The alkalization of groundwater with limestone-filtration

RAKENNUS- JA MAANMITTAUSTEKNIIKAN OSASTO

POHJAVEDEN ALKALOINTI KALKKIKIVISUODATUKSELLA Mika Rontu

TEKNILLINEN KORKEAKOULU RAKENNE- JA YHDYSKUNTATEKNIIKAN

LAITOSTEN KIRJASTO

Tämä diplomityö on tehty Teknillisen korkeakoulun Rakennus- ja maanmittaustekniikan osastolla prof.

E. Kajosaaren valvomana ja FT Tuomo Hatvan ohj aamana.

Tekijä: Mika Rontu

Diplomityö: Pohjaveden alkalointi kalkkikivisuodatuksella

Päivämäärä: 14.5.1992 Sivumäärä:83

Professuuri: Vesihuoltotekniikka Koodi: Yhd-73.

vaivoja: Prof. Eero Kajosaari Ohjaaja: FT Tuomo Hatva

Työssä tutkittiin kalkkikivisuodatusta pohjaveden alkalointiin. Työn tarkoituksena oli selvittää

miten kalkkikivisuodatus soveltuu alkalointiin kalkkikivisuodatuksen soveltuvuus erilaisille pohjavesille

kalkkikiven raekoon vaikutus alkalointiin.

Työ jakautuu teoreettiseen osaan ja kokeelliseen osaan.

Teoreettisessa osassa on tarkasteltu alkalointitarpeen syitä ja alkalointimenetelmiä pohjavedenottamoilla sekä re eroitu kalkkikivisuodatusta koskevaa aineistoa Kokeellinen osa suoritettiin Iisalmen vesi- ja viemäri­

laitoksen Peltosalmen vedenottamolla sekä Tuusulan Seudun Vesilaitos kuntainliiton Firan, Lahelan ia Vähänummen vedenottamoilla.

Työn päätelmiä ovat:

kalkkikivisuodatusta voidaan käyttää pohjave­

den alkalointimenetelmänä riippuen raakaveden laadusta

raakaveden korkean hiilidioksidimäärän vuoksi saattaa suodatetun veden pH jäädä liian alhai­

seksi, mutta ilmastamalla raakaveden hiili­

dioksidi tasolle 10-15 mg/l voidaan päästä järkeviin viipymäaikoihin ja suodatintila- vuuteen

raakaveden korkea alkaliteetti ja kovuus voivat johtaa liian korkeaan alkaliteettiin ja kovuu­

teen suodatetussa vedessä

kalkkikivisuodatuksen etuja ovat turvallisuus syöttöhäiriöiden suhteen, työturvallisuuden suhteen sekä vähäinen hoitotarve.

Author and name of the thesis : Mika Roivfcu

The alkalization of groundwater with limestone-filtration

Date : 14.5.1992 Number of pages : 83

Department : Faculty of Civil and Professorship :

Surveying Engineering Laboratory of Sanitary and Environmental Engineering Supervisor: Prof. Eero Kajosaari

Instructor: ph.D. Tuomo Hatva

The alkalization of groundwater with limestone- filtration was studied with the aim of:

determining the suitability of limestone- filtration for alkalization

determining the suitability of limestone- filtration for different types of groundwater determining the influence of limestone grain size on alkalization.

This study is subdivided into a theoretical part concerning reasons of alkalization and alkalization methods in groundwater plants and an experimental part carried out in Peltosalmi groundwater plant of Iisalmi water and wastewaterworks and in Fira, Lahela and Vähänummi groundwater plants of Tuusula district waterworks.

The conclusions of this study are:

limestone-filtration can be used for alkalization depending on the quality of raw water

if the amount of carbon dioxide in raw water is high, can pH of the filtered water remain too low, but with the aeration of raw water so that the amount of carbon dioxide is reduced to the level of 10-15 mg/1, can reasonable retention time be reached

high alkalinity and hardness of raw water can cause too high alkalinity and hardness of filtered water

the benefits of limestone-filtration are the safety of consumers and workers and lower need to care.

ALKUSANAT

Tämä tutkimus on tehty vesi- ja ympäristöhallituksen kuntatoimistossa. Se on samalla opinnäyte Teknillisen korkeakoulun rakennus- ja maanmittaustekniikan osastolle.

Kiitän diplomityöni valvonutta vesihuoltotekniikan profes­

sori Eero Kajosaarta Teknillisestä korkeakoulusta. Kiitän myös työn ohjaajaa FT Tuomo Hatvaa vesi- ja ympäristöhal­

lituksesta .

Samoin kiitän FM Annika Sipilää vesi- ja ympäristöhallituk­

sesta saamastani avusta kemian erikoiskysymyksissä sekä DI Martti Myllyvirtaa Tuusulan Seudun Vesilaitos kuntainlii­

tosta avusta ja neuvoista vesihuoltotekniikan kysymyk­

sissä.

Haluan kiittää DI Unto Tanttua ja rkm. Matti Lappalaista Tuusulan Seudun Vesilaitos kuntainliitosta teknisen tuen antamisesta sekä koko muuta henkilökuntaa, jotka mahdollis­

tivat käytännön ongelmien ratkaisun. Kiitokseni osoitan myöskin Iisalmen vesi- ja viemärilaitoksen hoitajalle tekn.

Iikka Kauppiselle ja vesilaitoksen teknikolle tekn. Pauli Jernforsille, jotka mahdollistivat tutkimukset Peltosalmen vedenottamolla.

Helsingissä 14.5.1992

Mika Kontu

SISÄLLYS Sivu

ALKUSANAT ... 4

1 JOHDANTO ... 7

2 ALKALOINTITARVE POHJAVEDENOTTAMOILLA ... 7

2.1 Yleistä... 7

2.2 Alkalointitarpeen syyt ... 8

2.3 Korroosio... 9

3 ALKALOINTIMENETELMÄT ... 23

3.1 Yleistä... 23

3.2 Alkaloinnin teoria ... 24

3.3 Alkalointimenetelmän vaikutus vedenlaatuongel- miin... 25

3.4 Kalkin käyttö alkalointiin ... 27

4 KOKEMUKSIA KALKKIKIVISUODATUKSESTA ... 29

4.1 Aikaisempia tutkimuksia ... 29

4.2 Eri kalkkikivien soveltuvuus alkaaliseen suodatuk­ seen ... 31

5 KENTTÄKOKEET ... 32

5.1 Tutkimuskohteet... 32

5.2 Raakavedet... 33

5.3 Koejärjestelyt... 34

5.4 Määritykset... 36

5.5 Määritysmenetelmät ... 36

5.6 Kokeissa käytetty kalkkikivi ... 36

6 KENTTÄKOKEIDEN TULOKSET ... 37

6.1 Eira... 37

6.2 Lahela... 40

6.3 Peltosalmi... 44

6.4 Vähänummen pilot-kokeiden tulokset ... 47

6.5 Vähänummen vedenkäsittelylaitoksen tulokset .... 54

7 KOETULOSTEN TARKASTELU ... 57

7.1 Yleistä... 57

7.2 Kalkkikiven vaikutus veden laatuun ... 57

7.3 Kalkkikiven kulutus ... 61

7.4 Mitattujen ja teoreettisesti laskettujen tulosten vertailu... 62

7.5 Laitosten mitoitus ... 64

7.6 Käyttökustannukset ... 64

8 JOHTOPÄÄTÖKSET ... 64

9 YHTEENVETO... 67

KIRJALLISUUS... 69

LIITTEET... 76

1 JOHDANTO

Maamme pohjavedet ovat luonnostaan melko happamia. Ympäris­

tömme happamoituminen on uhkatekijä myös pohjavesillemme.

Jos happamoitumista ei pystytä estämään, tulevat happamien pohjavesien aiheuttamat ongelmat lisääntymään. Lyhyellä tähtäyksellä tämä tulee lisäämään kuluttajille lähtevän verkostoveden alkalointitarvetta pohja- ja tekopohjavesi- laitoksilla. Tulevaisuudessa on mahdollista, että pohja- vesikerroksen vettä joudutaan alkaloimaan ennenkuin se tulee ottamoiden kaivoihin, jotta maaperästä ei liukenisi haitallisia metalleja, kuten alumiinia, pohjaveteen.

Suomessa oli vuonna 1988 990 pohjaveden- ja tekopohjavesi- laitosten vedenottamoa. Näistä 591:n ottamon vesi alkaloi- tiin ennen sen johtamista verkostoon, kun 399:llä ottamolla sitä ei alkaloitu. Alkalointiin tullaan kuitenkin lisäämään huomiota happaman vesijohtoveden aiheuttamien haittojen vuoksi. Koska maamme pohjavedenottamot ovat pieniä ja kaukana asutuksesta, on edullisen, turvallisen ja yksinker­

taisen alkalointimenetelmän kehittäminen tärkeää. Nykyisin pohjavedenottamoilla yleisesti käytössä olevan kalkki- jauhealkaloinnin ongelmat ovat olleet tämän tutkimuksen lähtökohtana.

2 ALKALOINTITARVE POHJAVEDENOTTA­

MOILLA 2.1 YLEISTÄ

Luonnosta saatavat vedet ovat lähes aina putkistoa syövyt­

täviä. Eniten pohjaveden käsittelyä talousvedeksi vaativat sen korroosiota aiheuttavat ominaisuudet sekä rauta- ja mangaanipitoisuudet (Jokela 1983). Syövyttävyyteen voidaan vaikuttaa vedenkäsittelyllä ja näin nostaa putkiston käyttöikä moninkertaiseksi.

Muoviputkien suuri osuus j akeluj ohtoj en materiaalina ei suinkaan ole poistanut korroosion aiheuttamaa ongelmaa, sillä hyvin huomattava osa kotitalouksien sisäisistä johdoista on edelleenkin metallisia. Myös kodinkoneet sekä jakeluverkon erikoisrakenteet, kuten mm. venttiilit ja mittarit, ovat edelleen metallisia ja siten korroosiolle alttiita. Jos mitään ei tehdä, on tulevaisuudessa suurin kotitalouksille happamoitumisen aiheuttama uhkatekijä korroosio.

Pienillä vesilaitoksilla korroosiota esiintyy enemmän kuin suuremmilla. Kemikaalien syöttömäärät eivät niillä pysy riittävän vakioina, jolloin tästä aiheutuu korroosiota lisäävää pH:n vaihtelua. Myös toimintahäiriöt ja -katkokset ovat yleisempiä pienillä laitoksilla. Suurimmat ongelmat hapan pohjavesi aiheuttaa haj a-asutuksen vesihuollolle, sillä maassamme on noin 350 000 oman kaivon varassa elävää taloutta eikä alkalointilaitteita näissä juurikaan ole käy­

tössä (Mäkinen 1989).

Pohjaveden happamuus on nähtävissä maamme pohjavedenotta­

moiden raakavesien happamuutena: 82 %:11a pohj avedenotta-

moista oli raakaveden pH alle 7, 60 %:11a alkaalisuus oli alle 0.6 mmol/1 ja 40 %:11a oli hiilihappoa yli 120 mg/l (Sipilä 1986). Kuilukaivojen pH on keskimäärin 6.4 (Lahermo ym. 1989).

Alkaloimattoman tai riittämättömästi alkaloidiin, syövyttä­

vän, veden aiheuttaman korroosion haittapuolet eivät rajoitu vain taloudellisiin näkökohtiin. Korroosiotuotteis­

ta aiheutuneet sekä korroosion seurauksena putkeen päässei­

den tai putken seinämän korroosiotuotteiden seuraan pesiy­

tyneiden mikrobien aiheuttamat terveysriskit on otettava myöskin huomioon.

Sundlöf (1989) esitteli käsittelyfilosofiän, jossa ongel­

maan pitää vaikuttaa tapahtumaketjussa niin aikaisin kuin mahdollista. Tämä ratkaisumalli on tietenkin täysin rinnas­

teinen muidenkin ongelmien ratkaisumallien kanssa. Happaman pohjaveden ja sen vaikutusten torjumisen tapahtumaketju:

1 - Ilmaan pääsevien rikki- ja typpiyhdisteiden vähentäminen.

2. Maaperän puskurointi esim. kalkitsemalla.

3. pH:n nosto (alkalointi) pohjavesikerroksessa.

4. pH:n nosto (alkalointi) vesilaitoksella.

5. Korkeita metallipitoisuuksia saaneiden ihmisten ja eläinten hoito (seleeni-tabletit ovat tästä esimerkkinä).

Niin kauan kuin kohdan 1 toimenpiteet eivät vaikuta, on muiden kohtien toimenpiteitä jatkettava. Tällä hetkellä on lähinnä kohtien 1 ja 4 toimenpiteet käynnissä ja seuraavak- si siirryttäneen kohdan 3 toimenpiteisiin. Tässä työssä käsitellään kohdan 4 eli alkaloinnin toimenpiteitä.

2.2 ALKALOINTITARPEEN SYYT

Luonnollinen happamuus pohjavesissämme johtuu siitä, että niissä on yleisesti runsaasti hiilihappoa toisin kuin pintavesissä. Hiilihappoa pohjavesissä on normaalisti useita kymmeniä milligrammoja litrassa. Tämä hiilihappo muodostuu, kun pohjavesi muodostuu pintaveden suodattuessa maakerrosten läpi, jolloin maan mikrobitoiminta hajottaa veteen liuenneet orgaaniset aineet hiilidioksidiksi ja vedeksi. Kun pohjavesi on paineenalaisena, pysyy hiilihappo vedessä. Pintavesissä hiilihapon määrä pysyy alhaisena ilmakehän hiilidioksidimäärän mukaisessa tasapainossa.

Ihmisen aiheuttama happamoituminen johtuu laskeuman vah­

voista hapoista (typpi- ja rikkihappo) ja näiden aiheutta­

masta alkaliteetin laskusta. Alkaliteetin laskiessa pusku- rikapasiteetti vähenee ja hiilidioksidi lisääntyy. Nämä johtavat edelleen happamuuden lisääntymiseen. Tämä on todettavissa Mäkisen (1986) ja Korkka-Niemen (1990) tutki­

muksista .

Vedenottamoiden alkalointitarpeen aiheuttavat pohjaveden ominaisuudet. Suomen pohjavedet ovat luonnostaan happamia ja puskurikapasiteetti alhainen, sillä maaperämme on hapanta johtuen peruskallion happamista kivilajeista graniitista ja gneissistä (Soveri 1989). Tällöin maaperä ei neutraloi pohjaveden sisältämän hiilihapon aiheuttamaa happamuutta.

2.3 KORROOSIO

Rakenneaineiden korroosio tarkoittaa niiden syöpymistä ympäristön kanssa tapahtuvien, kemiallisten tai sähköke­

miallisten reaktioiden kautta. Tässä yhteydessä käsitellään ainoastaan vesijohtoputkiston sisäpuolista korroosiota.

Korroosio aiheuttaa terveydellisiä, esteettisiä, teknisiä ja taloudellisia haittoja. Näiden haittojen estämiseksi tarkastellaan korroosion syitä ja sekä eri korroosio- teorioiden pohjalta laadittuja vedenlaatukriteerejä.

2.3.1 Kalkkiruostesuoj akerros- ja puskurikapasiteettiteoria

Kalkkiruostesuoj akerros syntyy, kun raudan korroosion johdosta lisääntynyt OH" -ionien lisääntyminen häiritsee veden kalkkitasapainoa, mikä aiheuttaa kalsiumkarbonaatin sakkautumista (Orsa 1970, Vuorinen 1977):

Ca( HC03) = C02 + H20 + CaC03 (1) Kalkkiruostesuojakerroksen muodostumisen yleisinä edelly­

tyksinä pidetään seuraavia ehtoja (Hyyryläinen 1960, Uusitalo ja Heinänen 1962):

vesi ei saa sisältää aggressiivista hiili­

dioksidia

- veden happipitoisuuden tulee olla vähintään 6 mg 02/l

- veden virtausnopeuden pitää olla vähintään 0,5 m/s hapensaannin turvaamiseksi

- bikarbonaattikovuuden pitää olla vähintään 2°dH (Tillmansin mukaan) tai vähintään 2,8°dH (Lan- gelierin mukaan)

- vesi ei saa sisältää runsaasti klorideja ja sulfaatteja (Cl" < 50 mg/l, S042" < 250 mg/l)

Jotta vesi täyttäisi nämä vaatimukset, on se alkaloitava kalkki-hiilihappotasapainon edellyttämään pH-arvoon. Suoma­

laisilla vesillä tasapainossa pH on yleensä 8..9 (Vuorinen 1977).

Hedberg (1984a) on koonnut yhteen eri tahojen laatimia vaatimuksia veden laadun suhteen korroosion välttämiseksi rauta- ja kupariputkissa (Taulukko 1. ja Taulukko 2.).

T au lu k k o 1 . V ed en la ad u n v aa ti m u k si a k o rr o o si o n v äl tt äm is ek si ra u ta p u tk is sa (t au lu k o n k o o n n u t H ed b er g (1 9 8 4 a) , al k u p er äi sl äh te et al la ).

00

CO

in

00

CM

OM G

<D

•H-P

•H>

G c x:

CD 0) ■p

(0 C c ro G

Q) •H ro O

(0 • ro • ^ • cm

1 P ■p 1 1 X 4-> X -P 1 p -p i

O •p iH P i—1 *P O -H

a o a ro a ^ a

c G G

0) 0) • ro

c G -P G

o 1 i 1 •H •H -H •H

• CO • ro a i i ro ^.

o X -P X X

A O 1 -P r—1 *H i—1 H i—i

1—1 r—1 -H >1 ro a (0 i—1 ro 00

\ • i—1 G 1 > oi

•H1

0 1 * 0 -T

H 1 1

\ tn tn

h :ro ro G

* ro -p •P CD CM O H i—1 ro

P n -h i H tn G Q E H -P G

ro ;ro h a \ :ro -H CO >1-p :(0 •p

E -p ro ^ h i—i ro • 1 min ^ G ro

tn co 0 ^P X -P O • tn tn X

•H N-h ro • E i—1 -P r—1 U O -P >i ro uO ip ro -p ro c o E ^ ro a ui k v ro -p tn h ro

00 [>

00I

ID I

•H

OE E

O

>t >i h tn -P

\ :(0

»H i—I O »H E N E

(00)

O cn + i—Iu

OiE

m CM

O • U O X ^V

cCD

■HG X(0 -p

•H

to a

p p ro

ro =ro 0 •p ro

E -P i 1 ^ • i i ro ^ • i

tn ■p •p p ■p

ro ■p ro a O .K a0 •p

m

ro ro o _ro

ro ro V| P ro «0

^ • i 1 i tn ro G 1

p p -p .'op p tn

0 O -P P|U 0 •p P :ro

^ a i Ui K E ro o p

•p •ro -p G G G

ip X *P ro CD ro

a G G N G

ip ro •H • ■P N X0 -P

00 O G i ro -P ro • -p ro c ro • i e -p ro X "H X -p NP tn x -p

A CM E ro G p a p •H -CO i—1 •(0 rH *H ro ro a-p o P ro a

*P ■p • -p • c i—1

ro ro -p ro -p ro 1 -p

X X -P X -P 3 a O) ■p "p

H h a h a a, E ro a

ro ro ro 1 a ro i X

G G G •P o P G

•p ro -p ro -h ro •p u ro ro

ro c ro c ro c P X ^A c

c0)

•Hc X(0

Xa

o

X m

u

o

u

o o

cm

tn0)

•Hc (0 Oip

o

cooi

P0)

•HE

cCD

tnc

•H(0

■Ptn

•H

XP

COen

EN X

■P

•H

o

Ko m

(0

c

o

■p P p tn

ro •H O ro tn

■—i •H S V p

■p > tn ro

-p G c n

:0 ro •H ro c

a tn < > <

E tn

••TO 0 • . .

X ■r~> iH CM 00 jaZoeteman(1979).5.MerilljaSanks(1977a,8.Ryder(1978). 1977b,ja1978). ärry(1981). 6.Nielsen(1980).

Taulukko2.Vedenlaadunvaatimuksiakorroosionvälttämiseksikuparijohdoissa(taulukonkoonnut Hedberg(1984a),alkuperäislähteetalla).

o. _to .

CO 0) ^.—.

1 dd • 00

o

• 0 -H en

VO dd a i—i

1 p <N ₁ • C

3 (0 1 •H _Q CO P O

to a 0) •rH D, _C/D H :<0 -H :t0 to

> a CO dd • (0 min \ 0) H a G to

.ti H 3 P P 1 x: c O • i-1 H H CO CO 1 dd

(0 H 3 0 -H r—1 0) HU O 0 H £>i £>i :c0 •H

> P > dd a (0 ti UK v E (0 dd P H p

. -o(1)

P p

i—l 1 •H a

\ •H a

tn H (0 * * m H tO

• • 0 1 1 ti G 1 1 1 ■ro

[> H E f—1 0) OlUH O)

A a E (0 c CfilK V E G

Oto

p p

1 •H p

:<0 •H a J. 1 ml* :(0 to

O C (0 H

o

• to 1 1 ti G o

o u

[> :<0 H 0) • cal k o Oi:tO .

A rH (0 G ^{O v} v E H [N

•Hdd ttO tro

M G ti

H i 1 1 1 i CO to 1

to ttO :t0 1—1

tn dd H H CO

1 enH

•H P p p P

(0 (0 to 1 •H 1 H 1 H 1 •H 1

0) am o) •H a h a 1 m H a H a h ti

dd (0 add • (0 (0 • o to CO to 0)

M CO p p 1 .c g ti c ~-rU ti ti ti c ti ti CO

O (0 OOH 1—1 0) H 0) O K H 0) H 0) H 0) C

'd* ■Id p c dd a (0 G tO G ta v !Ö c tO ti to ti ro

H P

tO 1 H(0

0) H H P

dd • ^‘ men \ tO bd

1 P P 1 1 O • ^{H i 1} 1 ti ti

O H H u O 0 H 0) .

ro

1 :<0 p p P

H P P 1 H l •H 1 •H

S 0) to h a H a H a

O H E >i (0

m

O • O P 1 1 ti G ti c ti c i

H E ^{•H -H} H 0) H 0) 1—1 <D

(S en A E 0) X (0 G to ti (0 ti

X

tn . H

• H jG to ^{1 CO}

O \ 1 i—1 H 0) ■H en

1 H m CO \ tO ttO dd . ₍₀ H

o

o

• E ^H|U H 0 H H O -H H 0)

i—i CO O E

ui

a

p EN 0) 0) JG P P P P

O to (0 H O

M 0) H H S

C ti H > CO

•H P ti

0) tO ■O tO •H

P i

a

■H O ^(N (N 1 Dl E ^to

•H K U to

o

o

>

a

u

u

ElzengajaBoorsma(1974). 5.CambelljaTurner8.Ryder(1978). (1980). AnderssonjaBarry(1981).6.Ailor(1971). 9.LihljaKlamet(1969).

Kalkki-hiilihappotasapainoa voidaan tarkastella Tillmansin käyrän avulla. Langelierin indeksin avulla voidaan arvioi­

da kalsiumkarbonaatin saostumista tai syöpymistä. Indeksin ollessa positiivinen vesi on kalkkia saostavaa eli suoja- kerroksen muodostumiselle on edellytykset. Jos taas indeksi on negatiivinen, on vesi kalkkia liuottavaa, jolloin suojakerroksen muodostuminen on epätodennäköistä. Lange­

lierin indeksi (LI):

LI = pH - pHs (2)

jossa (Lind Johansson 1989):

pHs = pK2 - pKs + p[Ca2+] + p[H2C03 + HC03" + C032"]

K2 = 4.71CT11 Ke = 5. O IO'09

[Ca2+] , [H2C03] , [HC03-] ja [C032"] mol/l

pHs:n laskemiseksi on myös muita menetelmiä esim. Larson- Buswell-yhtälöllä (Vuorinen 1977). Muita tunnetuimpia mah­

dollisen korroosion toteamiseksi luotuja indeksejä ovat mm.

Ryznarin indeksi (RI) ja asbestisementtiputkilie kehitet­

ty aggressiivisuusindeksi (AI). Nämä ja muista indekseistä on Lind Johansson (1989) koonnut lyhyen esittelyn.

Jo lähes sadan vuoden ajan on veden kyllästysastetta kal­

siumkarbonaatin suhteen pidetty tärkeimpänä tekijänä korroosiolta suojaavan kerroksen muodostumisessa. Parikym­

mentä vuotta sitten esitettiin teoria, minkä mukaan vesi on putkistoa vähän syövyttävää, jos sen puskurikyky on suuri.

Puskurikapasi teet ti teorian mukaan veden puskurikapasi teetti vaikuttaa suojakerroksen syntyyn ja on veden syövyttävyyden tunnusmerkkinä. Puskurikapasiteetti on emäs- tai happo- lisäyksen ja sen aiheuttaman pH-muutoksen suhde. Kaavan muodossa (Kajosaari 1981):

B = lim Am , /\m —♦ 0 (3)

A pH jossa

B puskurikapasiteetti

Am emäs- tai happolisäys (mval/1)

AP» Am:n suuruisen emäs- tai happolisäyksen aiheuttama pH:n muutos

Puskurikapasiteetti verkostovedessä riippuu pääasiassa veden bikarbonaattipitoisuudesta ja pH-arvosta. Bikar- bonaattipitoisuuden noustessa se kasvaa, ja pH:n funktiona sillä on minimit pH-arvoissa n. 5 ja 8 - 8.5 ja maksimi pH- arvossa 6.5-7 (Weber ja Stumm 1963). Puskurikapasiteettia kuvaa myös veden titrauskäyrä (Kuva 1.).

LIPEÄN SYÖTTÖ JA pH hiilidioksidi 10 mg Z l alkaliteetti 0-(X6 mval /1

Itpefle

I 10 12 11 14 11 20 2? Jk 24 21 10

Kuva 1. Eräitä lipeän titrauskäyriä. Alkaliteetti O, 0.3 ja 0.6 mmol/1 (Savisalo 1982).

pH:n lasku korreloi hyvin monen putkimateriaalin korroosion lisääntymisen kanssa. Näin on kuparin, messingin, gal­

vanoidun teräksen, teräksen, valuraudan, sementtipinnoi- tetun teräksen sekä asbestisementin kanssa.

Kuparilla alhainen pH johtaa korkeaan korroosionopeuteen (Kuva 2., Kuva 3., Kuva 4. ja Kuva 5.).

pH:11a on kuparin korroosioon suuri vaikutus. Kuparin korroosio on minimissään kun pH on yli 8.5 ja lisääntyy huomattavasti kun pH on alle 7 (Lind Johansson 1989).

Messingillä korroosio riippuu vahvasti pH:sta (Vik 1988).

Galvanoidulla eli kuumasinkityllä teräksellä sinkki korro- doituu, kun pH < 7 (Kuva 6.). Kauniston (1989) mukaan sinkki on hyvin stabiili pH-alueella 6-12.5. Tämän alueen ulkopuolella korroosio on nopeata. Kuumasinkittyjen teräs- putkille pH:n pitäisi olla yli 8.0. Tavallinen teräs syöpyy nopeasti happipitoisissa vesissä, joten sitä ei käytetä paljaana vesijohdoissa (Kaunisto 1989).

Valuraudan korroosionopeus on pH:sta riippuvainen. Alhai­

nen pH lisää voimakkaasti raudan liukoisuutta (Kuva 7.).

Raudan korroosio lisääntyy sekä korkean että matalan pH:n alueella. Sen vuoksi raudan korroosion minimoimiseksi tarvittaisiin neutraali pH (Lind Johansson 1989).

Seisonut vesi

Juoksutettu ves

Kuva 2. Alhainen pH aiheuttaa nopean korroosionopeuden kuparilla, mikä voi johtaa talousveden korkeaan kuparipi­

toisuuteen (Vik 1988).

1.0 n

mg/dm2 d

ox

co3

<D

&

O C

■HO

oCO

o

u M O K

05 ■ ^A x

o

+ 10 mg hco3"/i

o 60 mg HC03"/1

A 100 mg hco3"/i

A

Kuva 3. Korroosionopeus kuparilla pH:n funktiona eri

alkaliteetin arvoilla kun vedessä on 20 mg S042"/1 (Johans­

son ja Hedberg 1988).

Kupari3Kupari mg/l

O

0

0

□

O 0

□

--¹--¹--¹-- 1__ i__ i__ i 1 i i ■ 1 i n 0 o_i n it i __i__1__i__ E__i__B

7

pH

8 10

Kuva 4. Kuparikonsentraatio kokeista (Lind Johansson 1989).

Kuva 5. Kuparin konsentraatioita putkikokeista (Lind Johansson 1989).

mg/dm2 d 10 ^-

oi

8 ^- tn3

Q)a oc

•Ho

COO oM Xo

6 ^-

4 -

K

2 ^-

a o

X 10 mg HC03"/1

$

o 60 mg HC03"/1 5 6 7 e

A 100 mg HC03"/1 PH

Kuva 6. Korroosionopeus sinkityillä putkilla pH:n funk­

tiona eri alkaliteetin arvoilla kun vedessä on 20 mg S042'/1 (Johansson ja Hedberg 1988).

Asbestisementtiputkien ja sementtilaastilla vuorattujen putkien korroosio happamassa ja pehmeässä vedessä on huomattavaa (Kauppila 1988).

2.3.3 Alkaliteetti ja kovuus

Alkaliteetilla ja kovuussuolojen määrällä on tärkeä osuus korroosiotapahtumassa. Alkaliteetti muodostuu bikarbonaat- ti-, karbonaatti ja hydroksyyli-ioneista:

Alkaliteetti = ( [HC03"] +[C03"] + [OH"] ) (4) Alle pH 8,5:ssä karbonaatti- ja hydroksyyli-ionit puuttuvat käytännöllisesti katsoen kokonaan, joten silloin veden vapaan hiilidioksidin liuoksen (H2C03) ja bikarbonaatti-

10.

mg/dm2 d 6-

(fi2 0)a

X 10 mg HC03‘/1

o 60 mg hco3"/i

A 100 mg HCO3VI

Kuva 7. Korroosionopeus rautaputkilla pH:n funktiona eri alkaliteetin arvoilla kun vedessä on 20 mg S042*/1 (Johans­

son ja Hedberg 1988).

ionien (HC03") välinen tasapainotila määrää pH:n (Vuorinen 1977).

Lind Johanssonin (1989) mukaan raudan korroosio on alhai­

simmillaan kun pH on 7.5 ja bikarbonaattia (HC03") on 100 mg/l.

Kaikkien korroosionestoteorioiden mukaan veden alkaliteetin nostaminen vähentää veden syövyttävyyttä. Kovuuden merkitys ei kaikissa teorioissa ole esillä. Myös veden kovuudella on osoittautunut olevan merkitystä (Pääkkönen 1982b).

Betonille pehmeä vesi on erityisen aggressiivista kun kokonaiskovuus on pienempi kuin 3 °dH (0.54 mmol/1). Tämä aiheuttaa kalsiumhydroksidin liukenemista sementtipastasta huokosveden mukana (Vinka 1989).

Veden kokonaiskovuuden muodostavat: pääasiassa kalsium- ja magnesiumsuolat. Kokonaiskovuus jaetaan ohimenevään kovuu­

teen ja pysyvään kovuuteen.

1) Ohimenevällä kovuudella tarkoitetaan veden alkali- teetin avulla laskettua bikarbonaatin ekvivalent­

tia kalsiumin määrää ilmaistuna kovuusyksikkönä.

Bikarbonaatin määrää vastaava osuus veden kovuu­

desta poistuu, kun hiilidioksidi poistetaan esimerkiksi keittämällä. Tällöin karbonaatti saostuu. Bikarbonaattikovuus lasketaan alkalitee- tista kun tulos mmol/1 kerrotaan luvulla 5.6 (mval/1 kerrotaan luvulla 2.8), jolloin saadaan bikarbonaattikovuus saksalaisina kovuusasteina

(°dH ) . l°dH = 0.18 mmol/1.

2) Pysyvällä kovuudella tarkoitetaan kalsiumin ja magnesiumin muiden suolojen kuin bikarbonaattien aiheuttamaa kovuutta. Näitä ovat mm. sulfaatit, kloridit ja nitraatit. Pysyvä kovuus ei poistu hiilidioksidia poistamalla.

Taulukko 3. Eri maissa käytetyt kovuudenyksiköt (Kajosaa- ri 1981, Kauppila 1988).

mmol/1 mval/1 astetta astetta astetta mg/l CaC03

mg/l Ca

mg/l Mg

mmol/1 1 0.5 5.6 10.0 7.0 100.0 40.0 24.3

mval/1 2 1 2.8 5.0 3.5 50.0 20.0 12.15

saks.aste °dH 0.18 0.357 1 1.78 1.24 17.80 7.1 4.34

ransk.aste 0.10 0.2 0.56 1 0.7 10.0 4.0 2.43

engl. aste 0.14 0.286 0.8 1.44 1 14.3 5.70 3.47

mg/ CaC03 0.01 0.02 0.056 0.1 0.07 1 0.4 0.24

mg/ Ca 0.03 0.05 0.14 0.25 0.17 2.5 1 0.61

mg/l Mg 0.04 0.082 0.23 0.41 0.29 4.1 1.6 1

Liiallinen kovuus aiheuttaa mm. kattilakiven muodostumista kuumavesisäiliöihin, mikä saattaa lisätä korroosiota ja tuottaa lämpöhäviöitä. Myös tämä kuluttajille tärkeä näkökohta täytyisi vesilaitoksilla ottaa huomioon.

Kovuuden noston korroosion vähentämiseksi vesijohtoputkis- tossa ovat esitelleet Hedberg ja Nilsson (1983).

2.3.4 Hiilidioksidi

Hiilidioksidi on korroosiotekijä vaikuttaessaan veden ja kalkin tasapainoon (Vuorinen 1977).

Lind Johansson (1989) tutki kupariputkien korroosiota eri tekijöiden vaihdellessa ja huomasi ettei kupariputkien

korroosionopeuksissa ollut eroa eri hiilidioksidipi­

toisuuksilla.

Hiilidioksidin lisäyksellä saadaan enemmän kalkkia liu­

kenemaan veteen, jolloin alkaliteetti ja kovuus sekä puskurikapasiteetti lisääntyvät ja päästään tarkkaan pH- säätöön (Kiuru 1989). Veden puskurikyky kertoo veden kyvyn vastustaa pH-arvoa muuttavia tekijöitä, joita ovat mm.

biologinen toiminta, korroosio ja kalkkipitoisista putkista (betonoidut ja asbestisementtiputket) kalkin liukeneminen (Pääkkönen 1991).

2.3.5 Bikarbonaatin ja sulfaatin suhde

Useissa lähteissä (mm. Harju ja Huju 1982, Pääkkönen 1982b, Kauppila 1988, Skrökki 1991) esitetään bikarbonaatin ja sulfaatin suhteelle > 1 jotta vesi ei olisi korrodoivaa.

Oslossa v. 1990 pidetyn kansainvälisen korroosioseminaarin johtopäätöksenä oli ehdoton minimivaatimus bikarbonaatin suhteen kloridin ja sulfaatin summaan > 1.5 (Hedberg ym.

1990). Merrill ja Sanks (1977a, 1977b, 1978) ovat esittä­

neet, että bikarbonaatin suhde kloridin ja sulfaatin summaan pitäisi olla > 5 (Taulukko 4.).

Taulukko 4. Eri lähteissä esitettyjä vaatimuksia bikar­

bonaatin ja sulfaatin suhteelle korroosion estämiseksi.

Viite nro.

yksikkö suhde

1.

2. (mval/1) [hco3-]/(

[cr]

1. Harju ja Huju (1982), Pääkkönen (1982b), Kaup­

pila (1988), Skrökki (1991).

2. Hedberg ym. (1990).

3. Merrill ja Sanks (1977a, 1977b ja 1978)

2.3.6 Alkalointimenetelmän vaikutus korroosioon

Alkalointimenetelmän on todettu vaikuttavan korroosioon.

Lehto ym. (1985) tutkivat 55:n Suomen kaupungin ja kunnan vesijohtoveden metallipitoisuuksia. He havaitsivat kohon­

neita kupari- ja sinkkipitoisuuksia kuluttajilla niiden vesilaitosten alueella, joissa käytettiin soodaa tai lipeää alkalointimenetelmänä. Sen sijaan kalkkia käyttävien vesilaitosten vedessä metalleja oli vähemmän. Vesilaitos­

ten, jotka eivät alkaloineet vettään, ja vesilaitosten, jotka alkaloivat soodalla tai lipeällä, ei havaittu metal­

lipitoisuuksien perusteella merkittävää eroa (Hiisvirta ym.

1989).

Nämä erot johtunevat siitä, että korroosion estoon ei tarvita vain alkalointia vaan myöskin veden kovuuden nostoa. Toinen syy saattaa olla, ettei soodaa ja lipeää käyttävien laitosten veden pH aina ole optimialueella eikä pysy vakiona. Syy tähän on monasti se, että soodaa ja lipeää käytetään pienillä pohjavedenottamoilla, joissa erilaiset toimintahäiriöt ovat mahdollisia vähäisen valvon­

nan vuoksi.

Hiisvirta ym. (1989) päätyvät Lehdon ym. (1985) tutkimuksen perusteella toteamaan, etteivät Suomessakin yleisesti käytetyt sooda- ja lipeä -alkalointimenetelmät anna riittä­

vää suojaa korroosiota vastaan silloin kun ne ovat varuste­

tut riittämättömällä säätölaitteilla, kuten nykyään usein ovat.

Alkaloinnin optimoinnille onkin olemassa mm. terveydellisiä paineita. Tästä voi seurata myös tarve yhdistää pieniä pohjavedenottamoita, jotta alkaloinnin kunnollinen toteut­

taminen on mahdollista (Hiisvirta 1991). Tähän ei kuiten­

kaan tarvitsisi mennä, jos pienille pohjavedenottamoille löydettäisiin yksinkertainen, luotettava ja edullinen alkalointimenetelmä.

2.3.7 Korroosion terveydelliset haittavaikutukset

Vesijohtoputkiston sisäpuolisesta korroosiosta johtuvat terveyshaitat voidaan jakaa korroosiotuotteista johtuviin ja mikrobitoiminnan lisääntymisestä aiheutuviin vaikutuk­

siin.

2.3.7.1 Korroosiotuotteiden terveydelliset haittavaikutukset

Vesijohtoputkiston korroosiolla on tärkeä merkitys myös terveydelliseltä kannalta. Vesijohtovedessä esiintyvien metallipitoisuuksien on todettu olevan peräisin vesijohto- putkien ja vedenjakelujärjestelmän laitteiden materiaaleis­

ta (Hiisvirta ym. 1989). Näitä metalleja ovat kupari, sinkki, lyijy, kadmium ja kromi. Suomessa lyijy ei ole ongelma, sillä meillä lyijyputkia on käytetty vain vesijoh­

tojen liitos- ja kytkentäjohtoina (Suomen kaupunkiliitto 1988).

Putken seinämästä veteen irtoava korroosiotuote riippuu käytetystä putkimateriaalista. Tämän takia käytetty materi­

aali määrää pitkälti terveydellisen haittavaikutuksen laadun. Materiaaleja joiden on todettu tai on epäilty aiheuttavan näitä haittavaikutuksia ovat:

1. Kuparin on epäilty aiheuttavan lapsille kroonista ripulia. Guzikowski (1984) mainitsee 3 ruotsalais­

ta raporttia asiasta. Kuparin on epäilty lisäävän riskiä sairastua sydän- ja verisuonisairauksiin (Salonen ym. 1991). Kuparin on myöskin epäilty olevan pikkulasten maksakirroosin syynä (Statens livsmedelsverk 1988, Suomen Kaupunkiliitto 1991).

2. Asbestisementtiputkista irtoavien asbestikuitujen on epäilty aiheuttavan esimerkiksi vatsasyöpää

(Vogt 1986).

3. Sinkkiputkissa epäpuhtautena oleva kadmium saattaa sinkin ohella lisääntyä vedessä korroosion myötä (Moberg ym. 1985). Kadmium on raskasmetalli, jonka on todettu aiheuttaneen suolisto- ja hengitystie­

oireita. Pitkäaikaisaltistuksen vaikutukset kohdistuvat munuaisiin, keuhkoihin ja luustoon

(Lääkintöhallitus 1990).

4. Korkeiden alumiinipitoisuuksien on epäilty olevan yhteydessä dementiaan (Vogt 1986). On huomattava, ettei alumiini tule vain vesijohtoputkistosta vaan myöskin alumiinikattiloista, maaperästä ja kalois­

ta (Seip 1987).

5. Vesijohtoveden raudan on epäilty lisäävän riskiä sairastua sydän- ja verisuonisairauksiin (Pääkkö­

nen 1991).

Edellä olevien todettujen ja epäiltyjen terveydellisten haittavaikutusten tutkiminen on keskittynyt suun kautta tapahtuvan altistuksen tutkimiseen. Tämä johtuu talousve­

den laatuvaatimusten johtamisesta elintarvikkeiden laatu­

vaatimuksista. Kuitenkin useimmissa kehittyneen vesihuollon maissa samaa vesijohtovettä käytetään juomiseen, ruoanval­

mistukseen sekä henkilökohtaiseen hygieniaan. Veden sisäl­

tämien aineosien vaikutuksista hengitysteitse tai ihon kautta saatuina ei ole tietoa. Onkin oletettavaa, että myös nämä vaikutukset tullaan ottamaan huomioon, mikä edelleen tiukentanee laatuvaatimuksia (Hiisvirta 1991).

2.3.7.2 Korroosion aiheuttaman mikrobien esiintymisen terveydelli­

set haittavaikutukset

Korroosio voi edesauttaa mikrobien esiintymistä vesijohto­

vedessä. Vesijohtoputkien saostumista on todettu bakteere­

ja, jotka osallistuvat välittömästi tai välillisesti

saostumien syntyyn. Saostumien syntyyn osallistuvat mikro­

bit ovat rautabakteerej a, sulfaattia pelkistäviä bakteere­

ja, rikkibakteereja sekä nitraatti- ja nitriittibakteereja (Salmelainen 1989). Veden laatua voivat heikentää bakteeri­

en lisäksi mm. levät, sädesienet ja homeet.

Vesijohtoputkeen päässeen viemäriveden patogeeniset mikro- organismit voivat aiheuttaa laajojakin epidemioita. Näin voi käydä esimerkiksi putkiston paineen laskun aikana kor­

roosion aiheuttamien reikien kautta tai vesij ohtoputken korjauksen aikana, kun putkeen pääsee likaista vettä, joka on peräisin vuotavasta viemäristä.

Yleisimpiä mikrobien aiheuttamia haittavaikutuksia ovat erilaiset vatsasairaudet.

2.3.8 Korroosion esteettiset haittavaikutukset

Korroosio johtaa metallien syöpymiseen putkimateriaalista.

Metalleista ainakin kupari ja rauta aiheuttavat veteen tai vettä käytettäessä esteettisiä haittoja. Rautainen vesi näyttää ruskealta ja epämiellyttävältä. Vaatteisiin jää pestäessä ruskeita ruosteläikkiä. Keraamiset kalusteet värjäytyvät ruskeiksi. Kupari aiheuttaa korkeina pitoisuuk­

sina sinisen värin veteen. Vaaleat hiukset värjäytyvät kuparipitoiseila vedellä pestäessä vihreiksi. Keraamiset kalusteet värjäytyvät vihreiksi. Korroosio aiheuttaa myöskin hajuja ja makuja veteen.

2.3.9 Korroosion tekniset haittavaikutukset

Teknisiä haittavaikutuksia aiheutuu vesilaitoksille joko vedenkäsittelylaitoksen sisäisestä korroosiosta tai vesi- johtoputkiston korroosion kautta. Vedenkäyttäjille kor­

roosio aiheuttaa huoneistojen sisäisten vesijohtojen korroosiona ja vesikalusteiden korroosiona.

Vedenkäsittelylaitoksella korroosion kohteeksi joutuvat syövyttävän veden kanssa kosketuksiin joutuvat rakenteet, kuten betonialtaat ja metalliset putket, venttiilit jne.

Korroosio aiheuttaa vuotoja ja mahdollisesti kemikaa- lisyötön lisäystä tai käsittelymenetelmän uusimistarvetta.

Vesijohtoputkiston korroosio lisää vuotoja. Korroosiotuot- teet tukkeuttavat putkistoa. Nämä laskevat putkiston painetta ja lisäävät pumppaustarvetta. Vuodot ja tukkeumat aiheuttavat myöskin veden virtausolosuhteiden muutoksia putkistossa sekä vähentävät vedenvälityskykyä.

Vedenkäyttäjille huoneistojen sisäisten putkien ja vesika- lusteiden korroosio aiheuttaa näiden uusimistarvetta sekä teknisen toimivuuden huonontumista.

2.3.10 Korroosion taloudelliset haittavaikutukset

Korroosion terveydellisiä ja esteettisiä haittavaikutuksia on vaikeaa, ellei mahdotonta mitata rahassa. Teknisiä haittavaikutuksia on huomattavasti helpompi mitata rahassa.

Korroosion huoneistojen sisäisille vesij ohtoputkille aiheuttamat vahingot arvioitiin Ruotsissa v. 1982 olevan 330 Mkr (Leviin 1985).

Suomessa vuonna 1987 vakuutusyhtiöt maksoivat korvauksia vuotovahingoista lähes 300 Mmk. Vuotovahinkoihin kuuluvat vuodot vesi-, viemäri- tai kaukolämpöverkosta (Sjögren 1989).

Vesivahingoista arviolta 26 % johtuu vesijohtojen vauriois­

ta, jotka kaikki ovat korroosiosta johtuvia (Mäkinen ja Sipilä 1989). Vakuutusyhtiöiden VTT:ssa teettämässä vuotovahinkotutkimuksessa todettiin kylmävesijohto pahim­

maksi vahinkojen aiheuttajaksi (39 %) (Kaunisto 1989).

2.3.11 Korroosion esto

Vedenj akeluverkoston korroosiota voidaan estää seuraavilla tavoilla (Pääkkönen 1982a):

1. Tehdään verkosto syöpymättömästä materiaalista (esim. muovista)

2. Pinnoitetaan putket

3. Käsitellään verkostovesi siten, että vesi putkima- teriaalin korroosiotuotteiden kanssa muodostaa suojaavan kerroksen

4. Katodinen suojaus

5. Käsitellään vesi siten, ettei se syövytä (hapen täydellinen poisto)

Vesilaitosten osalta pyritään nykyään keskittymään kohtien 1 ja 3 toimenpiteisiin. Kuitenkin vieläkin on suhteellisen paljon pohjavedenottamolta, joilla kohdan 3 toimenpiteitä eli alkalointia, ei suoriteta (Taulukko 5.).

3 ALKALOINTIMENETELMÄT 3.1 YLEISTÄ

Pohjavedenottamoiden käyttämiä alkalointikemikaaleja ovat ennen kaikkea lipeä (NaOH) ja sooda (Na2C03) (Taulukko 5.).

Isoimmat laitokset käyttävät pääasiassa kalkkia (sammutettu kalkki Ca(OH)2). Myös muita kemikaaleja käytetään, kuten

kaliumhydroksidia (KOH). Lisäksi käytetään kemikaaleja toistensa kanssa, kuten esimerkiksi kalkkia ja soodaa.

Taulukko 5. Alkalointi pohjaveden- ja tekopohjavedenotta- moilla v. 1988 (Sipilä 1991).

Alkalointi- ottamoita prosenttia

menetelmä kpl %

ei alkalointia 399 40.3

alkaalinen suodatus 13 1.3

alkaalinen suodatus + lipeä 5 0.5 alkaalinen suodatus + kalkki 1 0.1

kalkki 123 12.4

kalkki + hiilidioksidi 3 0.3

kalkki + lipeä 9 0.9

kalkki + sooda 5 0.5

kaliumhydroksidi 2 0.2

kaliumhydroksidi + lipeä 2 0.2

lipeä 353 35.7

lipeä + sooda 2 0.2

sooda 73 7.4

yhteensä 990 100.0

Suomen pohjavesilaitosten vedenottamot ovat pohjavesialuei­

den pienuuden ja hajanaisen sijaintinsa vuoksi suhteellisen pieniä. Pieni laitoskoko on johtanut yksinkertaisten eli vähän valvontaa vaativien vedenkäsittelyprosessien valin­

taan. Tämä koskee erikoisesti alkalointia, joka monilla pohjavedenottamoilla on ainoa vedenkäsittelyprosessi.

3.2 ALKALOINNIN TEORIA

Vettä voidaan alkaloida useilla eri menetelmillä. Seuraa- vassa alkalointiin käytettävät kemikaalit ja reaktioyhtälöt hiilidioksidin sitomiseksi (Kajosaari 1981):

lipeä on pienten pohjavedenottamoiden alkalointikemikaali NaOH + C02 + H20 = NaHC03 + H20 (5) kalkkia käytetään yleisesti vedenottamoilla

Ca( OH )2 + 2 C02 = Ca(HC03)2 (6) myös soodaa käytetään yleisesti alkalointiin pienillä pohj avedenottamoilla

Na2C03 + C02 + H20 = 2 NaHC03 (7)

alkaloivia massoja käytetään joillakin pohjavedenottamoilla ja kemikaalina on lähinnä osittain poltettu dolomiitti

CaCOjMgO + 3C02 + 2 H20 = Mg(HC03)2 + Ca(HC03)2 (8) johdonmukaisin tapa sitoa aggressiivinen hiilidioksidi kemiallisesti on käyttää kalkkikiveä

CaC03 + C02 + H20 = Ca( HC03 )2 (9) Eri alkalointimenetelmien yleisyydestä on enemmän luvussa 3.1.

Taulukko 6. Alkalointiin käytettävien aineiden kulutus ja vaikutus veden kovuuteen (Kajosaari 1981) .

Aine Ominais- sidottu kovuuden

käyttö C02 kasvu

mg/mg °dH/mg

(teor.) (käyt.) sid.C02

Lipeä NaOH 0.91 1.0 0

Sooda Na2C03 2.4 2.5 0

Sam.kalkki Ca( OH )2 0.84 1.0 0.064

Kalkkikivi CaC03 2.3 2.5 0.128

Osit.polt.dolom. 1.06 1.3-1.5

o o

Lipeää ja soodaa käytetään pienillä pohjavedenottamoilla erityisesti yksinkertaisen annostelutekniikkansa vuoksi, sillä näillä aineilla on hyvä liukoisuus veteen. Näitä käytettäessä ei veden kovuus kuitenkaan lisäänny, jolloin vesi voi jäädä hyvinkin pehmeäksi. Kalkkia käytetään suuremmilla laitoksilla suurempien annostelulaitteidensa ja enemmän valvontaa vaativan annostelun johdosta.

Alkaloivia massoja käytetään aivan pienillä, lähinnä muutamien talouksien, pohjavedenottamoilla. Kaikille em.

alkalointimenetelmille on ominaista ylialkaloinnin vaaran mahdollisuus esim. laitehäiriön tai inhimillisen erehdyk­

sen johdosta. Kalkkikivellä tätä mahdollisuutta ei ole, sillä reaktio pysähtyy hiilidioksidin loppuessa vedestä.

Raakaveden suuri hiilidioksidipitoisuus taasen voidaan ilmastuksella säätää sopivaksi.

3.3 ALKALOINTIMENETELMÄN VAIKUTUS VEDENLAATUONGELMIIN

Yleisimmin pohjavettä käsitellään happamuuden vähentämi­

seksi sekä raudan ja mangaanin poistamiseksi. Alkalointi-

menetelmällä on yhteys verkostoveden pH:n pysymiseen yli 7:n (Taulukko 7.).

Taulukko 7. Pohjavesilaitosten verkostoveden pH alle 7 (%

ko. alkalointimenetelmän laitoksista) (Sipilä 1991).

Alkalointimenetelmä pH alle 7 verkostovedessä

1980 1988

Lipeä 15 5

Kalkki 16 13

Sooda 15 9

Alkaalinen suodatus 74 27

Ei alkalointia 51 45

Taulukko 8. Pohjavedenottamot, joissa v. 1988 oli alkaa- linen suodatus (Sipilä 1991).

Laitos virtaama lisä- Johtoveden laatu vaatimus- m3/d aikai. ten ja tavoitteiden suhteen,

ei täytä tavoitteita

1 57

2 64

3 203

4 259 lipeä

5 114 lipeä

6 110 lipeä

7 950 lipeä

8 964 lipeä

9 230

10 77

11 318

12 75

13 56

14 110

15 300

16 199

17 94

18 87 kalkk

pH pH pH pH, Fe

pH, Fe, Mn, sameus pH, kolibakteerit

Fe, väri, kolibakteerit Fe, väri, kolibakteerit

tiedot puuttuvat tiedot puuttuvat tiedot puuttuvat

Alkaalista suodatusta käyttävien pohjavesilaitosten sekä laitosten, jotka eivät käytä alkalointia, verkostoveden pH

on muita alkalointimenetelmiä käyttävien verkostovesiä useammin liian hapanta (Taulukko 7.).

Alkaloimattomien laitosten kohdalla hapan raakavesi pitäisi alkaloida. Alkaalista suodatusta (suodatinmassana lähinnä osittain poltettua dolomiittia CaC03'Mg0) käyttävien laitos­

ten ongelmana lienee pienen laitoskoon (ks. Taulukko 8.) johdosta suurien virtaaman vaihteluiden aiheuttamat häiri­

öt. Näin käy, kun laitoksella ei ole lähtevän veden säi­

liötä, jolloin suuren virtaaman aikana pH alenee viipy- mäajan (kontaktiaika vedelle ja suodatinmassalle suodatin­

massan vesitilavuudessa) lyhentyessä. Kyse on alimitoituk­

sesta joka voidaan korvata viipymäajan pitämisellä riittä­

vänä myös suuren kulutuksen aikana (massan lisäys) tai rakentamalla suodatuksen jälkeinen vesisäiliö tasaamaan virtaamanvaihteluita.

3.4 KALKIN KÄYTTÖ ALKALOINTIIN

Kalkkia on käytetty jo pitkään alkalointiin sen hyvien ominaisuuksien ansiosta. Kalkkia käytettäessä nousevat pH, alkaliteetti (edellyttää riittävää määrää hiilidioksidia vedessä), kovuus sekä kalsiumpitoisuus. Nämä muutokset vaikuttavat positiivisesti korroosionkestävyyteen. Kalkki- valmisteita on useita: mm. sammuttamaton kalkki (CaO), sammutettu kalkki (Ca(OH)2) sekä kalkkikivi (CaC03).

Vesilaitoksilla käytetyimpiä ovat kaksi ensimmäistä. Muita kalkkivalmisteita ovat erilaiset alkaaliset massat: esim.

kalsiumoksidista (CaO) ja silikonista (Si02). Eri kalkkival- misteiden neutralointikapasiteettia, pH:n nousua, pitkäai­

kaisia sekä lyhytaikaisia vaikutuksia vertaili Grahn ja Hultberg (1975) tutkiessaan järvien kalkitsemista. Koska kohteena oli pintavesi, jossa ei ole juurikaan hiilihappoa, eivät tulokset ole sellaisenaan sovellettavissa pohjaveden alkalointiin.

Kaikki kalkkivalmisteet nostavat alkaliteettia ( = [HC03‘], vrt. kaavat 6, 8 ja 9) reagoidessaan hiilidioksidin

(hiilihapon) kanssa. Kaavojen 6, 8 ja 9 mukaan voidaan kirjoittaa myös seuraavat yhtälöt:

Ca(OH)2 + 2 C02 = Ca2* + 2 HC03" (10) CaC03Mg0 + 3 C02 + H20 = Mg2* + Ca2* + 4 HC03" (11) CaC03 + C02 + H20 = Ca2* + 2 HC03" (12) Bikarbonaatin lisääntyminen nostaa pH:ta seuraavasti:

HC03" + H* = H2C03 (13)

H2C03 = C02( aq) + H20 (14)

bikarbonaatista ja vetyionista muodostuu hiilihappoa ja siitä edelleen hiilidioksidia. Koska vesiliuoksissa yleensä

[C02] >> [H2C03] , voidaan vapaa hiilihappo (H2C03) laskea seuraavasti:

[C02( aq) ] + [H2C03] ~ [C02(aq)] (15) Alkaliteetin muodostus jatkuu vain niin kauan kuin vedessä on hiilidioksidia. Näin siis käy kaikilla kalkkivalmisteil­

lä . Tällöin pH ei voi nousta korkeammaksi kuin hiilidioksi­

din määrä edellyttää, paitsi ensimmäisessä tapauksessa sammutetulla kalkilla (Ca(OH)2). Kun hiilidioksidi loppuu reaktio on seuraava:

Ca( OH )2 = Ca24 + 2 OH' (16)

jolloin vedessä olevien hydroksyyli-ionien (OH') määrä lisääntyy ja täten pH nousee seuraavien yhtälöiden mu­

kaisesti :

pH = -log[H4] (17)

pOH = -log [0H‘] (18)

pH + pOH = 14 (19)

pH = 14 - pOH (20)

Alkaliteetti on riippuvainen pH:sta. Teoreettinen yhteys pH:n, alkaliteetin ja hiilihapon välillä voidaan ilmaista:

pHc = 6.52 + log[HC03"] - log[C02] (21) jossa

PHC [hco3-]

[C02]

veden pH (laskettu)

bikarbonaatin pitoisuus (mol/l) hiilidioksidin pitoisuus (mol/l)

Moberg ym. (1985) on ilmaissut tämän yhteyden seuraavasti:

PH 6.4 ⁺ log HCO„~

H2C03 jossa

HC03" = alkaliteetti (mg/l)

H2C03 = vapaa hiilihappo (eli C02 mg/l)

(22)

Kalkkivalmisteiden aiheuttama kovuuden nousu ilmenee kohdan 3.2 taulukosta (Taulukko 6.). Eri maissa käytetyt kovuuden yksiköt ilmenevät puolestaan kohdan 2.3.3 taulukosta (Taulukko 3.). Suomen pehmeiden vesien korrodoivaa vaiku­

tusta vesijohtoverkostolle ja kuluttajien vesikalusteille voidaan vähentää lisäämällä kovuussuoloj a, lähinnä kalsium­

ia24 ) ja magnesium-ioneja (Mg2*), vesijohtoveteen. Liian suuri kovuus ilmenee lämminvesij ärj estelmissä tapahtuvina saostumisina ja kattilakiven muodostumisena.

Kalsium vesijohtovedessä saattaa myöskin ehkäistä veren­

painetautia (Pörsti 1991).

4 KOKEMUKSIA KALKKIKIVISUODATUK- S E S T A

4.1 AIKAISEMPIA TUTKIMUKSIA

Kalkkikiven alkaloiva vaikutus on ollut tunnettu kauan.

Kuitenkin kalkkikiven käyttökelpoisuutta on alettu tutkia vasta viime aikoina. Kalkkikivisuodatuksen tutkimistarvetta on aiheuttanut ongelmat pohjavedenottamoiden alkaloinnissa.

Hatva ja Seppänen (1983) tutkivat hidassuodatusta ja käyttivät kalkkikivisepeliä pienoismallikokeessa sekä hidassuodatusaltaan sepelisuodattimessa suodatinmateriaa- lina. Pienoismallikokeessa pohjaveden pH nousi arvosta 6.9 arvoon 7.9. Hiilidioksidi laski arvosta 24 mg/l arvoon 5.3 mg/l. Alkaliteetti nousi arvosta 0.68 mmol/1 arvoon 0.89 mmol/1. Kokonaiskovuus nousi arvosta 3.46 °dH (0.62 mmol/1) arvoon 4.20 °dH (0.76 mmol/1). Kalsiumin määrä nousi arvosta 17 mg/l arvoon 22 mg/l. He päätyivät hidassuodatusta käsittelevässä tutkimuksessaan jatkotutkimustarpeeksi selvittää mahdollisuus alkaloida hidassuodatettu vesi sopivalla suodatinmateriaalilla.

Kalkkikivisuodatusta pH:n nostamiseksi on tutkittu monien muiden tutkimusten ohella. Mälkki ja Reinikainen (1983) tutkivat pienpuhdistusmenetelmiä, mm. eri valmistajien neutralointisuodattimia, ja käyttivät kokeissaan kalkkiki- vimursketta. Mälkki ym. (1984) käyttivät kalkkikivisepeliä (raekoko 40-80 mm) biologisen vedenkäsittelylaitoksen esisuodattimessa.

Hedberg (1983) tutki alkaalisia suodatinmassoja. Tästä enemmän kohdassa 4.2. Tälle tutkimukselle ilmestyi jatkoa seuraavana vuonna (Hedberg 1984b), jossa Hedberg tutki samaisia suodatinmassoja erilaisilla piensuodatinlaitteillä ja vesillä laboratoriossa sekä kentällä. Hän päätyi tulokseen, että kalsiumkarbonaattimassa on soveltuva vain hyvin pehmeille, vähän hiilihappoa ja vetykarbonaattia sisältäville, vesille. Kovemmilla ja enemmän vetykarbonaat­

tia (20-40 mg HC03'/1 eli alkaliteettina 0.33-0.66 mmol/1) sisältävillä vesillä liukeneminen tapahtuu hitaammin.

Tällöin pitäisi Hedbergin mielestä käyttää kalsiumkar- bonaattimassan lisäksi ilmastusta tai käyttää puolipoltet- tua dolomiittimassaa. Kovilla vesillä (>30 mg Ca2*/1 eli

>0.75 mmol/1 eli >4.2 °dH) ja hiilihappopitoisilla vesillä (C02 >50 mg/l) sekä vesillä, joissa on paljon vetykarbonaat­

tia (HC03" >100 mg/l eli alkaliteetti >1.64 mmol/1) ei tapahdu mainittavaa liukenemista. Tällöin Hedbergin mielestä ei pitäisi lainkaan käyttää alkaalista massaa vaan

alkaloida ilmastamalla (Hedberg 1984b).

Tideström ym. (1985) tutkivat mahdollisuutta kehittää edul­

linen ja helppohoitoinen avoin alkalointisuodatin. Suoda- tinmateriaalina he käyttivät kalkkikiveä, jonka raekoko oli 1.2-1.8 mm. Raakaveden pH oli 6.1, suodatetun veden pH vaihteli arvojen 6.7 ja 7.6 välillä. Alkaliteetti oli raakavedellä 20 mg/l (0.33 mmol/1), suodatetun veden

alkaliteetti vaihteli 59 ja 88 mg/l (0.97 ja 1.44 mmol/1) välillä.

Kuopion vesipiiri ( 1985) tutki järvi-imeytystä (keinotekoi­

nen rantaimeytys), jossa järveen rakennettiin kaivo ja sen ympärille "ranta" kalkkikivisepeli-, sepeli- ja sorakerrok­

sista. Kokeessa käytettiin dolomiittikalkkia. Kalkkikiven vaikutus pH:n nousuun todettiin olevan 0.5 - 1.0 yksikköä.

Hautala (1986) tutki alkalointia kalkkikivisuodatuksella Lapin vesipiirissä. Koelaitoksen kalkkikivisuodattimen tilavuus oli 5 m3 ja kalkkikivisepelin raekoko 4-10 mm.

Kyseessä oli Paraisten kalkkikivisepeliä josta 92 % on kalsiumkarbonaattia (CaC03). Raakaveden hiilidioksidipitoi­

suus oli 13 - 17 mg/l, pH 6.1 - 6.3, alkaliteetti 0.18 - 0.21 mmol/1 ja kovuus 0.6 - 0.75 °dH (0.11 - 0.14 mmol/1).

Koelaitosta käytettiin eri viipymillä ja Hautala (1986) päätyi koetulosten perusteella n. 10 minuutin viipymäai- kaan. Tällä viipymällä suodatetun veden pH oli 7.5, alkaliteetti n. 0.5 mmol/1, kokonaiskovuus 1.5 °dH (0.27 mmol/1), ja hiilidioksidipitoisuus n. 4 mg/l. Jatkotut­

kimustarpeiksi Hautala (1986) esitti mm. menetelmän kokei­

lua erityyppisillä vesillä, joilla hiilidioksidipitoisuu­

det olisivat suurempia, sekä kokeilua hienorakeisemmalla materiaalilla.

Gedda ja Nilsson (1986) tutkivat yksinkertaisia kalkitus- laitteita kaivoihin. Tutkimuksessa käytettiin 3 kalkkikivi- massaa: kalkkikivisepeliä (raekoko >2 mm), dolomiit- tisepeliä (raekoko >2 mm) ja sedimenttistä kalkkikivisepe­

liä (raekoko >20 mm). Luonnollisella kaivovedellä parhaim­

maksi osoittautui sedimenttinen kalkkikivisepeli. Kalkkiki­

visepeli ja dolomiittisepeli olivat selvästi huonompia.

Norjassa Karmøy:n kunnassa tehtiin pintavedestä otetun juomaveden alkalointikokeilu kalkkikivellä ja hiilidioksi­

dilla. Kunnan 5 vedenottamoa olivat etäällä toisistaan eikä yhteistä käsittelyä voitu taloudellisesti toteuttaa, joten happaman raakaveden käsittelyyn tarvittaisiin pieni ja yksinkertainen vedenkäsittelylaitteisto joka ei tarvitsisi hoitoa. Käsittelylaitteisto sijoitettiin erään jakelujohdon varrelle eli kyseessä oli painesuodatin. Hiilidioksidi kalkkikiven liukoisuuden parantamiseksi lisättiin pumpulla.

Raakaveden pH oli kokeen aikana n. 5.8, kalsiumpitoisuus n.

4.5 mg/l, alkaliteetti n. 0.09 mmol/1. Kuluttajilla pH oli kokeen aikana n. 7.5, kalsiumpitoisuus n. 22 mg/l, alkali­

teetti n. 0.9 mmol/1. kalkkikiven kulutus kokeen aikana oli 46 mg/l ja hiilidioksidin kulutus 20 mg/l (Thordheim 1989).

Hatva (1989) kokeili tutkimuksiaan, jotka koskivat raudan ja mangaanin poistoa biosuodatuksella, varten tehdyissä kokeissa sekä etu- että jälkialkalointia dolomiitti- (Ca Mg (C03 )2) ja kalsiumkarbonaattisuodatuksella (CaC03). Alka- lointikokeita kalkkikivellä tehtiin biosuodatuksessa ilmenneiden ongelmien ratkaisemiseksi sekä käsittelytulos- ten parantamiseksi. Alkaloinnin osalta tutkimuksissaan Hatva päätyi tulokseen, että etualkalointisuodatuksella oli positiivinen vaikutus sekä raudan että mangaanin poistoon.