Pilotażowy pobór wody z Wisły w Krakowie

W 1988 r. Zakład Uzdatniania Wody Bielany w Krakowie przestał korzystać z wód wiślanych, powodem były bardzo niskie parametry jakościowe wody, które uniemożliwiały jej pobór. Zbiegło się to w czasie z uruchomieniem nowoczesnego ujęcia wody Raba II w Dobczycach. Obecnie woda w Krakowie uzdatniana jest w czterech nowoczesnych zakładach: Bielany – ujęcie wody z rzeki Sanki (dezynfekcja podchlorynem sodu wytwarzanym z soli kuchennej), Dłubnia – ujęcie wody z rzeki Dłubni (dezynfekcja dwutlenkiem chloru), Raba – ujęcie wody ze Zbiornika Dobczyckiego na rzece Rabie (wstępne ozonowanie, dezynfekcja promieniami ultrafioletowymi i podchlorynem sodu), Rudawa – ujęcie wody z rzeki Rudawy (dezynfekcja dwutlenkiem chloru). Aktualnie tylko Zbiornik Dobczycki można traktować jako zasób nieograniczony. Ma on pojemność 120 mln m3, natomiast średniodobowa produkcja wynosi ok. 100–150 tys. m3, co zaspokaja ponad 60% potrzeb aglomeracji. Jednak jak w przypadku każdego sztucznego zbiornika, w dłuższej perspektywie czasowej grozi mu eutrofizacja, jak to się stało np. z zamulonym obecnie Jeziorem Rożnowskim. Dlatego już teraz wodociągowcy myślą o tym, że za kilkadziesiąt lat może być już niewystarczającym źródłem wody dla Krakowa.
Warto podkreślić, że w Krakowie eksploatuje się przede wszystkim wody powierzchniowe, a tylko w niewielkim stopniu podziemne (ok. 3% w ogólnym bilansie). W skali kraju podstawowym źródłem wody do spożycia są wody podziemne. W 2021 r. stanowił one aż 73% wody, która była dystrybuowana do gospodarstw domowych. Woda ta jest z reguły czystsza od powierzchniowej.

Zasolenie i zanieczyszczenie

Największym problem Wisły jest silne zasolenie, mierzone sumą chlorków i siarczanów, powstające przede wszystkim w wyniku odprowadzania wód z odwadniania kopalń węgla kamiennego na Górnym Śląsku i w Małopolsce. Zdaniem ekspertów skala zasolenia Wisły jest większa, niż się powszechnie uważa. Według dr. hab. inż. Mariusza Czopa z Wydziału Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska AGH w ciągu doby zrzucanych jest ok. 0,5 mln m3 zasolonych wód kopalnianych, z czego aż dwie trzecie do Wisły, a jedna trzecia do Odry. Co więcej, eksploatowane są coraz głębsze pokłady węgla, tymczasem wody z głębokich kopalń są nawet trzykrotnie bardziej zasolone niż woda w oceanie. Mogą zawierać w litrze 100 g soli. Gdy te wody są zrzucane do obu głównych rzek, to trafia do nich ok. 2 mln t soli rocznie, a według niektórych źródeł nawet dwukrotnie więcej. Wysokie zasolenie powoduje spadek pogłowia ryb i obumieranie roślinności, w jego wyniku maleje także liczba mikroorganizmów odpowiedzialnych za samooczyszczenie wód.
Drugim obok zasolenia głównym źródłem zanieczyszczenia Wisły są zrzuty ścieków komunalnych i przemysłowych – zarówno legalne, jak i nielegalne. Biorąc pod uwagę, że od kilku lat z powodu zmian klimatycznych zmniejsza się przepływ, a ilość ścieków jest stała, a nawet rośnie, obciążenie Wisły, ale także innych polskich rzek, staje się krytyczne. Działania umożliwiające ich powrót do pierwotnej czystości powinny być najwyższym priorytetem.

Zbadanie możliwości uzdatniania silnie zasolonych i zanieczyszczonych wód Wisły było celem uruchomionego w 2021 r. przez Wodociągi Miasta Krakowa projektu Innowacyjna technologia uzdatniania zasolonych wód powierzchniowych w gospodarce o obiegu zamkniętym. Projekt został dofinansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój kwotą ok. 3,6 mln zł przy koszcie całego pilotażu ok. 5,7 mln zł.

Zespół projektowy Wodociągów Miasta Krakowa opracował unikatową na skalę europejską instalację, która pozwoliła zbadać, czy pobór wody z Wisły byłby w obecnym stanie jej zanieczyszczenia w ogóle możliwy. W ramach projektu na terenie ZUW Bielany powstał pilotażowy ciąg technologiczny składający się z systemu wstępnego uzdatniania wody (system mieszania dwóch wód: zasolonej wody z Wisły oraz niezasolonej Sanki – koagulacja, flokulacja, sedymentacja, filtracja pospieszna), systemu ultrafiltracji oraz systemu odwróconej osmozy. Ma on w warunkach rzeczywistych zweryfikować koncepcję procesu uzdatniania wody do wymaganych parametrów z uwzględnieniem długookresowych zmian stężeń chlorków oraz tzw. nowych zanieczyszczeń, w tym farmaceutyków i związków endokrynnie czynnych (EDC), a także innych mikrozanieczyszczeń organicznych. Przy tej okazji testuje się proces elektrolizy odpadowej solanki, który pozwoliłby uzyskać efektywną dezynfekcję wody podchlorynem sodu (produkt elektrolizy). Pilotaż zakłada uzdatnienie początkowo niewielkich ilości wody z Wisły i Sanki. Z czasem mogłoby to być kilka tysięcy m3 na dobę.

Stacja pilotażowa

„Rozpoczęliśmy realizację projektu w niesprzyjających warunkach trwania pandemii COVID-19, co wymagało reorganizacji działań i pogodzenia się z częstymi opóźnieniami.
To jednak ostatecznie nie przeszkodziło w osiągnięciu założonych celów, którymi w początkowej fazie było opracowanie zakresu i harmonogramu badań wody z Wisły – scharakteryzował początek programu Sebastian Jastrzębski, specjalista ds. technologii wody w Wodociągach Miasta Krakowa, członek zespołu projektowego. – Pierwsze wyniki analiz umożliwiły stopniową optymalizację wstępnych zakresów, tak aby na podstawie otrzymywanych wyników jak najlepiej opracować koncepcję procesu technologicznego w stacji pilotażowej”.

Największą trudnością było połączenie dwóch znacznie różniących się koncepcji technologicznych – uzdatniania wód powierzchniowych oraz uzdatniania zasolonych wód podziemnych. Te pierwsze charakteryzują się dużą ilością zanieczyszczeń antropogenicznych oraz sporą zawartością zawiesiny, natomiast zasolone wody zawierają większe ilości zanieczyszczeń naturalnych, takich jak związki żelaza, manganu, chlorki. „W trakcie pracy nad samą koncepcją, po wstępnym zidentyfikowaniu głównych zanieczyszczeń, należało jak najdokładniej określić ich maksymalne stężenia oraz częstotliwość występowania. To bardzo ważny etap, bo niewłaściwie przeprowadzony może doprowadzić do błędnego doboru technologii, a w szczególności jej potencjału usuwania poszczególnych zanieczyszczeń – kontynuował Sebastian Jastrzębski. – Dla osiągnięcia tego celu zwiększyliśmy częstotliwość poboru wody z rzeki, pracownicy ZUW Bielany w najintensywniejszym momencie badań pobierali próbki co cztery godziny! To był niekonwencjonalny pomysł, ale pozwolił dosyć dokładnie ustalić charakterystykę zanieczyszczenia rzeki w kwestii jej zasolenia (stężenia chlorków). Największe zasolenie Wisły, które udało się zbadać, to ok. 5 g chlorków w litrze wody (5 PSU), dla porównania – średnie zasolenie Morza Bałtyckiego to 7,5 g/l (7,5 PSU)”. Etap przygotowania koncepcji inwestycji okazał się jednym z najtrudniejszych w całym projekcie. Ostatecznie wybór rozwiązań technologicznych nie bazował tylko na standardowych badawczych danych wejściowych, skrupulatnie gromadzonych wcześniej, a ze względów geopolitycznych, m.in. wciąż odczuwalnych skutków pandemii oraz wybuchu wojny w Ukrainie, należało również uwzględnić drastyczne wzrosty cen urządzeń i wydłużenie czasu dostaw lub całkowity brak ich dostępności. Ostatecznie procedura przetargowa powiodła się. Wyłonieni zostali dostawcy, którzy podjęli się dostarczenia pełnego układu technologicznego stacji pilotażowej w bardzo krótkim czasie.

Najbardziej wyczekiwanym etapem projektu były dostawa, montaż i uruchomienie stacji. Pierwsze kontenery zostały dostarczone na początku września 2023 r., a ostatnie dotarły pod koniec października. W międzyczasie trwały intensywne prace nad wykonaniem instalacji pobierającej i dostarczającej do stacji wodę surową zarówno z Wisły, jak i Sanki. Ze względu na wcześniejsze opóźnienia stacja pilotażowa została podzielona na sekcje w taki sposób, aby nawet przed skompletowaniem całego ciągu technologicznego, który składał się z 11 kontenerów morskich, można było uruchomić instalację i wykonywać pierwsze próby technologiczne.
Jak opisuje dalej Sebastian Jastrzębski, po tym wyjątkowo intensywnym i krótkim okresie przygotowania, obfitującym w wiele technologicznych problemów do rozwiązania, rozpoczął się nie mniej intensywny etap prowadzenia badań w skali technicznej z wykorzystaniem pełni możliwości świeżo skompletowanej i przetestowanej stacji pilotażowej. Codziennie pobierane były dwie serie próbek z trzech stadiów: woda surowa dostarczona z rzeki, niepoddana żadnym procesom oczyszczania, woda po uzdatnianiu konwencjonalnym (standardowa część technologii oparta na procesie koagulacji, sedymentacji i filtracji ciśnieniowej) oraz woda po uzdatnianiu z wykorzystaniem ultrafiltracji i odwróconej osmozy (etap odpowiedzialny m.in. za zmniejszenie zasolenia). W trakcie badań zmieniana była charakterystyka pracy układu, tak aby symulować sytuacje występujące w pełnoskalowych stacjach uzdatniania wody. Wszystko to miało na celu jak najwierniejsze zbadanie możliwości układu technologicznego stacji.

„Początek grudnia przywitał nas mrozem, który przez zjawisko śryżu doprowadził do zamarznięcia układu pobierającego wodę z Wisły i jako tzw. siła wyższa wstrzymał pracę stacji pilotażowej. Natomiast liczba pobranych próbek i jakość uzyskanych wyników pozwoliły na wyciągnięcie wniosków, z których najważniejszy dotyczył potwierdzenia wstępnych założeń, że zastosowanie nowoczesnej technologii, właściwa jej kalibracja i wykorzystanie własnych, wieloletnich doświadczeń w dziedzinie uzdatniania wód powierzchniowych umożliwia uzdatnienie wody z Wisły do jakości spełniającej wymagania normy dla wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi w 100%, a uzyskana jako odpad solanka może posłużyć do procesów dezynfekcji” – podkreślił nasz rozmówca.

Dalsze perspektywy

Projekt dobiegł końca w grudniu 2023 r. Możliwe, że w dalszej perspektywie woda wiślana z instalacji pilotażowej będzie dodawana do wody pozyskiwanej z Sanki w zakładzie na Bielanach. Byłby to swoisty powrót do wody wiślanej w Krakowie. Perspektywa wdrożenia tej technologii dla zaopatrzenia Krakowa w wodę do spożycia jest jednak jeszcze bardzo odległa. Badania w skali pilotażowej potwierdziły możliwość technologiczną, natomiast koszty uzdatniania na masową skalę, wielkość zużycia energii, budowa nowych instalacji i zakres koniecznej modernizacji sieci wodociągowej oraz wiele innych aspektów decydujących o opłacalności procesu i jego stronie technicznej wymagają dalszych, długofalowych analiz i badań.
Przedsiębiorstwa wodociągowe muszą zacząć wykorzystywać swój potencjał technologiczny do reagowania na zagrożenia wynikające ze zmian klimatu i zarazem obowiązkowo dostosowywać go do wymagań nowej dyrektywy w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi (dyrektywa 2020/2184). Opracowana w Krakowie technologia uzdatniania wód zasolonych jest dobrym przykładem takiego podejścia. Zawiera też niezbędny w dzisiejszych czasach pierwiastek innowacyjności.
Innowacyjność tej metody tkwi już w samej koncepcji układu technologicznego, który uzdatnia silnie zasoloną wodę z rzeki. Dostępne na rynku układy technologiczne opracowywane są dla czystych wód podziemnych, co ogranicza konieczność przygotowania (częściowego oczyszczenia) wody surowej przed podaniem jej do układu filtrów membranowych. Dodatkowym elementem innowacji jest możliwość wykorzystania odpadowej solanki powstałej jako koncentrat w procesie odwróconej osmozy do elektrolitycznej produkcji podchlorynu sodu.
Wody wiślane jako alternatywne źródło zaopatrzenia Krakowa będą prawdopodobnie możliwe do pozyskania w przyszłości. Aby ograniczyć koszty takiego przedsięwzięcia, należy umożliwić Wiśle, a także innym polskim rzekom, samooczyszczanie, co wymaga przede wszystkim systematycznej eliminacji źródeł zanieczyszczenia. Wysiłek związany z uzdatnianiem będzie wówczas dużo mniejszy.

https://wodociagi.krakow.pl/