Hygieniske barrierer i vannrenseprosesser

Transkript

1 Hygieniske barrierer i vannrenseprosesser Aquateam - Norsk vannteknologisk senter A/S Rapport nr: Prosjekt nr: O Prosjektleder:Dr.ing. Lars Hem Medarbeidere:Siv.ing. Ragnar Storhaug Ing. Arne Lundar Dato: Side 1 : 45 Rapport nr: Versjon: 1

2 RAPPORT Postboks 6875 Rodeløkka Rapportnummer: Oslo Tilgjengelighet: Åpen Telefon: Telefaks: aquateam Rapportens tittel Hygieniske barrierer i vannrenseprosesser Forfatter(e) sign. Dato Antall sider og bilag 45 Ansv. sign. Ragnar Storhaug Lars Hem Prosjektnummer O Oppdragsgiver Norges forskningsråd Oppdr.givers ref. Asle Aasen Hovedmålet med prosjektet Hygieniske barrierer i vannbehandlingen er å klarlegge i hvilken grad ulike fysisk/kjemiske renseprosesser utgjør en hygienisk barriere, og hvilke krav som må stilles til driften av renseprosessene. Prosjektet er gjennomført i lab. og pilotskala og har omfattet direktefiltrering, membranfiltrering og desinfeksjon med bruk av klor og kloramin. Forsøkene viser at ved stabil drift med turbiditet < 0,1 FTU og fargetall < 5 mg Pt/l fungerte pilotfilteret ved direktefiltrering som en hygienisk barriere for koliforme bakterier, E. coli og Clostridium perfringens. Modningstiden etter tilbakespyling av filteret er en kritisk fase mht. barrierevirkning. Resultatene fra forsøkene viste at barrieren for Clostridium perfringens ble raskere reetablert etter tilbakespyling enn barrieren for E. coli og koliforme bakterier Forsøkene med membranfiltrering er gjennomført som batch-forsøk med 4 ulike membraner med nominell diameter 25, 14, 6, og 5 nm. Resultatene fra forsøkene viser at membranene med 25 nm nominell poreåpning ikke fungerte som hygienisk barriere for noen av testparameterne. Membranen med nominell poreåpning 14 nm fungerte som en hygienisk barriere for Clostridium perfringens. Membranene med nominell poreåpning 6 nm fungerte som hygienisk barriere for samtlige testparametere koliforme bakterier, E. coli, Clostridium perfringens og bakteriofager (som surrogat for virus) Forsøkene med klor viser at det ved alvorlig svikt i foranliggende barrierer kan risikere at desinfeksjonstrinnet ikke vil kunne kompensere for dette ved restklorkonsentrasjoner som er det dobbelte av grenseverdien for restklor etter 30 min (0,05 mgcl 2 ) som er angitt i veileder til Drikkevannsforskriften. Verken klor eller kloramin vil redusere Clostridium perfringens tilstrekkelig til at det vil kunne karakteriseres som en hygienisk barriere. Stikkord - norsk Hygieniske barrierer Direktefiltrering Membranfiltrering Kloramin Clostridium perfringens Stikkord - engelsk Hygienic barrier Direct-filtration Membrane filtration Chloramine Clostridium perfringens Dato: Side 2 : 45 Rapport nr: Versjon: 1

3 Innhold aquateam Sammendrag og konklusjoner Bakgrunn Krav til mikrobiologisk kvalitet på drikkevann Hygieniske barrierer Hygieniske barrierer I vannbehandlingen Ramme for prosjektet Hovedmål for prosjektet Gjennomføring Analyseparametere Råvann til bruk i forsøkene Råvannskilde Råvannskilde for forsøk med direktefiltrering Koagulering og direktefiltrering Generelt Pilotanlegg Forsøksopplegg Resultater fra forsøk med kjemisk felling Membranfiltrering Generelt Bakgrunn Beskrivelse membrancelle Membrantyper Forsøksoppsett Resultater Desinfeksjon ved bruk av natriumhypokloritt og kloramin Generelt Bakgrunn Forsøksoppsett Resultater Forslag til videre arbeid Referanser...39 Vedlegg 1. Rådata...42 Dato: Side 3 : 45 Rapport nr: Versjon: 1

4 Sammendrag og konklusjoner aquateam Det er et hovedprinsipp i norsk drikkevannsforsyning at det skal etableres to hygieniske barrierer i vannforsyningssystemet. Den ene barrieren skal foreta en desinfeksjon eller annen behandling som fjerner uskadeliggjør eller dreper smittestoffene. I henhold til Drikkevannsforskriften skal fastsettelsen av de hygieniske barrierene være basert på helhetstenkning, dvs. at beskyttelsen av både vannkilde, tilsigsområde, samt vannbehandling og distribusjonsnett må inngå i vurderingen av den hygieniske barrierevirkningen i et vannforsyningssystem. Minst en barriere skal ligge i vannbehandlingsanlegget. Ofte er ikke kilden tilstrekkelig beskyttet mot mikrobiologisk kontaminering, slik at det må bygges inn to uavhengige hygieniske barrierer i vannbehandlingsanlegget. Hygieniske barrierer er et begrep som må defineres nærmere. Hva/hvilke mikroorganismer eller kjemiske forbindelser skal det være en barriere mot, og hvilke krav skal stilles til virkningsgraden av de ulike barrierene? For de ulike vannbehandlingsmetodene som benyttes er det rapportert ulik effektivitet mht. reduksjon av bakteriologiske parametere. Dette viser at den hygieniske barrierevirkningen er avhengig av de lokale forholdene (vannkvalitet og driftsforhold). Hovedmålet med prosjektet Hygieniske barrierer i vannbehandlingen er å klarlegge i hvilken grad ulike fysisk/kjemiske renseprosesser utgjør en hygienisk barriere, og hvilke krav som må stilles til driften av renseprosessene. Hygienisk barriere betyr i denne sammenheng, barriere mot mikrobiologisk forurensning med utgangspunkt i kravene i Drikkevannsforskriften. Følgende metoder har inngått i prosjektet: Direktefiltrering i pilotskala med aluminiumssulfat som koagulant Direktefiltrering i pilotskala med jernklorid som koagulant Membranfiltrering. Det er gjennomført forsøk i lab-skala med filtrering gjennom membraner med nominell porestørrelse 25, 14, 6 og 5 nm Desinfeksjon med natriumhypokloritt (NaOCl). Det er gjennomført dose-respons tester i lab-skala Desinfeksjon med kloramin, basert på natriumhypokloritt og ammoniumsulfat i labskala. Som råvann for samtlige forsøk er det benyttet vann fra Maridalsvannet for å simulere bakteriologisk forurensning av råvannet ble det tilsatt ubehandlet avløpsvann. Kjemisk felling Forsøkene viser at ved stabil drift med turbiditet < 0,1 FTU og fargetall < 5 mg Pt/l fungerte pilotfilteret som en hygienisk barriere for koliforme bakterier, E. coli og Clostridium perfringens. I modningstiden etter tilbakespyling av filteret ble det registrert både koliforme bakterier og E. coli ved turbiditet i rentvannet lik 0,14 FTU, men det ble ikke registret Clostridium perfingens. Forsøkene viste at det tok lengre tid å reetablere den hygieniske barrieren for koliforme bakterier og E. coli enn for Clostridium perfringens. Modningsperioden er en kritisk periode mht. hygienisk barrierevirkning og det bør være en driftsmessig målsetting så raskt som mulig å oppnå turbiditet i rentvannet lavere eller lik 0,1 FTU og med fargetall lik 5 mg Pt/l. Det er imidlertid vanskelig å fastsette en enhetlig lengde på modningstiden. En eventuell avkorting av modningsperioden (vann føres ut på nettet før de Dato: Side 4 : 45 Rapport nr: Versjon: 1

5 gitte kvalitetskravene er nådd (for eksempel for å hindre at produsert vann går til spille) bør ikke nødvendigvis representere noe problem med tanke på forhøyet farge eller turbiditet i rentvannet hvis det aktuelle filter er ett av flere paralleller. Med tanke på opprettholdelse av den hygieniske barrieren i behandlingstrinnet må en slik avkorting av modningstiden ikke forekomme. Membranfiltrering Forsøkene med membranfiltrering ble gjennomført med en membrancelle av typen OSMOTICS SEPA ST. Cellen fungerer som en batchfiltreringsenhet, dvs. et avgrenset volum vann passerer membranen i hver filtreringssyklus. Det tas ikke ut noen konsentratstrøm, dette innebærer at beleggdannelsen på membranoverflaten vil øke i løpet av filtreringssyklusen. Det ble testet 4 membraner med ulik porestørrelse (beregnet fra MWCO). Materiale MVCO oppgitt fra produsent Beregnet porestørrelse (nm) Polyethersulphone Polyethersulphone Polysulphone Cellulose Acetate Membranene med poreåpning hhv. 25 og 14 nm hadde mindre enn 3 Log reduksjon av bakteriofager, koliforme bakterier og E. coli. Disse membranene fungerer derfor ikke som en hygienisk barriere for disse parameterne. Membranen med 14 nm poreåpning fjernet imidlertid Clostridium perfringens fullstendig, og denne vil kunne fungere som en hygienisk barriere mot parasitter. Membranen med 6 nm poreåpning hadde mer enn 3 Log fjerning for alle parametere, denne vil derfor fungere som en hygienisk barriere med ugangspunkt i kravene til mikrobiologisk kvalitet på vannet som er formulert i Drikkevannsforskriften. Det understrekes at membranens langtidseffekt ikke er testet i og med at hovedhensikten med forsøkene har vært å undersøke sammenhengen mellom porestørrelse og reduksjon av de vanligste parametrene for bakteriologisk kvalitet på drikkevannet. Klor og kloramin I forsøksomgangene med bruk av klor og kloramin ble det lagt vekt på å undersøke flg. forhold: Hvilken reduksjon av koliforme bakterier, E. coli og Clostridium perfringens kan forventes i tilfelle svikt i den første barrieren Vil bruk av kloramin være fordelaktig i forhold til bruk av klor? I forsøkene med bruk av klor var utgangskonsentrasjonen i råvannet for hhv. koliforme bakterier og E. coli 4, og 2, Etter 30 minutter kontakttid ble det for den laveste klordosen (0,72 mgcl 2 /l) oppnådd ca. 2,2 til 2,4 log reduksjon for koliforme bakterier og E. coli. Fritt restklor etter 30 minutter varierte i området 90 97µgCl 2 /l. Ved de to høyeste klordoseringene ble det oppnådd fra 3,1 til 4,2 log reduksjon av koliforme bakterier og fra 3,1 til 3,7 log reduksjon av E. coli. Fritt restklor etter 30 minutter varierte da mellom 137 og 163 µgcl 2 /l. Ingen av klordosene hadde merkbar virkning på reduksjonen av Clostridium perfringens og dette er som forventet. Resultatene viser at ved alvorlig svikt i foranliggende barrierer samtidig som det opptrer en akutt forurensningssituasjon ville desinfeksjonstrinnet i dette tilfellet ikke fungert som en hygienisk barriere mhp. E. coli med en restklorkonsentrasjon som er det dobbelte av den laveste restklorkonsentrasjonen som er angitt i veileder til Drikkevannsforskriften. Når man Dato: Side 5 : 45 Rapport nr: Versjon: 1

6 skal velge hvilken restklorkonsentrasjon som skal være en driftsmessig målsetting må dette skje på grunnlag av en risikovurdering mht. muligheten for forurensning av råvannet. Resultatene av forsøkene indikerer at bruk av kloramin vil gi en noe større reduksjon av Clostridium perfringens enn bare ved bruk av klor, under forutsetning av at det opptrer like lange oppholdstider, temperatur etc. Forskjellen mellom behandlingsalternativene med hhv. klor og kloramin er liten og verken klor eller kloramin vil fungere som en hygienisk barriere i forhold til Clostridium perfringens. Svikt i foranliggende barrierer vil derfor kunne medføre at Clostridium perfingens blir ført fram til abonnenten. Ved gjennomføring av prosjektet har følgende personer/institusjoner/firma bidratt med viktige og nødvendige råd og tjenester, samt utlån av utstyr: Øyvin Østensvik og personalet på laboratoriet på Norges veterinærhøgskole, som har utført alle analyser av Clostridium prerfingens Mette Myrmel på Norges veterinærhøgskole, som har utført alle bestemmelser av bakteriofager Magnar Ottøy ved Høgskolen i Telemark, for utlån av membrancelle Profinor a/s for å ha skaffet membraner fra Osmonics Dato: Side 6 : 45 Rapport nr: Versjon: 1

7 1. Bakgrunn 1.1. Krav til mikrobiologisk kvalitet på drikkevann EU vedtok høsten 1998 et revidert drikkevannsdirektiv (EU, 1998) som er styrende for medlemslandene i EU og EØS-landene. Direktivet setter fokus på forholdet mellom vannkvalitet og helserisiko. Det er generell enighet i medlemslandene om at kontroll med vannets mikrobiologiske kvalitet er en primær målsetting for helsebeskyttelse. Tabell A i direktivet inneholder to mikrobiologiske parametere, hvorav en er ny. Drikkevannet skal i følge denne tabellen ikke inneholde Escherichia coli (E. coli) og Enterococci i 100 ml prøve. Det er ikke anledning til avvik fra tabell A. Tabell C har 18 indikatorparametere, hvorav 2 er nye. En ny mikrobiologisk parameter er testing for Clostridium perfringens i vann som kommer fra, eller er påvirket av overflatevann. Tabell C omfatter også testing for koliforme bakterier. For begge parametrene er den veiledende verdien 0/100 ml. I tillegg har EU satt opp krav til at totalt antall bakterier (kimtall) ved 22 C ikke skal ha unormal forandring (tabell C). Det vil si at variasjoner kan tillates hvis det har en normal forklaring. Krav på at vannet også skal være fritt for parasitter og virus som kan være en potensiell fare for menneskelig helse, kommer fram i direktivets generelle bestemmelser gitt i artikkel 4. Kravene i EUs drikkevannsdirektiv er implementert i Forskrift om vannforsyning og drikkevann (Drikkevannsforskriften) som ble fastsatt av Sosial- og helsedepartementet 4.desember Kravene til mikrobiologisk kvalitet på drikkevann levert til abonnent eller forbruker er formulert i tabell 2.1 i Drikkevannsforskriften, disse er vist i tabell 1.1 Tabell 1.1 Mikrobiologiske kvalitetskrav for vann levert til abonnent eller forbruker (Drikkevannsforskriften) Nr. Parameter Enhet 5 Clostridium perfringens (inkl. sporer) Grenseverdi Tiltakstype Antall/100 ml 0 C 6 E.coli Antall/100 ml 0 A 7 Intestinale enterokokker Antall/100 ml 0 A 8 Kimtall 22 C Antall/ml - C 9 Koliforme bakterier Antall/100 ml 0 B Merknader Dersom verdien overskrides, må vannverket undersøke vannforsyningen for å forsikre seg om at det ikke er noen potensiell helserisiko forbundet med tilstedeværelse av patogene mikroorganismer, for eksempel Cryptosporidium eller Norwalk-lignende virus. Ved verdier over 100 må årsaken undersøkes. Den nye Drikkevannsforskriften inneholder flere navngitte mikrobiologiske parametere enn sin forgjenger fra 1995 (Forskrift om vannforsyning og drikkevann m.m., Sosial og helsedepartementet, 1995). Innføring og testing for enkelte nye arter innebærer at det må etableres nye analysemetoder. Når det gjelder Clostridium perfringens i drikkevann finnes det for eksempel pr. dags dato ingen allmenngodkjent standardisert metode. ISO arbeider med et metodeutkast, ISO , men dette arbeidet er ikke sluttført pr i dag (Østensvik, 2003). Dato: Side 7 : 45 Rapport nr: Versjon: 1

8 Sammenhengen mellom vannbehandling og fjerning av desinfeksjonsresistente mikroorganismer slik som Clostridium perfringens og parasitter, er av spesiell interesse. I 1999 gjennomførte Aquateam et prosjekt mhp. forekomst av Clostridium perfringens i vannsprøver ved 19 vannverk, og lave verdier av Clostridium perfringens ble påvist i både råvann og rentvann fra flere vannverk (Charnock, 1999). Forskning ved Veterinærinstituttet viste at av 139 råvannsprøver var 14 % positive for Cryptosporidium og 10 % for Giardia. Drikkevannsforskriften slår fast at om C. perfringens påvises i drikkevann, skal kilden undersøkes for å være sikker på at den ikke volder en fare for helse pga tilstedeværelse av patogene mikroorganismer, for eksempel Cryptosporidium. Dette er fordi C. perfringens også kan brukes som indikator for fjerning av Cryptosporidium. Forskning har også vist at C. perfringens er beste surrogat for testing for virus så vel som parasitter i drikkevann (Payment and Franco, 1993). Hvorvidt vannet inneholder skadelige mikroorganismer bestemmes ved å analysere vannet for ulike indikatororganismer. Hvilke indikatororganismer som benyttes varierer noe mellom ulike land, men Escherichia coli (E. coli), evt. termotolerante koliforme bakterier (TKB), er blant de viktigste indikatororganismene Hygieniske barrierer Det er et hovedprinsipp i norsk drikkevannsforsyning at det skal etableres to hygieniske barrierer i vannforsyningssystemet. Den ene barrieren skal foreta en desinfeksjon eller annen behandling som fjerner, uskadeliggjør eller dreper smittestoffene. I henhold til drikkevannsforskriften skal fastsettelsen av de hygieniske barrierene være basert på helhetstenkning, dvs. at beskyttelsen av både vannkilde, tilsigsområde, samt vannbehandling og distribusjonsnett må inngå i vurderingen av den hygieniske barrierevirkningen i et vannforsyningssystem. Uavhengighet mellom de to hygieniske barrierene er et hovedkrav. Dette innebærer at svikt i den ene barrieren ikke skal medføre nedsatt effekt av den andre barrieren. I norsk drikkevannsforsyning er det et viktig prinsipp at drikkevannsforsyningen skal hvis mulig, baseres på kilder som har god kvalitet og som har god beskyttelse mot ytre påvirkning. Ved å innføre beskyttelsestiltak i tilknytning til tilsigsområde eller vannkilde kan man oppnå en like god eller bedre sikkerhet, enn om man må baseres seg på at fjerning av sykdomsfremkallende organismer og skadelige kjemiske stoffer skal foregå i vannbehandlingen. Denne typen naturlige hygieniske barrierer forutsetter at det skal være minst mulig tilførsel av forurensning, eventuelle forurensninger skal holdes tilbake eller brytes ned. For å oppnå dette må tilsigsområdet holdes mest mulig fritt for etablering av virksomheter eller aktiviteter som medfører, eller kan medføre, tilførsel av uønskede komponenter til vannforsyningssystemet. Ved å innføre forbud mot potensielle forurensende aktiviteter vil det kunne oppnås en barriere mot uønskede fysiske og kjemiske stoffer i tilsigsområdet til vannkilden. Ved tilstrekkelig store vannkilder vil nedbrytningsprosesser og fortynning kunne representere en barriere mot fysiske og kjemiske komponenter i selve vannkilden. I tilfeller der vannforsyningen er basert på overflatevann, kan nedbørfelt og vannkilde til sammen ikke utgjøre mer enn én hygienisk barriere over for mikroorganismer. (Veileder til drikkevannsforskriften) Dette har sammenheng med at ikke alle kilder for mikrobiologisk forurensning kan reguleres bort. Denne typen forurensning kan være forårsaket av ville dyr/fugler. I tillegg kommer allmenn ferdsel i utmark som også representerer et forurensningspotensial som er vanskelig å regulere bort. Det må derfor i hvert enkelt tilfelle vurderes hvordan den hygieniske barrierevirkningen kan ivaretas for systemet tilsigsområde kilde. Dato: Side 8 : 45 Rapport nr: Versjon: 1

9 Hvis det ikke er mulig å etablere en tilfredsstillende hygienisk barrierevirkning i tilsigsområde - kilde, må det etableres en vannbehandling som omfatter minimum to hygieniske barrierer. I utgangspunktet er det gitt at den ene hygieniske barrieren skal bestå av desinfeksjon eller en prosess som har tilsvarende virkning. Som barriere mot mikrobiologisk forurensning etableres vanligvis et prosesstrinn for fjerning av partikler (kjemisk felling og filtrering, membranfiltrering). De hygieniske barrierene skal være tilpasset den aktuelle forurensningsfaren. Dette innebærer at vannbehandlingsprosessen også kan inkludere prosesser som reduserer/fjerner fysiske og kjemiske forurensningskomponenter som passerer de etablerte barrierene som fjerner partikler. Et eksempel på denne typen prosesser er aktivkarbonfilter Hygieniske barrierer I vannbehandlingen Den norske drikkevannsforskriften krever at når overflatevann benyttes som råvann, skal det være to uavhengige barrierer mot mikrobiologisk kontaminering. Den ene av disse barrierene kan ligge i vannkilden, ved at det er en klausulering i nedslagsfeltet, eller et inntaksdyp i store innsjøer, som hindrer kontaminering. Minst en barriere skal ligge i vannbehandlingsanlegget. Ofte er ikke kilden tilstrekkelig beskyttet mot mikrobiologisk kontaminering, slik at det må bygges inn to uavhengige hygieniske barrierer i vannbehandlingsanlegget. Hygieniske barrierer er et begrep som må defineres nærmere. Hva/hvilke mikroorganismer eller kjemiske forbindelser skal det være en barriere mot, og hvilke krav skal stilles til virkningsgraden av de ulike barrierene? Hvilke krav som skal stilles til overvåkningen av at de ulike barrierene fungerer tilfredsstillende, er også et vesentlig moment. I USA har det vært flere epidemier knyttet til drikkevannet uten at måling av turbiditeten, eller andre parametere, på rentvannet tilsa at noe var unormalt. Årsaken var at ett av flere filtre i et koagulerings- og separasjonstrinn ikke fungerte tilfredsstillende, og at turbiditeten ikke ble målt på hver linje (Stenstrøm, 1996). Når det skal stilles krav til hygieniske barrierer, er det flere forhold som må avklares og/eller defineres: Hvilke mikroorganismer skal det være barrierer mot? Vil en barriere mot f.eks. Cryptosporidium være forskjellig fra en barriere mot E. coli Hvilke renseprosesser er relevante, og hvilke krav må stilles til driften av disse prosessene? Et eksempel på at driften må tilpasses målsetningen om at renseprosessen skal være en hygienisk barriere, er hvorvidt et direktefiltreringsanlegg kan tilbakespyles med råvann, eller om spylevannet må være rentvann for å unngå kontaminering Hvordan kan ulike renseprosesser koordineres slik at de to hygieniske barrierene totalt gir en sikkerhet mot mikrobiologisk kontaminering? Cryptosporidium er igjen et godt eksempel, siden denne er klorresistent, men kan fjernes ved effektiv partikkelseparasjon. Det har tidligere vært gjennomført NORVAR-prosjekter (Storhaug, 1996) som har søkt å klarlegge om ulike filtreringsprosesser vil utgjøre en hygienisk barriere. Hurtigsandfiltre vil ikke utgjøre noen hygienisk barriere, mens resultater av litteratursøk tilsier at både direktefiltrering og membranfiltrering kan utgjøre en slik barriere. Resultater fra måling av C. perfringens i norske vannverk indikerer at kun direktefiltrering og muligens membranfiltrering vil være en hygienisk barriere mot denne indikatororganismen (Charnock, 1999). For direktefiltrering må det stilles krav til driftsforholdene, og både modningstid, type spylevann, fellings-ph og kjemikaliedosering er momenter som må vektlegges. For membranfiltrering er det stilt spørsmål ved om mikroorganismer kan vokse gjennom membranen. Klorering og UV er ansett som tilfredsstillende desinfeksjon i Norge, men det er da kun tatt utgangspunkt i E. coli/termotolerante koliforme bakterier som indikatororganismer. Dato: Side 9 : 45 Rapport nr: Versjon: 1

10 Kort oppsummert er begrepet hygieniske barrierer i vannbehandling ikke tilfredsstillende definert mhp. hvilke mikroorganismer barrierene skal stoppe, eller hvilken virkningsgrad som skal stilles til barrierene. Hvilke krav som skal stilles til driften av ulike renseprosesser for at de skal utgjøre en hygienisk barriere avhenger bl.a. av kravene til mikroorganismer og virkningsgrad. I litteraturen er det rapportert om en lang rekke undersøkelser vedrørende barrierevirkningen ved ulike vannbehandlingsmetoder. I tabell 1.2 er det gitt en del eksempler på oppnådd inaktivering av ulike mikroorganismer Tabell 1.2 Rapportert fjerning av en del bakteriologiske parametere ved bruk av ulike behandlingsmetoder(pilot- eller fullskala anlegg. (log-reduksjon) Virus Bakterier Protozoer Metode Klor Bakteriofager Enterovirus, Poliovirus Kimtall E. coli, TKB fekale koliforme Fekale strepto kokker Clostridium perfingens, sulfittredus erende klostridier 1, Tot. koliforme Giardia Cryptosporidium Kloramin UV 2-6,5 16 Koagulering og 7 0, ,1-0,6 separasjon 0, Omvendt osmose/ nanofiltrering Ultrafiltrering Mikrofiltrering 0,3-0,9 2 0,4 4 0, ,8-1,7 20 0, ,6 5 >2 6 0,7-0,9 7 0, ,3-1,5 14 1,5-3,3 15 1,4-2,3 2 3,1 4 0,7-3,6 5 0,7-1, , , ,9-3,5 0,5-0,9 7 0, ,1- >2 10 0,2- >3 13 > >4, , ,6 24 >6 9 >6 9 1,5-> >5,4 23 0,8 3 0,2-1,2 9 0,7-2,3 23 0,05-3,3 24 1) Filtrering, sedimentering + filtrering eller flotasjon + filtrering. 2) Kiuru (1988). 3) Randon (1997). 4) Gimbel and Clasen (1997). 5) Wilhelmsen-Zwaagstra (1997). 6) Hem et al. (1996). 7) Nozaic (1997). 8) Jacangelo et al. (1991). 9) Jacangelo et al. (1995). 10) Logsdon et al. (1985). 11) Fujioka and Shizumura (1985). 12) Veneczel et al. (1997). >6 9 >6 9 0, >4, ,3 19 0, >5 24 > ) Al-Ani et al. (1986). 14) EPA (1984). 15) Hendricks (1988). 16) Lund (1986). 17) Lund (1985). 30 min kontakttid 18) Hall and Pressdee (1993). 19) LeChevallier et al. (1991). 20) Denny and Pitchers (1994). 21) Allen and Geldreich (1978). 30 min kontakttid, 0,03 mg Cl 2 /l i fri restklor. 22) Krivobok et al. (1986). 23) Kruithof et al. (1997). 24) Adham et al. (1997). Effektiviteten av de ulike behandlingsmetodene er i tabell 1.2 angitt ved Log-reduksjon. Innenfor vannrenseteknikken er det mest vanlig å angi oppnådd reduksjon i % av utgangsverdien i ubehandlet vann. Sammenhengen mellom oppnådd reduksjon angitt i % og som Log-reduksjon er som følger. Dato: Side 10 : 45 Rapport nr: Versjon: 1

11 log-reduksjon %-reduksjon ,9 4 99, ,999 Tabell 1.2 viser at for de fleste parametere varierer rapporterte verdier for oppnådd reduksjon innenfor forholdsvis vide grenser. De lokale forholdene (for eksempel forsøksbetingelser, vannkvalitet etc.) vil derfor ha stor innvirkning på resultatene som oppnås. For fullskala behandlingsanlegg betyr dette at overvåkning og styring av prosessen i den daglige driften vil avgjøre om behandlingstrinnet vil fungere som en hygienisk barriere. Dato: Side 11 : 45 Rapport nr: Versjon: 1

12 2. Ramme for prosjektet 2.1. Hovedmål for prosjektet Hovedmålet med prosjektet er å klarlegge i hvilken grad ulike fysisk/kjemiske renseprosesser utgjør en hygienisk barriere, og hvilke krav som må stilles til driften av renseprosessene. Hygienisk barriere betyr i denne sammenheng, barriere mot mikrobiologisk forurensning med utgangspunkt i kravene i Drikkevannsforskriften. Egenskapene de ulike prosessene har til å fungere som en hygienisk barriere bygger ofte på optimale prosessforhold. Ved normal drift av de ulike behandlingsprosessene opptrer både uforutsette og planlagte faser der driftsforholdene avviker fra det optimale. Ved vurdering av hygienisk barrierevirkning legges det til grunn at kravene til mikrobiologisk vannkvalitet i Drikkevannsforskriften og i EU s drikkevannsdirektiv skal oppfylles til enhver tid Gjennomføring Det er vanskelig å gjennomføre denne typen undersøkelser på fullskala vannbehandlingsaniegg fordi det da er umulig å tilsette mikroorganismer til råvannet for å registrere reduksjonen i behandlingsprosessen. Prosjektet er derfor gjennomført i form av undersøkelser i lab- og pilotskala der fjerningen av ulike indikatororganismer er registrert. Følgende prosesser inngår i forsøkene: Direktefiltrering med aluminiumssulfat som koagulant ved ph 6,1. Forsøk gjennomført i pilotskala der fjerning av E. coli, koliforme bakterier og Clostridium perfringens er undersøkt Direktefiltrering med jernklorid som koagulant ved ph 4, Forsøk gjennomført i pilotskala der reduksjonen av E. coli, koliforme bakterier og Clostridium perfringens er undersøkt Membranfiltrering. Det er gjennomført forsøk i labskala med filtrering gjennom membraner med ulik porestørrelse der reduksjonen av E. coli, koliforme bakterier, Clostridium perfringens og bakteriofager (som surrogat for Enterovirus) er undersøkt. Desinfeksjon med natriumhypokloritt (NaOCl) Det er gjennomført dose-respons tester i lab-skala, med analyse av rentvannet samt reanalyse etter 7 døgns lagring. Reduksjon av E. coli, koliforme bakterier, Clostridium perfringens er undersøkt Desinfeksjon med kloramindosering, basert på natriumhypokloritt og ammoniumklorid. Det er gjennomført dose-respons forsøk, i lab-skala med analyse av rentvannet samt reanalyse etter hhv. 12 timer og 7 døgns lagring. Reduksjonen av E. coli, koliforme bakterier, Clostridium perfringens er undersøkt Delvis som følge av at vannmengdene som ble benyttet til forsøkene er svært små, ble Clostridium perfringens benyttet som surrogatparameter for Giardia og Cryptosporidium. I tillegg ville håndtering av disse mikroorganismene satt krav til laboratoriefasilitetene som det ikke var mulig å tilfredsstille. Biodosimeter til bruk i tester med UV (i samsvar med nytt regelverk) var ikke tilgjengelig for prosjektet. Forsøkene med direktefiltrering ble derfor gitt høyere prioritet. Dato: Side 12 : 45 Rapport nr: Versjon: 1

13 3. Analyseparametere aquateam I løpet av prosjektet er det benyttet ulike laboratorier og analysemetoder for de ulike bakteriologiske parametrene. Tabell 3.1 viser en oversikt over analysemetoder og laboratorier for de aktuelle bakteriologiske parametrene. Tabell 3.1 Oversikt over analyseparametere Forsøksperiode Parameter Metode Laboratorium Undersøkelse av råvann (fortynningsforsøk) Direktefiltrering med Jernklorid Direktefiltrering med Aluminiumsulfat Membranfiltrering E. coli NS 4792 Sulfittreduserende klostridier ISO E. coli NS 4792 Koliforme bakterier NS 4792m Clostridium perfringens mcp-agar 1) E. coli Intern Koliforme bakterier Clostridium perfringens Intern mcp-agar E. coli Intern Koliforme bakterier Clostridium perfringens Bakteriofager (2MS2) Intern mcp-agar ISO Water quality - Detection and enumeration of bacteriophages. Part 1: Enumeration of F- specific RNA bacteriophages E. coli NS 4792 Desinfeksjon ned Natriumhypokloritt og Kloramin Koliforme bakterier Clostridium perfringens NS 4792m mcp-agar 1) 1) Parallellbestemmelse med TSC-agar i hht. (ISO/WD ) AnalyCen AnalyCen Norges veterinærhøgskole Aquateam Norges veterinærhøgskole Norges veterinærhøgskole Norges veterinærhøgskole Norges veterinærhøgskole Alle forsøksperioder ble koordinert med analysekapasiteten på laboratoriene slik at analyse av prøvene kunne starte samme dag som forsøket ble gjennomført. Dato: Side 13 : 45 Rapport nr: Versjon: 1

14 4. Råvann til bruk i forsøkene 4.1. Råvannskilde Som råvann for samtlige forsøk er det benyttet vann fra Maridalsvannet. For lab.forsøkene ble vannet tatt ut på Oset vannbehandlingsanlegg samme morgen, evt. dagen før forsøkene ble gjennomført. Råvannet ble tatt ut i prøvetakingskranen for råvann (dvs. ubehandlet vann fra Maridalsvannet) på Oset. For å simulere bakteriologisk forurensning av råvannet ble det tilsatt ubehandlet avløpsvann fra Bekkelaget avløpsrenseanlegg (BRA). Alternativet til å benytte avløpsvann var å benytte renkulturer av de ulike bakteriene, men dette ville imidlertid medføre en del hygieniske sikkerhetsforanstaltninger som vanskelig kunne la seg gjennomføre. Bakteriofagene ble imidlertid tilsatt som renkulturer Råvannskilde for forsøk med direktefiltrering Forsøkene med koagulering og direktefiltrering i pilotskala hadde et mye høyere vannforbruk enn forsøkene med hhv. membranfiltrering og klorbaserte metoder. Det ble derfor gjennomført et separat forsøk for å kartlegge om det i disse forsøkene kunne benyttes avklorert kranvann som råvannskilde for pilotanlegget. I forsøket ble hhv. kranvann, avklorert kranvann (kranvann tilsatt Na 2 S 2 O 3, Na-thiosulfat), råvann fra Maridalsvannet og destillert vann tilsatt ubehandlet avløpsvann fra BRA i fortynningene 1: 1000 og 1:200. I forsøkene ble det benyttet autoklaverte flasker (120 C i 15 minutter) etter fortynningen ble flaskene oppbevart ved romtemperatur i 24 timer. Prøvene ble deretter analysert på E. coli og Sulfittsreduserende klostridier. Avløpsvannet som ble benyttet i forsøkene hadde følgende sammensetning. E. coli : /100 ml Sulfittreduserende klostridier : /100ml Figur 4.1 og 4.2 viser resultatene fra forsøkene. Rådata fra forsøkene er vist i vedlegg I, tabell I E. coli ( Antall/100 ml) Maks Min Middel Kranvann Kranvann Kranvann Kranvann Råvann Råvann Dest. vann Dest. vann m. thiosulf m. thiosulf Oset Oset 1:1000 1:200 1:1000 1:200 1:1000 1:200 1:1000 1:200 Figur 4.1 Konsentrasjonen av E. coli i alternative råvannstyper for forsøkene med direktefiltrering. Teoretisk beregnede konsentrasjoner var pr. 100 ml ved fortynning 1:1000 og pr. 100 ml ved fortynning 1:200 Dato: Side 14 : 45 Rapport nr: Versjon: 1

15 700 Sulf. red. clostr ( Antall/100 ml) Maks Min Middel Kranvann Kranvann Kranvann Kranvann Råvann Råvann Dest. vann Dest. vann m. thiosulf m. thiosulf Oset Oset 1:1000 1:200 1:1000 1:200 1:1000 1:200 1:1000 1:200 Figur 4.2 Konsentrasjonen av Sulfittreduserende klostridier i alternative råvannstyper for forsøkene med direktefiltrering. Teoretisk beregnede konsentrasjoner var 21 pr. 100 ml ved fortynning 1:1000 og 105 pr. 100 ml ved fortynning 1:200 For E. coli er det en betydelig forskjell mellom fortynningene som er gjort med bare kranvann og fortynningene som er gjort med hhv. avklorert kranvann og råvann fra Maridalsvannet. Konsentrasjonen av E. coli i begge fortynninger med bare kranvann er bare ca. 30 % av tilsvarende for hhv. avklorert kranvann og råvann fra Maridalsvannet. For sulfittreduserende klostridier er det mindre forskjell mellom de ulike råvannstypene, dette er naturlig i og med at disse er lite påvirkelig av klor. Ut fra resultatene i dette forsøket ble det konkludert med at avklorert kranvann kunne benyttes som råvannskilde i forsøkene med koagulering og direktefiltrering. Dato: Side 15 : 45 Rapport nr: Versjon: 1

16 5. Koagulering og direktefiltrering 5.1. Generelt I forsøksomgangene med koagulering og direktefiltrering ble det lagt vekt på å undersøke to forhold: Den hygieniske barrierevirkningen ved normale driftsforhold midt i en filtersyklus (mellom to tilbakespylinger) Den hygieniske barrierevirkningen i modningstiden (umiddelbart etter tilbakespyling) Forsøkene ble gjennomført i pilotskala i Aquateams laboratorium 5.2. Pilotanlegg Forsøkene med koagulering og direktefiltrering ble gjennomført i et pilotanlegg som ble bygget opp i Aquateams laboratorium i Oslo. Flytskjema for pilotanlegget er vist på figur 5.1 Prøvepkt. inn Nettvann fra Oslo Na-thiosulf. Avl.vann Fell. kjem. Til avløp Turbidimeter Prøvepkt. ut Tilbakespyling, nettvann fra Oslo Til avløp Til avløp Figur 5.1 Flytskjema for pilotanlegg benyttet i forsøk med koagulering og direktefiltrering Nettvann (kranvann) fra Oslo ble ført inn i en utjevningstank på ca. 200 l med overløp, fra utjevningstanken ble det pumpet en konstant vannmengde via et rotameter og en reguleringsventil og fram til et 3 l begerglass der det ble tilsatt Na-thiosulfat ved hjelp av en peristaltisk pumpe. Fra begerglass 1 ble vannet ført videre til begerglass 2 der det ble tilsatt fortynnet avløpsvann. I begerglass 3 ble det tilsatt hovedkoagulant. Alle begerglass var utstyrt med hurtigomrørere. Filterkolonnen var utformet i glass og filterbunnen besto av én filterdyse. På utløpet fra filteret var det montert et turbidigmeter av type Series Turblight. Alle prøver ble tatt ut mellom begerglass 2 og 3, dvs etter innblanding av hhv. Na-thiosulfat og avløpsvann. Det ble gjort forsøk med partikkeltelling med en Malvern Mastersizer. Partikkeltellingen ble gjennomført ved at delprøver ble tatt ut, disse ble filtrert gjennom et membranfilter (0,45 µm). Avsatt materiale på filteret ble så resuspendert ved hjelp av ultralyd. Denne teknikken ga imidlertid ikke reproduserbare resultater og den ble derfor ikke benyttet i forsøkene. Dato: Side 16 : 45 Rapport nr: Versjon: 1

17 Figur 5.2 Opplegg for innblanding av kjemikalier Spesifikasjoner for pilotanlegg Begerglass (1,2 og 3) 3,0 l Filterkolonne (glass) Indre diameter Areal Høyde 94 mm 0,00694 m 2 2,5 m Filteroppbygning Sand (1,2 2,0 mm) Sand (0,4 0,6 mm) Antrasitt (0,6 1,6 mm) Total filtersengdybde 0,11 m 0,29 m 0,40 m 0,80 m Figur 5.3 Filterkolonne og doseringsopplegg Dato: Side 17 : 45 Rapport nr: Versjon: 1

18 5.3. Forsøksopplegg Før hver forsøksomgang ble det ført en klorløsning gjennom anlegget, deretter ble anlegget startet opp med den ønskede dosering av hhv. Na thiosulfat, avløpsvann og hovedkoagulant. Ved tilbakespyling av filteret ble det benyttet nettvann fra Oslo. Tilbakespylingshastigheten var 51 m/time. Hastigheten ved tilbakespylingen ble innstilt slik at det var full fluidisering av filtersengen i spyleperioden. I og med at det ble benyttet nettvann til tilbakespylingen ble det forutsatt at det ikke ble tilført E. coli eller koliforme bakterier. Clostridium perfringens kan bli tilført med spylevannet, dette er lite sannsynlig og ble derfor ikke kontrollert. I tilbakespylingsperioden ble doseringen av Na-thiosulfat og avløpsvann slått av. Når råvannstilførselen igjen ble slått på etter tilbakespylingen, ble doseringen av Na-thioslulfat og avløpsvann slått på samtidig. Den bakteriologiske forurensningen var dermed til stede i råvannet i hele modningsperioden. Tabell 5.1 viser en oversikt over forsøksomgangene. Tabell 5.1 Oversikt over gjennomførte forsøksomganger med kjemisk felling Forsøksomgang Nr. Hovedkoagulant Type Dosering (mg Me/l) Koagulerings ph - Midlere filtreringshastighet (m/time) Temperatur ( C) Merknad 1 FeCl 3 4,0 4,0 6,8 10,8 Jevn belastning 2 FeCl 3 4,0 4,1 6,8 10,5 3 Al 2 (SO 4 ) 3 2,2 6,1 7,2 11,1 I forsøksomgangene ble det lagt vekt på å undersøke to forhold: Jevn belastning Avbrutt av tilbakespyling Jevn belastning Avbrutt av tilbakespyling Den hygieniske barrierevirkningen ved normale driftsforhold midt i en filtersyklus (mellom to tilbakespylinger) Den hygieniske barrierevirkningen i modningstiden (umiddelbart etter tilbakespyling). Koagulantdose og koagulerings-ph var den samme i modningsperioden som ved normal drift Tabell 5.2 viser en sammenstilling av kvaliteten på råvannet som ble benyttet i de ulike forsøksomgangene. Tabell 5.2 Sammensetningen av råvannet som ble benyttet i forsøkene med kjemisk felling Forsøksomgang Nr. Fargetall (mgpt/l) Turbiditet (FTU) TOC (mgc/l) ,00 3, ,61 3, ,60 3,9 Koliforme bakterier ( Ant./100ml) 1000 ( ) 480 ( ) 420 ( ) E. coli (Ant./100 ml) 320 ( ) 120 (60 210) 250 ( ) Clostridium perfingens (Ant./100ml) 31 5 (3 7) 31 (27-34) I utgangspunktet ble det lagt vekt på å oppnå stabil kvalitet på råvannet, spesielt mht. de bakteriologiske parametrene. I og med at det ble benyttet avløpsvann fra Bekkelaget renseanlegg, var man avhengig av stabile tilrenningsforhold. Forsøksomgang 1 og 2 ble gjennomført med få dagers mellomrom og det ble forutsatt at avløpsvannet hadde en Dato: Side 18 : 45 Rapport nr: Versjon: 1

19 tilnærmet lik sammensetning. Det viste seg imidlertid at avløpsvannet i forsøksomgang 2 var betydelig tynnere enn i forsøksomgang 1. Dette gjelder spesielt innholdet av Clostridium perfringens, noe som medførte at innholdet av Clostridium perfringens i råvannet i forsøksomgang 2 ble lavere en ønskelig. Dette er vanskelig å avdekke før analyseresultatene foreligger etter 24 timer. Innholdet av Clostridium perfringens i råvannet var imidlertid i samme størrelsesorden som man kan forvente å finne i råvann på norske vannverk Resultater fra forsøk med kjemisk felling Etter oppstart av pilotanlegget ble det foretatt tilbakespyling og anlegget ble kjørt med konstant filtreringshastighet på 6,8 m/time. Etter at turbiditeten i rentvannet hadde stabilisert seg på ca. 0,1 FTU ble det tatt prøver av koliforme bakterier, E. coli, og Clostridium perfringens. Figur 5.4 og 5.5 viser sammenhengen mellom turbiditet og de aktuelle parametere for forsøksomgang 1. Antall bakterier (/100 ml) Koliforme bakterier ut E-coli ut Turbiditet 2,50 2,25 2,00 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 0,25 Turbiditet (FTU) 0 0, Minutter Figur 5.4 Turbiditet, kolliforme bakterier og E. coli fra forsøksomgang 1, FeCl ,50 9 2,25 Clostridium perfringens (/100 ml) Clostridium perfringens ut Turbiditet 2,00 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 Turbiditet (FTU) 1 0,25 0 0, Minutter Figur 5.5 Turbiditet og Clostridium perfringens fra forsøksomgang 1, FeCl 3 For koliforme bakterier ble det registrert én prøve med 1 pr. 100ml i rentvannet. Utgangskonsentrasjonen i råvannet var da 1200 pr. 100 ml. For E. coli viste også én av rentevannsprøvene 1/100 ml med en konsentrasjon i råvannet på 290/100 ml. Det ble ikke Dato: Side 19 : 45 Rapport nr: Versjon: 1

20 registrert Clostridium perfringens i rentvannet for noen av prøvene. Konsentrasjonen av Clostridium perfringens i råvannet var 31/100 ml. Dette viser at filtreringstrinnet fungerte som en hygienisk barriere i perioden da prøvene ble tatt under tilnærmet optimale driftsforhold min 2, Tilbakespyling 2,25 2,00 Antall bakterier (/100 ml) Koliforme bakt ut E.coli ut Turbiditet +20 min +27 min 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 Turbiditet (FTU) min 0,25 0 0, Minutter Figur 5.6 Turbiditet, kolliforme bakterier og E. coli, fra forsøksomgang 2, FeCl ,50 Clostridium perfringens (Antall /100 ml) Clostridium Perfringens inn Clostridium Perfringens ut Turbiditet Tilbakespyling 2,25 2,00 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 Turbiditet (FTU) 1 0, Minutter Figur 5.7 Turbiditet og Clostridium perfringens fra forsøksomgang 2, FeCl 3 I forsøksomgang 2 ble det tatt ut prøver før tilbakespyling, i løpet av modningstiden og etter at turbiditeten igjen var nede på et nivå lavere enn 0,1 FLU. I løpet av forsøksomgangen ble det lagt vekt på å oppnå så jevn dosering av avløpsvann som mulig, middelverdien for koliforme bakterier i råvannet i løpet av forsøksperioden var 480 pr. 100 ml. Prøvene på råvannet varierte imidlertid mellom 250 og 600 pr. 100 ml. I modningstiden var konsentrasjonen av koliforme bakterier i rentvannet hhv. 6, 10 og 20 pr. 100 ml etter hhv. 20, 27 og 44 minutter etter at spylingen ble avsluttet. Turbiditeten på rentvannet ved de samme tidspunktene var 1,85 FTU, 0,47 FTU, 0,18 FTU. 90 minutter etter at tilbakespylingen var Dato: Side 20 : 45 Rapport nr: Versjon: 1 0,00