Bjørnar Eikebrokk, SINTEF

Transkript

1 Norsk Vann FAGTREFF, Thon Hotel Oslo Airport, Gardermoen, 25. oktober, 2017 FORUM for sikker, bærekraftig og klimarobust drift av koaguleringsanlegg Hva lærte vi av NOMiNOR-prosjektet? Bjørnar Eikebrokk, SINTEF B. Eikebrokk, Sjefforsker, Dr., SINTEF Norway Technology for a better society 1

2 NOMiNOR-prosjektet The NOMiNOR-project ( ; ( ) 7 mill NOK) vannverk; WTWs; 7 7 RI/Univ; FoU-partnere; Norwegian Norsk Water; Vann; Swedish SvensktWater Vatten BRA PC PC BRA BUR JOR IVAR KÄR VEAB GÖR NOR NRV PIT NRV RIN 1. Jordalsvatnet, Bergen (Norge) 2. IVAR, Stavanger (Norge) 3. Burncrooks (Skottland) 4. Pitkäkoski, HSY (Finland) 5. Ringsjöverket, Sydvatten (Sverige) 6. Nedre Romerike Vannverk (Norge) 7. Bracadale (Skottland) 8. Port Charlotte (Skottland) 9. Kärreberg, VEAB (Sverige) 10. Görvälnverket, Norrvatten (Sverige) Univ/FoU-Institusjoner SINTEF (N) UiO (N) & NMBU (N) Cranfield Univ. (UK) SLU & Lund Univ. (SVE) Aalto Univ. (FIN) Technology for a better society 2

3 10 VBA med Ulik vannbehandling og desinfeksjon 1. Görvälnverket, Norrvatten (S): Al-Koag, Sed, Sandfilter, GAC, UV, kloramin 2. Ringsjöverket, Sydvatten (S): Fe-koag, Sed, Sandfilter, SSF, klor 3. Kärreberg, VIVAB (S): PACl-koag, Dynasand, Infiltrasjon 4. Burncrooks, Scottish Water: Al-Koag, Sed, Sandfilter, Klor 5. Port Charlotte, Scottish Water: Al-Koag, Sed, Sandfilter, Klor 6. Bracadale, Scottish Water: NF, GAC, Alk-Filter, Klor 7. Pitkäkoski, HSY - Helsinki Waterworks (FIN): Fe-koag, Sed, sandfilter, ozon-gac, UV, kloramin 8. IVAR (N): Ozon - BioFiltrering (OBF) Pilotanlegg 9. Jordalsvatnet, Bergen (N): Fe-Koag, 3-M Filt m/alk-lag, UV 10. NRV (N): PAX-Koag, Sed, 2-M Filt, GAC, UV, klor (HOCl) Technology for a better society 3

4 Vannbehandlingsmetoder i NOMiNOR NOM: En "target substance" av stor betydning for vannforsyningen NOM = TOC/DOC Farge UV-abs Miljøgifter Substrat UV desinfeksjon; Klor-frie DS à Biostabilitet viktig Eikebrokk 1985 NOM påvirker Behandling & desinfeksjon, Distribusjon: korrosion, DBP, biostabilitet/gjenvekst, beleggdannelse adsorption/biofilm Enkle NOM-diagnoseverktøyà Vurdering av behandlingsbarhet, drift og optimaliseringspotensialer "Enhanced" koagulering m/fe, Al, PACl, 1-M, 2-M, 3-M Filt GAC-filtreringmed/uten forozon Nanofiltrering Disinfeksjon: Klor, Kloramin, Ozon, UV Technology for a better society

5 NOM i overflatevann i Skandinavia Målt som TOC - mg/l; N=4900 (Tuhkanen et al, 2011) P. Ericsson (2011) Endringer Sverige: etter 1984 Årlig (SLU) fargetallsøkning etter 1984 (SLU; P. Ericsson (2011) Gjelder også for Norge opp e ut? Endring i fargetall (% per år) Technology for a better society 5

6 Fargetallet øker i Oslos 4 drikkevannskilder Hva om vi får "Skotske tilstander" med fargetall på ? Technology for a better society 6

7 Anvendte Verktøy for "NOM-diagnoser" Enkle og bruker-relevante analyser: Hurtigfraksjonering av NOM; BDOC- og ATP-analyser for vurderinger av flg type Ø Råvanns behandlingsbarhet Ø Effekt av ulike vannbehandlingsprosesser - oghvor godt anleggdriftes Ø Benchmarking og Optimaliseringspotensialer Ø Biostabilitet & Mikrobiologisk Vekstpotensial Ø Koagulant & Disinfektantbehov (klor, ozon, UV,..) Ø Dannelsespotensial for desinfeksjons biprodukter (DBPFP) Avanserte analyseverktøy (FT-ICR-MS; FCM, FEEM, etc) ü For å øke vår forståelse av NOM/NOM-egenskaper ü Resultatene ikke alltid direkte anvendbare i praksis (".so what?") Technology for a better society 7

8 Hurtigfraksjonering av NOM DOC = VHA+SHA+CHA+NEU VHA/SHA: Very/Slightly Hydrophobic Acids; CHA/NEU: CHArged/NEUtral Hydrophilics Konsentrasjoner av 4 ulike NOMfraksjoner kan enkelt beregnes: VHA SHA CHA VHA, SHA, CHA = DOC inn DOC ut NEU = DOC ut,ira NEU Etter Chow et al., 2004 Technology for a better society 8

9 Hurtigfraksjonering av NOM & BDOC analyse àbdoc = DOC inn DOC ut Technology for a better society 9 9

10 Karakterisering av NOM/Organisk Carbon in Drikkevann After Hammes2008; DOC Fraksjonering: VHA, SHA, CHA, NEU Konvensjonelle parametere ü TOC and DOC ü Colour ü UV-absorbance ü SUVA (= UV-Abs/DOC) P. Wang 1982 BDOC NOM er komplekst à Behov for supplerende karakteriseringsmetoder Technology for a better society 10

11 Utdrag av Resultater fra NOMiNOR ü Utvikling av NOM/farge ü Effekter av ulik Vannbehandling og Desinfeksjon ü Effekter av ulike Driftsforhold/driftspolicy ü Koagulerbarhet og Optimaliseringspotensialer Technology for a better society 11

12 NOMiNOR-rapporten (2017) NOM-innhold og fargetall vil sannsynligvis øke ved alle NOMiNOR-vannverk. I et perspektiv frem mot år 2100 antas NOM-innholdet i de fleste NOMiNORvannkilder å øke med % fra dagens nivå. Eks: Jordalsvatnet Haaland: NOM-prediksjon for Jordalsvatnet. Sort stiplet linje er NOMprediksjon ved bruk av RCP4.5 scenariet ( Hvit stiplet linje er NOM-prediksjon ved bruk av RCP8.5 scenariet, der også maksimum- og minimum lufttemperatur (hhv rød- og blå strek er satt inn i NOM-modellen for Jordalsvatnet. Startpunktet for NOM (år 2015) er her satt til litt over 30 mg Pt/liter, som er en gjennomsnittlig verdi basert på målinger over de siste få år. Technology for a better society 12

13 Råvann og utløpsvann fra ulike rensetrinn Fargetall mg Pt/L (AVG) i de 10 NOMiNOR-anleggene Technology for a better society 13

14 Koaguleringstrinnet gjør jobben DOC mg/l (AVG) Technology for a better society 14

15 PC Port Charlotte WTW, Scotland Råvann med høyt NOM-innhold & Store årstidsvariasjoner PC Colour (mg Pt/L) UV-A (m -1 ) Turb (NTU) DOC (mg/l) VHA (%) SHA (%) CHA (%) NEU (%) SUVA (L/m mg) BDOC (mg/l) ATP (pmol/l) Raw Water 173± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± Out Clarif 6± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± Out Filter 6± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± Out CWT 3± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ±1 0-1 DS 3± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± Technology for a better society 15

16 NOM & Koagulerbarhet NOM-Fraksjonsfordeling, BDOC, SUVA og DOC fjerning (%) Hvorfor så store forskjeller? Technology for a better society 16

17 NOM Fjerning ved NOMINOR-anleggene Betydelige forskjeller i graden av NOM-fjerning HVORFOR? 1. Ulike råvann og ulik behandlingsbarhet? 2. Ulike vannbehandlingsmetoder/supplerende rensetrinn? 3. Ulik drift og ulike driftsformer/policy? Technology for a better society 17

18 Behandlingsbarhet Grad av DOC-fjerning (%) Oppnådd DOC-reduksjon - % (Avg) Fjernet DOC % of DOC PC-Al KÄR-Al BUR-Al RIN-Fe GÖR-Al PIT-Fe NRV-Al JOR-Fe BRA (NF) IVAR (OBF) Technology for a better society 18

19 Råvannskvalitet/Behandlingsbarhet & DOC-fjerning SUVA i råvann & Oppnådd DOC-reduksjon - % (Avg) % of DOC ,7 4,4 5,5 4,0 2,8 Fjernet DOC SUVA-Råvann 4,1 3,2 4,6 4,9 3, SUVA (L/mg m) PC-Al KÄR-Al BUR-Al RIN-Fe GÖR-Al PIT-Fe NRV-Al JOR-Fe BRA (NF) IVAR (OBF) 1 0 Technology for a better society 19

20 SUVA= UV-Abs/DOC SUVA og koagulerbarhet av NOM Edzwald and Van Benschoten (1990) SUVA Composition Coagulation DOC Removals > 4 Mostly Aquatic Humics, High Hydrophobicity, High MW 2-4 Mixture of Aquatic Humics and Other NOM, Mixture of Hydrophobic and Hydrophilic, Mixture of MWs < 2 Mostly Non-Humics, Low Hydrophobicity, Low MW NOM Controls, Good DOC Removals NOM Influences, DOC Removals Should be Fair to Good NOM has Little Influence, Poor DOC Removals > 50 % for Alum, Little Greater for Ferric % for Alum, Little Greater for Ferric < 25 % for alum, Little Greater for Ferric MEN: UV-abs og SUVA påvirkes også av andre UV-absorberende stoffer, e.g. Fe Technology for a better society 20

21 % of DOC SUVA eller VHA: Basis for Optimalisering? Oppnådd DOC-reduksjon (%) mot SUVA og VHA i råvann (Avg) Fjernet DOC VHA-Råvann SUVA-Råvann PC-Al KÄR-Al BUR-Al RIN-Fe GÖR-Al PIT-Fe NRV-Al JOR-Fe BRA (NF) IVAR (OBF) SUVA (L/mg m) Technology for a better society 21

22 VANN- PRØVE- RÅVANN KOAGULERING ANDEL FJERNET VERK PERIODE % mg DOC fjernet SUVA DOC (mg/l) VHA (%) VHA+SHA (%) Type mg Me/L mg Me/mgPt mg Me/UVA-f mg Me/mg DOC µmol Me/mg DOC Pt UVA-f DOC pr mmol Me tilsatt AUR Feb-Sep ,3 7, Al 3,6 0,07 0,11 0, ,3 7, ,7 0,07 0,12 0, ,1 9, ,3 0,07 0,12 0, JOR Mar-14 til Feb-15 5,2 2, Fe 3,5 0,16 0,29 1, ,3 2, ,5 0,17 0,32 1, ,6 2, ,5 0,18 0,32 1, ,4 2, ,4 0,16 0,31 1, NRV Mai-15 til Feb-16 4,7 5, Al (PAX) 2,5 0,05 0,10 0, ,8 3, ,5 0,11 0,19 0, ,7 3, ,3 0,10 0,18 0, ,3 3, ,8 0,14 0,26 1, PIT Mar-14 til Mar-15 3,4 6, Fe 6,5 0,22 0,29 0, ,0 7, ,0 0,21 0,28 0, ,1 7, ,1 0,22 0,27 0, ,2 6, ,4 0,22 0,29 0, GÖR Jun-15 til Mar-16 2,8 8, Al 4,4 0,19 0,19 0, ,7 8, ,6 0,20 0,20 0, ,7 7, ,2 0,21 0,20 0, ,9 8, ,5 0,23 0,22 0, RIN Mar-14 til Mar-15 4,3 8, Fe 7,2 0,12 0,20 0, ,9 9, ,7 0,12 0,21 0, ,6 9, ,7 0,13 0,22 0, ,2 9, ,6 0,11 0,19 0, KÄR Jun-15 til Feb-16 4,4 12, Al (Eko) 3,7 0,03 0,07 0, ,2 8, ,6 0,07 0,13 0, ,5 10, ,5 0,05 0,10 0, ,5 8, ,3 0,05 0,09 0, BUR Mai-14 til Mar-15 5,6 7, Al 4,9 0,05 0,11 0, ,1 10, ,9 0,05 0,09 0, ,5 11, ,9 0,03 0,07 0, ,8 7, ,9 0,05 0,12 0, PC Mai-15 til Feb-16 3,9 7, Al 5,7 0,08 0,19 0, ,8 28, ,5 0,05 0,11 0, ,0 19, ,1 0,08 0,19 0, ,0 7, ,4 0,12 0,27 1, SEI Feb til Aug-17 4,1 4, Al (PAX) 2,0 0,06 0,10 0, ,8 5, ,9 0,06 0,10 0, KVA Feb til Aug-17 3,0 2, Al (PAX) 0,8 0,07 0,10 0, ,1 2, ,7 0,06 0,09 0, ,1 2, ,7 0,14 0,09 0, Technology for a better society 22

23 Fjernet DOC (%) vs SUVA i Råvann y = 13,508x + 10,14 R² = 0, ,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 SUVA (L/m mg DOC) Technology for a better society 23

24 Fjernet DOC (%) vs VHA i Råvann y = 1,5567x - 43,86 R² = 0, Økende koagulerbarhet i Råvann VHA (% av Tot-DOC) Technology for a better society 24

25 Forskjellene skyldes ikke bare råvannet Vannbehandlingen er også viktig Variasjon i Koagulerings-pH og DOC-Spesifikk koagulantdose Technology for a better society 25

26 Fjernet DOC (%) vs DOC-spec koagulantdose Med koaguleringen må også optimaliseres Spec Koagulantdose (µmol Me/mg DOC) Technology for a better society 26

27 Effekt av DOC-spec koagulantdose på Fargefjerning (%) KVA-UF JOR NRV GÖR Spec Koagulantdose (µmol Me/mg DOC) Technology for a better society 27

28 Technology for a better society 28

29 Port Charlotte WTW Farge- og DOC-spesifikk Koagulantdosering Technology for a better society 29

30 Port Charlotte WTW DOC-blødning fra ulike NOM-fraksjoner: Etter Koag-Filtr DOC in : 28.8 DOC in : 19.4 DOC in : 7.5 DOC in : 7.0 Technology for a better society 30

31 SUVA & Hydrofob NOM: Basis for Optimalisering? Oppnådd DOC-reduksjon (%) og VHA, SHA og SUVA i råvann (Avg) % of DOC Fjernet DOC VHA+SHA-Råvann = Optimaliseringspotensial 3 2 SUVA (L/mg m) VHA-Råvann SUVA-Råvann 1 0 PC-Al KÄR-Al BUR-Al RIN-Fe GÖR-Al PIT-Fe NRV-Al JOR-Fe BRA (NF) IVAR (OBF) 0 Technology for a better society 31

32 Hydrofob NOM og DOC-Fjerning DOC-fjerning (%) & VHA+SHA (% av Tot-DOC) i råvann Renseeffekt bestemmes av ü NOM sammensetning ü Koaguleringsforhold Technology for a better society 32

33 Koagulering Treatment og supplerende Performance behandlingstrinn & Stability DOC mg/l (AVG) Raw Coag/Sep CWT Net Infiltrasjon SSF GAC Ozon+GAC GAC GAC Technology for a better society 33

34 Burncrooks vs. Bracadale WTW DOC-blødning fra ulike NOM-fraksjoner: Koag mot NF BUR WTW-Coag AVG DOC in : 9.3 mg/l BRA WTW-NF AVG DOC in : 12.6 mg/l Technology for a better society 34

35 Endringer BOM, Biostability i bionedbrytbarhet & Regrowth - BDOC potentials (Avg) Prøver av Råvann, etter Koag/Sep, Rentvann (CWT) og Nettvann BDOC - mg/l (AVG) 0,8 Raw Coag/Sep CWT Net 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Klor Klor ü Redusert BDOC etter koagulering ü Økt BDOC etter klor og ozon ü SW: Vekstpotensial kontrollert av restklor Ozon+GAC Klor OBF 0,1 0,0 Technology for a better society 35

36 NOMiNOR i et nøtteskall ü Sluttbruker-relevante aktiviteter og resultater de finansierte NOMiNOR-spleiselaget! ü Bruk av nye NOM diagnoseverktøy for vurdering av vannkvalitet, behandlingsbarhet og driftsforhold kan gi en ny verden av info! ü Kunnskaps- og erfaringsutveksling, bruk av samme diagnoseverktøy, direkte sammenligning av resultater fra 10 anlegg med ulike råvann, ulik vannbehandling, ulik desinfeksjon og ulike driftsstaber ü Benchmarking av vannkvalitet, vannbehandling og drift ü Vannverk-spesifikke vurderinger og råd, med identifikasjon av optimaliseringspotensialer ü Early warnings: Prediksjoner for fremtidig NOM-innhold og drivere for dette Technology for a better society 36

37 Take Home Messages ü Et råvanns behandlingsbarhet og oppnådd DOC-reduksjon varierer betydelig fra sted til sted: Nye NOM diagnoseverktøy for vurdering av vannkvalitet, behandlingsbarhet og drift gir en ny verden av info! ü Godt drevne koaguleringsanlegg kan gi DOC-fjerning nesten på linje med NF-anlegg selv på råvann med høyt og varierende NOMinnhold ü I anlegg med koaguleringstrinn er dette det primære rensetrinnet: Supplerende trinn (GAC, SSF) har ofte kun en poleringseffekt. Men kan vi kombinere koagulering med infiltrasjon også i Norge? ü Koaguleringsbetingelsene, driften og prosesstyringen kan optimaliseres betydelig på mange anlegg ü Desinfeksjon med ozon eller klor gir betydelig økt BDOC: Ulik policy for kontroll av mikrobiologisk vekst på nettet i de deltagende land Technology for a better society 37

38 Draft Report NOMiNOR: Natural Organic Matter in Nordic Drinking Waters B. Eikebrokk, L. S. Haaland, R.D. Vogt, K. Zahlsen and P. Jarvis P. Ericsson, 2011 Foto: G. Mosevoll Technology for a better society 38

39 NOMiNOR: Naturlig Organisk Materiale i Nordiske Drikkevann Norskspråklig sammendragsrapport B. Eikebrokk, S. L. Haaland, R.D. Vogt, K. Zahlsen og P. Jarvis P. Ericsson, 2011 Foto: G. Mosevoll Technology for a better society 39

40 Takk for oppmerksomheten! Technology for a better society 40