NOM-karakterisering inom dricksvattenberedning:

Nya masspektrometiska metoder gör att det finns många val av lämpliga metoder vid uppföljning av råvattenkvalitet och optimering av NOM-reduktion.

Av: Alexander Keucken

Naturligt organiskt material (NOM) förekommer i både yt- och grundvatten. De senaste decennierna har det rapporterats världen över en ökning av färgtal och NOM i framförallt ytvatten, vilket resulterar i negativa effekter för dricksvattenberedning. Förekomst av NOM är oönskad i dricksvatten både av estetiska och hygieniska skäl.

Under åren har olika beredningsmetoder för NOM-avskiljning utvecklats med varierande reningsgrad. Både sammansättningen och mängden av NOM har stor betydelse för avskiljningseffekten av diverse behandlingsmetoder. Karakterisering och kvantifiering av NOM i olika processteg är av stor betydelse för att kunna förbättra och optimera avskiljningsförmågan inom dricksvattenberedning. Dessutom är långtgående NOM-karakterisering en förutsättning för att kunna förstå och förutse reaktionsförmågan av olika NOM-fraktioner i de olika vattenreningsprocesserna.

Analysmetoder som används för NOM-karakterisering baseras på jonbytaradsorption, vätskekromatografi (Size Exclusion Chromatography, SEC), magnetisk resonansspektroskopi (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) och fluorescensspektroskopi. NOM-halter bestäms vanligtvis med indirekta parametrar som omfattar UV-VIS (UV-absorbans: 200-700 nm), TOC och specifik UV-absorbans (SUVA).

Den senaste tiden har det utvecklats nya masspektrometriska metoder med avseende på strukturella och molekylära egenskaper av NOM-fraktioner: Py-GC-MS (Pyrolysis Gas Chromatography-Mass Spectrometry), flerdimensionella NMR-tekniker och FTICR-MS (Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry). För kommunala dricksvattenproducenter gäller det att hitta rätt i analysdjungeln vid val av lämpliga metoder som genererar pålitlig och relevant information som kan användas vid uppföljning av råvvattenkvalitet och optimering av NOM-reduktion. Mot denna bakgrund fokuserar den här sammanställningen på för-och nackdelar av mätmetoder för NOM i relation till dricksvattenproduktion.

I slutet av 80-talet rapporterades för första gången om ökade färgtal i svenska ytvattentäkter. Under de senaste decennierna har flera rapporter bekräftat att stigande förekomst av NOM i vattentäkter är ett fenomen över hela världen. Klimatförändringar (ökande temperaturer och nederbördsmängder) och minskad försurning genom atmosfäriskt nedfall anförs som tänkbara faktorer för ökande halter av NOM. De stigande nivåerna och förändringar i sammansättningen av NOM innebär stora utmaningar för dricksvattenproducenter i framtiden. Förekomst av NOM medför allvarliga problem för dricksvattenkvalitet och nuvarande beredningsprocesser med avseende på:

Framförallt de ökande mängderna av biprodukter utgör ett allt större problem utifrån negativa hälsoeffekter. Hittills har man identifierat mer än 600 olika föreningar efter desinfektion av dricksvatten som innehöll NOM. Pågående forskning bekräftar att samtliga desinfektionsmetoder (klor, ozon, klordioxid, kloramin och UV) resulterar i bildandet av särskilda DBPs och biologiskreaktiva föreningar i dricksvatten.

En långsam försämring av dricksvattenkvaliteten och strängare krav på dricksvattenproducenter innebär ett alltmer större behov av effektiva behandlingsmetoder för NOM-avskiljning. Bland de vanligaste och mest ekonomiska reningstekniker används koagulation och flockning med efterföljande sedimentering/flotation och filtrering. Med koagulation sker i första hand en reduktion av hydrofoba, aromatiska NOM-fraktioner med hög molekylvikt, medan avskiljning av hydrofila, lågmolekylära syror (Low molecular weight acids, LMWA) är ytterst låg.

Andra behandlingsmetoder för NOM-reduktion är bl.a. jonbytare (Magnetic Ion Exchange Resin, MIEX), aktivkol, membranfilter och avancerade oxidationsprocesser. Utifrån dagens teknikstandard och oberoende rapporter klarar enbart MIEX-tekniken en långtgående avskiljning av både hydrofoba och hydrofila NOM-fraktioner i råvattnet.

Kravet på effektiv NOM-avskiljning medför ett ökat kunskapsbehov av förekomst och sammansättning av organiskt material i rå-och dricksvatten. Mot denna bakgrund presenteras i denna artikel en uppdaterad lista av befintliga och nyutvecklade metoder för karakterisering och kvantifiering av NOM från täkt till tappkran. Sammanställningen av olika analysmetoder har delats upp i mätprincip, detekterbara ämnen, positiva och negativa aspekter kring mätnoggrannhet, detektionsgränser, störande ämnen m.m.

Analysmetoderna har kategoriserats efter samlingsparametrar (bulk parameters), spektroskopiska, kromatografiska och masspektrometriska analysmetoder. I denna litteraturstudie nämns även andra tänkbara upplägg för NOM-karakterisering med fokus på reaktionsförmågan vid bildandet och förekomst av olika DBPs. Även bindningsförmågan av NOM med oorganiska och organiska föroreningar (micro-pollutants) anses vara en angelägen frågeställning inom dricksvattenproduktion framöver.

För att kunna optimera beredningsprocesser för effektiv NOM-avskiljning krävs en välutvecklad uppföljning av råvattenkvalitén och reningseffekten i olika processteg. De senaste åren har det introducerats ett antal olika mätmetoder för karakterisering av NOM varav de nya, avancerade analysteknikerna bedöms att vara användbara verktyg vid val av lämplig beredningsteknik för NOM-reduktion. Vanliga förbehandlingsmetoder för NOM-analyser är isolering, anrikning och fraktionering. Vätskekromatografi (High Performance Size Exclusion Chromatography, HPSEC) tillhör de mest populära metoderna för storleksfraktionering av NOM bl.a. i kombination med diverse efterföljande detektorer (t.ex. detektion av organisk kol, LC-OCD).

De senaste decennierna har även NMR-tekniker kommit till användning för studier med avseende på struktur och egenskaper av NOM. Betydelsen av masspektrometriska analysmetoder har ökat avsevärt den senaste tiden därför att denna teknik möjliggör direkta analyser av NOM utan förbehandling (risk för påverkan av NOM-molekyler genom sönderdelning och bildning av derivater). De nyutvecklade teknikerna som FTICR-MS ger förutsättningar för NOM-analyser på molekylär nivå, vilket möjliggör en separation av molekyltyper från mycket komplexa NOM-strukturer.

De flerdimensionella NMR-teknikerna i kombination med FTICR-MS utgör i dagsläge den mest lovande analysmetoden för karakterisering av de huvudsakliga NOM-fraktionerna. Dessa metoder kan både ge större inblick i de strukturella och funktionella egenskaperna av NOM och illustrera specifika NOM-fraktioner. Ett generellt resonemang av denna överblick av mätmetoder är att reproducerbarhet av karakteriseringsmetoder är viktigare än långtgående analys av kemiska strukturer, för att kunna uppnå en ökad kunskap kring praktiska, hygieniska och ekologiska konsekvenser av förekomst av NOM.

Den pågående brunifieringen av vattendrag och vattentäkter i södra delar av Skandinavien resulterar även i en långsam förändring av råvattenkvalitén för ytvattenverk av stora kommunala dricksvattenproducenter i Sverige. Inom VA-branschen noteras ett ökat intresse för NOM-karakterisering framförallt med avseende på humusdynamik i vattentäkter, fraktionering och avskiljningsgrad inom befintlig dricksvattenberedning, testkörning och utvärdering av nya behandlingsmetoder för utökad NOM-reduktion. Pågående forskningsprojekt och riktade satsningar på universitet och kommunala vattenverk understryker behovet av ökat förståelse för NOM-fenomenet inom VA-sektorn. Några exempel på målinriktade FoU-aktiviteter inom ämnesområdet NOM är:

Ett antal större kommunala vattenverk har börjat med systematisk kartläggning av NOM genom utökad instrumentering och skräddarsydda provtagningsprogram. Den primära målsättningen är att få sifferunderlag för beräkning av långtidstrender och prognoser (förväntade maxvärden och fördelning av NOM-fraktioner), samtidigt är ambitionen att uppnå en större ”NOM-transparens” i beredningsprocessen genom kontinuerlig mätning av bulkparametrar och surrogat NOM-karakterisering genom UV-VIS spektrofotometer (SUVA, Absorbance Slope Index, electron transfer band half width m.m.).

Vid pågående pilotförsök av alternativa behandlingsmetoder för effektiv NOM-avskiljning utförs avancerad NOM-karakterisering (LC-OCD, FEEM) i samarbete med universitet i Sverige och kommersiella speciallaboratorier utomlands. Stora ytvattenverk börjar utveckla strategier för monitoring av ”dynamiska” vattentäkter och optimering av beredningsprocesser för maximal NOM-avskiljning utifrån ett kostnadseffektivt och kvalitetssäkrat perspektiv. En stigande efterfrågan på enkla och robusta on-line mätare för NOM inom dricksvattenberedning, ger en stor potential för framtida applikationer baserade på UV-absorbansmätning kopplade till nya indextal för NOM-karakterisering.

Ökad kunskap kring förekomst och sammansättning av NOM är en förutsättning för framsynta och behovsanpassade investeringsbeslut inom den kommunala dricksvattensektorn för att kunna förbereda och anpassa vattenverken till kända hotbilder och tekniska utmaningar i god tid.

Källa: Anu Matilainen ^a, Egil T. Gjessing ^c, Tanja Lahtinen ^d, Leif Hed ^e, Amit Bhatnagar ^f, Mika Sillanpää ^ab* An overview of the methods used in the characterisation of natural organic matter (NOM) in relation to drinking water treatment. Chemosphere 83 (2011), 1431 – 1442

 Hela artikeln finns att köpa här.

^a Laboratory of Applied Environmental Chemistry, Department of Environmental Sciences, University of Eastern Finland, Patteristontie 1 FI-50100 Mikkeli, Finland

^b Faculty of Technology, Lappeenranta University of Technology, Patteristonkatu 1 FI-50100 Mikkeli, Finland

^c Department of Chemistry, University of Oslo, P.O. Box 1033, Oslo 0315, Norway

^d Department of Chemistry, University of Jyväskylä, P.O. Box 35, FIN-40014 University of Jyväskylä, Finland

^e Technology Centre Ketek LTD, Korpintie 8, FI-4A5C0DD8-A0A6-4BE3-9930-4F0477A23C40 Kokkola, Finland

^f LSRE – Laboratory of Separation and Reaction Engineering, Departamento de Engenharia Química, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP), Rua Dr. Roberto Frias, 4200-465 Porto, Portugal