En studie om sambandet mellan organiskt kol med hög molekylvikt och biostabilitet utryckt i mikrobiologisk tillväxtpotential (MGP).
Av: Thor Wahlberg
Distribution av ett oklorerat dricksvatten förbättrar dess kvalitet genom att minska halten av desinfektionsbiprodukter och förhindrar lukt och smak. Syftet med studien, som redogörs för här, är att undersöka i detalj sambandet mellan organiskt kol med hög molekylvikt och biostabilitet utryckt i mikrobiologisk tillväxtpotential (MGP). Författarna framhåller den utmaning som ligger i att bereda ett biostabilt dricksvatten, med konventionell kemisk fällning, biologiskt aktiva kolfilter och UV från en eutrof sjö. Andra beredningssteg som lämpar sig väl för att bereda ett biostabilt vatten är inducerad eller konstgjord infiltration, långsamfiltrering och membran. Oaktat detta så kvarstår behovet av att förstå sambanden mellan halter organiskt kol, dess fraktioner och MGP.
Traditionellt har lättnedbrytbart organiskt kol mätt som AOC-P17/NOX ansetts som den huvudsakliga analysen för att bedöma biostabilitet. Nu har flera studier visat att den analysen inte är tillräcklig. AOC-P17/NOX metoden nyttjar lättnedbrytbart organiskt kol med låg molekylvikt.
Författarna menar att denna metod inte ensamt är tillämpbar för att definiera biostabilitet utan ska ingå tillsammans med flera andra metoder. Förekomsten av långsamt nedbrytbart organiskt kol med hög molekylvikt minskar MGP, vilket studien belyser. Det görs genom att visa på kvantitativa samband under kontrollerade försök som att visa på betydelsen av partikelstorlek och vilka fraktioner av organiskt kol med hög molekylvikt som ger MGP. Säsongsmässiga variationer korrelerat till råvatten och dricksvatten påvisas också. Betydelsen av organiskt kol med hög molekylvikt för balansen mellan mikrobiologisk tillväxt och mikrobiologiskt underhåll av biofilmen i distributionsnätet diskuteras.
Metoder
Laboratorieexperimenten och fältanalyser gjordes med en beredning i fullskala vid ett större ytvattenverk i sydvästra Nederländerna. Färdigberett vatten togs från biologiska aktiva kolfilter (BAC), näst sista beredningsteget i vattenverket innan UV. Råvatten togs från inkommande till vattenverket, efter en låg dosering av klordioxid vilken gjordes för att hålla tillväxt av snäckor nere i råvattenledningen. För att analysera organiskt kol med hög molekylvikt användes LC-OCD (Liquide Chromatography -Organic Carbon Detection) och TOC analys.
För att mäta MGP användes AOC-A3 vilken använder bakteriekulturen Flavobacterium johnsoniae. Även AOC-P17/NOX användes. För totalt BPP användes en autokton bakteriekultur och tillväxt analyserades som ATP (Adenotrifosfat). Den kumulativa ATP koncentrationen under BPP-14 dygns inkubation representerade den sammantagna responsen av mikrobiologisk tillväxt (MGP). Mikrobiell biomassa i vattenfasen undersöktes som totalt ATP och totala antalet bakterier och bakterier med intakt cellmembran räknades med flödescytometri. Analysmetoder, för mikrobiologisk tillväxtpotential (MGP), som har använts i denna studie är AOC-A3, AOC-P17/NOX, ATP, BPP (Biomass Production Potential) och BPC14dygn som är kumulativ biomassproduktion i en 14 dygns BPP inkubation.
Resultat och diskussion
Betydelsen av organiskt kol med hög molekylvikt för MGP visades i labförsök där successivt högre andelar av BAC filtrat doserades till ett nollprov. Med ökande koncentration av organiskt kol med hög molekylvikt så ökade AOC-A3 linjärt medan AOC-P17/NOX knappt ökade. Dessutom korrelerade BPC14dygn väl med AOC-A3 men inte med AOC-P17/NOX. De linjära sambanden användes för att bestämma förhållandet mellan organiskt kol med hög molekylvikt och MGP. En säsongsvariation kunde observeras med högre AOC-A3 värden på sommaren jämfört med vintern. Inverkan av vilka underfraktioner av organiskt kol som förelåg undersöktes också.
I råvattentäkten förekom under sommaren tillväxt av alger. Detta orsakade högre koncentration av organiskt kol med hög molekylvikt i råvattnet. En blandning av biopolymerer som kolhydrater, aminosyror, sockerarter, proteiner, lipider och fettsyror produceras av alger. Studien visar att en stor del av organiskt kol med hög molekylvikt i råvattnet har sitt ursprung från alger. Den motsatta årliga trenden i råvattnet och i filtrat från BAC visar att påverkan av råvattnet på det producerade dricksvattnet är komplex.
Den kemiska fällningen påverkas av temperatur, koncentration och sammansättning av organiskt kol under en oförändrad dos av fällningskemikalie. För BAC filtrering är det vattentemperatur och den biologiska aktiviteten i filtren som bestämmer avskiljningen där. Det betyder att biomassa avskiljs till stor del i den kemiska fällningen medan avskiljningen i BAC är säsongsberoende. Den kemiska fällningen och filtrering genom BAC kan i sig inducera variationer i mängd och sammansättning av biomassa i BAC filter.
Författarna menar att bara en mindre del av biomassan/organiskt kol i BAC har sitt ursprung i råvattnet. MGP påverkas inte bara av koncentrationen men också av sammansättningen av det organiska kolet med hög molekylvikt. Resultatet av detta är att MGP kan vara högt trots låg koncentration av organiskt kol med hög molekylvikt vilket visas i filtrat från BAC sommartid. Försöken i labskala med membranfiltrering (UF) av filtrat från BAC visade på låga men fortfarande mätbara nivåer av BPC14dygn trots att biomassan och AOC-A3 ämnen avskilts. Detta visar att fraktioner av organiskt kol som inte avskilts genom filtrering (mindre biopolymerer, humussyror och organiska kolet med låg molekylvikt) kan utgöra näring för MGP. Denna tillväxtpotential kan analyseras som AOC-P17/NOX.
En grundlig avskiljning av mikrobiell biomassa i beredning av råvatten är viktig för att reducera dricksvattnets MGP. Men annan icke biomassaknutet organiskt kol bidrar också till MGP (situationer med hög AOC-P17/NOX). Biomassan i beredning av dricksvatten har också en positiv effekt i att underhåll den biologiska aktiviteten i till exempel BAC vilket visas i denna studie. I andra studier har detta visats gällande långsamfilter.
Slutsatser
Sambandet mellan MGP och organiskt kol med hög molekylvikt, biopolymerer, invertebrater (med lågt bidrag till MGP) och mikrobiell biomassa, är följande;
MGP påverkas i första hand av organiskt kol med hög molekylvikt och underfraktioner med partikelstorlek >12 µm. Andra fraktioner med lägre molekylvikt inducerar en låg MGP men dock mätbar.
MGP för dricksvatten ökar som en funktion av koncentrationen organiskt kol med hög molekylvikt. Förhållandet styrs av tiden på året beroende på mängden mikrobiell biomassa.
Halter av organiskt kol med hög molekylvikt uppvisar tydliga säsongsmässiga variationer i rå- och dricksvatten. Högst nivåer i beredningen på sommaren förutom för filtrat från BAC filter som har lägst halt på sommaren av organiskt kol med hög molekylvikt då biomassan i BAC är som aktivast.
Den långsamt nedbrytbara fraktionen ger en dominans för underhåll av den mikrobiologiska biofilmen framför tillväxt av densamma. Detta resulterar i en stabil biomassa på höga nivåer. Men det resulterar också i viss efterväxt i ledningsnätet vilket är negativt.
Källa: R. Schurer, W.A.M. Hijnen and A. Van der Wal. The significance of the biomass subfraction of high-MW organic carbon for the microbial growth and maintenance potential of disinfectant-free drinking water produced from surface water. Water Research vol 209 (2022)
