I en noggrann studie av en försöksanläggning för inducerad infiltration genom sk. bankinfiltration i Berlin har Zeeshan och medarbetare följt hur löst organiskt material, DOM, i olika brunnar längs infiltrationsvägen varierar under ett år som funktion av alla dessa parametrar. Med hjälp av mätningar av totalhalten organiskt kol kompletterad med fluorescensmätningar undersökte de vad som hände med olika fraktioner av DOM under året.
Av: Kenneth M Persson
Löst organiskt material (dissolved organic matter, DOM) i vattnet är en källa till glädje och sorg i ett ytvattenverk. DOM i ytvatten kan variera markant i karaktär beroende på säsongsvariationer som nederbördsintensitet, UV-strålning och temperatur. Biologisk och fysikalisk omsättning av DOM är av stort intresse för driftansvariga och kvalitetsansvariga på vattenverk som använder någon slags biologisk behandling eftersom DOM i måttliga halter ger en avrundat och tilltalade lukt och smak till vattnet, medan högre halter orsakar lukt- och smakstörningar, kan störa desinfektionsprocesser med ökad klorförbrukning eller sänkt UV-transmissivitet som följd och ge mikrobiell återväxt på nätet på grund av ökad tillförsel av organiskt material till ledningsnätets biofilm. Om kemisk fällning används för vattenberedning säger erfarenheten att DOM med stor molekylvikt är lättare att avskilja än lågmolekylärt DOM. De biologiska processerna i grundvattenzonen går snabbare vid högre temperatur där lågmolekylärt material lättare renas, metaboliseras, av markmikroorganismer.
Olika biologiska processer i råvattentäkten kan också orsaka ökad produktion av DOM, särskilt när temperaturen stiger och solinstrålningen till ytvattnen ökar under den varma årstiden. Men med stigande solinstrålning ökar även inflödet av ultraviolett strålning, vilket kan orsaka fotooxidation och nedbrytning av organiska föreningar. Dessutom har nederbördsintensiteten betydelse för hur mycket DOM som lösas i vattnet då det avrinner från kringliggande mark till vattentäkten. Häftiga regn kan öka transporten också av DOM till vattnet. Slutligen har markanvändningen i sig själv betydelse för vilken DOM som återfinns i råvattnet. Åkermark läcker annat DOM än skogsmark. Det kan bli mer eller mindre DOM i vattnet beroende årstid, nederbörd, temperatur och uppehållstid.
Försök
Forskarnas försöksanläggning består av en anlagd damm (89 m längd, 17,5 m bredd vid inflödessidan) som dräneras till en flodbank med finkornig sand vilket ligger över en bädd av medelkornig sand. Banken är 4 m mäktig och dräneras längst ned kontinuerligt varvid vattnet recirkuleras till dammen. Flödet genom infiltrationsytan är 15,5 m3/h. Finsanden har en medelkornstorlek på 0,25 mm och den medelkorniga sanden 0,40 mm. Ytvattenprover samlades in nära stranden från båda sidor av dammen och det infiltrerade vattnet pumpades upp från 20 piezometrar/provtagningsrör, där 13 var slagna ned till det medelkorniga sandskiktet och 7 till det över finkorniga sandskiktet. Eventuella avdunstningsförluster i dammen kompenseras av filtrerat grundvatten så att nivån hålls konstant i dammen. Systemet har varit i drift i decennier, tillräckligt för att utveckla naturlig flora och fauna.
Prover samlades in månadsvis från december 2020 till november 2021. Proverna analyserades med avseende på löst organiskt material (DOC), järn och mangan, UV-absorbans vid 254 nm, nitrat och ammonium. Vidare mättes pH, halt löst syrgas i vattnet (DO) och konduktivitet. Fluorescensen analyserades med excitationsvåglängder från 220 till 500 nm och emissionsvåglängder från 250 till 600 nm vid en hög skanningshastighet. Provresultaten behandlades statistiskt, bland annat med hjälp av principalkomponentanalys (PCA).
I Berlin är vädret ganska stabilt med temperaturer under 5°C från december till mars och stigande temperaturer till slutet av juli då medeltemperaturen på 21°C registrerades. Solinstrålningen var låg vintertid och nådde ett maximum under juni och juli. Nederbörden var måttlig från oktober till april och högre under maj till september. Augusti visade sig vara den regnigaste månaden med 68 mm nederbörd och oktober (18 mm) var den torraste. pH i ytvattnet och bankfiltratet var nästan konstant mellan 7,9 och 8,1 under hela den undersökta perioden. Konduktiviteten var stabil och varken mangan eller järn detekterades. Nitrathalten var under 1 mg/L och ammoniumhalten under 0,1 mg/L både i ytvattnet och bankfiltratet under hela året. En signifikant (p < 0,05) effekt av klimatvariationer observerades för UV254 och DOC- och DO-koncentrationer. Den högsta genomsnittliga DOC-koncentrationen (2,8 ± 0,1 mg/L) i ytvattnet observerades i augusti (under den våta och varma årstiden) och den lägsta DOC-koncentrationen (1,7 ± 0,0 mg/L) i november. Ytvattnets DOC ökade gradvis (med upp till 38%) på sommaren troligtvis på grund av fototrofiska aktiviteter eftersom solintensiteten var hög på sommaren. Aromaticiteten hos DOM var högre på sommaren. I filtratet var DOC-var konstant (1,7 ± 0,1 mg/L) under hela året och ingen signifikant påverkan av sandpartikelstorleken på DOC-koncentrationen noterades. DOC-minskningen skedde redan före de första provtagningspunkterna. Den fysikalisk-biologiska reningen i sanden påverkade DOC i varierande grad, mellan 4 % i november och 39 % i augusti. Ju högre ingående DOC-halt i ytvattnet, desto högre reningseffekt. Forskarnas tolkning är att en konstant del av det organiska materialet inte var tillgängligt för mikrobiell oxidation. Den DOC som bildades av biologiska processer i dammen under sommaren var helt nedbrytbar.
Syrehalten i ytvattnet var konstant runt 12 mg/L under studien medan filtratproven uppvisade syrefria förhållanden i juli och augusti när DOM i ytvattnet ökade. Forskarna bedömde att 0,2 % till 25,2 % syre förbrukades av ökad aerob mikrobiell omvandling av DOM och 99,8 % till 74,8 % av partikelformigt organiskt kol (POC) avsatt i infiltrationszonen.
Med hjälp av fluorescensmätningar kunde forskarna beskriva olika fraktioner av organiskt material i form av DOM-koncentrationer. DOM dominerades av humusämnen och ett förändrat mönster av DOM i ytvatten observerades under hela året. En betydande ökning av DOM (~38%) i ytvatten noterades i augusti jämfört med november. Denna studie belyser närvaron av en konstant icke-nedbrytbar DOM i bankfiltratet, som inte påverkades av temperatur, redoxförhållanden och UV-strålning. Fluorescensspektra (EEM) av månatliga ytvattenprover visade på en hög andel humussubstanser men kunde också användas till att detektera tryptofanliknande (T), SMP-liknande (S) och fulvicliknande (A) fraktioner utöver de humusliknande (C) . Under den kalla årstiden (T < 5 °C, december till mars) identifierades endast två fluoroforer (topparna A och C). När temperaturen ökade steg också intensiteten av topparna A och C medan de andra två topparna T och S kunde detekteras. Toppen T representerar proteinliknande DOM och dess ursprung bedöms vara kopplat till mikrobiell aktivitet och algblomningar som leder till en ackumulering av DOM. Topparna A och C (humusliknande) bestod av högre molekylvikt och aromaticitet med låga kvävehalter. Topparna T och S (proteinliknande) innehöll kväverika aromater. Topp S innehåller både fluorescerande (humus och proteiner) och icke-fluorescerande ämnen (polysackarider). Totalt sett dominerade humusliknande toppar i ytvattnet under hela året, medan de proteinliknande topparna förekom under den varma säsongen.
Resultat
Tre olika humustoppar kunde urskiljas, vilka betecknades C1, C2 och C3. C1 förekom tydligast under den varma årstiden och dess uppkomst förklaras av att C1 är organiskt material som frigörs efter fotooxidation från UV eller solljus. C2 liknar en kombination av fluoroforerna A och C och benämndes en jordbunden humusliknande komponent och kopplas till föreningar med större molekylvikt och högre grad av aromatiska föreningar. C2 passerade opåverkat genom sanden. Det skedde en liten minskning av intensiteten av C2 i ytvattnet från mars till juni, förmodligen på grund av fotooxidation. C3 kopplas till mikrobiell nedbrytning av alger och jordlevande humusliknande föreningar.
Säsongsvariationer påverkar vilket DOM som finns i ytvattnet. DOM producerat på sommaren av algblomningar och fototrofisk aktivitet var helt nedbrytbara och avlägsnades vid infiltration medan övrigt DOM kunde ses som en konstant bakgrundskoncentration utan påverkan från temperatur, UV-strålning och redoxförhållanden.
Denna typ av mycket noggranna mätningar under en lång försöksperiod visar på att biologisk rening fungerar, men bara för vissa fraktioner. Rest-DOM behöver avlägsnas på annat sätt än genom mikrobiell rening. Känn ditt filter, skulle kanske Artur Hazelius ha sagt.
Källa: Muhammad Zeeshan, Omamah Ali, Shamas Tabraiz och Aki Sebastian Ruhl. Seasonal variations in dissolved organic matter concentration and composition in an outdoor system for bank filtration simulation. Journal of environmental sciences 135 (2024) 252 – 261.
