Dricksvattenproducenter utmanas av högt ställda krav, ökade kostnader och ökad komplexitet i beredningen, allt mot en bakgrund av försämrad råvattenkvalité. Biologisk filtrering, med eller utan föregående ozonering, är beredningar som kan komplettera konventionell kemisk fällning. Författarna till den artikel som beskrivs här har använt LCA- metodik (Life Cycle Analysis), med vars hjälp miljöpåverkan av konventionell respektive biologisk filtrering jämförs.
Av: Thor Wahlberg
Total har ett 30-tal miljöpåverkande faktorer belysts. Kraven på dricksvattenkvalité är lika för de tre beredningarna. Fyra olika nivåer för reduktion av TOC (Total Organic Carbon) sattes med lika krav på log-reduktion av mikrober. För de tre olika beredningsstegen, enbart konventionell filtrering (innebär tillsats av koagulanter), icke ozonerad biologisk filtrering och ozonerad biologisk filtrering användes analyser från 20 000 olika unika råvattentäkter tillsammans med resultat från 271 ytvattenverk med konventionell kemisk fällning. Med resultat från fullskale- och pilotförsök och med modeller för TOC-reduktion kunde mängden kemikalier och energi beräknas för att nå lika behandlingsresultat. I modellen ingick även vilka mängder material, främst stål, som behövdes för att beräkna den miljömässiga påverkan, t.ex. klimatpåverkan i form av CO2-utsläpp per m3 producerat dricksvatten. Med hjälp av denna modell kan producenter avgöra vilken filtrering som bäst reducerar miljöpåverkan och förbättrar dricksvattenkvaliteten.
Introduktion
Ett vanligt sätt att förbättra avskiljning av TOC är att öka dosering av fällningskemikalie. Nackdelar är ökade kostnader, ökad slamhantering och större miljöpåverkan. Biofiltrering har introducerats på vattenverk i främst Europa. Den innebär att naturligt förekommande mikrober etableras och växer till på filtermaterialet, matade av vattnets innehåll av organiskt material. Eventuell klorering innan filter eller backspolning med klorerat vatten tas då bort. Fördelen är att avskiljning av TOC inte enbart beror på föregående koagulering utan samverkan med biologi minskar tillsats av fällningskemikalier. Ett annat sätt att utrycka det är att fällningskemikalie (koagulant) avskiljer de hydrofoba organiska molekylerna med högre molekylvikt och biofiltreringen de organiska ämnen med lägre molekylvikt som alifater och luktämnen. Det finns även resultat som visar på viss avskiljning av bekämpningsmedel och läkemedelsrester med biofiltrering. Nackdelar med biofiltrering är en längre uppstarttid och dess beroende av sammansättning av organiskt material i råvattnet. Även vattentemperaturen påverkar, med sämre resultat vid lägre temperaturer. Avskiljning av enbart TOC över biofiltrering är dock mindre än vid konventionell filtrering. Här är tillsats av ozon innan biofiltreringen en möjlighet att öka avskiljningen. Nackdel med ozontillsats är ökade kostnader, större miljöpåverkan och i vissa fall bildande av ozonerings-biprodukter som är negativa för människors hälsa. För att kunna avgöra under vilka förutsättningar de tre olika filtreringsstegen är optimala är ett LCA verktyg nödvändigt för att kunna väga in alla påverkande faktorer.
Metodik
LCA beräkning, enligt ISO 14040, användes för att jämföra de tre filtreringsteknikerna. Följande fyra olika scenarier för avskiljning av TOC nyttjades; 30%, 40%, 50% och “enhanced coagulation” (det är en serie åtgärder som enligt USEPA skall genomföras för att minska bildning av desinfektions-biprodukter, genom att öka avskiljningen av TOC med konventionell kemisk fällning). Alla fyra scenarierna är oberoende av råvattenkvalitet. Förutom TOC-avskiljning användes värden för partikelreduktion såsom turbiditet (krav 0,3 NTU), parasiter(3-log) och virus(4-log). För beräkningar användes en årsproduktion av 1 miljon kubikmeter dricksvatten och 40 års drift. Randvillkor för LCA-beräkning var kemikalieförbrukning, energi, transporter och avyttring av slam och spolvatten. Villkor för de tre alternativen såsom flöden, bassängvolymer och energi (för inblandning av fällningskemikalier) likställdes. De totala utsläppens miljöpåverkan beräknades med EPAs TRACI. Genom att beräkna totala andelen nedbrytbart TOC, för varje råvatten, med experimentella data, erhölls en kvot för BDOC/TOC. Koagulering respektive biofiltrering avskiljer olika typer av organiskt material utryckt som BDOC. I beräkning används experimentella litteraturuppgifter som t.ex. att med SUVA värden högre än 3,0 m-1/mg/l avskiljs 9% av BDOC med koagulering och för SUVA värden under 3,0 avskiljs 4%. För den kvarvarande andelen BDOC som avskiljs med icke-ozonerad respektive ozonerad biofiltrering användes experimentella data. Tre olika temperaturintervaller för råvattnet användes då detta har en inverkan på koagulering men framförallt på biofiltrering vars effekt avtar vid låga temperaturer. För varje råvatten användes värden för alkalinitet, pH, SUVA och TOC. Värdena genererades med Latin hypercube sampling (en statistisk metod för generering av data). De indelades sedan i tre grupper utifrån temperaturintervaller. Osäkerhets- och känslighetsanalyser utfördes för de 31 huvudsakliga antaganden som gjordes, som t.ex. aluminiumdos, ozonering, BDOC/TOC kvot etc. Ett förenklat schema för hur modellen arbetar redovisas i rapporten.
Resultat
När det gäller miljöpåverkan så visade resultaten att icke-ozonerad biofiltering har minst miljöpåverkan medans ozonerad biofiltrering har den största påverkan. Eftersom både TOC och partiklar behöver reduceras, delvis med hjälp av koagulering och filtrering måste en minsta aluminiumdos tillämpas även om biofiltering avskiljer nedbrytbart TOC och således minskar koagulantdosen. Varje råvatten är olika varför hänsyn måste tas till BDOC för att bestämma kapaciteten för biofiltreringen i varje enskilt fall.
För kemikalier är miljöpåverkan och kostnader störst för åtgången av koagulant och natronlut. Miljöpåverkan från material är störst för stålkonstruktioner då tankar och filterkonstruktioner utförs i rostfritt stål. För val av filtermaterial (sand och antracit) är påverkan minimal. För användning av UV istället för klor blev skillnaden i miljöpåverkan minimal, med fördel för UV. För ozonerad biofiltrering så innebär det en ökad avskiljning och därmed minskad åtgång av aluminiumbaserad koagulant, men istället för den senare används ozon. Ozonanvändning har en större total miljöpåverkan än användning av aluminiumsulfat.
CO2-utsläpp ökade den med ozon och gav därmed ett högre värde för parametern klimatpåverkan. Med hänsyn tagen till osäkerheter i resultaten ligger bidraget från ozonering på 0,03 – 0,06 kg CO2 per m3 producerat dricksvatten. Användning av ozon ökar BDOC halten och det finns en risk att biofiltreringen inte kan avskilja tillräckligt med lättåtkomligt organiskt material vilket i så fall skapar tillväxt i ledningsnätet. Ozoneringen har flera fördelar som måste vägas in i val av beredning i varje enskilt fall, Den ger en bra kontroll av lukt- och smakämnen och nedbrytning av syntetiska organiska spårämnen.
Biofiltreringen utan ozontillsats är klimatneutral men dess förmåga att minska de totala CO2 utsläppen genom att minska tillsatsen av fällningskemikalie är knappt mätbar. Ju högre avskiljning av TOC, t. ex från 30% till 50%, ju större fördelar har icke-ozonerad biofiltrering jämfört med enbart konventionell filtrering, med föregående tillsats av koagulant, när det gäller miljöpåverkan. Denna 20-procentiga ökning innebar i modellen att 8% av råvattenkällorna hade en minskad miljöpåverkan jämfört med om konventionell filtrering används. Den lägsta klimatpåverkan hade icke-ozonerad biofiltrering för råvatten med SUVA-värden under 2,75 därför att TOC då är svårt att avskilja med kemisk fällning. För vatten med högre buffringskapacitet, alkalinitet mellan 50 – 125 mg CaCO3 /l, hade biofiltreringen en större inverkan med låg miljöpåverkan genom den relativt lägre dosen fällningskemikalie, jämfört med konventionell filtrering. Det är för råvatten med låga SUVA-värden och hög alkalinitet som icke-ozonerad biofiltrering har sin lägsta miljöpåverkan. I det andra fallet är skillnaden mot konventionell filtrering försumbar ur miljöpåverkan gällande växthusgaser.
Experimentella data visar att biomassan i biofilter snabbt anpassar sig till förändrade förutsättningar som temperatur och att detta möjliggörs genom att kunna styra EBCT (uppehållstiden), antingen genom att producera mindre vatten eller genom att öka volymen filtermassa.
Slutsatser
Miljöpåverkan från konventionell filtrering, icke-ozonerad biofiltrering och biofiltrering jämfördes med hjälp av LCA analys för att nå uppsatta mål för dricksvattenkvalitet, gällande TOC, turbiditet och patogener. I tio av de uppställda miljöpåverkande faktorerna överträffade icke-ozonerad biofiltrering eller var likvärdig med ozonerad biofiltrering för alla råvatten. Generellt hade icke-ozonerad biofiltrering mindre miljöpåverkan än enbart konventionell filtrering för de flesta råvatten. Störst var skillnaden för hög-alkalina vatten med låga SUVA-värden.
Diskussion
Det intressanta är att forskarna har tagit hänsyn till ett stort antal miljöfaktorer och med tre olika beredningsalternativ och bearbetat dessa med totalt 60 000 olika råvatten. Utfallet av LCA analysen och den tillhörande statiska bearbetningen ger information som är nyttig och dessutom oåtkomlig på annat sätt. Studien tar upp tre beredningar; konventionell kemisk fällning (koagulering, sedimentering, filtrering och desinfektion) och att filtreringen modifierats för biologisk filtrering med eller utan ozon. Tillsats av fällningskemikalie i alla tre alternativen. Med de högre krav som ställs och kommer att ställas på vårt dricksvatten och den försämring av råvattenkvalitén vi vet fortsätter behöver våra ytvattenverk modifiera sin beredning för att möta detta på ett kostnadseffektivt sätt. Den redovisade LCA modellen är ett verktyg men ytterligare mål för dricksvattenkvaliteten måste vägas in.
Eftersom klimatpåverkan är en stor framtidsfråga och t.ex. vid val av ozonering eller inte behöver en värdering utifrån CO2 utsläpp vägas in. I rapporten redovisas värden för ozonering på max 0,06 kg CO2 per m3 producerat dricksvatten. För en årsproduktion av 5 miljoner m3 dricksvatten så ger en ozonering ett tillskott på 300 ton CO2. Det motsvarar utsläpp från 167 bilar med ett utsläpp på 120 g CO2 per km och en årlig körsträcka på 1 500 mil. I artikeln framgår inte om elenergin för ozonproduktion är fossilbaserad eller inte.
Källa: ‡Christopher H. Jones, R. Scott Summersa and Sherri M. Cook a Leigh G. Terry, *a ‡ Environmental life cycle comparison of conventional and biological filtration alternatives for drinking water treatmentEnvironmental Science Water Research & Technology 2018, 4, p 1464 – 1479
a) Department of Civil, Environmental, and Architectural Engineering, University of Colorado Boulder, Boulder, CO 80309, USA. E-mail: sherri.cook@colorado.edu
b) Department of Civil, Construction, and Environmental Engineering, University of Alabama, Tuscaloosa, AL 35487, USA †
Electronic supplementary information (ESI) available: Further details on the methods and results are presented in supporting information. See DOI: 10.1039/ c8ew00272j
‡ These authors contributed equally to this work
