För att ett biologiskt aktivt kolfilter (”biofilter”, biologically activated carbon filter, BAC) skall kunna fungera behövs en påväxtperiod för bakterier när de etableras i kolfilterkornen. Hur exakt denna period förlöper och hur den kan mätas i praktiken är föga studerat i den vetenskapliga litteraturen, fastän att många vattenverk världen över använder BAC i sin dricksvattenberedning. Velten och medarbetare (2011) har detaljstuderat ett pilotfilter för Zürich vattenverk med avseende på tillväxt av biofilm, avskiljning av organiskt material och mognadsprocess under sex månader.
Av: Kenneth M Persson
Granulärt aktivt kol (GAC) filter används ofta i beredning av dricksvatten för att genom adsorption avlägsna oönskade löst organiskt kol, bland annat biologiskt nedbrytbart organiskt material, mikroföroreningar, halogenerade kolväten och smak- och luktföreningar. Om inte GAC regelbundet byts eller regenereras, mognar filtret naturligt till ett biofilter, där merparten av reningen sker genom mikrobiell nedbrytning istället för adsorption. Mikroorganismerna koloniserar partiklarnas ytor och bildar ett biofilter, ett biologiskt aktivt kolfilter (BAC). Mognaden tar tid och ger som regel upphov till ett stabilare vatten som är mindre benäget att ge återväxt i dricksvattennätet.
Pilotfiltret hade en granulerat aktivt kol-volym om 1,47 m3. Bäddhöjden var 1,55 m och filterhastigheten 5,9 m/h. Kontakttiden för vattnet i kolfiltret var nästan 16 minuter. Kolet i filtret ozonerades innan det driftsattes för att åstadkomma en kraftfull desinfektion och undvika att främmande bakterier störde mätningarna. Under hela försöksperioden användes Zürich vanliga råvatten, från sjön Zürichsee, som är en oligotrof sjö med låg halt organiskt material (omkring 1,1 mg/l mätt som löst organiskt kol (DOC).). Zürich vanliga vattenberedning är ozonering och kolfiltrering. Före kolfiltrering ozoneras vattnet och kvarvarande ozonhalt, residualhalten, in i försöksfiltret var i genomsnitt 0,22 mg/l. Någon filterspolning genomfördes aldrig under försöksperioden.
Filtret kunde provtas genom små provtagningshål på fyra olika djup (10, 45, 80 och 115 cm). Såväl vattenprover som prover av det granulerade aktiva kolet (GAC) provtogs i en studie som varande under totalt 200 dagar. Vattnet analyserades med kemiska och fysikaliska analyser, främst pH, temperatur, turbiditet, DOC-halt och assimilerbar organiskt kol-halt (AOC). Antal celler i filtratet mättes med flödescytometri. Adsorbered biomassa på kolgranulerna mättes med adenosin-trifosfat (ATP) analys och räknades om till bakterieaktivitet. Resultaten visade att biomassan växte i kolfiltret under de första 90 dagarnas drift, varvid filtret mognade från fysikaliskt kolfilter till biologiskt aktivt kolfilter. Därefter nådde tillväxten en jämvikt (steady-state) så att lika mycket bakterier växte till som följde med filtratet ut från filtret. Genom ATP-mätningarna visades vilken ungefärlig koncentration av bakterier som fanns i filtret och hur bakteriekoncentrationen varierade med filterdjupet
Under steady-state varierade kolkornens bakteriehalt från 0,8 x 10-6 till 1,83 x 10-6 g ATP / g GAC. Filtret avskiljde 22% av inkommande mängd löst organiskt kol och släppte igenom resterande 78%. Tillväxten av bakterier i filtret var omkring 1,8 x1012 celler/m2h, vilket motsvarar en produktion av 1,26 x 106 celler / μg kol. Bakterierna assimilerade bara ca 3% av det borttagna kol som biomassa. Vid ett tillfälle under försöksperioden uppmättes en naturlig femfaldig ökning av växtplankton och mikroalger i inflödet. Eftersom vattnet ozoneras steg tillförseln av AOC till filtret rejält med följd att bakteriehalten ut från filtret också ökade – med en faktor tre. Tillförseln av AOC ökade omedelbart bakterietillväxten i biofiltret. På toppen av biofiltret var koncentrationen biomassa lägre än 45 cm ned i filtret.
Velten och medarbetare menar att denna skillnad berodde på residualozon, som hämmade tillväxten. En bit ned i filtret hade ozon sönderfallit färdigt och desinfektionseffekten försvann. Biomassan minskade sedan med filterdjupet. 45 cm från filterytan uppmättes vid steady-state i genomsnitt 1,83 x10-6 g ATP / g GAC. Längst ned i filtret hade ATP-halten minskat till 0,8 x10-6 g ATP / g GAC. Eftersom aktivt kol adsorberar organiskt material fick biofilmen längst ned i filtret magrast kost och minst mängd organiskt material. Dock ökade DOC-halten i djupast beläget porvatten med tiden, så att skillnaderna efter 200 dygns drift var små.
Velten och medarbetare visade att ATP korrelerade väl med DOC och filtrets biologiska aktivitet. Men omvänt också att DOC-reduktionen tillsammans med flödescytometri väl beskriver hur biofiltret fungerar. Däremot var AOC-mätningarna trubbiga och kunde som regel bara förklara 1/3 av DOC-reduktionen. Eftersom filtret inte spolades, kom den ackumulerade biomassan successivt att utsättas för mer ozonering och större enzymatisk nedbrytning som ibland till och med visade att AOC-halten kunde öka genom biofiltret.
Det är inte praktiskt att mäta ett biofilters prestanda genom att provta fyra zoner i filtret. Man får mäta på inkommande vatten och filtrat. Resultaten från Velten och medarbetares studie tyder dock på att en regelbunden kontroll av DOC i inflödet och i filtratet, samt halten levande celler i filtratet, ger en god bild av hur väl biofiltret fungerar och om filtret är kvar i ett steady-state-läge.
Källa: Silvana Velten, Markus Boller, Oliver Köster, Jakob Helbing, Hans-Ulrich Weilenmann och Frederik Hammes (2011): Development of biomass in a drinking water granular active carbon (GAC) filter. Water Research 45 (2011) s. 6347-6354
Artikeln i Water Research finns att köpa från utgivaren här.
