I denna nyligen publicerade artikel har författarna gått igenom kunskapsläget för en av världens mest använda processer för beredning av dricksvatten – kemisk fällning. Författarna konstaterar att med den ökande och varierande förekomsten av naturligt organiskt material (NOM) tillsammans med dess förändrade sammansättning så har effektiviteten för NOM-avskiljning med kemisk fällning sjunkit. På senare år har den fått ett ökat fokus i forskning och praktik, vilket kan avläsas i en kraftig ökning av publicerad litteratur i ämnet. Flera förslag till förbättrad kemisk fällning presenteras. Förutom två viktiga parametrar, fällnings-pH och dos, är det utveckling av effektivare oorganiska och organiska fällningskemikalier och koppling mellan kemisk fällning med andra beredningsmetoder som membranfiltrering, jonbyte och adsorption som presenteras i artikeln.
Av: Thor Wahlberg
De senaste 10 till 20 åren har visat på en global trend med ökande NOM-halter i vattentäkter. NOM är inte toxiskt men skadligt för att det tillför färg, lukt och smak. NOM är också en bärare av toxiskt syntetiskt organiskt material. NOM bestående av humus- och fulvosyror tenderar att bilda komplex med tungmetaller. Detta understryker behovet av effektivare avskilja NOM. Den mycket stora variationen av organiskt material gällande molekylstorlek och laddning gör att den sammantagna effekten av den kemiska fällningen skiljer sig avsevärt mellan vattentäkter och inom en och samma täkt. Med andra ord en utmaning för dricksvattenproducenter. De optimala förhållandena för avskiljning av turbiditet och färg är inte nödvändigtvis samma som för avskiljning av NOM.
För optimering är rätt dos nödvändig. För mycket fällningskemikalie resulterar i större slammängd och lägre pH och för låg dos orsakar resterande metallhalt i vattnet. Rätt pH-värde, beroende på metallsalt, är också en förutsättning för optimering. Vilka fler möjligheter till optimering finns? I artikeln poängteras att kunskap om egenskaperna för det NOM som skall avskiljas är avgörande. Enkelt uttryckt kan NOM med hög molekylvikt och hydrofoba egenskaper avskiljas till stor del. I råvatten med högt NOM innehåll används ofta högre doser, vid surare pH. Dessutom behövs tvåvärda joner som bikarbonat, klorid och sulfat i vattnet. Tillgänglighet, ekonomi och effektiv avskiljning av grumlighet och färg har gjort att aluminiumbaserade fällningskemikalier dominerar. På senare tid så har järnbaserade kemikalier tagit marknadsandelar pga. bättre NOM avskiljning och en skepsis mot förhöjda aluminiumhalter i dricksvatten.
I jämförelser mellan aluminiumsulfat och järnklorid är det senare effektivare att avskilja NOM, för både höga molekylvikter, över 3 000 g/mol, och för lägre, i intervallet 1 000 – 4 000 g/mol. Fler och större flockar bildas. En studie visade att medianflockens storlek var 710 µm med järn jämfört med 450 µm för aluminium. I gruppen metallsalter används även titan- och zirkonbaserade fällningskemikalier. Med zirkonklorid rapporteras goda resultat från försök med avskiljning av DOC på 61,4%. I samma försök var motsvarande för aluminiumsulfat 40,8%. Metallbaserade fällningskemikalier kan polymeriseras och bilda en effektiv koagulant. Denna grupp av fällningskemikalier består av förhydrolyserade föreningar, istället för den delvis okontrollerade hydrolysering som uppstår vid tillsats av metallsalter.
Den vanligast förekommande är Polyaluminium Chloride (PAC). Motsvarande järnbaserade är Polyferric Chloride (PFC) och Polyferric Sulphate (PFS). Denna grupp av fällningskemikalier har visat bättre resultat för avskiljning av grumlighet men även NOM och andra organiska material i främst kalla och lågalkalina vatten. En ny aluminiumbaserad hybridkemikalie med jonbytesbaserade funktionella grupper visar bättre resultat för NOM med lågmolekylvikt. Vid NOM avskiljning för dricksvattenproduktion används ibland syntetiska katjoniska organiska polymer. Fördelar med att använda en organisk polymer framför metallbaserad koagulant är mindre dos, mindre mängd slam och mindre pH-beroende.
Summering av de hittills beskrivna fällningskemikalierna ger att de är genomgående effektiva i avskiljning av NOM men att de har nackdelar. För metallbaserade produkter är det hög slamvolym, högre kostnader, behov av pH-justering och restmetallhalt i dricksvattnet. När det gäller syntetiska polymerer kan de innehålla monomerer och andra biprodukter från tillverkningen som är skadliga för levande organismer. För att komma runt det senare problemet har forskning och utveckling gjorts för att ta fram naturliga biologiska flockningsmedel. De som finns på marknaden idag är chitosan och tannin-baserade produkter. Fördelen med dessa är nedbrytbarhet, de är inte toxiska och de är kostnadseffektiva.
Försök med kombination av metoder har visat på goda resultat, t.ex. med PAC och chitosan som reduktion av specifik UV absorbans (SUVA) från 5,8 l/m × mg till 2,7 l/m × mg. Enbart med PAC reducerades SUVA till 4.4 l/m × mg. Istället för dosering av kemikalie kan elektrisk koagulering (EC) nyttjas genom att järn eller aluminium löses i vatten från en nedsänkt anod. Det uppstår sidoreaktioner som bildande av vätgas och ändring av pH-värdet. Mindre slam produceras och destabilisering av mikroföroreningar sker. I kombination med koagulering kan andra beredningsmetoder användas som membran (mikro, ultra och nano), olika oxidationsprocesser, jonbyte och adsorption. När det gäller membran (mikro- eller ultrafiltrering) i kombination med kemisk fällning visar flera försök på högre avskiljning av NOM än kemisk fällning och membran var för sig. Det är viktigt att övervaka membranens permeabilitet för att undvika fouling då den destabilisering av elektriska laddningar som koaguleringen ger upphov till kan orsaka fouling. Så är fallet när försök gjorts med koagulering och nanofiltermembran, vilket fungerar dåligt.
Adsorptionsprocesser, där aktiverat kol är den mesta använda, kan användas i kombination med kemisk fällning. Resultat från avancerade oxidationsprocesser, t.ex. ozonering innan koagulering, redovisas men ger ingen förbättring avseende TOC-avskiljning jämfört med att enbart tillsätta PAC. Olika jonbytesprocesser visar på lovande resultat och där främst försök med MIEX redovisas. Detta anjonbytesmaterial är dopat med magnetit för att kunna avskiljas. Fördelar med jonbyte är minskade slammängder, minskad kemikaliedos och minskad bildning av desinfektionsbiprodukter (DBP), vid efterföljande klorering. Författarna ställer i artikeln frågan om vilken fällningskemikalie som visar på bäst resultat från de över 300 försök och studier som de har gått igenom. Det finns inget entydigt svar. En jämförande sammanställning, utifrån de råvatten som har liknande egenskaper, har gjorts. I denna kommer järnbaserade fällningskemikalier högt upp som effektiva för avskiljning av NOM. Men författarna framhåller att hybridprocesser där koagulering verkar tillsammans med andra processer t.ex. jonbyte är effektiva.
Möjligheterna att förbättra sin kemiska fällning är många, dels med olika typer av fällningskemikalier, från metallbaserade till naturliga polymerer, och framför allt kemisk fällning i kombination med andra processer. I artikeln har jag använt begreppet kemisk fällning för tillsats av fällningskemikalier och den process, koagulering, som bildar flockar.
Källa: Removal of natural organic matter in drinking water treatment by coagulation: A comprehensive review. Sillanpää M, Ncibi M C, Matilainen A and Vepsäläinen M, Chemosphere 190 (2018) 54 – 71
