Ocena bezpieczeństwa chemicznego i mikrobiologicznego wody pitnej w sieciach rozdzielczych wykonanych z tworzyw termoplastycznych

Abstract

Pomimo ciągłych modyfikacji i optymalizacji składu tworzyw sztucznych stosowanych do budowy sieci wodociągowych, ulegają one procesowi degradacji szybciej niż oczekiwano, co może negatywnie wpływać na końcową jakość wody pitnej. Celem niniejszej rozprawy była kompleksowa ocena mechanizmów degradacyjnych zachodzących w tworzywach termoplastycznych stosowanych do budowy i regeneracji systemów dystrybucji wody pitnej – w szczególności rur z polietylenu (PE), poli(chlorku winylu) (PVC), a także powłok polimocznikowych (PMS i PMN) – oraz określenie ich wpływu na jakość chemiczną i mikrobiologiczną wody przesyłanej do odbiorców. Zaprojektowany cykl badań obejmował weryfikację 5 głównych hipotez badawczych, dotyczących zarówno zmian strukturalnych i morfologicznych materiałów, jak i wtórnego zanieczyszczenia chemicznego i mikrobiologicznego wody pitnej. Badania prowadzono zarówno w warunkach modelowych, w skali półtechnicznej, jak również na rzeczywistej sieci wodociągowej. Charakterystykę testowanych materiałów oraz identyfikację generowanych w procesach starzenia mikro plastików (MP) prowadzono przy użyciu SEM/EDS, ATR-FTIR oraz spektroskopii Ramana. Migrację rozpuszczalnych w wodzie produktów degradacji tworzyw monitorowano z wykorzystaniem GC×GC/ToF-MS oraz technik ekstrakcyjnych (SPE, SPME), natomiast do oceny zawartości MP w biofilmach zastosowano cytometrię przepływową. Uzyskane wyniki potwierdziły, że wszystkie analizowane materiały podlegają postępującej degradacji w warunkach eksploatacyjnych, prowadzącej do zmian w strukturze chemicznej (utlenianie, dehydrochlorowanie, rozpad wiązań wodorowych), pogorszenia właściwości mechanicznych oraz powstawania mikrouszkodzeń i wzrostu chropowatości powierzchni. Zjawiska te skutkują uwalnianiem cząstek MP do wody, jak również migracją licznych związków chemicznych, w tym ftalanów, aldehydów, ketonów i związków chlorowanych, wpływających niekorzystnie na jakość organoleptyczną wody i sprzyjających rozwojowi heterotroficznej mikroflory bakteryjnej. Wśród zidentyfikowanych MP dominowały fragmenty tworzyw wykorzystywanych do budowy infrastruktury wodociągowej, a ich stężenie w wodzie dystrybuowanej korelowało z odległością od stacji uzdatniania. Z kolei, analizy biologiczne wykazały, że produkty degradacji materiałów instalacyjnych sprzyjają powstawaniu dojrzałych biofilmów, zdolnych do zatrzymywania MP. Wyznaczone wskaźniki zanieczyszczenia wody przez MP wykazały wysokie ryzyko chemiczne i ekologiczne w całym analizowanym systemie dystrybucji, co potwierdza postulowany spadek jakości wody podczas transportu starzejącymi przewodami z tworzyw sztucznych. Uzyskane wyniki stanowią wskazówkę do realizacji wytycznych Dyrektywy (UE) 2020/2184, która nakłada na producentów obowiązek identyfikacji i oceny ryzyka w łańcuchu dostaw wody pitnej, z uwzględnieniem zagrożeń wynikających z eksploatacji infrastruktury wodociągowej oraz ich wpływu na bezpieczeństwo chemiczne i mikrobiologiczne wody pitnej w sieciach dystrybucyjnych wykonanych z tworzyw termoplastycznych.

Despite continuous modifications and optimisation of the composition of plastics used in the construction of drinking water transmission networks, they undergo degradation faster than expected, which may adversely affect the final quality of drinking water. The aim of this dissertation was to comprehensively assess the degradation mechanisms occurring in thermoplastics used in the construction and regeneration of drinking water distribution systems, in particular polyethylene (PE) and poly(vinyl chloride) (PVC) pipes and polyurea coatings (PMS and PMN) – and to determine their impact on the chemical and microbiological quality of water supplied to consumers. The designed test cycle included the verification of five main research hypotheses concerning both structural and morphological changes in materials and secondary chemical and microbiological contamination of drinking water. The tests were conducted under model conditions, on a semi-technical scale, as well as on a real water supply network. The characteristics of the tested materials and the identification of microplastics (MP) generated during the ageing processes were carried out using SEM/EDS, ATR-FTIR and Ramanspectroscopy. The migration of water-soluble degradation products of plastics was monitored using GC×GC/ToF-MS and extraction techniques (SPE, SPME), while flow cytometry was used to assess the MP content in biofilms. The results confirmed that all analysed materials undergo progressive degradation under operating conditions, leading to changes in chemical structure (oxidation, dehydrochlorination, hydrogen bond breakdown), deterioration of mechanical properties, and the formation of microdamages and increased surface roughness. These phenomena result in the release of MP particles into water, as well as the migration of numerous chemical compounds, including phthalates, aldehydes, ketones and chlorinated compounds, which adversely affect the organoleptic quality of water and promote the growth of heterotrophic bacteria. Among the identified MP, fragments of plastics used in the construction of water supply infrastructure predominated, and their concentration in the distributed water correlated with the distance from the treatment plant. In turn, biological analyses showed that the degradation products of installation materials promote the formation of mature biofilms capable of accumulating MP. The MP water pollution indicators confirmed a high chemical and ecological risk throughout the analysed distribution system, confirming the postulated decline in the quality of water transmitted through ageing plastic pipes. The results obtained provide guidance on the implementation of Directive (EU) 2020/2184, which requires manufacturers to identify and assess risks in the drinking water supply chain, considering the risks arising from the operation of water supply infrastructure and their impact on the chemical and microbiological safety of drinking water in distribution networks made of thermoplastics.