Problem doboru materiałów do budowy sieci wodociągowych – cz. II

Przewody z tworzyw sztucznych

Historia rur z tworzyw sztucznych, a dokładnie tworzyw termoplastycznych rozpoczęła się w Niemczech. Pierwsze rury z polichlorku winylu (PVC) [5] wyprodukowano i zastosowano w budowie wodociągu już w 1934 r.

W drugiej połowie lat 50. XX w. zaczęto stosować do budowy przewodów wodociągowych również inne tworzywa termoplastyczne, w tym najszerzej polietylen (PE), a w późniejszym czasie także, w dużo mniejszym zakresie, GRP (Glass Reinforced Plastic).

Wyroby z tworzyw termoplastycznych zawierają oprócz właściwego polimeru także środki pomocnicze, modyfikujące, katalizatory, utwardzacze i zmiękczacze. Do wody kontaktującej się z tworzywem mogą przenikać niezwiązane lub uwolnione w procesie starzenia się monomery lub też substancje organiczne, np. fenole, tiu- ramy, BaP octany ołowiu, związki cynoorganiczne, aminy i rozpuszczalniki i związki nieorganiczne, np. sole Pb, Cr, Ba.

PVC

PVC charakteryzuje się wysoką odpornością chemiczną, stąd szerokie zastosowanie twardej odmiany tego surowca (nieplastyfikowanego chlorku winylu – uPVC) do produkcji rur, elementów rurociągów i innych urządzeń wodnych [6]. Należy jednak zauważyć, że monomer – chlorek winylu (CV) – ma właściwości rakotwórcze. W granulacie i w gotowych wyrobach część chlorku winylu może pozostawać niezwiązana i w konsekwencji stwarza potencjalne zagrożenie przenikania do wody, co może stanowić zagrożenie dla zdrowia konsumenta. We współcześnie produkowanych wyrobach nowoczesne technologie polimeryzacji i produkcji wyrobów praktycznie wyeliminowały to zagrożenie. W większości obecnie produkowanych wyrobów z PVC stosowane są surowce zawierające organiczne związki wapnia, magnezu i cyny. W podstawowej technologii stosowanej w pierwszym okresie produkcji rur z twardego PVC jako surowiec stosowano octan ołowiu i kadmu. Obecnie w nowoczesnych technologiach związki te ze względu na toksyczność zostały wyeliminowane z listy surowców do wytwarzania wyrobów kontaktujących się z wodą. Jednakże ze względu na to, że spotkać można rury wytworzone na podstawie starych technologii, a będących w użytkowaniu lub też sprowadzane jeszcze z niektórych krajów ze względu na niski koszt [27], w Unii Europejskiej została utrzymana norma [14], dotycząca badania ołowiu i cyny w wodzie przesyłanej rurociągami z PVC. Ponadto w starych wyrobach z PVC zawierających sadzę jako wypełniacz lub barwnik określa się dodatkowo przenikanie WWA i BaP do wody. W przewodach z PVC stosowane są plastyfikatory ftalanowe (DEHP – Bis(2-ethylhexyl)phthalate) mające charakter rakotwórczy. Wyroby uzyskiwane z nowych technologii są oceniane wg nowych metod badawczych niedopuszczających do użytku wyrobów źle wyprodukowanych, które można traktować jako niebezpieczne pod względem zdrowotnym. Należy jednak zauważyć, że istnieje zagrożenie namnażania się mikroorganizmów w niewielkiej ilości tworzących biofilm na złączach i uszczelnieniach przewodów wykonanych z tego materiału. Korozyjność wody nie ma wpływu na przewody z PVC. Twarde, gładkie rury z PVC nie są podatne na zarastanie osadami węglanowymi. Przenikanie przez ścianki rurociągów zanieczyszczeń i zapachów zależy od wieku produkowanych rur – im starsze, tym prawdopodobieństwo przenikania większe. W nowych przewodach z twardego PVC praktycznie wyeliminowano ten problem [26].

PE

Polietylen stosowany do produkcji przewodów wodociągowych zyskał dużą popularność już w latach 70. XX w. Z badań atestacyjnych, prowadzonych przez Narodowy Instytut Zdrowia Publicznego – Państwowy Zakład Higieny, negatywną ocenę uzyskiwały głównie rury barwione, ponieważ przyczyniały się do wzrostu barwy, a także niekorzystnie wpływały na inne cechy organoleptyczne wody. Rury te często były barwione sadzą, która zawiera wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA). Dlatego narzuca się w procesie produkcji warunek, aby sadza używana jako surowiec do barwienia tworzyw sztucznych nie zawierała więcej niż 0,2 mg/kg benzo/a/pirenu (BaP). Wówczas możliwość migracji do wody BaP jest tak znikoma, że nie udaje się jej stwierdzić, a przewody takie oceniane są pozytywnie po względem zdrowotnym. Nie ma tego problemu w przypadku rur barwionych granatowymi lub niebieskimi barwnikami, które mają pozytywne oceny zdrowotne i mogą być używane do kontaktu z wodą. W przypadku rur z PE istnieje również problem przenikania przez ścianki i złącza rur węglowodorów i ich pochodnych z substancji naturalnych lub sztucznych o wysokich stężeniach, które to substancje znajdują się w otoczeniu przewodów. Stąd też zakaz stosowania rur z tego materiału na terenach roponośnych lub skażonych tego rodzaju substancjami (np. poligony, ośrodki napraw maszyn, stare zbiorniki paliw bez odpowiednich zabezpieczeń przed skażeniem środowiska) [26].

Rury z PE przepuszczają też tlen, co może się przyczyniać do tworzenia i rozwoju biofilmu na ich wewnętrznej powierzchni. Pomimo że rury te są gładkie i nie odkładają się na nich osady węglanowe, to ze względu na możliwości namnażania się mikroorganizmów woda przez nie przesyłana powinna być dezynfekowana, co pociąga za sobą możliwość zagrożeń zdrowotnych wynikających z powstających ubocznych produktów dezynfekcji.

Rury tego typu nie są podatne na korozję.

Akceptowalność wody przez konsumentów

Akceptowalność wody przez konsumentów to cecha określająca stopień zadowolenia klientów z otrzymywanej wody. Poziom zadowolenia konsumenta zwykle się odnosi do pozytywnej oceny jakości otrzymywanej wody, której podstawą są oceny: smaku, zapachu, barwy i mętności. W ankietach przedsiębiorstw wodociągowych przeprowadzanych wśród konsumentów badany jest stopień satysfakcji z usług wodociągowych, który może obejmować również zadowolenie klientów z ciągłości dostawy wody o wymaganej ilości i odpowiednim ciśnieniu. Wyniki tych badań są bardzo istotne dla przedsiębiorstw wodociągowych ze względu na dążenie do utrzymania dobrego wizerunku firmy u odbiorców usług.

Tab. 1. Zakres parametrów wskazanych do badań dla najczęściej wykorzystywanych materiałów [10], [26]

Przykładowe wyniki badań związane z oddziaływaniem materiału i wody

W tab. 1 wymieniono zestawy parametrów jakości wody, jakie były najczęściej oznaczane w odniesieniu do materiałów stosowanych w sieciach wodociągowych uzyskane na podstawie wyników badań atestacyjnych prowadzonych od 1968 r. w Zakładzie Higieny Komunalnej Narodowego Instytutu Zdrowia Publicznego – Państwowego Zakładu Higieny.

Dane dotyczą zarówno wpływu poszczególnych materiałów na jakość wody kontaktującej się z nimi, jak również
określają zakres badanych parametrów dla poszczególnych wyrobów.

W tab. 2 przedstawiono przykładowe wyniki badań dotyczących namnażania się mikroorganizmów na różnych materiałach oceniane tradycyjną metodą. Poważnego problemu przysparzają rury z cPVC i PVC łączone na klej. Na powierzchni kleju, na krawędzi złączy, z upływem czasu i penetracją wody również wytwarza się biofilm. Z tego względu w Niemczech się zaleca, aby rurociągi klejone jeden raz w miesiącu przepłukiwać gorącą wodą o temp. 85°C w celu likwidacji bakterii [17, 18, 19].

Poniżej przedstawiono wybrane wyniki badań przekroczeń parametrów wskaźnikowych w systemach wodociągowych [12, 13].

• Grupa I: parametry mogące przenikać do uzdatnionej wody w wyniku korozji (głównie żelazo, mangan, a także metale szkodliwe dla zdrowia o charakterze toksycznym: Pb, Cd, Cr, As).
• Grupa II: parametry mikrobiologiczne mogące stanowić zagrożenie zdrowotne, świadczące głównie o nieskutecznej dezynfekcji i potencjalnej możliwości tworzenia biofilmu w sieci.
• Grupa III: parametry (produkty uboczne) powstające w wyniku dezynfekcji wody.

Z analizy otrzymanych rezultatów badań wynika, że w grupie I przekroczenia dotyczyły głównie: Fe i Mn oraz związanych z tymi parametrami mętności, barwy i zapachu oraz niezależnie od nich naturalnego parametru, jakim jest amoniak. Z grupy parametrów toksycznych najwięcej przekroczeń dotyczyło Pb (4,68% próbek) i Cd (1,12% próbek).

Analizując przekroczenia wskaźników mikrobiologicznych (grupa II), stwierdzono, że są one niewielkie (maksymalnie 2,5%) i odnoszą się do małych wodociągów opartych na wodach powierzchniowych. W przypadku produktów powstających w wyniku dezynfekcji wody (grupa III) występowały przekroczenia dopuszczalnych wartości parametrów: trichlorometanu (powstający przy zastosowaniu chloru) i bromianu (powstający przy dezynfekcji ozonem). Oba parametry są rakotwórcze.

Tab. 2. Wpływ różnych materiałów stosowanych do przesyłu wody przeznaczonej do spożycia na powstawanie biofilmu oceniane metodami tradycyjnymi [Schoenen i Wehse, 1988]

Postęp w zakresie odnowy sieci wodociągowych w kraju

Problem utrzymania wymaganej przepisami jakości wody w sieciach wodociągowych, gdzie ulega ona wtórnemu zanieczyszczeniu, występuje powszechnie. Stosuje się wiele sposobów mających na celu minimalizację wtórnego zanieczyszczenia wody w sieciach.

W praktyce jednak najbardziej skuteczną, a zarazem radykalną metodą jest odnowa przewodów wodociągowych. Odnowa, która obejmuje wymianę wykopową, wymianę bezwykopową, renowację lub rekonstrukcję starych wyeksploatowanych przewodów, rozwiązuje również inny istotny eksploatacyjny problem. Poprawia bowiem stan techniczny przewodów sieci dzięki zmniejszeniu ich chropowatości, co znakomicie usprawnia hydraulikę przewodów i w efekcie końcowym powoduje obniżenie strat ciśnienia i zmniejszenie zużycia energii na pompowanie wody. Poniżej przywołano wyniki badań dotyczących zakresu wdrożenia technik odnowy przewodów wodociągowych w Polsce w ostatnich latach [9]. Na podstawie tych badań można generalnie stwierdzić, że postęp w zakresie odnowy sieci wodociągowych w kraju jest niewielki. Mimo że odnotowano dwukrotny wzrost intensywności odnowy w ostatnich pięciu latach w stosunku do lat 2005-2008 z 0,2 do 0,4% badanych sieci w ciągu roku, to nadal jest to bardzo niewielki zakres odnowy przewodów. Dominuje zdecydowanie wymiana tradycyjna wykopowa – w latach 2010-2015 tą metodą odnowiono blisko 80% badanych przewodów wodociągowych i jest to tendencja rosnąca od 25 lat. Bardzo mały odsetek badanych sieci (ok. 4,2%) odnawia się natomiast metodą renowacji (szeroko stosowaną w sieciach kanalizacyjnych). Odnowie poddaje się przede wszystkim przewody wykonane z materiałów tradycyjnych, takich jak stal i żeliwo szare, które zastępuje się głównie rurociągami z PE – 70 do 100% przewodów po odnowie.

Podsumowanie

Z przedstawionych ocen rozwiązań materiałowych wynika, że nie ma uniwersalnego materiału, który spełniałby w zadowalającym stopniu wszystkie wymagane oczekiwania użytkowników wodociągu. Każdy materiał stosowany obecnie do budowy sieci wodociągowych ma swoje zalety i wady. Dlatego do prawidłowego doboru materiału przewodów konieczna jest wiedza na temat jego cech i analiza możliwych zachowań w konkretnych warunkach użytkowania i eksploatacji danego systemu dystrybucji wody. Stąd też wynika potrzeba stosowania odpowiedniej metody doboru materiału, której podstawą są racjonalnie ustalone kryteria doboru.

Istotne znaczenie przy przyjmowaniu kryteriów mają wytyczne i wskazówki opracowane przez przedsiębiorstwo wodociągowe zajmujące się eksploatacją i użytkowaniem systemu dystrybucji wody na terenie jego działania. Dokument taki o charakterze np. wytycznych eksploatacyjnych do projektowania jest skierowany głównie do projektantów. Wymagania zawarte w nim wynikają w oczywisty sposób z obowiązujących przepisów techniczno-budowlanych, aktualnych norm, wiedzy technicznej, znajomości najnowszych rozwiązań technicznych, a w szczególności z doświadczeń eksploatacyjnych operatora sieci. Wytyczne powinny obowiązywać zarówno przy projektowaniu, budowie nowych, jak i przy remontach i modernizacji istniejących sieci wodociągowych zarządzanych przez przedsiębiorstwo.

W proponowanej metodyce doboru materiałów wyróżniono kryterium „jakości” interpretowane jako minimalizacja wzajemnego oddziaływania materiału przewodów i przepływającej nimi wody. Nadrzędną pozycję tego kryterium wśród kilkudziesięciu innych uzasadnia się tym, że systemy dystrybucji wody są projektowane i budowane w celu zaopatrywania odbiorców w wodę o najwyższej jakości, tj. wody do spożycia (choć taka woda nie jest konieczna do wszystkich celów, np. do polewania ulic, zieleni czy mycia pojazdów). W związku z tym wszystkie wyroby budowlane (rury, kształtki, armatura itp.), z których budowane są sieci wodociągowe, powinny posiadać, oprócz oznakowania CE (gwarancja spełnienia przez wyrób wymagań bezpieczeństwa, konstrukcji, użytkowania i ochrony zdrowia wg dyrektywy 89/106/EWG), także gwarancje przydatności wyrobu do kontaktu z wodą przeznaczoną do spożycia. Temu celowi będzie służyło oznakowanie wyrobów znakiem CE-EAS, który będzie stanowił potwierdzenie, że produkt jest dopuszczony do kontaktu z wodą i nie spowoduje pogorszenia jej jakości. Obecnie utrzymanie wysokiej jakości wody przesyłanej sieciami wodociągowymi zbudowanymi w dużej części z tradycyjnych materiałów (ok. 35% długości sieci wykonanej z żeliwa szarego i stali) wymaga od operatorów sieci ogromnego wysiłku. Oprócz typowych zabiegów eksploatacyjnych, takich jak planowe płukanie i czyszczenie przewodów, konieczne są także technologie mające na celu zapewnienie stabilności chemicznej i biologicznej wody przepływającej przewodami, aby nie wchodziła ona w reakcję z materiałem przewodu. Jak już wspominano wcześniej, najskuteczniejszym i jednocześnie radykalnym rozwiązaniem jest planowa odnowa przewodów, która zapewnia równocześnie poprawę stanu technicznego sieci wodociągowych. Jednak postęp w zakresie odnowy sieci wodociągowych w Polsce jest jeszcze bardzo skromny. Średnio rocznie odnawia się tylko ok. 0,4% badanych sieci wodociągowych.

prof. Marian Kwietniewski

Politechnika Warszawska Wydział Instalacji Budowlanych, Hydrotechniki i Inżynierii Środowiska

Literatura

1. Dyrektywa 89/106/EWG z dnia 21 grudnia 1988 r. w sprawie zbliżenia przepisów prawnych i administracyjnych państw członkowskich dotyczących wyrobów budowlanych.
2. Dyrektywa Rady Unii Europejskiej 98/83/WE z dnia 3 listopada 1998 r. w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia.
3. Dyrektywa Rady 2013/51/Euratom z dnia 22 października 2013 r. w sprawie wymogów dotyczących ochrony zdrowia ludności w odniesieniu do substancji promieniotwórczych w wodzie przeznaczonej do spożycia przez ludzi.
4. Dyrektywa Komisji (UE) 2015/1787 z dnia 6 października 2015 r. zmieniająca załączniki II i III do dyrektywy Rady 98/83/WE.
5. T. Hulsmann, R.E. Nowack, 70 years of experience with PVC-U pipes, Plastics Pipes XII, April 2004, Milan, Italy.
6. L.E. Janson, Rury z tworzyw sztucznych do zaopatrzenia w wodę i odprowadzania ścieków, PRiK, Toruń 2010.
7. A. Kuliczkowski, Rury kanalizacyjne, Wyd. Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce 2001.
8. M. Kwietniewski, Kierunki badań systemów dystrybucji wody w Polsce, materiały konferencji „Zaopatrzenie w wodę i ochrona wód”, Poznań 2018.
9. M. Kwietniewski, K. Miszta-Kruk, J. Szmulewicz, Development of renewal of water supply networks in Poland in years 2011-2015, w: C. Madras, A. Kolonko, B. Nienartowicz, A. Szot (eds), Underground Infrastructure in Urban Areas 4, wyd. 1, CRC Press/Balkema Taylor&Francis Group, London 2017.
10. M. Kwietniewski, M. Tłoczek, L. Wysocki, Zasady doboru rozwiązań materiałowo-konstrukcyjnych do budowy przewodów wodociągowych, Wyd. Izba Gospodarcza Wodociągi Polskie, Bydgoszcz 2011.
11. C. Madryas, A. Kolonko, L. Wysocki, Konstrukcje przewodów kanalizacyjnych, Oficyna Wyd. Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2002.
12. D. Maziarka, Postępowanie i ocena ryzyka w razie przekroczenia dopuszczalnych wartości parametrów chemicznych w wodzie przeznaczonej do spożycia przez ludzi, Gdańska Fundacja Wody, 2006.
13. Państwowa Inspekcja Sanitarna, Oceny stanu sanitarnego kraju za 2007 rok, dokonane na podstawie wyników badań wykonywanych przez organy Państwowej Inspekcji Sanitarnej, 2007.
14. PN-ISO 3114:1998 Rury z niezmiękczonego poli(chlorku winylu) (PVC) do przesyłania wody pitnej – Metoda badania ekstrakcji ołowiu i cyny.
15. Program oczyszczania kraju z azbestu na lata 2009-2032, Rada Ministrów, 2009.
16. Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 7 grudnia 2017 r. w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi (Dz.U. z 2017 r. poz. 2294).
17. D. Schoenen, A. Wehse, Mikrobiolle Kontamination des Wasser durch Rohr – und Schlauchmaterialien, L. Mitteilung: Nachweis von Koloniezah Weronderungen Zbl. Bart Hyg. B., 186, 108, 1988.
18. D. Schoenen, Infuence of materials on the microbiological colonization of drinking water, „Aqua”, 38, 101,1989.
19. D. Schoenen, W. Dott, E. Thofern, 7. Mitteilung: Langzeitbeobach tungen in zwei Reinwasserbehalter mit Epoxidharzauskleid- ung. ZDL Bakt. Hyg. I Abt. B, 173, 346, 1981.
20. A. Stankiewicz, D. Maziarka, T. Podsiadły, Certyfikacja wyrobów kontaktujących się z wodą przeznaczoną do spożycia w Unii Europejskiej, II Konferencja Krajowa „Mikrocystyny i inne zanieczyszczenia w wodzie”, Łódź 2004 (streszczenia referatów).
21. Ustawa z dnia 27 października 2017 r. o zmianie ustawy o zbiorowym zaopatrzeniu w wodę i zbiorowym odprowadzaniu ścieków oraz niektórych innych ustaw (Dz.U. poz. 2180).
22. M 136 Mandate to CEN/CENELEC concerning the execution of standarisation work for harmonized standards on construction products in contact with water intended for human consumption (2001) – Mandat dotyczący wykonania prac normalizacyjnych związanych z normami zharmonizowanymi dla wyrobów budowlanych kontaktujących z wodą przeznaczoną do spożycia przez ludzi.
23. J. Wasowski, D. Kowalski, B. Kowalska, M. Kwietniewski, M. Zawilska, Badania zmian jakości wody w przewodach wodociągowych z wykładziną cementową, „Ochrona Środowiska” vol. 34, nr 1/2012.
24. B. Wichrowska, I. Lewandowska-Malinowska, A. Stankiewicz, Zdrowy dom w aspekcie zastosowania w nim tworzyw sztucznych, „Instal” nr 11/1998.
25. B. Wichrowska, I. Lewandowska-Malinowska, A. Stankiewicz, Zdrowy dom a PCV, Kraków 1999.
26. B. Wichrowska, K. Wawiernia, I. Kongiem-Chabło, Metodyka badania wyrobów z tworzyw sztucznych mających bezpośredni kontakt z wodą do picia, Wydawnictwo Metodyczne PZH, Dział Higiena Komunalna, 1980.
27. B. Kowalska, D. Kowalski, M. Kwietniewski, Wymywanie związków organicznych w sieciach wodociągowych wykonanych z PVC, „Instal” nr 4/2009.