Význam a dlouhodobý účinek řízeného proplachu na vodovodní síť

Příspěvek popisuje činnosti, které byly v průběhu let 2018 a 2019 prováděny na reálné vodovodní síti, která zásobuje pitnou vodou centrum města s 15 tisíci zásobovanými obyvateli. Tato vodovodní síť je dlouhodobou případovou studií, kde byly všechny postupy v průběhu let vyvíjeny a testovány. V září roku 2019 byl na řešené vodovodní síti proveden historicky první řízený proplach celé zkoumané vodovodní sítě. V rámci monitoringu jakosti vody byly z vodovodní sítě průběžně odebírány vzorky pro mikrobiologický, chemický a hydrobiologický rozbor. Monitoring a řízený proplach byly prováděny v rámci výzkumných projektů TAČR Zéta I. č. TJ01000296 s názvem ,,Řízení jakosti pitné vody ve vodovodních sítích“. Pro získání informací o dlouhodobém účinku proplachu vodovodní sítě na jakost pitné vody byl v květnu 2019 proveden druhý opakovaný proplach na vybraných úsecích. Opakovaný proplach byl proveden v rámci projektu specifického vysokoškolského výzkumu „Doba vlivu řízeného proplachu vodovodního potrubí na vybrané ukazatele jakosti pitné vody“, registrační číslo FAST-J-19-6066.   Oba výše zmíněné projekty jsou řešeny na Ústavu vodního hospodářství obcí Fakulty stavební Vysokého učení technického v Brně.

Markéta Rajnochová, Jan Ručka, Tomáš Sucháček

Abstract

The paper describes results of a long-term study in the field of drinking water quality in the water supply network. The case study of the water supply network, which supplies the city centre with 15,000 inhabitants, examined the long-term impact of controlled water supply flushing on the quality of the water transported. Historically, the first controlled flushing of the whole investigated water supply network of 31.4 km was carried out in August and September 2018. Subsequently, long-term monitoring of water quality in the network was carried out. After a year of operation in May 2019, a second, repeated flushing of several pre-selected pipe sections was performed. Repeated flushing was performed in an identical manner to the first one to compare the results. During the first and second flushing very detailed measurements of selected water quality indicators, pressure and flow were performed in situ. Samples of polluted water with sediment were also taken and sent to an accredited laboratory for analysis. Comparison of the measured values ​​between the first and second flushing in most sections shows a significant improvement in all monitored drinking water quality indicators. On the other hand, some indicators worsened in one flushed pipe section. This indicates that each part of the water supply network will require a different level of maintenance to ensure that each consumer is supplied with drinking water of an appropriate quality according to a set standard. Obviously, there are sections prone to accumulation or sedimentation in the water supply network and require more frequent flushing. The current practice fully corresponds to this findings. However, the subject of the research is to find out the answers to the questions why sediment accumulates in those specific pipe sections, what factors influence its origin and movement and how to quantify, model and predict these processes. Based on the information obtained from repeated flushing, it can be stated with certainty that controlled flushing, if well planned and executed, has a significant positive effect on the quality of water in the water supply network. Controlled flushing significantly reduces the sediment content of the water supply network, which ultimately affects many other drinking water quality indicators.

Úvod do problematiky řešení a řízení jakosti pitné vody ve vodovodní síti

Dobrá provozní praxe veřejného vodovodu 21. století by již měla přestat vnímat vodovodní síť jako černou skříňku, v jejíchž útrobách probíhají „jakési“ procesy. Vodovodní síť si zasluhuje nejméně takovou pozornost, jaká je tradičně věnována vodním zdrojům a úpravě vody. Bude-li voda z úpravny vody či zdroje vstupovat například do přestárlé, špatně navržené či nesprávně provozované vodovodní sítě v sebelepší jakosti, výsledná jakost vody v místě spotřeby bude vždy jen stochastickým jevem. Hovoříme-li v této souvislosti o řízení jakosti vody během její distribuce, pak máme na mysli systematické činnosti provozovatele vodovodu, které směřují k tomu, aby si pitná voda zachovala své požadované ukazatele jakosti po celou dobu dopravy ze zdroje až do místa spotřeby. U rozsáhlých vodárenských soustav a velikých spotřebišť prakticky nelze lidským rozumem obsáhnout složitost vodárenské soustavy bez použití hydraulických simulačních modelů. Jedním z nástrojů, který lze využít pro řízení jakosti vody ve vodovodní síti je, mimo jiné kroky, také provádění řízených proplachů. Jedná se, v porovnání s ostatními možnostmi, o relativně levné postupy, které obvykle nevyžadují vysoké investice a jejich nasazení je rychlé a časově pružné. Nutno však poznamenat, že řešení problematiky změny jakosti pitné vody během její distribuce vyžaduje komplexní přístup. Máme na mysli např. udržování stáří potrubí v přijatelných mezích, zvládnutí správné techniky při opravách potrubí, a v neposlední řadě zejména zajištění odpovídající a stálé jakosti vody na vstupu do vodovodní sítě.

Provedením řízeného proplachu jsou z potrubí odstraněny jemné nezpevněné sedimenty, které se v něm při běžném provozu dlouhodobě akumulují nebo ve vodovodní síti přímo vznikají [4]. Sedimenty mohou být různého původu, mohou mít různé vlastnosti i složení. Je známo, že ve starších litinových potrubích bez ochrany vnitřních povrchů převažují sedimenty korozního původu lze vidět na Obr. 1., fotografie byla pořízena během prvního proplachu v září 2018. Mnoho autorů, kteří se zabývali korozí litinového potrubí ve vodovodních distribučních sítích, vnímají korozi potrubí jako jednu z hlavních příčin nežádoucího ,,zabarvení vody“ a vzniku zákalových události [2]. Dříve zpracované studie však jednoznačně dokládají, že sediment se tvoří také ve vodovodních sítích, kde žádné kovové potrubí nejsou [5]. Studie z Británie poukazuje na to, že četnost stížnosti na zakalenou vodu je druhou nejčastější příčinou stížností odběratelů [3]. Sedimenty ve vodovodní síti mohou mít různé zabarvení, šedou, černou, hnědou až rezavou. To proto, že vznikají vlivem různých procesů, které způsobují také jejich různé zabarvení [1]. Obvykle, pokud je vzorek zakalené vody ponechán delší dobu v klidu, dojde k sedimentaci podstatného množství částic. Rychlost sedimentace je závislá ne velikosti částic a jejich složení a může trvat řádově v minutách až po desítky hodin. Odběratelé často poukazují na zabarvení vody a pochopitelně nerozlišují precizně mezi zákalem a barvou vody. Je také známo, že akumulace částic mají vztah k biologické aktivitě [5]. Z organických látek může 1 až 12 % nahromaděných částic sestávat z bakteriální biomasy, což může být důležitým faktorem z hlediska hygienické bezpečnosti pitné vody [1]. Dle studie provedené v Nizozemsku na jejich sítích by teoreticky mělo docházet k minimálnímu počtu zákalových událostí, protože nizozemské vodovodní sítě obsahují jen velmi málo litinových potrubí a vykazují nízkou poruchovost zhruba na úrovni 0,03 poruchy/rok/km PVC potrubí a 0,09 poruchy/rok/km u potrubí z tvárné litiny [8]. Přesto se i zde zákalové události objevují, což opět dokládá fakt, že jsou i jiné faktory ovlivňující akumulaci sedimentů ve vodovodní síti a vznik zákalových událostí, nežli jen procesy koroze kovových potrubí [1].  Celkově lze konstatovat, že mechanismy vedoucí ke vzniku zákalové události jsou velmi komplexní. Při běžném hydraulickém režimu vodovodní sítě, který je definován přibližně týdenní pravidelností odběrů vody v jednotlivých částech sítě, průtoků a rychlostí, se částice sedimentů průběžně usazují a také resuspendují, aniž by to mělo výrazný vliv na jakost vody. Tyto procesy průběžně probíhají a zákal vody je pod úrovní povolených 5 ZF_n. Pokud se ale například vlivem náhlého vysokého odběru vody ze sítě zvýší průtok v daném úseku tak, že dojde k překročení obvyklých hodnot rychlostí a smykového napětí, dojde k rozvíření sedimentu do vody a vzniku zákalové události. Následně také ke stížnostem odběratelů. [1] Intenzita zákalové události, doba jejího trvání a dopad na odběratele je závislá na množství a vlastnostech jemného sedimentu v potrubí a také na aktuálních a obvyklých hydraulických poměrech ve vodovodní síti. Realizací proplachů na různých sítích bylo ověřeno, že podstatné množství sedimentu je přítomno také v sítích tvořených výhradně plastovými materiály [4,6,7]. Důkladnému porozumění mechanismům a procesům, které vedou ke změně zbarvení, vzniku či mobilizaci sedimentů se zabývají zejména výzkumné týmy Nizozemsku a UK.

Řízený proplach vodovodní sítě centra města - případová studie srpen – září 2018

Cílem řízeného proplachu je vypláchnout sediment kompletně z celé vodovodní sítě a provést to: (1) zcela, (2) bezpečně, řízeně a po celou dobu proplachu mít pod kontrolou hydraulické chování vodovodní sítě, (3) efektivně s minimálními přejezdy mezi hydranty a s minimální spotřebou pitné vody, a (4) s minimálním dopadem na komfort odběratelů. [4] Jelikož je řízený proplach hygienicky významný úkon, bylo jeho provedení předem konzultováno a odsouhlaseno s příslušnou hygienickou stanicí. Byla zpracována analýza rizik možných negativních důsledků špatného provedení proplachu, také byla definována preventivní opatření pro eliminaci těchto rizik. Možnými riziky jsou: (1) Dočasná ztráta tlaku ve vodovodní síti, (2) Ztráta kontroly nad jakostí vody v síti, tedy vznik rozsáhlé neřízené zákalové události, (3) Neúplné odstranění akumulovaného sedimentu z potrubí, (4) Vznik hydraulického tlakového rázu v potrubí, (5) Vnik zakalené vody do vodovodní přípojky, (6) Aktivace procesů aktivní koroze vlivem příliš vysoké proplachovací rychlosti kovových potrubí.

V rámci projektu TJ01000296 ,,Řízení jakosti pitné vody ve vodovodních sítích“ byl v období srpen – září 2018 na vodovodní síti proveden historicky první řízený proplach. Materiál potrubí v proplachované části vodovodní sítě je kombinací litiny, oceli, PVC a PE. Stáří potrubí se pohybuje v širokém rozsahu hodnot od 2 do 60 let. Celková délka propláchnutého potrubí je 31,4 km. Během proplachu byly in situ na každém úseky měřeny následující veličiny: zákal, teplota, koncentrace volného a celkového chloru, průtok a tlak. Na vybraných úsecích byly odebírány vzorky vypláchnutých sedimentů i vzorky čisté vody po ukončení proplachu pro rozbor v akreditované laboratoří, kde byly zjišťovány mikrobiologické, chemické a hydrobiologické ukazatelé pitné vody. [6, 7]

Během řízeného proplachu byly některé veličiny měřeny in situ a také byly denně odebírány vzorky pro rozbor v akreditované laboratoři. Na Obr. 2 je zobrazen graf, který uvádí procentuální zastoupení maximálních hodnot zákalu dosažených při prvním proplachu v jednotlivých úsecích.

Po ukončení proplachu jednotlivých úseků byly také odebírány vzorky pitné vody, viz Obr 3., pro mikrobiologický, chemický a mikroskopický rozbor jako důkaz nezávadnosti pitné vody po provedeném proplachu. Výsledky těchto rozborů, byly následně reportovány příslušné KHS.

Realizace opakovaného proplachu vybraných úseků vodovodní sítě květen 2019

V rámci juniorského projektu FAST-J-19-6066 ,,Doba vlivu řízeného proplachu vodovodního potrubí na vybrané ukazatele jakosti pitné vody“ byl na konci května 2019 proveden opakovaný proplach přibližně  10 % délky téže vodovodní sítě v centru města. Úseky pro opakovaný proplach byly předem důkladně vybrány na základě zjištěných parametrů z prvního proplachu v září 2018. Jako kritéria pro výběr úseků, na kterých byl opakovaný proplach proveden po 8 měsících, byla zejména (1) nejvyšší dosažená hodnota zákalu dosažena při prvním proplachu, (2) mikrobiologické nálezy, (3) hodnota rozpuštěného železa ve vodě, a v neposlední řadě také (4) hydraulické a technické podmínky na úsecích, hydrantech a uzávěrech. Z hlediska hydraulických parametrů byly u obou proplachů zajištěny identické podmínky (tlak, průtok, manipulace na síti, doba trvání). Během provádění opakovaného proplachu byly odebírány vzorky na úsecích před zahájením proplachu, dále vzorky při dosažení nejvyšší hodnoty zákalu a vzorky po ukončení proplachu. Rozbory vzorků byly prováděny v akreditované laboratoři.

Dosažené výsledky měření

Na Obr. 4 jsou pro vizuální porovnání uvedeny fotografie z proplachu ze dvou úseku. Na pravé straně lze vidět, jak vypadal průběh zákalu při prvním proplachu v září 2018 a na fotografiích vlevo lze vidět jak vypadal průběh zákalu na stejných dvou úsecích při opakovaném proplachu v květnu 2019.

Níže uvedený Obr. 5 znázorňuje porovnání nejvyšší dosažené hodnoty zákalu během prvního a během opakovaného proplachu. Největší snížení hodnoty zákalu z proplachovaných úseků bylo o 97 %. Také lze jinými slovy konstatovat, že po 8 měsících bylo u vybraného úseku dosaženo 3 % z původního hodnoty zákalu. U jednoho úseku bylo naopak při opakovaném proplachu dosaženo o 5 % vyšší hodnoty zákalu, nežli u prvního proplachu. Evidentně tedy právě tento úsek je nezbytné proplachovat častěji, protože v tomto místě sítě pravděpodobně dochází k intenzivní akumulaci sedimentu. Z grafu níže lze také vyčíst, že u 67 % opakovaně propláchnutých úseků došlo ke snížení nejvyšší hodnoty zákalu o více než 50 %.

Na Obr. 6 je znázorněno porovnání koncentrace železa stanoveno z vypláchnutých sedimentů při nejvyšším zákalu. Největší snížení hodnoty železa z proplachovaných úseků bylo o 96 %. Také lze jinými slovy konstatovat, že po 8 měsících bylo dosaženo u vybraného úseku 4 % z původní hodnoty koncentrace železa. U jednoho úseku bylo naopak při opakovaném proplachu dosaženo o 30 % vyšší hodnoty koncentrace železa nežli u prvního proplachu. Evidentně tedy právě tento úsek je nezbytné proplachovat častěji, protože v tomto místě sítě s největší pravděpodobností dochází k tvorbě korozních produktů. Z grafu níže lze také vyčíst, že u 80 % úseků došlo ke snížení hodnoty koncentrace železa o více než 50 %.

Na Obr. 7 je znázorněno porovnání chemické spotřeby kyslíku (CHSK) stanoveno z vypláchnutých sedimentů při nejvyšším zákalu. Největší snížení hodnoty CHSK z proplachovaných úseků bylo o 98 %. Také lze jinými slovy konstatovat, že po 8 měsících bylo dosaženo u vybraného úseku 2 % z původní hodnoty CHSK. U jednoho úseku bylo naopak při opakovaném proplachu dosaženo o 18 % vyšší hodnoty CHSK nežli u prvního proplachu. Z grafu níže lze také vyčíst, že u 80 %  došlo ke snížení hodnoty CHSK o více než 50 %.

Na Obr. 8 je znázorněno porovnání mikroskopicky stanoveného abiosestonu z vypláchnutých sedimentů při nejvyšším zákalu. Největší snížení hodnoty abiosestonu z proplachovaných úseků bylo o 97 %. Také lze jinými slovy konstatovat, že po 8 měsících bylo dosaženo 3 % z původní hodnoty abiosestonu. Nejnižší snížení bylo o 29% od hodnoty z prvního proplachu. Z grafu níže lze také vyčíst, že u 90 % došlo ke snížení hodnoty abiosestonu o více než 50 %.

Diskuze

Hovoříme-li o řízení jakosti vody během její dopravy potrubím, pak máme na mysli komplexní a vysoce odborné činnosti, které vyžadují znalost, zkušenost, informace, dlouhodobé úsilí a spolupráci odborníků mnoha profesí. O tom, kde se bude sediment akumulovat, a které úseky se budou naopak průběžně čistit a proplachovat samy působením hydraulických sil rozhoduje v první fázi již návrh vodovodní sítě, dimenze potrubí a řešení technických detailů. Na jakost vody má zásadní vliv celá řada technických detailů, které evidentně působí v provozních podmínkách trvalé problémy v jakosti vody, ale z určitých důvodů jsou stále používány a realizovány i v případě nových vodovodních sítí. Jedná se například o problematiku dimenzování vodovodních sítí, umísťování hydrantů a samotný způsob napojení hydrantu na vodovodní řad, technické řešení koncových částí potrubí, okruhování sítí, atd. To vše jsou témata, která zcela jistě v následujících letech budou řešena, protože je evidentní, že vodárenství v České republice čeká proces, kdy pozornost lidí odpovědných za distribuci vody vodovodními sítěmi bude (muset být) směřována ještě více než dnes do problematiky jakosti dodávané pitné vody a její spolehlivosti.

Závěr

Procesy ukládání a odnosu jemných sedimentů jsou ve vodovodních distribučních sítích řízeny zejména hydraulickými silami. Tento materiál v potrubí se neustále pohybuje, je mobilní. Jeho množství v konkrétním místě a čase je výsledkem působení hydraulických sil, korozních procesů, komplexních procesů v biofilmu na stěnách potrubí a vnikání znečištění z vnějšího prostředí. Nesmíme totiž zapomenout ani na ty částice sedimentu, které v síti vznikají korozí a biologickými procesy. A nesmíme zapomenout ani na materiál, který se do potrubí dostane během poruch a oprav potrubí. Evidentně se jedná o komplexní problematiku a ne všechny tyto procesy jsou již dokonale prozkoumány a pochopeny tak, aby bylo možno je simulovat a spolehlivě predikovat. V rámci prvního proplachu v září 2018 jsme si ověřili, že existují potrubí se samočistící schopností, kdy 34 % úseků vykazovalo nejvyšší dosaženou hodnotu zákalu < 100 ZF_n, přičemž celková masa jemných sedimentů v daných úsecích byla stále na akceptovatelné úrovni. To poukazuje na to, že některé úseky vodovodní sítě není potřeba pravidelně proplachovat vůbec. Jiné úseky naopak vykázaly hodnoty vyšší. Evidentně tedy, má-li být zajištěno, že každý spotřebitel bude zásobován vodou odpovídající jakosti dle nastaveného standardu, bude každá část vodovodní sítě vyžadovat jinou míru údržby. Jak jsme si ověřili u provedení opakovaného proplachu v květnu 2019, existují úseky náchylné k akumulaci nebo tvorbě sedimentů, necelých 50 % vybraných problémových úseků mělo zákal po 8 měsících vyšší než 200 ZF_n. Úseky náchylné k akumulaci sedimentů nebo úseky, kam je sediment transportován nebo v nich vzniká, vyžadují častější proplach. Stávající praxe tomu plně odpovídá a v tomto ohledu se nejedná o žádné převratné zjištění. Předmětem prováděného výzkumu je však zjistit odpovědi na otázky proč se sediment akumuluje právě v těch konkrétních úsecích, jaké faktory ovlivňují jeho vznik a pohyb a jak tyto procesy kvantifikovat, modelovat a predikovat.  Na základě informací získaných z opakovaného proplachu lze s jistotou konstatovat, že řízený proplach, je-li kvalitně naplánován a proveden, má významně pozitivní vliv na jakost vody ve vodovodní síti. Řízeným proplachem se výrazně sníží obsah sedimentů ve vodovodní síti, což v konečném důsledku ovlivňuje mnoho dalších ukazatelů jakosti pitné vody.

Literatura/References

1. VREEBURG, Jan. Discolouration in drinking water systems: a particular approach. Nizozemsko: Gildeprint BV Enschede, 2007. ISBN 978-90-74741-91-0.
2. Smith, S.E., Bisset, A., Colbourne, J.S., Holt, D.M. and Lloyd, B.J. (1997). The occurrence and significance of particles and deposits in a drinking water distribution system. Journal of the New England Water Works Association Vol: 111 (2): 135-150.https://www.researchgate.net/publication/290352958_Sediment_accumulation_in_drinking_water_trunk_mains
3. Prince, R.A., Goulter, I. and Ryan, G. (2003). "What causes customer complaints about discoloured drinking water? Correlating customer complaints with online monitoring of flow rate and turbidity." Water Vol: 30 (2): 62-67.
4. RUČKA, J.; KOVÁŘ, J. Řízené proplachy vodovodních sítí. In Provoz vodovodů a kanallizací 2014. SOVAK - sdružení oboru vodovodů a kanalizací. Líbeznice, ČR: Medim, spol. s r.o., 2014. s. 105-109. ISBN: 978-8087140-36- 9
5. Gauthier, V., Gérard, B., Portal, J.-M., Block, J.C. and Gatel, D. (1999). "Organic matter as loose deposits in a drinking water distribution system." Water Research Vol: 33 (4): 1014-1026.
6. RUČKA, J.; RAJNOCHOVÁ, M.; SUCHÁČEK, T.; KORABÍK, M. Řízený proplach vodovodní sítě a jeho vliv na jakost dopravované vody: případová studie vodovodu města Vsetína. In Voda Zlín 2019 - Sborník přednášek. 2019. Olomouc: Moravská vodárenská, a.s., 2019. s. 61-65. ISBN: 978-80-905716-5-5.
7. RAJNOCHOVÁ, M.; RUČKA, J.; SUCHÁČEK, T.; DUFKOVÁ, Z. Vliv řízeného proplachu vodovodní sítě na jakost dopravované pitné vody. In Vodárenská biologie 2019. Chrudim: Vodní zdroje EKOMONITOR spol. s r.o., 2019. s. 14-19. ISBN: 978-80-88238-12-6.
8. Vreeburg, J & N. Vloerbergh, I & van Thienen, P & de Bont, R. (2013). Shared failure data for strategic asset management. Water Science & Technology: Water Supply. 13. 1154. 10.2166/ws.2013.111.

Poděkování/Acknowledgements

Článek byl zpracován v rámci řešení projektu „Doba vlivu řízeného proplachu vodovodního potrubí na vybrané ukazatele jakosti pitné vody“, registrační číslo FAST-J-19-6066, který je financován z programu Specifického vysokoškolského výzkumu Vysokého učení technického v Brně a projektu Technologické agentury ČR s názvem „Řízení jakosti pitné vody ve vodovodních sítích“, registrační číslo TJ01000296

Autoři/Autors

This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodního hospodářství obcí, Žižkova 17, 602 00 Brno

Ing. Jan Ručka, Ph.D., Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodního hospodářství obcí, Žižkova 17, 602 00 Brno

Ing. Tomáš Sucháček, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodního hospodářství obcí, Žižkova 17, 602 00 Brno

Citace/Citation

Rajnochová, M., Ručka, J., Sucháček, T. Význam a dlouhodobý účinek řízených proplachu vodovodní sítě článku. Vodovod.info - vodárenský informační portál [online]. 30.9.2019, 09/2019, [cit. 2019-09-30]. Dostupný z WWW: http://vodovod.info. ISSN 1804-7157.