Välkänt är att ytvattenverk utmanas av ökande och förändrade halter NOM i råvattnet. I den artikel som redogörs för här har säsongsmässiga variationer, såväl kvantitativa och kvalitativa, undersökts vid tre stora vattenverk, Oslo, Stockholm och Helsingfors. En fråga som ställs är om nuvarande beredning, vid de jämförda vattenverken, är utrustade för att möta kvantitativa och kvalitativa förändringar av NOM med förändrat klimat.
Av: Thor Wahlberg
Vid de tre ytvattenverken har prov tagits i vattentäkter, efter olika beredningssteg och i distributionsnät. Val av provtagningstidpunkt har styrts av stabila språngskikt i sjöarna och när de har vänt. NOM analyserades med TFF, LC-OCD, fluorescens och biostabilitet såväl storlek som typ. I beredningen minskade NOM koncentration till 2,5 mg/l (55%), 4,0 mg/l (48%) och 5,7 mg/l (76%) mätt som DOC vid respektive vattenverk. NOM fraktioner med hög molekylvikt, > 50 kDa, var den största fraktionen. Biostabiliteten analyserades som BDOC med värdet <0,3 mg/l. Detta faktum tillsammans med förhållanden i distributionsnäten i de tre städerna visar på låg sannolikhet för återväxt. Beredningen i ytvattenverken består i alla tre av koagulering-flockulering, sedimentering, snabbfiltrering, UV och klorering. I Helsingfors finns dessutom ozonering och kolfiltrering och Stockholm har långsamfilter efter kemisk fällning. Bägge typerna av beredningsteg ökade avskiljningen av s.k. biopolymer och fraktioner med låg molekylvikt. Ozonering och kolfiltrering mer än långsamfiltrering.
Material och Metodik
De tre ytvattentäkter som undersöktes var, Maridalsvannet (Oslo), Mälaren (Stockholm) och Päijänne (Helsingfors). De sistnämnda är ungefär lika stora men Mälaren har mer jordbruksmark i sitt tillrinningsområde. Den första är mycket mindre, 0,3% av Mälarens yta, och har restriktioner för bad etcetera vilket de andra inte har. Tre provomgångar togs, vinter som referens, sommar med språngskikt och höst efter vändning av sjöarna. I beredningen togs prover efter de steg som har inverkan på NOM-avskiljningen. Detaljer om respektive vattenverks beredning kan hittas i andra publikationer. Nämnas kan att snabbfiltersteget i Oslo är två-media filter med Filtralite med en filterhastighet av 15 m/h. I Stockholm var filterhastigheten 3 m/h och i Helsingfors var den 7 m/h med 1 m bäddhöjd och dosering av järnsulfat. Övriga vattenverk aluminiumbaserad fällningskemikalie. Förutom rutinanalyser som TOC, DOC, pH, turbiditet, färgtal och UV-absorbans utfördes LC-OCD* (Liquide Chromatography – Organic Carbon Detection), fluoroscens, BDOC (Biological Dissolved Organic Carbon), TFF (Tangential Flow Filtration) dvs. labskala med membranfilter. I korthet gjordes membranfiltrering för att skilja ut olika fraktioners molekylstorlekar där varje fraktion avskiljdes med ett membran, 50 kDa, 10 kDa och 0,3 kDa.
Filtrering gjordes så att koncentratet gick tillbaka till feed tanken. Permeatet separerades. Massbalans av DOC användes för att kontrollera att inte proven kontaminerades av NOM vid membranfiltrering. I BDOC metoden användes steriliserad sand som yta för bakterietillväxt. Inkubationsmetoden användes med prov som tillsattes 100 ml sand och förvarades mörkt under två veckor. Före och efter mättes DOC och skillnaden är BDOC. Med fluorescensanalys beräknades humifieringsindex HI, fluorescensindex FI och freshness index β.
Resultat och diskussioner
Koncentrationen i råvattnen varierade mellan 4,2 mg DOC/l i Maridalsvannet (Oslo) och 7,9 mg DOC/l i Mälaren. Motsvarande värden för SUVA ligger mellan 2,7 till 3,9 l/mg C /m vilket indikerar halvbra till bra fällningsegenskaper och avskiljningsgrad för NOM genom fällning mellan 25 – 50%. pH är en viktig parameter för bra resultat och med aluminiumbaserade fällningskemikalier i Oslo och Stockholm hölls fällnings-pH mellan 6,2 – 7,0. I Helsingfors med järnbaserad kemikalie var motsvarande pH-värde 4,8 – 4,9. Med lägre pH-värde underlättas fällningen genom att organiska ämnen får protonöverskott. I fluorescensmätningar visade Maridalsvannet det lägsta freshness index β/α vilket visar på större andel autokton (i sjön) produktion av NOM. Det är en god korrelation mellan SUVA och β/α (r=0,92). I Mälaren ökar β/α samtidigt som SUVA minskar med uppehållstiden i sjön. Organiskt material omvandlas i sjön över tid. Författarna menar att freshness index kan ersätta SUVA och har en bättre precision då det baseras på ett enstaka mätvärde istället för två värden.
Ett intressant resultat visade att beroende på vilken mätmetod, LC-OCD eller TFF metoderna som användes visade resultaten olika svar. För samma prov visade membranfraktionering (TFF) att mer än 55% av NOM klassificerades som> 50 kDa men för LC-OCD så var 44 – 86% klassificerades som < 1 kDa. Förklaringar ligger i metoderna själva där LC-OCD anses ha den högre noggrannheten och TFF den lägre då den bygger på MWCO vilket inte är en skarp gräns i ett membran. Det är viktig att känna till metoders olika begränsningar när resultaten skall tolkas.
Sett till typ av NOM så dominerar humussyror (HS) 58 – 73% i alla tre råvatten, större nedbrytningsprodukter av HS 10 – 18%, låg molekylära neutrala 5 – 8% och låg molekylära syror 0 – 0,6%. Sett till storleksfördelning så var det i de tre råvattnen 55 – 90% av DOC >50 kDa, 5 – 25 % var för 10 – 50 kDa och för 0,3 – 10 kDa. Av den minsta fraktionen <0,3 kDa var det ca 3% av DOC. Vattnet från Maridalsvannet avvek med den högsta andel av fraktioner >50 kDa. Detta speglas i den mycket kortare i uppehållstiden på 0,4 år jämfört med 2,5 – 2,8 år i Mälaren och Päijänne. Analyser av råvattnens DOC visade på små variationer under året förutom för Maridalsvannet vilket förklaras med den kortare uppehållstiden. Däremot visade analys av storlek säsongsmässiga variationer med högre andel större NOM fraktioner på vintern vars andel sedan sjönk under sommaren. Detta tolkas som aktivitet i sjön för att bryta ned NOM.
Den observerade avskiljningen av NOM varierade mellan vattenverken och var korrelerad med beredningen på vattenverket. När enbart den kemiska fällningen jämförs och analyseras med LC-OCD så är NOM-avskiljningen 40 – 44% i Stockholm, 52 – 61% i Oslo och 64 – 68% i Helsingfors. Den sämre avskiljningen av NOM, mätt som DOC, i Stockholm beror på biologiska processer i Mälaren enligt författarna. Till detta kommer avskiljning av NOM i beredning efter den kemiska fällningen. I Stockholm avskiljs ytterligare 6% i långsamfiltersteget. Avskiljning av UV/Cl där är försumbar. I Oslo avskiljs mycket lite i UV/Cl beredning, endast 6% av den lågmolekylära neutrala fraktionen av NOM. I Helsingfors med efterföljande beredning med ozon och kolfilter avskiljdes ytterligare 11% av NOM. I undersökningens finns ytterligare intressanta resultat bland annat hur sammansättning och storlek av NOM förändras efter olika beredningssteg.
Några rader om resultaten från undersökning av biostabilitet. I råvattnet var BDOC mellan 0,8 och 1,55 mg C/l i de tre vattentäkterna, högst vintertid när nedbrytningen i sjön är som minst och lägst BDOC tidig höst. BDOC avskiljdes till över 70% i alla tre vattenverken. Inget vattenverk avskiljer all BDOC. En mer avancerad beredning avskiljer större andel BDOC.
Slutsatser
NOM i råvatten från de tre vattentäkterna dominerades av större fraktioner, >50 kDa. Säsongsmässiga variationer fanns i Maridalsvannet med kortast uppehållstid men inte i de övriga. Koagulering-flockning-sedmentering-filtrering avskiljer mellan 40 – 70% av NOM plus en ytterligare mindre avskiljning med efterföljande långsamfiltrering och ozon-kolfiltrering. Det mest effektiva avskiljning av NOM var beredningen i Helsingfors vattenverk med koagulering-flockning-sedmentering-filtrering-ozon-kolfiltrering. BDOC i utgående dricksvatten, från alla tre vattenverken, var <0,3 mg C/l vilket leder till låg sannolikhet för biologisk tillväxt under distribution. För de tre städerna är temperaturen alltid under 15°C i distributionsnätet och den hydrauliska uppehållstiden i medeltal 24 h.
Författarna efterlyser ett sätt att jämföra och korrelera resultat från olika NOM fraktioneringsmetoder. En fråga är också om nuvarande beredning, vid de jämförda vattenverken, är utrustade för att möta kvantitativa och kvalitativa förändringar av NOM med förändrat klimat.
Källa: P. Krzeminiski, C. Vogelsang, T.Myen, S.J. Köhler, H. Poutanen, H.A. De Wit, W. Uhl. Natural organic matter fractions and their removal in full-scale drinking water treatment under cold climate conditions in Nordic capitals. Journal of Environmental Management 2019 vol 241 s 427 – 438
