Aktivt granulerat kol (GAC) som används för avskiljning av naturligt organiskt material (NOM) inom dricksvattenberedning, kan under normala driftförhållanden koloniseras av mikroorganismer vilka så småningom kan skapa en aktiv biofilm. Bildandet av sådana biofilmer kan å ena sidan bidra till reduktion av NOM genom biologisk nedbrytning, men å andra sidan leder till igensättningar som kräver mer frekventa backspolningar. Det råder fortfarande osäkerhet kring förekomst och utveckling av biofilmer i fullskaleprocesser, vilket även inkluderar effekterna av periodiska backspolningar. Mot denna bakgrund drivs GAC-filtreringen vanligtvis utifrån empiriska börvärden. Den här spanska studien syftar till att undersöka och utvärdera bildandet och tillväxten av biofilm i en GAC med återkommande backspolning. Sammanfattningsvis konstaterades att backspolning kunde fysiskt lossa bakterier från biofilmen, dock kunde dessa anrikas mellan backspolningsintervallerna till jämförbara koncentrationer före spolningssekvensen.
Av: Alexander Keucken
För studien installerades en pilotanläggningen för långtidsförsök på vattenverket i Sant Joan Despí (Barcelona) för att efterlikna driftförhållandena i fullskaleanläggningen. Undersökningar omfattar både analyser av vattenprover och GAC korn som har tagits från olika nivåer i filterbädden och vid olika tillfällen under ett års tid.
För utvärdering av biomassan används parametrar såsom total antal celler (confocal laser scanning microscopy, CLSM), DNA och ATP. Med hjälp av högupplöst scanning elektron mikroskopi (Field emission scanning electron microscopy, FESEM) utförs visuella kontroller av GAC-partiklar. Under långtidsförsöken övervakades även vattenkvalitet och ytegenskaper av GAC. Resultaten av denna studie ger inblick i fördelningen av biofilmen inom GAC-bädden vad gäller utsträckning och spridning.
Sedan länge betraktas adsorption med GAC som en av de mest effektiva behandlingsmetoder för NOM-avskiljning inom dricksvattenberedning. I grunden sker reduktion av NOM genom GAC via adsorption av lösliga föroreningar och filtrering av partikulära ämnen.
På grund av den stora specifika ytan och den välutvecklade porösa strukturen lämpar sig GAC för att uppnå en hög adsorptionsförmåga gentemot organiska molekyler. Adsorptionsförmågan av GAC upphör när alla ytor och porer så småningom bli mättade med organiskt material och en regenerering krävs. Både filtrering och adsorption över GAC leder i förlängningen till en successiv irreversibel igensättning av kolbädden och försämring av kolfiltratet, vilket kräver periodiska backspolningar för att återställa tryckförluster och för att säkerställa en stabil långtidsdrift av kolfiltret. Backspolningar sker med vatten och/eller luft genom ett uppstigande flöde i filtret.
Under backspolningen rengörs kolbädden ifrån suspenderade ämnen genom vattnets skjuvningskrafter och nötning av filtermediet. Vanligtvis innebär effekten av backspolningar en delvis återhämtning av den hydrauliska filtreringskapaciteten. Faktumet att biofilm kan bildas på kolet, gör filtreringsfunktionen av GAC mer komplext. I och med att mikroorganismer kan koloniseras på kolets adsorptionsytor, gavs upphov till so kallade biologiska aktiv kolfilter (BAC). Bakteriell kolonisering och spridning kan leda till gynnsamma och skadliga effekter:
- NOM-avskiljning genom biologisk nedbrytning av organiska föreningar
- Igensättningar av filtret över en längre driftstid som kräver mer frekventa backspolningar
- Bildandet av anaeroba och döda zoner
- Försämring av kolfiltratet genom oönskad urspolning av mikroorganismer från BAC.
Hastigheten och omfattningen av biofilmbildning beror på många faktorer som inkluderar vattenkvalitet (framförallt koncentrationer av tillväxtfrämjande substrat), typ av GAC, hydrauliska driftförhållanden, temperatur, backspolningssystem m.m. Effekterna av dessa faktorer för biofilmtillväxt har hittills inte undersökts i tillräcklig stor omfattning och är delvis fortfarande helt okända. Mot denna bakgrund har den här studien som målsättning att bestämma formation och tillväxt av biofilm i GAC-bädden under fullskale-liknande driftförhållanden. För detta ändamål installerades en GAC-pilotanläggning som bestod av en testkolonn (innerdiameter: 22 cm, längd: 1.90 m) med en filterbädd på 1.50 m (ca. 24 kg GAC). I försöken användes samma typ av termisk regenererat GAC som i fullskaleanläggningen: Chemviron F400
Tabell 1: Fysikalisk-kemiska egenskaper av nytt och regenererat testkol (Illustration ej längre tillgänglig)
Testkolonnen matades med processvatten från befintlig ozonbehandling på vattenverket Sant Joan Despí . Mattarvattnet pumpades till toppen av försöksreaktorn och passerade GAC-bädden med självfall som motsvarade en hydraulisk belastning på 4.8 m/h och en genomsnittlig kontakttid (Empty bed contact time, EBCT) på 19 min. Kvalitén av det ozonbehandlade matarvattnet låg inom följande intervaller:
- DOC: 1.1 – 5.5 mg/l
- Restozon: 0.01 – 0.57 mg/l
- UV254: 1.7 – 7.7 Abs/m
- Turbiditet: 0.02 – 0.78 NTU
Pilotförsöken har genomförts vid rumstemperatur (20 ± 5 °C) och periodisk backspolning (ca. en gång per vecka, 50 min) utfördes med en peristaltisk pump genom att använda filtrat från sandfilter med ett hydrauliskt flöde på 17.4 m/h (11 l/min).
Bildandet av biofilm i försöksanläggningen jämfördes med publicerade studier som fokuserade på biofilmtillväxt på GAC vid regelbunden backspolning. I tabell 2 presenteras en förteckning av dessa studier för att underlätta jämförelser mellan dem. Rent generellt överensstämmer vissa studier i att tillämpning av backspolning i GAC-filter medför en förlust av biomassa jämförbart med tvåmediafilter bestående av antracit och sand. Samtidigt framgår av vissa studier att biomassan kan återetableras till nivåer före backspolning vilket innebär ingen nettoackumulering. Å andra sidan framgår av vissa studier att backspolning inte har någon effekt på densiteten av biomassan (eller ökning), därför att diffusionen av syre och närsalter genom biofilmen gynnas efter att flockar och partiklar har avlägsnats genom backspolning. Formation av biomassan beror även på beskaffenheten av spolvattnet (med eller utan klor), då klorerat vatten kan inhibera den bakteriella aktiviteten. Dessutom indikerar vissa undersökningar att backspolning i kombination med vatten och luft resulterar i en större förlust av biomassa jämfört med enbart vatten.
Tabell 2: Sammanfattning av publicerade studier för bildandet av biofilm i GAC-filter vid periodisk backspolning (Illustration ej längre tillgänglig)
Slutsatser
- DOC-reduktion skedde via adsorption och biologisk nedbrytning. Kolonisering av GAC bekräftades genom undersökningar via FESEM som visade en heterogen biofilm bestående av tydlig urskiljbara bakterier i närvaro av hyphala och diatoma strukturer.
- Ingen nettoackumulation av biomassa skedde trots DOC-avskiljning som förmodligen reducerades genom biologisk nedbrytning. Resultaten indikerade att biofilmen kan återuppbyggas till koncentrationer motsvarande före backspolningssekvensen.
- Resultaten från den här studien ger en större inblick i utveckling av biofilmer vid backspolningsprocesser som kan utgöra ett värdefullt underlag för dricksvattenproducenter för att få större förståelse för mekanismer gällande bakteriell aktivitet i GAC (bakteriell passage, vidhäftning och lossning av biofilmer samt överlevnad och tillväxt av biomassan).
Svenska perspektiv
Frågan är hur aktivt kol används på svenska ytvattenverk idag och hur denna teknik borde anpassas inför framtida kvalitetsförändringar (utsläppshot och effekter av klimatpåverkan)?
Normalt uppnås en NOM-reduktion med konventionell fällningteknik på motsvarande 50 – 70 % (beroende på dess sammansättning), resterande NOM adsorberas till en viss del i efterföljande kolfiltret. Efter en till tre månaders drift kan oftast inte längre någon reduktion av TOC eller DOC påvisas dvs. kolfiltret är mättat. Enbart en liten minskning av UV-absorbans i kolfiltratet kan noteras vid långtidsdrift. Pilotförsök vid Görvälnverket har visat att nyaktivierat kol kunde avskilja NOM inklusive låga halter av löst diesel (5 – 200 mikrogram/liter).
Efter bara en månads drift avtog dock effekten fort dvs. ingen reduktion av NOM påvisades i kolfiltratet och samtidigt upphörde adsorptionen av diesel helt. Slutsatsen av detta experiment är följande: Vill man uppnå en kemisk barriär mot svårnedbrytbara miljö- och hälsostörande ämnen måste kolet bytas ut och reaktiveras orimligt ofta (höga driftskostnader), eller så får man eftersträva en effektiv minskning av NOM-halterna (i synnerhet den högmolekylära hydrofoba andelen av NOM)i inkommande vatten till kolfiltret för att motverka en beläggning av kolets yta.
Med andra ord konkurrerar organiskt material med andra föreningar (t.ex. PFOS) om adsorptionsplatser på kolpartikeln. Om matarvattnet innehåller en stor mängd organiskt material medför detta en försämrad adsorption av de ämnen som är målet med adsorptionen (t.ex. läkemedelsrester). Vad är fördelen med dagens tillämpning av ”biologiskt” aktiva kolfilter i svenska ytvattenverk? Metoden medför en god uthållig avskiljning av luktstörande och lättnedbrytbara ämnen som bildats av alger i vattentäkten. Halterna av dessa ämnen är extremt låga och sannolikt sker en biologisk nedbrytning på kolfilterytan. För luktreduktion av algmetaboliter behövs empirisk sett ingen frekvent reaktivering av kolet. Med tanke på att ytvattenverk i andra länder vanligtvis använder ozonbehandlat vatten vid kolfiltrering, medför denna driftstrategi en minskad risk för ”blockering av kolytan”, därför att högmolekylära hydrofoba NOM-fraktioner har brutits ned till hydrofila fraktioner.
Men å andra sidan måste dessa lättnedbrytbara fraktioner avskiljas på ett annat sätt före distribution i ledningsnätet för att inte löpa risk för återväxt i ledningsnätet). Som framgår av artikeln är NOM-reduktionen inledningsvis hög i testkolonnen och planar sedan ut på en lägre nivå som aldrig understiger 30 % (inte ens efter ett års drift). Dessa iakttagelser skiljer sig markant från drifterfarenheter på bl.a. Görvälnverket. Återstår bara frågan om denna studie kan bidra till optimering av backspolningsstrategier för bättre adsorptionsförmåga av aktivt kol?
Källa: Oriol Gibert, Benoît Lefèvre, Marc Fernández, Xavier Bernat, Miquel Paraira, Montse Calderer, Xavier Martínez-LladóWATER RESEARCH 47 (2013), Issue 3, 16B7B567-7E72-4E3D-82B5-64CED173E6BD – 1110
Hela artikeln i Water Research finns att köpa här.
Stort tack till Per Ericsson, dricksvattenspecialist på Norrvatten, för inspirerande och kunskapshöjande diskussioner om tillämpning av aktiv kolfiltrering i svenska ytvattenverk.
