Zakład Uzdatniania Wody Raba uzdatnia dobowo około 100 tys. m3 wody co stanowi ok. 55 % wody dostarczanej do krakowskiego systemu dystrybucji. Woda z Dobczyc jest również podstawowym źródłem zasilania dla gmin Dobczyce, Siepraw, Świątniki Górne, a również w części zaopatruje Myślenice, Wieliczkę i Skawinę. Z uwagi na tak rozległy teren zasilania bardzo ważne jest bezpieczeństwo bakteriologiczne wody dostarczanej odbiorcom. Do tej pory bezpieczeństwo to zapewniała uruchomiona w 1995 roku, a dostarczona w ramach pomocy rządu amerykańskiego instalacja oparta o chlor gazowy. Instalacja ta bardzo dobrze spełniała swoją rolę, jednak z uwagi na jej wiek należało pomyśleć o modernizacji. Ponadto 500 kg beczki z chlorem stanowiły pewnego rodzaju zagrożenie, tym bardziej, że dla zapewnienia ciągłości pracy zakładu musiał być utrzymany zapas chloru, o który ostatnio coraz trudniej. Na szczęście nigdy nie doszło do poważnej awarii, niemniej praktycznie co roku odbywały się ćwiczenia naszych służb zakładu, z udziałem jednostek ratownictwa chemicznego straży pożarnej oraz policji.
Dążąc do poprawy jakości wody dostarczanej mieszkańcom Krakowa zdecydowano o eliminacji chloru gazowego w największym zakładzie, który jest ostatnim z zakładów stosujących ten rodzaj dezynfektanta. Postanowiono zastosować podchloryn sodu otrzymywany z soli kuchennej oraz lampy UV, których promieniowanie poprawia bezpieczeństwo bakteriologiczne wody i pozwala na zmniejszenie dawki środka dezynfekcyjnego.
Podchloryn sodu i promieniowanie UV
Podchloryn sodu (NaOCI) jest substancją znaną od XVIII wieku. Jego roztwór podczas pierwszej wojny światowej był stosowany do leczenia ran. Obecne jest również wykorzystywany w medycynie np. w stomatologii.
Z chemicznego punktu widzenia podchloryn sodu jest solą sodową kwasu podchlorawego. Jest kilka sposobów jego otrzymywania, a jednym z nich jest elektroliza soli kuchennej. Elektroliza to jeden z procesów elektrochemicznych, wywołujący przemiany chemiczne przy użyciu energii elektrycznej. Do elektrolizy wykorzystujemy prąd stały, a cały proces przeprowadza się w tzw. elektrolizerach. Widok elektrolizera zabudowanego na ZUW Raba przedstawiono na fotografii 1.
Fot.1. Elektrolizer do wytwarzania podchlorynu sodu.
Do procesu elektrolizy wykorzystujemy roztwór soli kuchennej, dostarczanej w tabletkach o średnicy około 2,5 cm. Roztwór jest przygotowywany w zbiornikach zarobowych (fot. 2).
Fot. 2. Zbiorniki zarobowe roztworu soli kuchennej.
W procesie elektrolizy prąd stały przez elektrody doprowadza się do elektrolitu, którym w naszym przypadku będzie rozpuszczona sól kuchenna. Napięcie przyłożone do elektrod wywołuje między nimi pole elektryczne. To z kolei sprawia, że aniony (ładunek ujemny) kierują się w elektrolicie w stronę anody – elektrody z dodatnim biegunem źródła prądu. Kationy, o ładunku dodatnim, podążają w stronę katody – elektrody z ujemny biegunem źródła prądu. Na anodzie jony chlorkowe ulegają utlenieniu do chloru i powstaje przy tym kwas podchlorawy i chlorowodorowy, natomiast na katodzie redukowane są jony sodu z wytworzeniem wodorotlenku sodu. W wyniku zmieszania produktów elektrolizy powstają podchloryn sodu i chlorek sodu. Elektroliza odbywa się przy przepływie prądu o natężeniu od kilkuset do kilku tysięcy amperów i napięciu około 35 woltów.
Otrzymywany podchloryn sodu jest bardzo nietrwały dlatego zwykle buduje się instalacje wytwarzania podchlorynu na miejscu. NaOCI rozpuszczony w wodzie jest przeźroczystym żółtozielonym płynem, który działa silnie utleniająco.
Promieniowanie UV (ultraviolet), jest to promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali 100-400 nm. Jest to zakres niewidzialny światła składający się z trzech przedziałów UV- A, UV- B i UV- C. Przedziały te wynikają z długości fali ( UV-A 320-400nm, UV-B 290-320nm, UV-C 230-290nm). Przedział UV-C jest odpowiedzialny za bakteriobójcze oddziaływanie ultrafioletu. Dezynfekcja wody promieniami ultrafioletowymi jest procesem fizycznym, który jest prowadzony w specjalnej komorze promiennikowej. Drobnoustroje takie jak bakterie i wirusy poddane naświetleniu promieniami UVC ulegają w ciągu kilku sekund dezaktywacji. Wygląd jednego z promienników UV zabudowanych na zakładzie Raba przedstawia fotografia 3.
Fot. 3. Widok promiennika zamontowanego na rurociągu 300 mm zasilającym miasto Dobczyce.
Promienniki mają postać rury kwarcowej z wtopionymi na końcach elektrodami. W rurze znajduje się próżnia z niewielką ilością rtęci. Źródłem promieniowania jest wyładowanie elektryczne w parach rtęci. Pod wpływem napięcia przemiennego przyłożonego do elektrod rozpoczyna się przepływ prądu, na skutek czego z elektrod „odrywają” się elektrony ,które lecą w kierunku drugiej elektrody. Na swojej drodze napotykają opary rtęci, wybijając z jej atomów elektrony. Elektrony te, wracając na swoje pierwotne orbity, oddają energię w postaci promieniowania UV. Napięcie zasilające promiennik wynosi 400 V, a same lampy zasilane są ze specjalnych zasilaczy umożliwiających płynną regulację wydajności. Całkowita moc elektryczna niezbędna do pracy promienników wynosi około 120 kW.
Zakres inwestycji
W celu zmiany technologii dezynfekcji wybudowano nową komorę, która jest ostatnim elementem procesu technologicznego. W dolnej części komory mieści się instalacja UV natomiast w górnej zlokalizowano elektrolizery do produkcji podchlorynu sodu wraz z potrzebną infrastrukturą. W grudniu 2014 r. dokonano końcowego odbioru inwestycji, która składa się z części budowlanej, technologicznej, mechanicznej, elektrycznej oraz automatyki i sterowania. Część technologiczna to dwa główne elementy. Pierwszy z nich to zespół promienników UV. Zabudowano trzy średniociśnieniowe promienniki UV w reaktorach o średnicach 900, 700 i 300 mm (fot. 4)
Fot. 4. Widok reaktora 900 mm przed zamontowaniem .
Praca promienników jest zależna od aktualnego przepływu wody. Promienniki wyposażone zostały w systemy oczyszczania mechanicznego. Reaktory UV o średnicach 900 i 700 mm zainstalowano na rurociągach tłocznych DN 1400 i DN 1000, natomiast reaktor o średnicy 300 mm jest zamontowany w pompowni Raba I na rurociągu grawitacyjnym DN 300, zasilającym w wodę miasto Dobczyce.
System dezynfekcji promieniami ultrafioletowymi składa się z czterech głównych elementów. Są to reaktor UV, przełącznik poziomu, panel kontroli zasilania oraz system czyszczący. W cylindrycznym reaktorze zabudowano odpowiednie promienniki, których zadaniem jest wytworzenie promieniowania UV. Wydajność promienników może być regulowana w celu dostosowania dawki promieniowania do przepływu wody. Zadaniem przełącznika poziomu jest kontrola poziomu wody w rurociągach przepływowych i zabezpieczenie lamp w przypadku jego obniżenia. Panel kontroli zasilania odpowiada za zasilanie promienników w energię elektryczną oraz umożliwia regulację wydajności systemu. System czyszczący pozwala na automatyczne czyszczenie rur promienników w celu zapewnienia optymalnych warunków pracy oraz wymaganej wydajności.
Z uwagi na fakt, iż promienie UV są doskonałym środkiem dezynfekcyjnym, ale nie zapewniają długotrwałego działania, dla uzyskania pełnego bezpieczeństwa mikrobiologicznego przewidziano zastosowanie drugiego stopnia dezynfekcji, którym jak wspomniano jest podchloryn sodu wytwarzany zgodnie z aktualnym zapotrzebowaniem. Podchloryn jest również dawkowany do wody w trzech punktach: do rurociągów tłocznych Ø 900 i Ø 700 w nowej komorze powyżej lamp UV, a do rurociągu Ø 300 w pompowni Raby I poniżej lampy UV.
Na górnym poziomie komory zainstalowano cztery zespoły elektrolizerów, które wytwarzają NaClO. Na początku procesu z tabletek soli wytwarza się solankę o stężeniu 25-30 g/l, a następnie poddaje procesowi elektrolizy. Wydajność elektrolizerów wynosi 2 kg w przeliczeniu na CL2 na godzinę, a elektrolizer zamontowany w pompowni Raby I może produkować 0,5 kg chloru na godzinę. W eletrolizerach wytwarzany jest podchloryn sodu o stężeniu 0,6%. Każdy elektrolizer jest wyposażony w instalację odciągową rozcieńczającą wodór powstający podczas produkcji oraz układ odciągowy wyposażony w czujnik wodoru uniemożliwiający przedostawanie się wodoru do zbiorników produktu. Na wyprodukowanie 1 kg Cl2 zużywa się ok 5,5 kWh energii elektrycznej. Natomiast do wyprodukowania 1 kg dezynfektanta oraz do regeneracji zmiękczacza wody potrzeba około 4,5 kg soli kuchennej.
W celu właściwego wymieszania środka dezynfekcyjnego z przepływającą wodą zastosowano odpowiednio dobrane mieszacze statyczne. Dla kontroli prowadzonego procesu dezynfekcji zainstalowano mierniki wolnego chloru, których zadaniem będzie współpraca z systemem dozowania NaClO oraz utrzymanie stałej zadanej zawartości wolnego chloru. Cały system dezynfekcji pracuje w układzie automatyki ze zdalnym nadzorem z dyspozytorni.
W tym celu pomiędzy nowo wybudowaną komorą a dyspozytornią ZUW Raba wykonano połączenie światłowodowe, które umożliwiło włączenie nowych obiektów do istniejącego systemu sterowania i nadzoru nad procesem technologicznym.
Korzyści wynikające ze zmiany sposobu dezynfekcji.
Główną korzyścią jest poprawa jakości uzdatnianej wody i wyeliminowanie zapachu chloru. Zwiększyło się również bezpieczeństwo bakteriologiczne wody. Istotną korzyść stanowi eliminacja zagrożenia, jakim jest chlor gazowy zgromadzony na terenie zakładu. Pomimo stosowania wszelkich procedur związanych z bezpieczeństwem zawsze istnieje pewne ryzyko awarii. Nie tylko na terenie zakładu uzdatniania, ale również podczas transportu. Podchloryn sodu jest produkowany na bieżąco według aktualnego zapotrzebowania, a jedynym produktem zgromadzonym w magazynie będzie sól kuchenna. Wszystkie urządzenia mające kontakt z wodą przeznaczoną do spożycia posiadają stosowne atesty PZH.
Jak już wspomniano w grudniu instalacja została przekazana do eksploatacji i stanowi stały element ciągu technologicznego procesu uzdatniania wody w ZUW Raba.
