piątek, 14 września 2018

Zmniejszenie wpływu na środowisko systemów odwadniania i kanalizacji

Materiały, z których wykonane są produkty do układania w gruncie systemów odwadniania i kanalizacji nie pozostają bez wpływu na środowisko. Jednak zdecydowanie istotniejsze oddziaływanie na środowisko ma samo funkcjonowanie systemów odwadniania i kanalizacji, gdyż eksploatację przewiduje się na okres co najmniej 50 lat. Ważne jest zatem zrozumienie znaczenia oddziaływania na środowisko działających systemów, gdyż obok zwiększania kar za zanieczyszczenia jakie nakładane są na przedsiębiorstwa niespełniające wymogów oraz na spółki wodne, stanowi najskuteczniejsze narzędzie poprawy sytuacji. 

Wszystkie materiały do pewnego stopnia oddziałują na środowisko, a wpływ na środowisko systemów odwadniania i kanalizacji jest skomplikowanym połączeniem wpływu różnych czynników. Mamy tu do czynienia z oddziaływaniem na środowisko procesów pozyskiwania i przetwarzania surowców, produkcji elementów systemu, ich transportu i montażu, użytkowania funkcjonującego systemu oraz recyklingu lub utylizacji po zakończeniu eksploatacji. Wszystkie te oddziaływania łącznie sumowane od powstania do końca eksploatacji tworzą tzw. „ślad środowiskowy”, tj. wpływ na środowisko całego systemu użytkowego złożonego z rur, kształtek i studzienek. 

Systemy z tworzyw sztucznych układane w gruncie przy takiej samej funkcjonalności co rury sztywne mają najniższy całkowity koszt montażu i eksploatacji.
Ich waga wynosi około 7% wagi rur betonowych i 14% rur kamionkowych. Stąd ich transport i przenoszenie na placu budowy są znacznie łatwiejsze i wymagają znacznie mniejszego zaangażowania ciężkiego sprzętu. 
Rury z tworzyw sztucznych wykazują w gruncie odmienne zachowania niż materiały sztywne. Podczas, gdy materiały sztywne charakteryzuje odporność na odkształcenia, to rury z tworzyw sztucznych są elastyczne. To sprawia, że odkształcają się, lecz nie pękają pod obciążeniem. 
Systemy z tworzyw sztucznych są znacznie bardziej gładkie hydraulicznie. A to z kolei wiąże się z niższymi nakładami na pompowanie oraz mniejszą ilością osadów i ograniczeniem zatorów i oznacza mniej operacji czyszczenia oraz brak potrzeby używania silnych myjek wysokociśnieniowych. 

Awaryjność różnych systemów rurowych 

Systemy odwodnienia i kanalizacji nie tylko transportują wodę deszczową i ścieki, ale są także ważną barierą przed zanieczyszczeniami i zagrożeniami dla zdrowia publicznego. Wiele krajów ma problem ze starzejącą się infrastrukturą kanalizacyjną, a skorodowane rury podziemne stanowią poważne zagrożenie dla jakości środowiska. Największe potencjalne problemy powodowane są nieszczelnościami i pęknięciami rur oraz komór podziemnych, w tym studzienek. 

Ogólnokrajowe badanie  przeprowadzone w Niemczech, Szwecji i Danii w 2003 roku porównało awaryjność systemów elastycznych (z rur z tworzyw sztucznych) do awaryjności systemów z rur sztywnych (głównie betonowych i kamionkowych). 
Badanie obejmowało rury nie starsze niż 30 lat, jednak ponieważ systemy z tworzyw sztucznych dopiero zyskiwały w tym okresie popularność, to średni wiek badanych systemów z tworzyw sztucznych był niższy niż sztywnych. 
Wyniki tego badania z uwagi na skalę oraz metodologię zasługują na wiele uwagi. Są bardzo intersującym źródłem wiedzy dla profesjonalistów, choć przy ich używaniu wskazana jest ekspercka wiedza. 
Badanie przyniosło bardzo interesujące obserwacje dotyczące rodzaju i częstotliwości awarii. Wniosek podstawowy z badań jest taki, że „systemy z tworzyw sztucznych wykazują znacznie mniej awarii”. Badania wykazały ponadto, że zarówno w rurach z tworzyw sztucznych, jak i w systemach z materiałów sztywnych miejsce miało siedem razy więcej awarii powodujących eksfiltrację niż awarii powodujących infiltrację. Około połowa awarii miała swoje źródło w wadliwych połączeniach i przemieszczonych złączach rur, a druga połowa wynikała z pęknięć i przerw pomiędzy elementami systemów, uszkodzeń powierzchni elementów oraz z zatorów i deformacji. 
Badanie wykazało również, że główną przyczyną awarii były błędy montażowe i niewystarczający nadzór. Ta obserwacja jest cenna, gdyż prowadzi do wniosku, że istnieje duży, stosunkowo łatwy do wdrożenia sposób na poprawę szczelności systemów, a co za tym idzie zmniejszenie wpływu na środowisko. To o tyle ważne, że zwłaszcza w przewodach odprowadzających ścieki (w tych technologiczne i przemysłowe) mogą wystąpić niebezpieczne chemikalia, których nawet niewielki wyciek może spowodować poważne konsekwencje. Do groźnych zanieczyszczeń w ściekach należą także m.in. odchody zwierzęce lub elementy martwych tkanek zwierząt, które w przypadku przedostania się do odbiornika  mogą stać się źródłem drobnoustrojów, takich jak Cryptosporidium i doprowadzić do skażenia źródeł wody pitnej dla dziesiątek tysięcy ludzi.

W celu zdiagnozowania stanu technicznego systemów oraz powiązania różnych przyczyn skutków i możliwych ścieżek powiązań w badaniu wykorzystano stosowaną przez inżynierów do oceny obiektów technicznych logikę rozmytą oraz użyto oprogramowanie umożliwiające modelowanie stanu obiektów (Rys. 1).

Rys 1: Wykres związków przyczynowo-skutkowych w modelu rozmytym zastosowanym do określenia potencjału zagrożenia infiltracją i eksfiltracją w systemach odwodnienia i kanalizacji 
Źródło: Prof. Dr.-Ing. Stein & Partner GmbH

 

Porównanie parametrów użytkowych 

Przeprowadzono wiele badań porównujących oddziaływanie na środowisko systemów podziemnych z różnych materiałów w szerokim ujęciu. 
Niezależna i zweryfikowana przez audytorów Analiza Cyklu Życia  ukończona i opublikowana na początku tego roku w Ameryce Północnej wykazała, że systemy z tworzyw sztucznych (w tym wypadku chodzi o systemy z PVC-U) w całym cyklu życia wykazywały niższy wpływ na środowisko oraz niższą emisję dwutlenku węgla tzw. „ślad węglowy” niż systemy z innych materiałów. Badanie Sustainable Solutions Corporation (SSC) zostało przeprowadzone zgodnie z normami ISO i opierało się na ocenie oddziaływania systemów jako jednostek funkcjonalnych w całym cyklu życia "od kołyski do grobu", którego czas trwania określono na 100 lat. Stwierdzono, że systemy z PVC-U w porównaniu do systemów z innych materiałów wymagają mniejszej energii do wytworzenia oraz mniejszej energii podczas użytkowania. Ponadto też charakteryzują się dłuższym okresem eksploatacji.
Badanie obejmowało rury o przekroju 4-60 cali (100 do 1500 mm) używane do doprowadzania wody pitnej oraz odprowadzania ścieków sanitarnych i deszczowych. 

W badaniu podkreślono kilka aspektów, w których PVC-U przewyższa tradycyjne materiały, co zostało potwierdzone w Life Cycle Assessment (LCA) z całego świata. Podkreślono, że główną przyczyną pęknięć i awarii sztywnych rurociągów w USA jest korozja. Może być ona przyspieszona przez ścieki, skład chemiczny i odczyn wody lub też inne płyny lub gazy znajdujące się wewnątrz systemu. Jej przyczyną mogą też być bakterie, które metabolizują związki siarki do kwasowych związków chemicznych i stanowią szczególny problem dla betonu, stali i żelaza, ponieważ ich rozwijające kolonie mogą prowadzić do rozpuszczania lub korozji rur. 

Badania wykazały, że systemy  wykonane z PVC-U osiągają najdłuższą żywotność spośród wszystkich systemów rurowych, "wliczając  to cegły klinkierowe, kamionkę, beton, włókno szklane, beton polimerowy, polietylen, żeliwo i stal". PVC-U użyty jako materiał systemu nie koroduje, nie inkrustuje i nie zwiększa chropowatości, dzięki czemu początkowe parametry do projektowania hydraulicznego są utrzymywane przez cały okres eksploatacji (Rys. 2). 

 

Rysunek 2: Wewnętrzna korozja i tuberkulacja sieci wodociągowej: 
przyczyny i wpływ na przepustowość 
Źródło: Sustainable Solutions Corporation.
 

 

Badanie potwierdziło, że rury z PVC-U nie wydzielają toksycznych substancji podczas ich produkcji, a także nie uwalniają ich do transportowanej wody. Wykazują również najniższą emisję dwutlenku węgla, tj. niewielki „ślad węglowy” i najniższe koszty cyklu życia ze względu na niskie koszty montażu, eksploatacji i wymiany. Ogólnie rzecz biorąc, miały one najniższe zapotrzebowanie energii w 100-letnim cyklu życia, na co wpływ miały również znaczne oszczędności energii pompowania. Co więcej w rzeczywistości, rura grawitacyjna z PVC-U o mniejszej średnicy może często transportować tyle samo, co tradycyjne rury o większych średnicach. Wynika to z niższych oporów tarcia, dzięki czemu nie następuje redukcja średnicy rury przez gromadzenie osadów lub produktów korozji.

Life Cycle Assessment (LCA) Ocena cyklu życia   wykonana dla TEPPFA podobnie wykazała, że systemy z tworzyw sztucznych w systemach odwadniania i kanalizacji mają na ogół mniejszy wpływ na środowisko czyli ”ślad ekologiczny” niż systemy z innych alternatywnych materiałów (Rys. 3). W badaniu tym dane dotyczące systemów rurowych z tworzyw sztucznych Flamandzki Instytut Badań Technologicznych (VITO) zebrał od firm obsługujących ponad 50% rynku europejskiego. 
Analizy wykazały, że systemy z tworzyw sztucznych zmniejszają oddziaływanie na środowisko systemów rurowych "o średnio dwie trzecie, w porównaniu do innych materiałów". 

Rys. 3: Instytut VITO ocenił wpływ na środowisko każdego materiału rurowego uwzględniając sześć różnych kryteriów wpływów w pełnym cyklu życia. (Źródło: TEPPFA)


W innym badaniu TEPPFA, dotyczącym systemów ułożonych w gruncie przeanalizowano interakcję między otaczającym gruntem a rurami i przyjrzano się zachowaniu rzeczywistych kanałów zmontowanych w różnych warunkach gruntowo-wodnych. Pozwoliło to ustalić mechanizmy przenoszenia obciążeń w gruncie przez rury tworzywowe. Na ich podstawie za zasadny uznano wniosek, że rury z tworzyw sztucznych są z powodzeniem używane przez ostatnie 50 lat, ale ich przewidywana trwałość przekracza 100 lat. 
Badanie wykazało doskonałe zachowanie materiałów termoplastycznych, dzięki zdolności tworzyw sztucznych do wytrzymywania ogromnych naprężeń. Nie stwierdzono żadnych usterek ani też problemów ze statecznością w trakcie czteroletniego okresu monitorowania, co jest zgodne z wcześniejszymi długoterminowymi badaniami rur z tworzyw sztucznych zakopanych w gruncie.

Organizacja TEPPFA podkreśliła znaczenie posiadania wielu zestawów danych do przewidywania funkcjonalności systemów na podstawie aktualnych zachowań rur. 

Zauważono, że branża rur z tworzyw sztucznych jako całość nie przeanalizowała jeszcze w pełni omawianych aspektów projektowania i montażu tych rur. 
Jednakże aspekty środowiskowe można już obecnie porównać za pomocą Deklaracji Środowiskowych Produktu (Environmental Product Declarations EPDs) , które zapewniają standardowy sposób przedstawiania wyników oceny cyklu życia i zawierają kategorie oddziaływania na środowisko jak pokazano na Rys. 3. Deklaracje te ułatwiają ocenę wpływu na środowisko jednostek użytkowych z zastosowaniem systemów rurowych z tworzyw i umożliwiają ich porównanie z wpływem na środowisko jednostek użytkowych z materiałów alternatywnych. Deklaracje są oparte na normie ISO 14025 i EN 15804. Obecnie internetowa baza danych Environdec zawiera ponad 700 deklaracji EPD dla różnych kategorii produktów opracowanych przez przedsiębiorstwa z 36 krajów. Są one ważnym krokiem w kierunku jednolitego podejścia do porównywania parametrów środowiskowych różnych produktów. Sprawdź np. tę stronę z deklaracjami EPD.

 

Źródła:

  • S&P Consult GmbH: Europejskie badanie eksploatacji różnych systemów rurowych, dotyczące materiałów rurowych używanych w kanalizacjach komunalnych, ze szczególnym uwzględnieniem zakresu wpływu na środowisko w trakcie eksploatacji. 
  • Sustainable Solutions Corporation: Analiza Cyklu Życia rur wodnych i ściekowych z PVC oraz Analiza Porównawcza zdolności obsługi materiałów rurowych.
  • TEPPFA: Badania porównawcze LCA. 
  • Environdec.com: The International EPD System.

    Normy 

    PN-EN ISO 14025:2010
    Etykiety i deklaracje środowiskowe -- Deklaracje środowiskowe III typu -- Zasady i procedury

    PN-EN 15804+A1:2014-04 
    Zrównoważoność obiektów budowlanych -- Deklaracje środowiskowe wyrobu -- Podstawowe zasady kategoryzacji wyrobów budowlanych