VANNKVALITET I DISTRIBUSJONSSYSTEMET

Presentasjon om: "VANNKVALITET I DISTRIBUSJONSSYSTEMET"— Utskrift av presentasjonen:

1 VANNKVALITET I DISTRIBUSJONSSYSTEMET
Kvalitet av vann til forbruker avhenger av: Råvannskvalitet Rørmateriale Oppholdstid Inntrenging av forurensinger Vannkvalitet påvirker korrosjon og levetid av ledningsnett Korrosjon endrer vannkvalitet Ancient Roman Aqueduct, Secovia,Spain TVM4710 Modul: Drikkevanns-behandling og vannhygiene Vannkvalitet Liv Fiksdal Distribusjonssystem IVM NTNU

2 Mål Kjenne til de viktigste vannkvalitets-parametre som påvirker korrosjon Kunne beregne om et vann er i karbonat-likevekt TVM4710 Modul: Drikkevanns-behandling og vannhygiene Vannkvalitet Liv Fiksdal Distribusjonssystem IVM NTNU

3 Ulike vannkvalitets-parametre påvirker korrosjon av ulike ledningsnett-materialer.
Overflate-korrosj.- parametre Groptæring(pitting)- Sementbasert materiale/betong pH, alkalitet, kalsium, CO2 - Jern pH, alkalitet, kalsium, CO2, organisk stoff,Cl- Cl-,SO42-, HCO3-, pH Kobber pH, alkalitet, CO2 SO42-, pH, alkalitet, temperatur, org.stoff, Syrefast stål Bestandig Syrefast stål= bestandig Annet stål: pH, Cl- plast Pitting Syrefast stål: Unik-prosessen for karbonatisering overdoserer mhp FeCl3 før CaCO3-filter. Dette gir lav pH og høy Cl-, noe som er veldig korrosivt og som har gitt pitting på varmtvannsberedere av rustfritt stål uten katodisk beskyttelse (offeranode) slik de har ellers i Europa. Stein har observert at organisk stoff kan føre til økt Cu-innhold i vannet. Org. Stoff kan også føre til endret belegg, dvs får dannet andre Cu-forbindelser med andre likevektskonstanter. Organisk stoff bidrar til mikrobiell korrosjon Høyt partikkelinnhold bidrar til korrosjon Cu pitting grupperes i I,II,III. I Norge er II varmtvannspitting og III bløttvannspitting viktig. II er observert ved mange pH. SO42- er viktig. II kan reduseres ved å redusere temp lavere enn 60oC, men da riskerer en mikrobiell korrosjon. III: er observert etter alkalisering, for eksempel v pH over ca 8 . SO42- er viktig pH, alkalitet og CO2: når to er gitt er den tredje gitt TVM4710 Modul: Drikkevanns-behandling og vannhygiene Vannkvalitet Liv Fiksdal Distribusjonssystem IVM NTNU

4 (Karbonat) (mg/l HCO3-) 0.6-1.0 36-60
I veileder til Drikkevannsforskriften (2002) anbefales følgende verdier for parametre som påvirker korrosjon av ledningsnett-materiale ( kobber, messing, sementbasert materiale) Parameter Konsentrasjon pH Kalsium mg/l 15-25 Aciditet (mmol/l) (Fri CO2 mg/l) Lavest mulig Alkalitet (mmol/l) (Karbonat) (mg/l HCO3-) 36-60 TVM4710 Modul: Drikkevanns-behandling og vannhygiene Vannkvalitet Liv Fiksdal Distribusjonssystem IVM NTNU

5 Hva skjer når sementbasert materiale kommer i kontakt med vann?
pore TVM4710 Modul: Drikkevanns-behandling og vannhygiene Vannkvalitet Liv Fiksdal Distribusjonssystem IVM NTNU

6 Karbonatisering i sement-materialer
CO2 + Ca(OH)2 = CaCO3(s) + H2O styrker materialet CaCO3(s) + CO2 + H2O = Ca2+ + 2HCO3- 2 CO2 + Ca(OH)2 = Ca2+ + 2HCO3 transportert vann tilføres Ca2+ + 2HCO3 + Materialet nedbrytes TVM4710 Modul: Drikkevanns-behandling og vannhygiene Vannkvalitet Liv Fiksdal Distribusjonssystem IVM NTNU

7 Utfellt CaCO3(s) i poreåpningen er stabilt dersom det transporterte vannet er i likevekt med CaCO3(s). Hvis vannet er aggressivt, vil CaCO3(s) i poreåpningen løses opp og nedbryting av sementmaterialet vil foregå. Nedbryting fører til at OH- og Ca2+ tilføres transportert vann, dvs hardhet og pH øker TVM4710 Modul: Drikkevanns-behandling og vannhygiene Vannkvalitet Liv Fiksdal Distribusjonssystem IVM NTNU

8 LI= 0 => vannet er i likevekt
Langliers index (LI) Sier om vannet er i likevekt med CaCO3(s) eller ikke, og brukes for å angi vannets korrosivitet overfor sementbasert materiale. LI = pHa - pHm pHa = pH analysert i aktuelt vann pHm= pH dersom vannet er mettet, dvs er i CaCO3(s) –likevekt LI= 0 => vannet er i likevekt LI> 0 => vannet er overmettet og en får utfelling av CaCO3(s) LI< 0 => vannet er undermettet og en får oppløsning av CaCO3(s) Beregning av pHm og LI: CaCO3(s) = Ca2+ + CO og [Ca2+ ][CO32-] = Kso (1) HCO3- = H+ + CO og [H+ ][CO32-]/[HCO3- ] = K2 (2) (1)/(2) = [Ca2+ ] [HCO3- ]/[H+ ] = Kso/ K2 => -log [H+ ] = pH = pHm= log Kso –log K2 -log[Ca2+ ] -log[HCO3- ] LI = pHa – pHm = pHa - log Kso +log K2 +log[Ca2+ ] + log[HCO3- ] TVM4710 Modul: Drikkevanns-behandling og vannhygiene Vannkvalitet Liv Fiksdal Distribusjonssystem IVM NTNU

9 Aggressivt vann: Tillmanns kurve - aggressiv H2CO*3
[Ca2+ ][CO32-] = Kso (1) [H+ ][HCO3-]/[H2CO*3 ] = K1 (2) [H+ ][CO32-]/[HCO3- ] = K2 (3) (3)/(1)(2) gir [H2CO*3 ]/[HCO3- ]2 [Ca2+ ] = K2 /K1 Kso og konsentrasjonen av [H2CO*3- ] som en skal ha ved metning: [H2CO*3 ] = [HCO3- ]2 [Ca2+ ] * K2 / K1 Kso Ved å plotte denne ligningen for gitt [Ca2+ ] fås Tillmans-kurve: likevekt Aggressivt vann [H2CO*3 ] Overmettet vann TVM4710 Modul: Drikkevanns-behandling og vannhygiene Vannkvalitet Liv Fiksdal Distribusjonssystem IVM NTNU [HCO3- ]

10 LI og Tillmans kurve sier noe om muligheten for å få dannet beskyttende CaCO3-belegg på overflaten av støpejern pH, Alkalitet og Ca i råvann påvirker mulighet for beleggdannelse og har derfor betydning for evn overflatekorrosjons-hastighet for Fe Reduksjon (%) av Fe-korrosjons-hastighet ved økt pH, alkalitet og Ca innhold, i forhold til i råvann (pH 7.4, alk. 0.3 mmol/l, Ca 7mg/l) pH Alkalitet mmol/l Ca mg/l Vannhastighet (m/s) 0.53 0.28 0.01 8.2 1 7 20 30 40 72 85 89 87 67 90 88 60 68 Senere målinger gjort av Stein østerhus har ikke vist beskyttelse ved lave vannhastigheter. TVM4710 Modul: Drikkevanns-behandling og vannhygiene Vannkvalitet Liv Fiksdal Distribusjonssystem IVM NTNU

11 Effekt av pH på jernkonsentrasjonen (jernkorrosjonshastigheten) ved ulike vannkvaliteter under tilnærmet stagnante forhold og i fravær av organisk stoff. Dataene (Sverige) er basert på overflatekompleksmodellen for jernkorrosjon. Berghult et. al. TVM4710 Modul: Drikkevanns-behandling og vannhygiene Vannkvalitet Liv Fiksdal Distribusjonssystem IVM NTNU

12 Modell basert på svenske forsøk (B. Berghult et.al 2000)
Likevektskonsentrasjonen for jern som funksjon av pH ved forskjellig humusinnhold (TOC) under stagnante forhold for et vann med TIC=30 mg HCO3-/l, 8mg Ca/l, 7 mg Cl-/l og 19 mg SO42-/l. (TIC=total inorganic carbon) Fe Modell basert på svenske forsøk (B. Berghult et.al 2000) TOC1 TOC2 TOC3 ”Jernkorrosjon i drikkevann.2001” på NFR webside Våre forsøk vist utfelling av CaCO3 økte ved økt pH og økt Ca og alkalitet, som ventet. Vår konklusjon: at caCO3-belegg ga beskyttelse. Svenskene viste først at det å øke pH fra for eksempel 7 til 8 ga økt Fe-korrosjon. Senere viste de at tilsats av organisk stoff endret dette forholdet, jamfør figuren TOC-innholdet var 0, 1, 2, 3 mg/l. Den svenske modellen er basert på at det overflatekompleks av FeOHn som sammen med likevektsbetraktninger angir resulterende korrosjon og vannkvalitet. Dette kan være riktig i stagnant vann, men ikke for rennende vann. Viktig at sb\venske forsøk er utført under stagnante forhold, mens våre forsøk ble utført ved vanngjennomstrømming. Svenskene mente at problemet var størst i endeledninger, mens norske kommuner eer opptatt av mulighet for korrosjon i overføringsledninger og i gatenett-ledninger. Svenske og norske resultater er ikke nødvendigvis i motsetning, de utfyller hverandre Våre forsøk viserat vannhastighet er viktig for Fe-korrosjon. pH TVM4710 Modul: Drikkevanns-behandling og vannhygiene Vannkvalitet Liv Fiksdal Distribusjonssystem IVM NTNU

13 Temperatureffekt: Når vann fra ledningsnett varmes opp, kan det skje utfelling av CaCO3 fordi Ksp avtar Beregn løselighetsprodukt, Ksp, ved aktuell temp Beregn om [Ca2+][CO32-] større, mindre eller lik Ksp eller beregn LI NB: utfelling kan ta tid, vannet kan forbli i overmettet tilstand en periode før utfelling finner sted TVM4710 Modul: Drikkevanns-behandling og vannhygiene Vannkvalitet Liv Fiksdal Distribusjonssystem IVM NTNU

14 Ledningsmateriale kan påvirke drikkevannets kvalitet
Korrosjon av ledningsnett endrer vannkvalitet, f.eks: Sementforinger: økt pH (i nye ledninger) Aluminiumrike sementforinger: økt Al (i nye ledninger) Støpejernsledninger: rødbrunt vann når rustbelegg løsner Kobberledninger: overflatekorrosjon fører til økt Cu TVM4710 Modul: Drikkevanns-behandling og vannhygiene Vannkvalitet Liv Fiksdal Distribusjonssystem IVM NTNU

15 Al For transport av aggressivt vann benyttes lednings-foringer av aluminatsement (blanding av kalkstein og bauxitt) Sementtype bestanddel CaO % SiO2 Al2O3 Portland 64 20 5 Aluminatsement (England) 36-39 4-5 38-40 Aluminatsement hevdes å være bestandig ved ca 4<pH<alkalisk TVM4710 Modul: Drikkevanns-behandling og vannhygiene Vannkvalitet Liv Fiksdal Distribusjonssystem IVM NTNU

16 Al-hydroksid-løselighet som funksjon av pH
KsoAlOH3gammel= KsoAlOH3fersk= 10-33 Olderø har analysert Al i råvann/Jonsvann og funnet inntil 0.05mg/l (drLange)= (0.05/27)*1000= 1.85 uM = 1.85*10-6 M TVM4710 Modul: Drikkevanns-behandling og vannhygiene Vannkvalitet Liv Fiksdal Distribusjonssystem IVM NTNU

17 Utløsing av Al fra aluminat-sement i ledningsnett
Utløsing av Al fra aluminat-sement i ledningsnett. Modell basert på eksperimentelle forsøk (vannhast. 0.2m/sek) grenseverdi Surt overflatevann: i starten mye Ca, pg økt pH. Dette fører så til utfelling av Al. Jonsvatnet: pH = 7 Alkalitet = 0.3 mmol/l Ca = 7 mg Ca/l Karbonatisert vann: pH = 8 Alkalitet = 1.0 mmol/l Ca = 20 mg Ca/l Surt overflatevann: pH = 5 Alkalitet < 0.02 mmol/l Ca = 5 mg Ca/l Grunnvann: pH = 6.2 Alkalitet = 0.5 mmol/l Ca = 13 mg Ca/l TVM4710 Modul: Drikkevanns-behandling og vannhygiene Vannkvalitet Liv Fiksdal Distribusjonssystem IVM NTNU

18 Forsøkene og modellen viste også at:
Mengden av Ca og Al som vaskes ut påvirkes ulikt av samme vannkvalitet Lav pH: lite utvasket Al og mye utvasket Ca Høy pH: lite utvasket Ca og mye utvasket Al Utvasking av Ca medfører økt pH som igjen øker Al-utvasking over tid Surt og bløtt vann vil få en rask økning av Ca og pH og deretter av Al I CO2-rikt grunnvann som også har høyt bufferinnhold, vil Al innholdet forbli lavt selv om Ca vaskes ut, fordi vannet er bufret og pH holdes relativt lav TVM4710 Modul: Drikkevanns-behandling og vannhygiene Vannkvalitet Liv Fiksdal Distribusjonssystem IVM NTNU

19 Cu Cu (mg/l)= 0.052 [alk] –1.37 pH +2.016[SO42-] + 10.2
Det er funnet følgende empiriske sammenheng mellom Cu i vann etter stagnasjon i Cu ledninger (16 t) og råvannskvaliteten (KIWA, Nederland): Cu (mg/l)= [alk] –1.37 pH [SO42-] [alk] (mmol/l), [SO42-] (mmol/l) Cu-karbonat-kompleksdannelse bidrar til økt kobberinnhold i vannet Fra Gøteborgsymposiet i 1995, M. Edwards. TVM4710 Modul: Drikkevanns-behandling og vannhygiene Vannkvalitet Liv Fiksdal Distribusjonssystem IVM NTNU

20 Cu-innhold i henstandsvann som funksjon av vannkvalitet
(12 timer) Krav hos forbruker Krav ut fra anlegg (12 timer) Østerhus, Sintef 1998 TVM4710 Modul: Drikkevanns-behandling og vannhygiene Vannkvalitet Liv Fiksdal Distribusjonssystem IVM NTNU

21 Innlekking av forurensinger gjennom plast-ledninger
Figuren er hentet fra boka somstår i min hylle: Corrosion and related aspects of materials for potable water supplies. Eds P. McIntyre and AD 1993 S. Sægrov 2001: I Drammen var det et tilfelle hvor noen hadde kastet et bensinfat i en ledningsgrøft. Det ga smak på vannet. PVC ledninger var stive og ga store, sprø brudd med mye vannlekkasje. De er blitt mykere, men ryktet forfølger PVC og leggingen av de mykere PE-rør øker, selv om disse er porøse. For å kompensere for porøsiteten legges et aluminiumbelegg innvendig. Bruk av polypropylen-rør avtar. Diffusjon av methanol gjennom ”high density polythylen” (HDPE) ledning v/500C Marshall, 1993 TVM4710 Modul: Drikkevanns-behandling og vannhygiene Vannkvalitet Liv Fiksdal Distribusjonssystem IVM NTNU

22 Konklusjoner som ble trukket av Marshall et. al:
Polytehylen (PE) er mer permabel enn PVC materiale overfor løsningsmidler (toluen, chlorobenzen, methanol) som forekommer som industri-forurensing Methanol vil trenge 6 mm inn i en Polyethylen (PE)- ledning innen 46 timer, v/50oC (se figuren foran) Chlorobenzen vil trenge raskere inn i PE ledninger og i større mengder enn methanol (ikke vist i figuren foran), men frigjøring av chlorobenzen fra ledningen til vannet skjedde meget langsomt TVM4710 Modul: Drikkevanns-behandling og vannhygiene Vannkvalitet Liv Fiksdal Distribusjonssystem IVM NTNU