzez sedymentację w pulsatorach uzupełnia chemiczny proces uzdatniania wody.
    Zastosowanie pierwszego stopnia koagulacji z flotacją ciśnieniową znacząco przyczynia się do usunięcia z uzdatnianej wody prekursorów szkodliwych produktów ubocznych utleniania przed jej ozonowaniem, a tym samym obniżenia dawki ozonu. Ponadto takie same dawki koagulantu stosowane w koagulacji realizowanej w dwóch stopniach dają lepsze efekty usuwania zanieczyszczeń organicznych niż w koagulacji jednostopniowej.
    Zastosowanie koagulacji dwustopniowej przy dwóch różnych sposobach separacji zawiesin pokoagulacyjnych – flotacji i sedymentacji w pulsatorze zwiększa zakres różnego rodzaju cząstek, które mogą zostać usunięte. Flotacja ciśnieniowa pozwala na skuteczne usuwanie cząstek o małej gęstości, takich jak np. plankton. 
    Podstawowym celem technologicznym modernizacji – wprowadzenia koagulacji dwustopniowej była redukcja zanieczyszczeń organicznych przed procesem ozonowania wstępnego oraz globalny wzrost efektywności układu w zakresie usuwania związków organicznych, co gwarantuje: obniżenie dawki ozonu w procesie ozonowania wstępnego oraz ograniczenie ilości powstających produktów ubocznych ozonowania wody, obniżenie dawki dezynfektanta (-ów).
    Dzięki dużej elastyczności działania Stacji Flotacji Ciśnieniowej (m.in. szeroki zakres regulacji prędkości obrotowej mieszadeł w komorach szybkiego i wolnego mieszania, szeroki zakres obciążenia hydraulicznego komory flotacji) możliwe jest dostosowanie parametrów technologicznych i hydraulicznych procesu uzdatniania wody do zmieniającej się jakości i ilości ujmowanej wody.
    Inwestycja ta jest pierwszym w Polsce przykładem zastosowania technologii flotacji ciśnieniowej w procesie uzdatniania wody [3].

Zakład Wodociągu Północnego

Efekty inwestycji
    Uzupełnienie układu technologicznego w Zakładzie Wodociągu Centralnego o proces ozonowania pośredniego i filtracji na granulowanym węglu aktywnym (GWA) pozwoliło na bardzo skuteczne usuwanie z wody materii organicznej oznaczanej jako absorbancji UV, utlenialność, OWO i barwa. Dodatkowo, filtracja powolna po układzie ozon – węgiel jest istotnym elementem biologicznej stabilizacji wody przed dezynfekcją. Efektywność poszczególnych etapów procesu uzdatniania wody została przedstawiona na wykresie.
    Jednym z podstawowych założeń do realizacji inwestycji było obniżenie dawki dwutlenku chloru stosowanego w procesie dezynfekcji wody po filtrach powolnych do poziomu ≤0,4 g/m³. Warunek taki postawiono w Programie Funkcjonalno-Użytkowym, w którym zostały sformułowane główne wymagania wobec nowej inwestycji. Obniżenie dawki dezynfekcyjnej jest ważne z punktu widzenia ograniczenia ubocznych produktów dezynfekcji.
    Głównym parametrem do oceny skuteczności nowych procesów uzdatniania jest zapotrzebowanie wody na dwutlenek chloru. Parametr ten wykorzystywany jest w ZWC do ustalania dawki dezynfektanta i jej ewentualnej korekty. Zapotrzebowanie na ClO2 wyznaczane jest w testach laboratoryjnych z 3-godzinnym czasem kontaktu wody ze środkiem dezynfekcyjnym i odpowiada takiej jego dawce, przy której stężenie pozostałego ClO₂ w wodzie wynosi 0,1 mg/l jako równoważnik 0,3 mg/l chloru [1].
    Rozbudowa układu technologicznego w Zakładzie Wodociągu Północnego o Stację Flotacji Ciśnieniowej pozwala skutecznie usuwać związki organiczne zawarte w wodzie ujmowanej przed procesem ozonowania wstępnego. Jest to bardzo istotne z uwagi na powstawanie dużej ilości ubocznych produktów utleniania w przypadku utleniania wstępnego wód z dużą ilością materii organicznej, którą w przypadku Wodociągu Północnego są związki humusowe.
    Ponadto zastosowanie układu dwustopniowej koagulacji pozwoli na obniżenie sumarycznej dawki koagulantu [3].
    Dawki ozonu stosowane do utleniania wody przed pulsatorami wraz z uruchomieniem SFC obniżone zostały z poziomu ok. 5,5 g/m3 do ok. 2,5 g/m³.

 

 

* * *

       Realizacja inwestycji w Zakładzie Wodociągu Centralnego i Północnego miała na celu poprawę jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi. Niższa zawartość materii organicznej w wodzie przeznaczonej do spożycia przez ludzi znacząco wpływa na poprawę parametrów organoleptycznych, tj. smaku i zapachu, co jest najbardziej odczuwalne przez odbiorców. Ponadto usuwanie z wody w procesie uzdatniania związków organicznych pozwala na skuteczne ograniczenie zjawiska wtórnego zanieczyszczenia wody w sieci dystrybucyjnej. Jest to szczególnie istotne w przypadku dużych systemów dystrybucji wody.

Bibliografia:
1. A. Olejnik, E. Skonecka, Znaczenie nowych procesów – ozonowania pośredniego i filtracji na węglu aktywnym dla poprawy efektów uzdatniania wody w Zakładzie Wodociągu Północnego, monografia „Aktualne zagadnienia w uzdatnianiu i dystrybucji
wody”, praca zbiorowa, Gliwice 2011, s. 125-135.
2. M. Sroka, A. Olejnik, Zasady postępowania w przypadku wystąpienia nadzwyczajnych zagrożeń ujęć wody dla aglomeracji warszawskiej, Miesięcznik Instal, Nr 2 (304), 2010 r., s. 20-26.
3. M. Sroka, M. Kulesza, M. Kulesza, Flotacja ciśnieniowa jako proces wstępnego uzdatniania wody w Zakładzie Wodociągu Północnego MPWiK S.A. w m.st. Warszawie, monografia „Aktualne zagadnienia w uzdatnianiu i dystrybucji wody”, praca zbiorowa, Gliwice 2011, s. 193-203.

Zakład Filtrów Pośpiesznych

Autor: Anna Olejnik, Miejskie Przedsiębiorstwo Wodociągów i Kanalizacji w m.st. Warszawie S.A.

Artykuł został opublikowany w magazynie "Ochrona Środowiska" nr 1/2012

 Fot. Jacek Jeliński, Sebastian Klorek,  Maciej Śmiarowski