Koagulering/filtrering som hygienisk barriere: Effekter av driftsforstyrrelser

Transkript

1 Norsk Vannforening, Fagtreff Et kritisk blikk på vannbehandling som hygienisk barriere mot sykdomsfremkallende mikroorganismer Nasjonalt folkehelseinstitutt, Oslo, 11 november 2008 Koagulering/filtrering som hygienisk barriere: Effekter av driftsforstyrrelser Bjørnar Eikebrokk, SINTEF Bjørnar Eikebrokk, Sjefsforsker, dr. SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur, Vann & Miljø SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 1

2 Innhold Om Hygieniske barrierer Drikkevannsforskriftens krav og indikatorverdier Koagulering-filtrering som barriere Hva vet vi? Dynamikk og svikt i barriereeffekt Hvorfor og når kan barrieren svikte? Uheldige driftsfortyrrelser og tiltak mot slike Oppsummering SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 2

3 Hygieniske barrierer Drikkevannsforskriftens ( 3) def. av en hygienisk barriere: 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 SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 3

4 Prinsippet om Multiple barriers er globalt >pathogens >NOM >pesticides >chemicals >algae&toxins SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 4

5 .men ikke nytt Control of Waterborne Diseases Typhoid cases Philadelphia, USA Filtration started 1906 In the multiple-barrier concept, filtration is the great barrier to particles, parasites and organics (Amirtharajah 2002) Chlorination started 1913 From McGhee, 6 th Ed., 1991 SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 5

6 Sikkerhetsbarrierer i vannforsyningen Eksempel Svartediket: Sviktende barrierer mot parasitter De tre tradisjonelle barrierene: 1. Beskyttet kilde/nedslagsfelt 2. Adekvat vannbehandling 3. Effektiv desinfeksjon Dagens tema Kilde/Nedslagsfelt Trusler Desinfeksjon Vannbehandling Koagulering Tilsyn, kontroll Mulig skade Skader oppstår ved manglende eller svake sikkerhetsbarrierer ( hull ) Kilde: Giardia-epidemien i Bergen høsten Rapport fra det eksterne evalueringsutvalget, Mai 2006 SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 6

7 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 Vanskelig å dokumentere/sannsynliggjøre inaktiveringsgrader som angitt over, dvs log-3 (bakterier og virus) eller log-2 (parasitter) SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 7

8 Vannbehandlingsanlegg Veiledningens med tabell KOAGULERING C Veiledningens Indikatorer tabell for C hygienisk angir barriere-indikatorer SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 8

9 Koagulering-kontaktfiltrering med CO 2 og kalk evt alkaliske filterlag SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 9

10 Hva vet vi om koagulering og filtrering som hygienisk barriere? Litt filtreringsteori Forsøksresultater og erfaringer SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 10

11 particle, d p Mechanisms of Filtration (Amirtharajah 2002) transport Mekanismer: 1. Transport 2. Fastholding 3. Løsriving attachment detachment collector, d c SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 11

12 Relative Sizes of Microorganisms and Filter pores (Amirtharajah 2002) Viruses (0.001 µm) Bacteria (1 µm) Cryptosporidium (10-12 µm) Pores of a Filter: 1 mm Size Anthracite (100 µm Pore) 0.5 mm Size Sand (50 µm Pore) SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 12

13 Relative Sizes & Mechanisms Particle Removal in Deep Bed Filtration (Amirtharajah 2002) Crypto (10 µm) = 2 m høy Imagine yourself falling into a tunnel and trying to avoid passing through. You Transport 1 yourself to safety by Attaching 2 to the wall, holding on for dear life and try to avoid Detaching Pore: 100 µm (20 m vid) 3 Filterdybde: 1 m (200 km lang) If you are a Pathogen, you will pass to death by disinfection - or possibly cause death SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 13

14 Nær optimal koagulering er en forutsetning for en effektiv barriere (Amirtharajah 2002) Media Grains Laminer Flow Field Destabilized Particle Chains Stable Particle with EDL Destabilisering klebrige filterkorn og partikler fluepapir SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 14

15 Når kan en koaguleringsbarriere svikte? I en filterseng oppstår en dynamisk balanse mellom fastholdingskrefter mellom partikler/patogener og filterkorn og løsrivningskrefter Enhver forstyrrelse av denne balansen kan medføre økt løsrivning av partikler og patogener, og utgjør derved en risiko for svikt i barrieren turbiditet evt partikkelinnhold bør overvåkes on-line fra hver filterenhet Noen driftsforstyrrelser/kritiske situasjoner er typiske: 1) Ved ikke-optimale koaguleringsforhold/dårlig prosesstyring, 2) Under filtermodning, 3) Ved drift ut over gjennombruddstidspunktet, 4) Ved brå økninger i vannføring, 5) ved uheldig retur av spylevann, 6) Som resultat av dårlig tilbakespyling SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 15

16 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 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 SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 16

17 Log-reduksjon under perioder med stabil drift, hastighetsøkning, og sub-optimal koagulering (Emelko et al 2004) Suboptimal koagulering Stabil drift Hastighetsøkning 25% SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 17

18 Ottawa WTP: Log-reduksjoner i ulike faser av filtersyklusen og under ulike driftsforhold (Emelko et al 2004) Store partikler (Crypto) bryter raskere gjennom enn små (turb), men modnes også raskere 0.05 NTU 4-10h før BW Økt turb <0.1NTU 0.1- (-40% Al) økende 0.3NTU > 0.3NTU SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 18

19 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) SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 19

20 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) SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 20

21 Virus: Log-reduksjon vs turbiditet (Xagoraraki et al 2004) Viktig med on-line overvåkning < 0.1 NTU bør tilstrebes SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 21

22 Ulike vannbehandlingsmetoder og barriereeffekter (log-credits) (SWTR, USEPA 1991) Hva sier det amerikanske lovverket: SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 22

23 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 SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 23

24 Normalt meget god hygienisk sikkerhet ved koagulering/filtrering - men redusert sikkerhet under filtermodning, filterspyling og GBR 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 Spyling: 25 % hastighetsøkning Kimtall pr ml/10 0,2 0,0 Turbiditet - NTU Unngå brå økninger i filtreringshastighet og iverksett spyling før GBR kan Filtreringstid (hrs) detekteres via turb/partikler SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 24

25 Turbiditet er en god driftskontrollparameter Eksempel: Overvåking av prosessen via on-line turbiditetsmåling på utløpsvann fra hver filterenhet - Variasjon i sted og tid a) Økt belastning (Q) gir midlertidige gjennombrudd b) Giardia og Crypto bryter gjennom tidligere enn turbiditet Filter modning Stabil fase Gjennombrudd Tid (t) SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 25

26 On-line Turbiditet (NTU) Varighetskurver for turbiditet kan gi god indikasjon på barrieresvikt (CCCP) Barrieresvikt i en filterenhet i mer enn 40 % av tiden 0.2 NTU % av tiden eller produsert vannmengde SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 26

27 Oppsummering Når kan koaguleringsbarrieren svikte? Når koaguleringsbetingelsene ikke er tilpasset råvannskvaliteten (ph/dose) Ved sviktende manuell prosesskontroll, f.eks. som følge av raske endringer i råvannets NOM-innhold og sammensetning Under filtermodningsperioder (som kan være lange) og ved råvannsspyling 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 og partikler generelt men de modnes også raskere) Ved svikt i ett av flere filtre på samme samlestokk (vanskelig å detektere uten on-line individuell overvåking) Ved mangelfull filterspyling og påfølgende svikt i filterfunksjon (slamakkumulering, mudballdannelse, etc) Ved tilførsel av patogener fra returstrømmer fra filterspyling/slambeh SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 27

28 Oppsummering Tiltak for å sikre en effektiv barriere Anleggsutforming/Design There is no such thing as a good filter - it depends on the water to be filtered (Ives 1981). Riktig filterseng/filtermedia ut fra råvann, koagulanttype, polymer, etc. med støttelag tilpasset nedre filterlag Tilstrekkelige buffervolumer Gunstig slambehandling/god innblanding/fordrøyning av returstrømmer Prosessoptimalisering og spylerutiner: Optimalisering av koagulering/filtreringsprosessen: Kjenn ditt vann! Modernisering av spylerutiner (collapse pulse) Minimalisering av filtermodningsperiode/støtbelastninger på filteret Driftskontroll Overvåking av utløpsvann fra hvert enkelt filter (legg inn buffer!) Styring av koaguleringsprosessen etter råvannskvalitet/pls SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 28

29 Avhengighet mellom vannbehandlings- og desinfeksjonsbarrierer En dårlig fungerende koagulering vil påvirke etterfølgende desinfeksjon negativt Eksempel koag+uv: 1. Dårlig koagulering økt turbiditet, farge og rest-me 2. Etterflg UV Redusert UV-T, redusert UV-dose, beleggdannelse, innbaking redusert effektivitet av UV-barrieren SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 29

30 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! SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 30

31 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! SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 31

32 Takk for oppmerksomheten! SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 32