Denna studie har utvärderat avskiljning av olika komponenter av NOM från ytvatten under varierande temperaturer (0,4 oC – 18,5oC) i fullskala, i ett vattenverk som använder klordioxid för oxidation och med två olika kol i öppna nedströmsfilter.
Av: Thor Wahlberg
Flertalet ytvattenverk vilka avskiljer NOM gör det med kemisk fällning. Vid några verk används också eller i stället en desinficerande-oxiderande kemikalie och då oftast ozon. Genom oxidation ändras sammansättning av NOM genom då den färgade delen av NOM omvandlas.
Det behövs och finns oftast ett beredningssteg efter för att avskilja oxiderat organiskt material. Kolfiltrering är vanligt då kolet adsorberar och bryter ned NOM biologiskt (en form av regenerering av kol). Normalt ökar mängden adsorberade NOM fraktioner med minskad molekylstorlek. Några enstaka vattenverk använder klordioxid (ClO2) i stället för ozon. Fördelar med klordioxid är mindre komplex teknik med lägre investering och låg bildning av bromat. Fördelen med ozon är att oxidationen av NOM i högre grad omvandlas till ämnen med låg molekylvikt vilket ökar den biologiska nedbrytbarheten.
Målsättningen med undersökningen är att ta reda på klordioxidens påverkan på NOM sammansättningen vid ett vattenverk i fullskala. Dessutom så undersöktes effekten av två olika aktiverade kol (parallellt drivna) i fullskala genom analyser av jodtal och ATP (Adenotrifosfat). En fråga är förstås vad syftet är med att dosera klordioxid? Det är förutom oxidation av NOM också för desinfektion. Klordioxid skapar inte några desinfektionsbiprodukter. I studien belyses effekterna på NOM avskiljningen av den dosering av klordioxid som görs och valet av kol. Bägge kolen är bitumenbaserade.
Metoder
Studien genomfördes vid Tampere vattenverk i Finland. Beredningen består av koagulering med järnsulfat, flockulering, flotation, oxidering med klordioxid, filtrering i sand- och kolfilter. Slutsdesinfektion sker med UV-ljus. Innan försöket påbörjades så byttes allt kol ut mot nytt aktiverat kol från två olika tillverkare och kolfiltren beskickades parallellt under de åtta månader som undersökning pågick, från augusti 2017 till april 2018. Tampere VV dricksvattenkvalitetskrav är bl.a. att TOC-halten ska ligga <2,5 mg/l. Råvattnet innehåller 6,0 – 6,3 mg TOC/l. Analyser som gjordes för organiskt innehåll, efter varje beredningssteg, var TOC, UV254 nm , NOM karakterisering, BDOC, LC-OCD och FEEM.
Dessa analyser kompletterar varandra och ger en bra bild av det naturliga organiska materialet egenskaper och hur de förändrades i råvattnet och i beredningen. BDOC analys användes för att bestämma halten lättillgängligt kol. Med LC-OCD (vätskekromatografi) så grupperades NOM i fem fraktioner utifrån sina molekylvikter. Med FEEM (Fluorecense exitation and emission matrix) erhölls toppar för humus- och fulvosyror, proteiner och s.k. humification- och fluorescens index. I prover tagna före och efter kolfilter så analyserades jodtal och ATP (analys för att bestämma biomassa). Råvattentemperaturen sjönk från 18, 3 grader vid undersökningens start till 1,5 grader under de tre sista månaderna.
Resultat och diskussion
Ett av syftena med studien var att undersöka effekten av oxidation med klordioxid och efterföljande kolfiltrering. Andelen TOC som avskiljdes i snitt under åtta månader var 56%, innan kolfiltren och motsvarande siffra för UV254nm var 74%. Mycket liten påverkan pga. låg temperatur kunde observeras. Oxidation med klordioxid (dos 0,2 g/m3) hade ingen effekt på avskiljning av TOC och den påverkade inte värdet för UV254nm. Som väntat blev reduktionen stor över kolfiltren avseende dessa parametrar då kolet var nytt och inte regenererat. Vilken effekt hade då dosering av klordioxid? Först några resultat av den beredning som föregick dosering av klordioxid, den kemiska fällningen. Resultaten från LC-OCD visade att avskiljningen bestod av humusämnen med störst molekylvikt, den färgade och hydrofoba del av NOM och biopolymera ämnen. De biopolymera ämnena hade högre värden under tidig höst än under övrig tid vilket tolkades som förekomst av alger. Humic- och fluorescensindex visade på att NOM i råvattnet hade en alloktont ursprung. Ungefär hälften av BDOC avskiljdes i den kemiska fällningen.
I råvattnet analyserades BDOC till 0,2 mg DOC/l och efter kemisk fällning 0,1 mg DOC/l. Doseringen av klordioxid ökade BDOC med 0,05 mg DOC/l. Dosering av klordioxid påverkade sammansättningen av NOM. Den delen med störst molekylvikt, den färgade och hydrofoba, ökade med ca 20 % och andelen lågmolekylär NOM minskade med 5 – 12 %. Det är tvärtemot vad som kan förväntas när NOM oxideras men förklaras med partikulärt organiskt material som oxideras. Här finns en skillnad jämfört med oxidation med ozon enligt författarna. När ozon reagerar med löst organiskt material så ökar andel lågmolekylära organiska ämnen på bekostnad av större humusmolekyler, den färgade delen av humusämnena.
Hur såg det då ut med värden för BDOC efter dosering av klordioxid? I snitt ökade BDOC med 0,05 mg/l. En liten ökning som kan förklaras med den låga klordioxiddosen på 0,07 mg/mg organiskt kol. Från andra studier med klordioxiddoser på 0,5 – 2,0 mg/mg organiskt kol har högmolekylära humusämnen, 3500 – 500 Da, brutits ned till lågmolekylära humusämnen <300 Da. Eftersom BDOC ökar något så har klordioxiddosen i denna studie omvandlat en liten del av högmolekylärt till lågmolekylärt, som t.ex. lättnedbrytbar karboxylsyra.
Slutsatser
Den kemiska fällningen avskiljde i medeltal 53% av TOC och var det effektivaste steget i beredningen att avskilja BDOC, högmolekylära ämnen (och humus- och fulvosyror. Klordioxiden ökade koncentrationen av BDOC och högmolekylära humusämnen genom att oxidera organiska ämnen i partikelform. Koncentrationen av lågmolekylärt NOM minskade efter kolfiltrering. Avskiljningen av TOC, mätt som g TOC/kg GAC, skiljde sig åt med 25%, mellan de parallella kolfiltreringarna, större avskiljning i ett av kolfiltren. Bägge kolfiltren avskiljde lågmolekylära ämnen vilka var väntat. VV kan förbättra avskiljning av NOM genom att välja ett kol med hög kumulativ TOC-avskiljning.
Eftersom NOM halter förväntas öka i vattentäkter så är det en god idé för vattenverksproducenter att minst en gång per analysera sammansättningen av det lösta organiska materialet helst med provtagningar vid olika tidpunkter mellan år för att förstå och kunna justera doseringar och fällningskemikalie. Backspolning av kolfiltren gjordes med filtrat från kolfiltren vilket var vatten till vilket klordioxid doserats. Adsorption stod för >80 % av avskiljningen i av lågmolekylärt NOM i kolfiltren. Däremot var den biologiska nedbrytbarheten mycket begränsad vilket analyser av ATP och jodtal visade. Klordioxiden har ingen kvarvarande desinfektions effekt vilket därför inte skall påverka detta.
Källa: Outi Kaarela, Markus Koppanen, Tero Kesti, Riita Kettunen, Marja Palmroth and Jukka Rintala. Natural organic matter removal in a full-scale drinking water treatment plant using ClO2 oxidation: Performance of two virgin granular activated carbons. Journal of Water Process Engineering vol 41 (2021)
