Hygienisk barrierevirkning av ulike desinfeksjons- og vannbehandlingsmetoder

Transkript

1 VA-KONFERANSEN i Møre og Romsdal juni 2007, Quality Hotel Grand, Kristiansund Hygienisk barrierevirkning av ulike desinfeksjons- og vannbehandlingsmetoder Bjørnar Eikebrokk, SINTEF Bjørnar Eikebrokk, Sjefsforsker, dr. Mobiltlf , bjornar.eikebrokk@sintef.no 1

2 Innhold Om Hygieniske barrierer Drikkevannsforskriftens krav og indikatorverdier Desinfeksjon og barrierevirkning Klorering Ozonering UV-bestråling Vannbehandling og barrierevirkning Membranfiltrering Ozonering/biofiltrering Koagulering og filtrering Dynamikk og svikt i barriereeffekt Oppsummering 2

3 Hygieniske barrierer Drikkevannsforskriften ( 3) definerer en hygienisk barriere slik: Naturlig eller tillaget fysisk eller kjemisk hindring, herunder tiltak for å fjerne, uskadeliggjøre eller drepe bakterier, virus, parasitter m.v. og/eller fortynne, nedbryte eller fjerne kjemiske eller fysiske stoffer til et nivå hvor de enkelte stoffene ikke lenger representerer noen helsemessig risiko De hygieniske barrierer skal altså ikke bare omfatte smittestoffer, men også kjemiske og fysiske stoffer med helsemessig betydning Barrierene skal videre sørge for at stoffene reduseres til et konsentrasjonsnivå hvor de ikke lenger representerer noen helsemessig risiko 3

4 Prinsippet om Multiple barriers er globalt >pathogens >NOM >pesticides >chemicals >algae&toxins 4

5 Sikkerhetsbarrierer i vannforsyningssystemer Eksempel Svartediket: Sviktende barrierer mot parasitter Tilsyn, kontroll Dagens tema Vannbehandling Desinfeksjon Kilde/Nedslagsfelt Mulig skade Trusler Skader oppstår når sikkerhetsbarrierer mangler eller har svakheter ( hull ) Kilde: Giardia-epidemien i Bergen høsten Rapport fra det eksterne evalueringsutvalget, Mai

6 Drikkevannsforskriftens Veileder Den enkelte vannbehandlingsmetode bør inaktivere bakterier og virus med minimum 99.9% (3-log) eventuelle parasitter med 99% (2-log) for å bli betraktet som hygienisk barriere Dersom man ønsker å benytte kjemiske eller fysiske indikatorer på at anlegget fungerer som en hygienisk barriere, kan parametere og indikatorverdier angitt i veiledningens Tabell C anvendes som driftsparametere Hvordan dokumentere/sannsynliggjøre inaktiveringsgrader som angitt over, dvs log-3 (bakterier og virus) eller log-2 (parasitter)? 6

7 Valg og bruk av desinfeksjonsmidler Veiledningen: 7

8 Valg og bruk av desinfeksjonsmidler Dette betyr: To desinfeksjonstrinn kan brukes for å styrke den samlede hygieniske barriere, for eksempel UV+klor Samme desinfeksjonsmiddel kan brukes i to trinn for å styrke den hygieniske sikkerheten, for eksempel O 3 +O 3 Hvorvidt dette tilfredsstiller kravet om minst to barrierer, avhenger av hva de skal være barriere mot og hvilken risiko man kan akseptere i det enkelte tilfellet. Dvs vurderinger der vannverkstørrelsen vil ha betydning. Dimensjonering etter råvannskvalitet? Uavhengighet i barrierene? 8

9 Vannbehandlingsanlegg med KLORERING Veiledningens tabell C Ct > 1.5 -> mg min/l for bakterier og virus Ingen barriere mot parasitter og bakteriesporer 9

10 Virus og CT-krav klor USEPA LT1ESWTR Virus USEPA legger T 10 til grunn i sine CT-verdier 10

11 Virus og CT-krav klor USEPA LT1ESWTR Virus 11

12 Giardia og CT-krav klor USEPA LT1ESWTR Giardia 12

13 Klordesinfeksjon: påstander Inaktivering av Giardia med klor er uaktuelt i Norge! Kravet overfor virus er det samme ved ph 6 og 9, er det rimelig? Har man tilfredsstillende virus barriere med bruk av klor i Norge? Mer fokus på hydrauliske forhold og inndeling i segment! Østerhus

14 Vannbehandlingsanlegg Veiledningens tabell med C UV Indikatorer Veiledningens for hygienisk tabell barriere C Ct > 30 mj/cm 2 for bakterier, virus og parasitter (beregnet verdi) Ct > 40 mj/cm 2 for bakteriesporer (målt verdi fra dosimetertest) 14

15 Dosekrav for 1-4 log reduksjon av ulike typer mikroorganismer (Heijnen, 2006) Noen virus svært resistente mot UV Bakterier og protozoer inaktiveres relativt lett 15

16 Vannbehandlingsanlegg Veiledningens med tabell OZONERING C Indikatorer Veiledningens for hygienisk tabell barriere C Ct > 2 mg min/l for bakterier og virus Ct > 50 mg min/l for parasitter og bakteriesporer 16

17 Giardia og CT-krav OZON USEPA LT1ESWTR Cryptosporidium 17

18 OZONERING som barriere Effektiv barriere mot virus og Giardia ved relativt lave CT-verdier! Store utfordringer i beregning av C! Pga gassoverføring og fordi ozon er svært reaktivt. Bruk av utløpskonsentrasjoner blir svært konservativt. Man bør man lage en norsk beregningsmåte for effektiv C! Crypto inaktivering med ozon lite aktuell pga høy CT? Østerhus

19 Forslag til dimensjonerende Ct-verdier Østerhus m.fl Alternativ desinfeksjonspraksis UV: 40 mws/cm 2 Biodosimetrisk testet Bakterier Virus Giardia Crypto 3 log 3 log 2 log 2 log 4ºC 0,5ºC 4ºC 0,5ºC 4ºC 0,5ºC 4ºC 0,5ºC Klor ph < 7 1,0 1,5 4,0 6, i.a i.a ph 7-8 1,5 2,0 6,0 8, i.a i.a ph > 8 2,0 3,0 8,0 12, i.a i.a Kloramin i.a i.a Klordioksid 1,0 1, Ozon 0,5 0,75 1,0 1,5 1,5 2,

20 Desinfeksjon som hygienisk barriere Norge vannverk med kun klor 528 vannverk med kun UV 204 vannverk med både klor og UV < 10 vannverk med ozon evt i kombinasjon med klor eller UV Norge 2007 Flere store UV-anlegg i drift eller under installasjon/planlegging (Oslo, Bergen, Trondheim, etc) Årsaker til stor overgang fra klor Dannelse av klorerte organiske biprodukter Forekomst av klorresistente parasitter Etter Østerhus

21 Behandling og desinfeksjon av drikkevann 1. Desinfeksjon Klor Ozon UV 2. Membranfiltrering 3. Ozonering og biofiltrering 4. Koagulering og filtrering 5. Korrosjonskontroll 21

22 Vannbehandling som barriere Frøya NF 22

23 Vannbehandlingsanlegg med MEMBRANFILTRERING Veiledningens tabell C <10 nm for bakterier, parasitter, bakteriesporer og virus kontinuerlig overvåking 23

24 Membraner som hygienisk barriere Membraner har ikke en konstant porestørrelse men en Gauss-fordeling av poreåpninger (avhengig av materialet) Alle membraner vil ha noen porer som er betydelig større enn den nominelle poreåpning Belegg-dannelse på membranoverflaten påvirker separasjonseffektiviteten (mindre partikler separeres) Tverrstrømshastigheten samt driftsbetingelser ved beleggkontroll påvirker hvilke partikler som separeres Det kan være defekter i en membran, som i liten grad oppdages med tradisjonelle parametre (<90 % fjerning, men som kan ha betydning ved 4-5 log patogen-fjerning Østerhus

25 Membraner som hygienisk barriere HVA ER RIMELIG KRAV TIL POREÅPNING MHT HYGIENISK BARRIERE OVERFOR VIRUS? I vannbehandlingen benyttes normalt membraner med poreåpning < 50 nm. Det er ingen tvil om at disse er effektive barrierer mot bakterier, bakteriesporer og parasitter Selv mikrofiltreringsmembraner (dvs poreåpning opptil nm) vil i kombinasjon med koagulering være en hygienisk barriere på linje med koag./direktefiltr. Hvilke krav må settes til membraner som skal være hygienisk barriere overfor virus? I rettledningen til drikkevannsforskriften er kravet til poreåpning: 10 nm. Forskningsresultater tyder på at virus separeres godt også i ultrafiltrerings- og tom mikrofiltreringsmembraner etter koagulering Østerhus

26 Vannbehandlingsanlegg Veiledningens tabell C med OZONERING-BIOFILTRERING Indikatorer for hygienisk barriere Barriereeffekten vil her primært ligge i ozoneringen Ingen ekstra barriereeffekt kan tillegges biofilteret dersom koagulanter ikke anvendes i tillegg 26

27 Koagulering-kontaktfiltrering med CO 2 og kalk evt alkaliske filterlag 27

28 Vannbehandlingsanlegg Veiledningens med tabell KOAGULERING C Indikatorer Veiledningens for hygienisk tabell barriere C 28

29 Hvordan dokumentere/sannsynliggjøre barriereeffekt (log-credit)? (SWTR, USEPA 1991) Hva sier det amerikanske lovverket: Uten noen form for filtrering, må desinfeksjonen alene ivareta inaktiveringskravet på 3.0 og 4.0-log for henholdsvis parasitter og virus 29

30 Mulig tilleggskreditt for fjerning av Giardia og Crypto (USEPA 2003) Mulig å oppnå betydelig tilleggskreditt ved forbehandling, individuell filterdrift/overvåking, god drift, flere separasjonstrinn Ikke vurdert! 1) Enhanced coagulation (høye koagulantdoser, ph-kontroll) 2) Kontaktfiltrering 30

31 Rapporterte barriereeffekter - Protozoer Logsdon (2000) 5 pilotanlegg Polymerbruk kan redusere negative effekter av brå hastighetsøkninger Ved bruk av Al uten polymer, hastighetsøkning fra 10 til 27 m/h på 2 min Turb NTU Giardia-cyster: 25 x konsentrasjonsøkning Et turbiditetsgjennombrudd (GBR) på slutten av en filtersyklus følges normalt av et massivt GBR av protozoer Returstrømmer kan øke kons. av protozoer, og forstyrre koaguleringen Emelko (2003) Pilotforsøk Stabil drift: Crypto-fjerning > log, selv ved 1 C Under filtermodning: Effekt kun redusert til log Under GBR: Effekt redusert med 3-4 log (selv om turb<0.1 NTU) Full svikt i koagulering: Effekt redusert med > 4 log, men mindre (> 3 log) ved enhanced coagulation, dvs høy dose/god ph-ktr Suboptimal koagulering: betydelig reduksjon selv når turb <0.3 NTU Brå hastighetsøkninger: varierende effekter, oftest små 31

32 Log-reduksjon under perioder med stabil drift, hastighetsøkning, og sub-optimal koagulering (Emelko et al 2004) Suboptimal koagulering Stabil drift Hastighetsøkning 25% 32

33 Ottawa WTP: Log-reduksjoner i ulike faser av filtersyklusen og under ulike driftsforhold (Emelko et al 2004) 0.05NTU 4-10h før BW Økt turb < 0.1NTU % Al økende 0.3NTU > 0.3NTU 33

34 Mangelfull dokumentasjon av barriereffekt ved Enhanced coagulation generelt, og ved kontaktfiltrering spesielt Rapporterte log-reduksjoner av protozoer i koaguleringsprosesser varierer svært mye (2-6 log), og må derfor være svært avhengig av prosessutforming og driftsforhold Påstander 1. Det er sannsynlig at høye koagulantdoser og ph-kontroll (dvs EC) gir bedre log-reduksjon en konvensjonell koagulering 2. Det er sannsynlig at kontaktfiltrering kan være mer effektiv enn konvensjonell filtrering og direktefiltrering dette pga lang kontakttid mellom partikler/cyster og store mengder utfelt metallhydroksid (dvs en effektiv adsorbent) i filtersengen Kunnskapen om barrierer i norske koaguleringsprosesser er mangelfull! 34

35 Filtermodning og gjennombrudd Spyling med råvann kan påvirke vannkvaliteten relativt lenge Modningsfasen kan nedkortes med relativt enkle tiltak Filter Ripening Backwash Remnants Outlet Effluent Turbidity Clean Back-Wash In Media Above Media Function of influent and backwash water T B T M T U Media Strainer Filter Breakthrough T U T M T B T R Time 35

36 Turbiditet er en god driftskontrollparameter Eksempel: Overvåking av prosessen via on-line turbiditetsmåling på utløpsvann fra hver filterenhet - Variasjon i sted og tid Turbiditet, evt partikkelinnhold a) Økt belastning (Q) gir midlertidige gjennombrudd b) Giardia og Crypto bryter gjennom tidligere enn turbiditet Filter modning Stabil fase Gjennombrudd Tid (t) 36

37 Crypto: Ottawa WTP/Univ. Log-reduksjon Waterloo: Forsøksbetingelser vs. turbiditet for studier av oppnådde Log-reduksjoner i ulike filterfaser (Xagoraraki et al 2004) (Emelko et al 2004) 37

38 Ottawa E-coli: WTP/Univ. Log-reduksjon Waterloo: Forsøksbetingelser vs turbiditet for studier av oppnådde Log-reduksjoner i ulike filterfaser (Xagoraraki et al 2004) (Emelko et al 2004) 38

39 Virus: Log-reduksjon vs turbiditet (Xagoraraki et al 2004) Viktig med on-line overvåkning < 0.1 NTU bør tilstrebes 39

40 Norske vannverk med E.coli påvist i >5% av prøvene i 2003 (fra Vannverksregisteret) Behandlingsmetode som hygienisk barr. Membranfiltrering % av vannverk 5 Personer berørt (i 1000) 1,3 Koagulering + UV/klor 3 1,7 Klor 9 5 UV 9 30 Hem,

41 Barrieresvikt i NF-anlegg Membranene settes sammen med adaptere med mange o- ringer for å skille rå- og rentvann. Disse kan svikte Én rift kan bryte den hygieniske barrieren Hem,

42 Dynamikk og svikt i koaguleringsbarrierer Koaguleringsbetingelser ikke tilpasset råvannskvaliteten (ph/dose) Sviktende manuell prosesskontroll, f.eks. som følge av raske endringer i råvannets NOM-innhold og sammensetning Under filtermodningsperioder (som kan være lange) Under perioder med belastningsvariasjoner (økt filtreringshastighet) I perioden like før et detektert gjennombrudd av turbiditet/partikler (Store partikler som Giardia og Crypto bryter raskere gjennom enn turbiditet/partikler generelt men de modnes også raskere) Svikt i ett av flere filtre på samme samlestokk (vanskelig å detektere uten individuell overvåking) Mangelfull filterspyling med påfølgende svikt i filterfunksjon (slamakkumulering, mudballs, etc) Økt hygiensik risiko/økt tilførsel av patogener fra returstrømmer fra slambeh. Økt hygiensik risiko/økt tilførsel av patogener fra spyling med råvann 42

43 Økende NOM-trend? Eks: Maksimale fargetall i Oslos vannkilder - På 1970, -80 og -90-tallet - Max Råvannsfarge (mg Pt/L) Maridalsvann Elvåga Langlia Alunsjø 43

44 Optimal drift ekstra viktig ved kombinasjoner av Fe-koagulering, alkalisk filtrering og UV? Pumpe CO 2 Fe-coagulant Spyleslam Slamfortykning Sand Marmor ph-control (NaOH) Pumpe UV-aggregat INNTAK Til avløpsnett Clean water basin To consumers UV disinfection Spent backwash water thickening Sludge to sewer 44

45 Substanser med høy UV absorbans (USEPA 2006) 91 -> 90 % T 254 NB! for Fe+UV?? I tillegg: Beleggdannelse fra noen av de samme substanser, bl.a Fe(OH 3 ) Ingen sign. absorbans fra: NH 3, NH 4+, Ca 2+, OH -, Mg 2+, Mn 2+, P, SO

46 UV transmisjon og beleggdannelse Belegg på kvartsglass og sensor 46

47 Drinking Water Inspectorate (GB) Incidents do not just happen - There appears to be a strong correlation between outbreaks and situations where an inadequacy was identified in the treatment provided or in the operation of the treatment process, or where there was overloading of the treatment process (DWI 1999) General view: 'contamination' occurs for only a few hours during which time it would be complete chance that routine samples coincided with the event: ->continuous sampling or sampling triggered by turbidity events Optimale drift og on-line overvåking/driftskontroll er viktige kriterier for en god barriereeffekt! 47

48 KONKLUSJONER Korrekt dimensjonering er viktig for å oppnå ønsket barriereeffekt Desinfeksjon (rett CT-verdi) Øvrig vannbehandling (poreåpning, koagulanttype, filterutforming, korngradering, spyleopplegg, m.v. Men optimalisering av driften, god prosesskontroll og overvåking er også viktig for å oppnå ønsket barriereeffekt - De fleste anlegg er allerede bygget. Klimaforandringene med forringelse av råvannskvalitet og økt eksponering/risiko for vannbårne sykdommer gjør driftsaspektet enda viktigere i tiden fremover Kfr også EU-prosjektet TECHNEAU der driftskontroll/sensorer, risiko/sårbarhet og optimal drift er ofret betydelig oppmerksomhet 48

49 Takk for oppmerksomheten! 49