Zmiany własności mechanicznych siatki studniarskiej wykonanej z poliamidu (PA) w czasie eksploatacji studni wodociągowych i renowacji chemicznych

Wszystkie studnie (nawet te nieeksploatowane) z czasem ulegają szybszemu lub powolniejszemu zużyciu. Zależy to od warunków hydrogeologicznych, konstrukcji studni, sposobu eksploatacji itp. Procesy starzenia powodują efekt kolmatacji (zapychania, ang. clogging) obserwowany jako spadek wydajności otworu, konieczność obniżania zawieszenia lub wymiany pompy na większą i rosnące koszty energii elektrycznej. Przyczyną są osady, podobne do tych jakie odkładają się również na odżelaziaczach stacji uzdatniania wody a składające się głównie z tlenkówi wodorotlenków żelaza, manganu, węglanów czasami siarczanów itp. Domieszką jest drobna frakcja piasków, pyłów i bakterie żelaziste. Taki materiał osadza się wewnątrz fury filtrowej, uszczelnia roboczą część na siatce, obsypce i gruncie poza filtrem.

Problem zwalcza się od lat na całym świecie renowacjami chemicznymi, mającymi na celu rozpuszczenie twardych osadów przy pomocy atestowanych odczynników, usunięcie osadów przy zastosowaniu specjalistycznego sprzętu i wypompowanie z utylizacją. Są to konieczne prace konserwacyjne, które prawidłowo wykonane poprawiają stan sanitarny, ograniczają koszty eksploatacji i przedłużają żywotność studni do ok. 40 lat (amortyzacja).

Dobór odczynników do renowacji nie może być przypadkowy – musi być dostosowany od jakości osadu i bezpieczny dla siatki studniarskiej. Niewłaściwe stosowanie stężonych kwasów może powodować uszkodzenie delikatnej siatki filtracyjnej wykonanej z poliamidu (PA). Obecnie siatka PA w cenie ok. 35 zł/m decyduje o czasie eksploatacji studni, często głębokiego otworu o znacznej wydajności i wartości do miliona zł.

Celem opisanych badań jest pokazanie zmian niektórych własności fizycznych siatki filtracyjnej z PA po 10 latach kontaktu z wodami podziemnymi i nowej siatki po kąpielach w różnych preparatach. W artykule opisano badania wykonane w MWiK w Bydgoszczy w 2017 r.

1.            Doświadczenia niemieckie

W Niemczech wszelkie prace związane z wierceniem, odbiorem, rekonstrukcją, regeneracją, opomiarowaniem studni itp. reguluje DVGW – Deutscher Verein des Gas und Wasserfaches (Niemiecki Związek Branży Gazowej i Wodnej). Związek opublikował szereg instrukcji, do których należy się stosować przystępując do danego rodzaju prac, m.in.: Zeszyt W 130 (niem. Arbeitsblatt W 130 – Brunnenregenerierung) dotyczy wyłącznie regeneracji studni. Obecnie obowiązuje wydanie z października 2007 roku, natomiast pierwsze wydanie zostało wydane w styczniu 1970 roku, co obrazuje od jak dawna tego typu prace są regulowane w Niemczech. Zeszyt W 110 dotyczy badań geofizycznych w studniach głębinowych (wydanie z czerwca 2005 r., obecnie planowane wznowienie). Zeszyt W 123 dotyczy budowy i zabudowy studni wierconych (również w j. angielskim).

Należy przy tym zaznaczyć, że DVGW jest również jednostką certyfikacyjną dla firm wiertniczych – tj. bez certyfikatu DVGW (pozyskanego na drodze audytu DVGW) firmy nie mogą przystąpić do wierceń za wodą. Głównym kryterium co do wyznaczania potrzeby i częstotliwości prac regeneracyjnych jest wydajność jednostkowa q (q = Q/s – iloraz wydajności studni Q wyrażonej w m³/h do depresji s wyrażonej w m). Instrukcja DVGW W 130 zaleca, aby regenerację przeprowadzać już przy spadkach q rzędu od 10 do 20%. Metody regeneracji dobiera się na podstawie regularnych badań prowadzonych w studniach w celu identyfikacji procesu starzenia, ponieważ problem przebiega w indywidualny sposób. Badania te obejmują próbne pompowania, inspekcje telewizyjne, badania geofizyczne, analizę jakościową próbek osadu (regulowane osobnymi instrukcjami, zob. powyżej). Na tej podstawie dobiera się metodę lub zespół metod, a wybór jest wypadkową rodzaju kolmatanta i zaawansowania rozwoju procesów kolmatacyjnych.

Berlińskie Wodociągi (BWB), które eksploatują ok. 600 studni, dla przykładu, powołały spółkę, która zajmuje się czyszczeniem ich studni. Obecnie są w stanie zabezpieczyć większość znanych i sprawdzonych na rynku technik regeneracyjnych (od klasycznych mechanicznych przez hydrodynamiczne do chemicznych). Dobiera się je indywidualnie do danej studni. Zarówno badania geofizyczne jak i inspekcja telewizyjna są technikami, które często wykonuje się przed i po czyszczeniu studni w celu oceny przebiegu procesu regeneracji i zoptymalizowania kolejnych renowacji. Z badań geofizycznych szczególne znaczenie mają badania hydrodynamiczne z tzw. przepływomierzami produkcyjnymi. Obok próbnych pompowań dają one ilościową odpowiedź na pytanie o poprawę sprawności studni. Przy tym, w momencie gdy próbne pompowania dają zbiorczy ilościowy obraz poprawy wydajności jednostkowej, badania geofizyczne uzupełniają tę informację o analizy strefowe w obrębie filtra (tj. odpowiadają na pytanie w jakich odcinkach filtra regeneracja przyniosła pożądany skutek). Dodatkowo, metodami geofizycznymi (profilowania gęstości i porowatości) ocenić można czy nieodpowiednio dobrane (lub wykonane) zabiegi regeneracji nie spowodowały też skutków niepożądanych, np. obniżenia przepustowości strefy przyfiltrowej, poprzez zmiany parametrów petrofizycznych obsypki. Techniki wizualne (jak inspekcja TV lub skaner optyczny) dopełniają przy tym wyżej opisane analizy poprzez badanie wnętrza orurowania przed i po czyszczeniu. Włącznie z profilowaniem średnicy otworu, są one głównymi technikami oceny zmian na powierzchni ścianki orurowania.

2.            Badania odporności siatki filtracyjnej z PA na odczynniki stosowane do renowacji chemicznej studni

W MWiK Bydgoszcz (do 1990 r. WPWiK Bydgoszcz) od 30 lat prowadzone są prace nad efektywnością różnego rodzaju rozpuszczalników stosowanych do renowacji chemicznej studni zafiltrowanych w różnych wodonoścach. Każdorazowo proces renowacji jest rozpoczynany poborem i analizą własności fizyczno-chemicznych osadu studziennego kolmatującego filtr. Generalnie na ujęciach wody najczęściej stosowane były proste odczynniki – kwasy: cytrynowy, askorbinowy, octowy i solny o stężeniach do 10%. W latach 90. XX w. używano też ortofosforanów (aktualnie zarzucone). Preparatem dziś powszechnie stosowanym do renowacji w zachodniej i środkowej Europie jest Weesoclean Aqua – mieszanina kwasów cytrynowego (70%), askorbinowego (5%) i innych nieujawnianych składników, środek ma atest PZH (dystrybutor firma GWE POL-BUD).

W Polsce stosuje się również inne preparaty, które znane są pod nazwami handlowymi:

• AREX – brak danych na temat składu, środek ma atest PZH (dystrybutorzy: GWE POL-BUD i Filtry Studzienne);
• HERLI – mieszanina kwasu fosforowego 5-15%, HCl 5-15% i kwasu amidosulfonowego do 5%, atest PZH do 2016 r. (dystrybutor: Hydroglobal);
• CLAREX – brak danych na temat składu, środek ma atest PZH (dystrybutor: Filtry Studzienne)
• i inne, ale producenci nie ujawniają zasadniczych składników receptury, stąd te środki pominięto w opisanych tu badaniach siatek.

Oprócz wymienionych odczynników dostępne są również bardziej agresywne środki, używane zarówno w ciepłownictwie do rozpuszczania „kamienia kotłowego”, jaki pochodzi z wytrącania tych samych soli mineralnych co osady studzienne, jednak z powodu krystalizacji w wyższych temperaturach odpowiada w przybliżeniu bardzo utlenionemu wieloletniemu osadowi ze studni.

Jako kryterium wyboru odczynnika do badań przyjęto też warunki, w których miałaby zostać przeprowadzona renowacja chemiczna, tzn. konieczność zagospodarowania produktów po regeneracji studni i warunki transportu oraz prac terenowych i cena. Testowane preparaty ciepłownicze to:

• KAMIX – kwas amidosulfonowy 80-90% wagi, z atestem PZH (prod. Kamix);
• KAMIX Zn – kwas mrówkowy 65-80% wagi, bez atestu PZH (prod. Kamix);
• Roklin KG 15 – kwas fosforowy i glikolowy, bez atestu PZH (dystrybutor firma GT85);
• ROKLIN PK8+ 30% – mieszanina kwasu amidosulfonowego i cytrynowego, bez atestu PZH (firma GT85);
• ROKLIN PK8+ 80% – mieszanina kwasu amidosulfonowego i cytrynowego, bez atestu PZH (firma GT85);
• RUSTER 22 – kwas fosforowy, bez atestu PZH (firma GT85);
• BRIT-STER – dichloroizo­cyja­nuran sodu, bez atestu PZH (Technologie Sanitarne).

2.1.        Metodyka

Do badań przygotowano reperowe próbki nowej siatki nr 12 (12 żyłek na 1 cal) wykonanej z poliamidu PA i podobnej wydobytej z piezometru MWiK po 10 latach przebywania w środowisku gruntowo-wodnym. Z nowej, suchej siatki wycięto 13 fragmentów (każdy w 5 kopiach: A, B, C, D i E dla wyliczenia średniej), równolegle ważono próbki siatki starej. Wszystkie próbki zważono na wadze laboratoryjnej z dokładnością do 0,0001 g i wysuszono w czasie 4 h w suszarce w pracowni geotechnicznej w temperaturze +75^oC, wszystkie próbki siatki były suszone w tej samej partii. Następnego dnia każdą próbkę ponownie zważono dla oceny wilgotności siatki, po czym próbki nowej siatki (w 5 kopiach) zanurzono na ok. 16 h w kąpieli odczynników stosowanych do renowacji chemicznej studni. Miało to na celu pełen kontakt rozpuszczalnika z siatką i wyeliminowanie innych czynników mogących mieć wpływ na wynik. Następnego dnia próbki umyto w czystej wodzie, po raz trzeci wysuszono w temperaturze +75 ^oC i ponownie zważono dla oceny kolejnego ubytku masy siatki po kąpielach w odczynnikach. Siatki zanurzono w preparatach wymienionych w tab. 1. Uszkodzenia powstałe podczas trawienia pokazano na zdjęciach z mikroskopu elektronowego. Są to badania niepublikowane dotychczas w literaturze fachowej z zakresu hydrogeologii i wiertnictwa studziennego, a ich wyniki mogą być wykorzystane zarówno do bezpiecznego przygotowania i prowadzenia renowacji chemicznych, jak i do odpowiedniego zaprojektowania nowych studni.

Badana partia nowej siatki miała wilgotność ok. 3,5-4,5%. Najniższą, ok. 2,5%, wilgotność miała stara (14-letnia) siatka wydobyta po 10 latach eksploatacji piezometru, co może być skutkiem impregnowania włókien PA solami mineralnymi nierozpuszczalnymi w wodzie.

2.2.        Efekty

Kąpieli w odczynnikach nie przetrwały 3 z 13 próbek siatki zanurzone w: ROKLIN KG15 (kwas fosforowy+glikolowy), HCl o stężeniu 30% i H₂SO₄ 30%. Następował albo rozpad siatki na kaszkowatą zawiesinę lub całkowite rozpuszczenie siatki z PA, a po wypłukaniu wodą na dnie pozostawał osad w postaci białej bezkształtnej galaretki. Podkreśla się, że dwa ostatnie kwasy są aktualnie używane w Polsce do czyszczenia studni wodociągowych.

Stosunkowo duże ubytki w masie próbek siatki spowodowało użycie: Britster (0,0061 g, tj. 1,3% wagi), Wessoclanu (środek zaprojektowany do czyszczenia studni – 0,0051 g, tj. 1,1%) oraz Roklin PK8 80% (0,0219 g, tj. 0,7% wagi).

3.            Obserwacje powierzchni siatek przed i po działaniu odczynników ­przeznaczonych do renowacji chemicznej studni

Badania uszkodzeń powstałych po trawieniu suchych siatek PA w kwaśnych kąpielach obserwacjom pod mikroskopem elektronowym poddano pozostałe próbki:

• próbka nr 1 – siatka nowa reperowa;
• próbka nr 2 – HCl 10%;
• próbka nr 3 – H₂SO₄ 10%;
• próbka nr 4 – Wessoclean – kwas cytrynowy i askorbinowy;
• próbka nr 6 – Ruster 22 – kwas fosforowy;
• próbka nr 7 – Roklin PKB 30% – kwas fosforowy i glikolowy;
• próbka nr 8 – Britster;
• próbka nr 11 – kwas octowy 30%;
• próbka nr 12 – Roklin PK8 80%;
• próbka nr 15 – stara siatka z piezometru.

Badania powierzchni siatek wykonano w Instytucie Inżynierii Materiałów Polimerów i Barwników w Toruniu (I.I.M.P.B.) na stanowisku do badań morfologii tworzyw wyposażonym w skaningowy mikroskop elektronowy (SEM) model Hitachi SU8010 [Japonia 2011] oraz w napylarkę Cressington Sputter Coater z modułem pomiaru grubości napylonej warstwy złota [Niemcy 2011]. Mikroskop wyposażony był w zimną katodę z emisją polową, dwa detektory SE, detektor BSE i detektor EDX do mikroanalizy rentgenowskiej.

3.1.        Porównanie siatek nowej i wydobytej z piezometru

Próbka nowej siatki miała równe, gładkie i błyszczące nitki. Nitki wykazywały plastyczność – na kontakcie widoczne niewielkie wgniecenia powierzchni.

Różnica pomiędzy obiema próbkami była widoczna makroskopowo głównie w zabarwieniu – stara siatka pomimo wielokrotnego płukania w czystej wodzie pokryta była żółtawym nalotem. Na zdjęciach przy większym zbliżeniu widoczne jest zmatowienie powierzchni beżowym, blaszkowatym osadem żelazisto-węglanowym.

 

3.2.        Porównanie siatek z dużymi ubytkami masy

Korozja chemiczna siatek udokumentowana ubytkiem wagi polegała na wytrawieniu podłużnych rys na powierzchni siatki, co niewątpliwie obniży jej wytrzymałość na zrywanie.

Porównanie próbki nowej siatki pozwala zauważyć charakterystyczne podłużne zagłębienia/szramy na powierzchni nitki, jakie powstały z rozluźnienia/rozpuszczenia części materiału PA.

4.            Porównanie wytrzymałości na rozciąganie nowej siatki i starej filtracyjnej oraz próbek po kąpielach w rozpuszczalnikach

Filtry siatkowe są montowane na sztywnym szkielecie z rury perforowanej (otwory okrągłe lub szczeliny) lub na koszu prętowym. Prawidłowo nawinięta siatka filtracyjna nie powinna przylegać bezpośrednio do rury perforowanej. Na taką rurę w pierwszej kolejności jest nawijana linka w osłonie plastikowej lub stalowa ocynkowana, na nią jest nakładana nylonowa siatka podkładowa o oczkach ok. 1 cm, a w ostatniej kolejności nawijana jest siatka filtracyjna PA, mocowana linką. Ma to na celu zwiększenie powierzchni czynnej nad zasadniczą perforowaną konstrukcją filtra. W konsekwencji na żyłki siatki działa zewnętrzny nacisk górotworu i obsypki (studnie w Polsce mają do 900 m głębokości).

Dodatkowy nacisk powoduje przepływ wody do środka filtra wymuszony pracą pompy. Każdorazowe wyłączenie pompy powoduje zmianę kierunku nacisku. Siatka jest więc poddawana wieloletniemu rozciąganiu w obu kierunkach. W przypadku filtrów prętowych siatka filtracyjna opiera się na 6-8 pionowych prętach dospawanych na obwodzie pierścieni oporowych, więc praca siatki w obu kierunkach jest jeszcze większa. Stara, sztywna siatka pokryta osadami lub osłabiona niewłaściwymi renowacjami jest bardzo podatna na uszkodzenia. Z tego powodu przyszłością studniarstwa są filtry bezsiatkowe.

Badania zmian właściwości mechanicznych przy statycznym rozciąganiu prowadzono w I.I.M.P.B. według PN-EN ISO 527-1:1998 Oznaczanie właściwości mechanicznych przy statycznym rozciąganiu. Część 1: Zasady ogólne oraz PN-EN ISO 527-3:1998 Oznaczanie właściwości mechanicznych przy statycznym rozciąganiu. Część 3: Warunki badań folii i płyt.

Stanowisko badawcze TIRAtest 27025 (fot. 9). Warunki badania:

• temperatura 23°C,
• wilgotność 50%,
• prędkość badania 50 mm/min,
• długość odcinka pomiarowego 20 mm,
• szerokość próbki 16 mm.

Wyniki oznaczeń właściwości mechanicznych przy statycznym rozciąganiu zostały przedstawione w tab. 2.

Parametr wytrzymałość na rozciąganie oznacza wartość maksymalnego naprężenia rozciągającego – wyznacza się go poprzez podzielenie wartości siły maksymalnej przez przekrój próbki do badań. W tym przypadku był to pasek o szerokości około 16,5 mm oraz grubości zewnętrznej siatki około 0,83 mm.

Wartości zbliżone do nowej i starej siatki miały te po kąpielach w ­RUSTER 22, kwasie octowym i ROKLIN PK8. Najniższe po kąpieli w kwasie solnym 10% – tu siatka po kilkukrotnym wypłukaniu w czystej wodzie była twarda i sztywna.

Najszybciej zerwano sztywną siatkę po kąpieli w kwasie solnym 10%, stara siatka zabudowana w 2003 r. była najbardziej wytrzymała (miała też najniższą wilgotność, ale była to inna partia materiału sprzed kilkunastu lat). Własności zbliżone do siatki nowej miały próbki po kąpielach w H₂SO₄ 10%, Wessocleanie, Ruster 22 i Roklin PK8.

Największe wydłużenie względne – powyżej 60% – miały siatki po kąpielach w: H₂SO₄ o stężeniu 10%, Wessocleanie i Ruster 22. 60% wydłużenia przekroczyły też próbki po kąpielach w Roklin, najniższe miały sztywne próbki po kąpieli w kwasie octowym (jedynie 20% wydłużenia).

5.            Wnioski

Opisane badania są wskaźnikowe, dotyczą stosowanych stężeń preparatów i nie można ich traktować jako gotowe receptury do renowacji chemicznych.

Siatka z poliamidu wykorzystana do budowy filtra studziennego po wielu latach eksploatacji zmienia parametry wytrzymałościowe – staje się sztywniejsza na skutek osadzania się soli mineralnych, co z czasem powoduje jej zerwanie i piaszczenie studni.

Nowa siatka z poliamidu w kontakcie z NaOH, H₂SO₄, kwasem octowym oraz NaCl zmniejsza wytrzymałość na rozciąganie. Zarówno kwas siarkowy, jak i zasada (wodorotlenek sodu) wpływają na pogorszenie właściwości fizycznych, przy czym środowiska kwaśnie, zarówno organiczne jak i nieorganiczne, mają bardziej destrukcyjny wpływ niż środowisko zasadowe. Jest to istotne z powodu jakości najpopularniejszego osadu kolmatującego studnie, jaki łatwiej rozpuszcza się w kwasach.

Spośród odczynników, jakie były tu testowane, najmniejszy wpływ na badane parametry siatki, tj. wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie względne miały: Ruster 22 (kwas fosforowy), Roklin PK8 (mieszanina kwasu amidosulfonowego i cytrynowego) i powszechnie stosowany Wessoclean (kwas cytrynowy i askorbinowy).

Całkowite zniszczenie siatki powodowały stosowane na polskich ujęciach wodociągowych kwasy: HCl o stężeniu 30%, H₂SO₄ 30% oraz testowany Roklin KG15 (kwas fosforowy i glikolowy).

Chemiczne renowacje studni są powszechnie stosowaną metodą uaktywniania studni i powinny być prowadzone zapobiegawczo co 1-2 lata lub w zależności od potrzeb, np. przy spadku q o 10-20%. Renowacje chemiczne muszą być poprzedzone analizą osadu i doborem skutecznego, ale bezpiecznego odczynnika. Renowacje studnie z filtrami na bazie siatek z PA muszą być prowadzone ostrożnie pod fachowym nadzorem, zwłaszcza w starych studniach przy wielokrotnym używaniu silnych kwasów.

6.            Literatura

[1] Houben G., Treskatis C., 2007: Water well, Rehabilitation and reconstruction, McGraw Hill, New York.
[2] Discroll F. G., 1995: Groundwater and wells. US Filter Johnson Screens, Minnesota, USA.
[3] Sprawozdanie z renowacji studni na terenie infiltracji w Bydgoszczy, Radical, Zielonka 2015 – niepublikowane.
[4] Mansuy N., 2007: Treatment approach to reduce well maintenance costs ULTRAPURE WATER®.
[5] Gabryszewski T., Wieczysty A., 1985: Ujęcia wód podziemnych. Arkady, Warszawa
[6] Timmer H., Verdel J., Jongmans A. 2003: Well clogging by particles in Dutch well fields. American Water Works Association Denver CO., USA.
[7] Boroń M., Doniecka D. 2016: Badania nad doborem odczynnika do renowacji chemicznych studni na przykładzie ujęcia infiltracyjnego w Bydgoszczy. Wykorzystanie wód podziemnych w gospodarce komunalnej, PZITS Częstochowa.
[8] Macuda J., Boroń M., 2016: Przegląd wybranych metod mechanicznych renowacji studni. Wykorzystanie wód podziemnych w gospodarce komunalnej, PZITS Częstochowa.
[9] Górka T., Boroń M., 2017: Renowacja studni wodociągowych w świetle badań geofizycznych, Wodociągi i Kanalizacja, 11 (165)2017 str. 35-38.
[10] Górka T., Boroń M., 2018: Wpływ odczynników chemicznych stosowanych do renowacji chemicznych studni na własności studniarskiej siatki filtracyjnej wykonanej z poliamidu (PA). Wykorzystanie wód podziemnych w gospodarce komunalnej, PZITS Częstochowa.
[11] Fabijański M., Milczarek D., 2013: Oddziaływanie substancji chemicznych na materiały polimerowe stosowane w transporcie kolejowym, Prace naukowe Politechniki Warszawskiej, z. 98, str. 137-148.
[12] Berliner Wasserbetriebe (www:bwb.de).

mgr Marzena Boroń – Kierownik Działu Głównego Geologa Miejskie Wodociągi i Kanalizacja w Bydgoszczy Sp. z o.o.

dr Tomasz Górka – BLM Storkow Sp. z o.o.

źródło: Technologia Wody 5/2018