Tidigare studier har visat att vissa filtermaterial kan öka den biologiska nedbrytningen av naturligt organiskt material (NOM). Dock har betydligt fler studier gjorts om andra sätt att öka den biologiska nedbrytningen, som t.ex. tillsättning av näringsämnen och förbehandling med väteperoxid. Denna studie fokuserar på filtermaterialets betydelse för en effektivare biofiltrering. I pilotförsök har fyra filtermaterial undersökts med avseende på avskiljning av löst organiskt material (DOC) och bildning av trihalometaner. För att klarlägga eventuella skillnader i biologisk tillväxt och mängd biomassa på filtermaterialet användes ATP-analyser och mätning av enzymaktivitet i försöken. Även filterytans morfologi och biofilmens vidhäftning studerades med elektronmikroskopi. Avskiljning av partiklar analyserat som turbiditet gjordes. Försöken gjordes under sommar och vinter. De fyra testade filtermaterialen var granulerat aktiverat kol (GAC), sand och antracit och ett keramiskt material (Ceralite), vilket tillverkas av expanderad lera. Stora skillnader kunde konstateras mellan de olika filtermaterialen och att biofiltrering är en effektiv metod.
Av: Thor Wahlberg
Betydelsen av mängden och sammansättning av NOM för beredning dricksvatten är stort. Flera vattenverk strävar efter att maximera avskiljning av NOM. Biofiltrering är ett naturligt och effektivt sätt. Den möjliggör för samhällen av mikrober att etableras. Materialets ytkaraktär och storlek är viktigt. Med rätt val av filtermaterial kan driften av vattenverk optimeras. Användningen av biofiltrering ökar i världen och synsättet går från passivt till ett aktivt sätt att använda biofiltrering. Ett vanligt förfarande är att koppla ozonering till biofiltrering, så även i denna studie. Valet av filtermaterial styrs av ytans gropighet, inre yta, yta / volym, densitet och UC (mått för enhetlig storlek på kornen).
Försöken
Försöken utfördes vid ett vattenverk, med råvatten från Lake Ontario, i Kanada. Råvattenkvalitén var 1,8 – 2,3 mg DOC /l, 0,2 – 1,0 NTU, 4,8 – 21,6 oC och pH-värde mellan 7,2 och 7,9. Fyra filterkolumner beskickades med ozonerat råvatten (dosen var 1 mg O3 /l per 2 mg DOC /l med kontakttid 8 min). Restozon efter kontaktkolonnen togs bort med dosering av natriumbisulfit.
Vanliga filtermaterial är GAC och sand-antracit. I denna studie har förutom GAC och antracite två olika fraktioner av Ceralite tagits med. Det är ett keramiskt material med egenskaper som krossad expanderad bränd lera. I försöken användes uttömt GAC (>4 år), ny antracit och ny Ceralite 1,0 mm respektive 1,2 mm. För att avgöra när filtren blir biologiskt aktiva analyserades ATP och gränsen sattes till >100 ng ATP /g media. Pilotfiltren drevs med successivt minskande flöde och konstant trycknivå. Uppehållstiden var i medel 16 min (EBCT). Filtren backspolades med oklorerat filtrat en gång per vecka under uppstartfasen (oktober-december). När filtrens biologiska aktivitet var >100 ng ATP /g media minskades spolfrekvensen till varannan vecka (januari-september). Under januari t.o.m april var vattentemperaturen 6,2 oC +/- 1,6 oC. Från maj till september steg temperaturen och var i medeltal 16,5 oC +/- 3,3 oC. De analyser som utfördes var ATP på de översta 5 cm av filtermaterialet. För att kvantifiera den mikrobiologiska aktiviteten analyserades den enzymatiska aktiviteten för två enzym, esteras och laktas. För analys av desinfektionsbiprodukter(THM) klorerades dubbla prover så att en halt fritt aktivt klor av 1,5 mg/l +/- 0,5 mg/l efter 24 h +/- 2 h.
Resultat
Försöksresultat visar att GAC-filtren var biologiskt aktiva efter 45 dygn. Litteraturen rapporterar mellan 2 – 3 månader för GAC. Den förozonering som tillämpas i dessa försök accelererar produktion av biomassa och därmed påskyndas etableringen av filtrens biologiska funktion. Antracitfilter blev biologiskt aktiva efter 4 månader och Ceralite efter 6-7 månader. När väl aktivitet uppnåtts för Ceralite filtren låg de på samma nivå som GAC, ca 200 ng ATP / g media. Antracite uppnådde bara en nivå strax över 100 ng ATP / g media. Cerlite material visade en mycket porös yta vid mikroskopiering men en tunnare biofilm jämfört med GAC. Litteraturen rapporterar en ökad biofilmsbildning för porösa och ruggade ytor vilket inte riktigt stämmer med skillnader mellan Cerlatlite och GAC i dessa försök. Antracit visade mindre porositet och slätare yta och en fläckvis biofilmsbildning. Avskiljning av organiskt material visade att ozoneringen i sig bidrog marginellt. Avskiljning i ozoneringssteget bidrog med reduktion av aromatiska kolväten. Råvattnets SUVA-värde (Specifik UV254nm Absorbans) var < 1 vilket indikerar att NOM sammansättningen bestod av hydrofila, lågmolekylära organiska ämnen. Vattentemperaturen hade en positiv effekt på avskiljningen av DOC, över 10 oC ökade den med 0,1 – 0,3 mg DOC/l. Bäst avskiljning av naturligt organiskt material (analyserat som DOC) hade GAC filter, följt av Ceralite och lägst för Antracit. Procentuell avskiljning av NOM analyserat som DOC var 8 – 12 % för GAC, 3 – 5 % för Ceralite och 1 – 4 % för Antracit. Andra försök med expanderad lera (Melin & Odegaard 1999) har visat på 13 – 28 % TOC reduktion med förozonerat vatten. För bildning av desinfektionsbiprodukter minskade mängden i filtrat från alla fyra biofiltren. Bästa resultatet erhölls för GAC-filtren i minskad bildning av desinfektionsbiprodukter. Skillnader i resultat för enzymaktivitet visar att GAC filter hade den högsta estaras aktiviteten (mikromol/min x g). Antracit och Ceralite lika men något lägre enzymaktivitet.
Under försöken förekom två korta perioder med höga turbiditetsvärden, runt 2,0 NTU. För alla fyra filtermaterialen låg turbiditeten i dessa perioder under 0,25 NTU i filtratet. Ceralite hade något större kornstorlek, jämfört med GAC och antracit, men något statistisk säkerställd skillnad i högre turbiditet i filtratet fanns inte. Det gällde både för kallt och varmare vatten. För tryckförluster uppvisade Ceralite materialet de längsta gångtiderna, 0,6 cm/dygn för 1,2 mm och 1,2 cm/dygn för 1,0 mm. GAC hade 1,2 cm/dygn och antracit 1,8 cm/dygn. Backspolning gjordes när tryckförlust av 100 cm hade uppnåtts. Slutsatser är att keramiska filtermedia behöver längre tid för etablering av biomassa. När så skett matchar det GAC mätt som ATP men utan ökad av skiljning av DOC. Keramiska filtermedia erhöll högre avskiljning av NOM mätt som DOC jämfört med antracit speciellt för kallt vatten. Enzymaktivitet korrelerade väl med avskiljning av DOC. Keramiska filtermaterial visas på längre gångtider mellan backspolningar jämfört med antracit.
Försöken klargör och visar tydligt effekten av biofiltrering som ett effektivt beredningssteg. De visar också att en aktiv design och drift av denna typ av beredning är önskvärd. Skillnader i filtermaterial är betydande och att rätt val påverkar dricksvattenkvalitén positivt. Vid en efterföljande klorering är det mycket viktig att minimera bildningen av klorerade biprodukter och försöken visar att biofiltrering kan åstadkomma detta. Ytterligare studier behövs för att klarlägga effekten av NOM-avskiljning för keramiska filter vid högre inkommande halter och annan sammansättning. I denna studie visas nyttan av biofiltrering överlag och val av filtermaterial i synnerhet.
Källa: Dikshant Sharma, Liz Taylor-Edmonds, Robert C. Andrews. Comparativ assessment of ceramic media for drinking water biofiltration. Water Research 128 (2018) 1 – 9.
