Jakost vody v distribučních systémech pitné vody

Problémy koroze v dálkových přivaděčích i v distribučních systémech pitné vody souvisejí s chemickými, fyzikálně-chemickými a biologickými procesy, probíhajícími v potrubí. Jejich průvodním znakem jsou změny jakosti pitné vody v celé řadě ukazatelů. K nejvýznamnějším patří obsah Fe (tzv. zaželezování vody), pH, konduktivita, zákal, barva, obsah suspendovaných látek, DOC, CHSK, AOC, BDOC a řada mikrobiologických ukazatelů. Charakteristickým znakem korozních procesů je pokles koncentrace rozpuštěného kyslíku ve vodě.

Michal Skalický, Alexander Grünwald

Abstract

Drinking water is essential for the human organism hence the modern society puts an accent on quality of the drinking water and extraordinary attention is paid to both water resources and crude water treatment. In this article, we evaluate changes in corrosion rate during the water treatment in the Plav industrial water treatment in the South Bohemian Region. During 35 and 70-day exposure, the corrosion rate was monitored in crude and treated water samples. We also analyzed pH, KNK_4,5, Ca+Mg and Fe indicators. The Heyer’s test was used to evaluate water aggressivity caused by CO₂.

Úvod

Problémy koroze v dálkových přivaděčích i v distribučních systémech pitné vody souvisejí s chemickými, fyzikálně-chemickými a biologickými procesy, probíhajícími v potrubí. Jejich průvodním znakem jsou změny jakosti pitné vody v celé řadě ukazatelů. K nejvýznamnějším patří obsah Fe (tzv. zaželezování vody), pH, konduktivita, zákal, barva, obsah suspendovaných látek, DOC, CHSK, AOC, BDOC a řada mikrobiologických ukazatelů. Charakteristickým znakem korozních procesů je pokles koncentrace rozpuštěného kyslíku ve vodě.

Pokud uvedené procesy probíhají v ustálených podmínkách a korozní rychlosti nedosahují extrémních hodnot, dochází k ovlivnění jakosti pitné vody korozními procesy jen nepatrně a nebezpečí tvorby „rezavé vody“ nehrozí.

Při styku vody s nelegovanými materiály dochází za běžných provozních podmínek k anodickému rozpouštění Fe na Fe²⁺. Na katodě se z rozpuštěného kyslíku tvoří anionty OH^-. Ionty Fe²⁺ mohou zůstat na povrchu materiálu v podobě ochranné vrstvy příp. přejít do vody. V ochranné vrstvě se mohou tvořit reakcí s některými složkami ve vodě málo rozpustné sloučeniny jako např. uhličitan železnatý (siderit), hydroxid železnatý, nebo může dojít k jejich oxidaci přes více nebo méně rozpustné mezistupně až na magnetit (Fe₃O₄) a hydratovaný oxid železitý (FeOOH). Menší část iontů Fe²⁺ v ochranné vrstvě se oxiduje na Fe³⁺ a tvoří viskózní vrstvu na korozních produktech [1].

V praxi se však ukazuje, že v nestacionárních podmínkách např. v podmínkách zásobování s relativně dlouhou dobou zdržení, vznikají velké problémy s korozí, které korelují přímo s provozními podmínkami [2].

Ve svých důsledcích se korozní působení vody během její dopravy projevuje nepříznivě především tím, že negativně ovlivňuje životnost vodovodních potrubí, zvyšuje nároky na jejich čištění, opravy, příp. generální výměny.

Po stránce hygienické se mohou do  dopravované pitné vody uvolnit z potrubí látky, které nebyly přítomny v surové ani upravené vodě a jejichž významnost je limitována Vyhláškou MZ č. 252/2004.

Po stránce technologické se korozní pochody v dopravované pitné vodě nepříznivě projevují také výrazným poklesem koncentrace volného aktivního chloru v důsledku reakce s kovovými stěnami potrubí a vodou unášenými korozními produkty příp. inaktivací fluoridových aniontů, dávkovaných v rámci protikorozní prevence a částečně blokovaných také tvorbou biologicky neúčinných komplexních sloučenin s korozními produkty.

Korozní procesy probíhají ve zvýšené míře tam, kde se dopravuje voda s vyšším obsahem neutrálních solí, přičemž dřívější práce ukazují na přímou závislost na poměru součtu aniontů Cl^- a SO₄^2- k aniontům  HCO^3- [3].

Součástí každého programu úpravy a dopravy vody je monitorování koroze. Jeho smyslem je výpočet a predikce korozního chování systému na základě informací o podmínkách provozu systému a využití základních informací při řízení provozu pomocí různých proměnných jako např. pH, teplota, konduktivita, KNK_4,5 a dalších. Jeho výsledky slouží k odvození optimálních podmínek chemické úpravy vody, prodloužení životnosti používaných zařízení, zlepšení jakosti upravené vody, predikci způsobu a intervalů údržby a ke snížení provozních nákladů.

Některé způsoby monitoringu poskytují výsledky okamžitě využitelné v praxi, jiné informují o korozních rychlostech příp. o celkové korozi.

Většina způsobů monitoringu se hodí nejlépe pro situace, kdy se posuzuje plošná koroze z celkového hlediska, případně se lokalizuje důlková koroze.

Žádný způsob monitoringu neposkytuje všechna potřebná data k vlastnímu hodnocení účinnosti procesu úpravy vody z hlediska koroze. Vhodné je použití několika způsobů. K nejznámějším způsobům patří kuponové testy, měření lineárního polarizačního odporu (LPR), měření proudového napětí (ER), nepřímé zjišťování koncentrace rozpuštěných nebo suspendovaných látek. K prognostickým metodám hodnocení korozivních vlastností vody patří výpočet různých indexů jako např. Langelierova saturačního indexu (LSI), Ryznarova indexu stability (RSI), Pucktoriusova indexu tvorby inkrustů (PSI), Stiff-Davisova indexu (SDI), Oddo-Tomsonova indexu a indexu agresivity podle AWWA (AWWAI) [4].

Nevýhodou kuponových testů je dlouhý časový interval měření (30 – 90 d), jejich výhodou je naproti tomu jednoduchá interpretace a stanovení jak plošné tak důlkové koroze. Další metody jako LPR a ER umožňují okamžitě hodnotit pouze plošnou korozi. Nepřímá metoda neumožňuje určit typ koroze, interpretace výsledků je komplikovaná. V současné době se objevily způsoby, které kombinují výhody kuponových testů s náhradou klasické gravimetrické koncovky za použití skenovací techniky [5,6].

Použitá metodika

Ve své práci jsme se zabývali dlouhodobým monitorováním koroze ve dvou korozních smyčkách, instalovaných na úpravně vody Plav v Jižních Čechách. Zdrojem surové vody je v daném případě údolní nádrž Římov, ze které se voda čerpá na úpravnu vody, která je schopna vyrobit až 1400 litrů za sekundu. Současný výkon je kolem 550 litrů za sekundu.

Na úpravně je provozována dvoustupňová technologie úpravy vody. V prvním stupni je surová voda čiřena síranem železitým, ve druhém je filtrována a stabilizována přídavkem vápna (alkalizace) a oxidu uhličitého (ztvrzování). Takto upravená voda se nakonec hygienicky zabezpečuje dávkováním síranu amonného a chloru (chloraminace).

Z úpravny je pitná voda odváděna vodovodními řady dlouhými přes 400 kilometrů k zásobování Českých Budějovic, Temelína, Prachatic, Tábora, Strakonic, Písku, Jindřichova Hradce a dalších míst. Celkem se jedná o víc než 140 měst a obcí.

Korozní testy surové a upravené vody byly prováděny podle normy TNV 757121 pomocí ocelových destiček, umísťovaných do potrubí o DN 55,4 mm. Destičky byly vyměňovány v intervalech 35 a 70 dní. Po odstranění korozních produktů a inkrustů zředěným roztokem kyseliny chlorovodíkové s přídavkem inhibitoru koroze byly destičky opláchnuty, vysušeny a zváženy. Z úbytku hmotnost kuponů byla vypočtena odpovídající korozní rychlost podle vztahů uvedených v grafice.

Kromě korozních rychlostí byly v surové a upravené vodě zjišťovány hodnoty také dalších vybraných ukazatelů jakosti vody [7].

Výsledky

Průměrné hodnoty vybraných ukazatelů z dlouhodobého sledování jakosti surové a upravené vody jsou uvedeny v tab. 1.

Korozi podléhají ve vodě jak kovové tak nekovové materiály. Stupeň koroze přitom závisí nejenom na druhu materiálu, ale také na charakteru vody a délce jejich vzájemného kontaktu.

Výsledky dlouhodobého výzkumu v daném případě prokázaly, že surová voda z nádrže Římov vykazovala trvale vyšší rychlosti koroze než voda upravená a stabilizovaná, s prodlužováním expoziční doby testovacích kuponů v potrubí se tyto rychlosti snižovaly a proti očekávání nebyl pozorován negativní vliv rozpuštěného kyslíku na jejich hodnoty.

Z výsledků v tab. 2 a grafů 1-3  je zřejmé, že průměrné hodnoty korozních rychlostí, zjištěných při 35 denní expozici v surové vodě byly poněkud vyšší než ve vodě upravené. Při delší expozici 70 dní byla již průměrná rychlost koroze upravené vody podstatně nižší. Logickým vysvětlením je rozdíl v rychlosti vzniku oxidů Fe, tvořících na povrchu kuponů v průběhu testů ochrannou vrstvu. Ještě výraznější rozdíl vykazují výsledky korozních rychlostí, naměřených ve druhé polovině 70 denní expoziční doby. U upravené a stabilizované vody lze usuzovat na její mírně agresivní charakter.

Uvedené konstatování potvrzují také výsledky chemických rozborů vzorků usazenin, odebíraných v průběhu výzkumu z distribučního potrubí řadu Plav – Hlavatce. Celkem bylo odebráno 9 vzorků. Průměrné hodnoty sledovaných ukazatelů jsou uvedeny v tab. 3.

Jak vyplývá z tabulky, převládající složkou usazenin bylo železo, jehož obsah (jako Fe₂O₃) se ve vzorcích pohyboval mezi 44,3 a 79,3%. Průměrný obsah vápníku (jako CaO) byl 5,0 %, nejnižší stanovená hodnota byla 0,6 a nejvyšší 9,8%. Z průměrné hodnoty ztráty žíháním (1,5%) lze usuzovat na velmi nízký podíl organických látek v usazeninách. Přes toto zjištění nelze vyloučit možnou tvorbu vedlejších produktů dezinfekce, zejména trihalogenmethanů, vznikajících reakcí přítomných organických látek s dezinfekčním činidlem.

Závěr

Korozi podléhají ve vodě jak kovové tak nekovové materiály. Stupeň koroze přitom závisí nejenom na druhu materiálu, ale také na charakteru vody a délce jejich vzájemného kontaktu.

Výsledky dlouhodobého výzkumu v daném případě prokázaly, že surová voda z nádrže Římov vykazovala trvale vyšší rychlosti koroze než voda upravená a stabilizovaná, s prodlužováním expoziční doby testovacích kuponů v potrubí se tyto rychlosti snižovaly a proti očekávání nebyl pozorován negativní vliv rozpuštěného kyslíku na jejich hodnoty.

Tento článek byl zpracován s podporou grantu SGS12/172/OHK1/3T/11