Driftsoperatørsamling D.18 Erfaringer med med klorering og UV-stråling av drikkevann. Tirsdag 1. Mars 2005 Quality Hotell Alexandra - Molde Foredrag 1: Grunnleggende desinfeksjonsteori mht virkemåter, begrensninger og biproduktproblematikk - Er det fortsatt aktuelt å klorere norsk drikkevann? v/ Svein Forberg Liane, Tveiten AS I vassforsyninga kan desinfeksjon utførast med : Klorering UV-stråling Ozonering (Membranfiltrering) I DETTE FOREDRAGET SEIER VI MEIR OM: Metodane sin virkemåte med inaktiveringsmekanismer. Korleis metodane tilfredsstiller krav til hygienisk barriere. Kunnskap om desinfeksjonbiprodukt. 2
I rettleiaren til drikkevassforskrifta vedk. 14 Vannkilde og vannbehandling heiter det (s. 37): Dersom det ikke er mulig å etablere tilfredsstillende hygienisk barrierevirkning i tilsigsområde/vannkilde, må dette kompenseres for ved å bygge inn minimum to hygieniske barrierer i vannbehandlingen. Siden den siste hygieniske barrieren skal være desinfeksjon eller tilsvarende, vil de(n) første barrieren(e) ofte være en annen type vannbehandling. Dette kan være vannbehandlingsmetoder som har til formål å fjerne partikler (turbiditet) fra vannet, ulike former for kjemisk felling med påfølgende filtrering, eller membranfiltrering. Sistnevnte kan også på gitte betingelser fungere som desinfeksjon. 3 Kloreringsmiddel: Klorgass, Cl 2 Natriumhypokloritt, NaOCl Kalsiumhypokloritt, Ca(OCl) 2 - Ikkje tillatt, står ikkje på Mattilsynet si liste over godkjende tilsettingsstoff. Klordioksyd Ikkje tillatt pga danning av kloritt (Mono)kloramin Ikkjeverkande, svært svak effekt! 4
KLORERING, kjemi: Når klor vert tilsett drikkevatnet, vert det danna ei syre som heiter underklorsyrling, HOCl, som er det mest effektive stoffet i klordesinfeksjonen. Underklorsyrling er eit stoff som lett spaltast vidare til eit hydrogen-ion og eit hypokloritt-ion gjennom likevektsreaksjonen: HOCl H + og OCl - Både underklorsyrling og hypokloritt-ion vert definert som fritt klor. Hypokloritt-ionet (OCl - ) har ein svakare desinfeksjonseffekt enn underklorsyrlingen (HOCl). 5 KLORERING, kjemi: Ved ph-verdiar mellom 6 og 9 er ikkje denne reaksjonen fullstendig, med både HOCl og OCl - til stades. Under ph 6 vert ikkje underklorsyrlingen spalta, og over ph 9 er spaltinga fullstendig, dvs. at det ikkje finst att underklorsyrling. Dette er den kjemiske bakgrunnen for at ein reknar klorering mest effektiv ved lågare ph-verdiar. Dette betyr at for å få same effekt av ei viss klordose ved høge ph-verdiar, må kontakttida forlengast, eventuelt dosen aukast. 6
7 KLORERING, inaktivering: Reduserer oksygenopptaket dramatisk Skadar cellemembranane Skaper lekkasjar av cellemateriale gjennom cellemembranane Set ned DNA (arvestoff) produksjonen KLORERING, hygienisk barriere: Rett dimensjonert er kloreringsmetodane å betrakte som hygienisk barriere mot bakteriar og virus. Metodane er ikkje eigna som barriere mot parasittar og bakteriesporer med dosar som er akseptable i vassforsyninga. 8
KLORERING, desinfeksjonsbiprodukt: Ved høgt innhald av organisk materiale (m.a. humus), og ved evt. innhald av uorganiske komponentar (m.a. fenoler), vil klor reagere og: gje dårleg smak (klorsmak). gje uheldige biprodukt m.o.p. helse. Kloreringsbiprodukt kan vera: Kloroform og liknande stoff under fellesnamnet trihalometanar, THM. Mutagen X, MX Stoff med gentoksiske eigenskapar, dvs. at stoffet kan føre til endringar i arvematerialet. Halogenerte eddiksyrer, klorfenoler og ei rekke andre forbindelsar. Konklusjon: Med dei låge klortilsettingane som nyttast i Noreg, er potensialet for danning av biprodukt lite, og dei helsemessige spørsmålsteikna beskjedne. NB! Tilgjengeleg informasjon gjev ikkje grunnlag for å rå i frå bruk av klor på slik bakgrunn. 9 UV-STRÅLING, inaktivering: Når bakteriar, virus, parasittar og bakteriesporer vert utsette for ultrafiolett lys i UV-C området og spesielt ved ei bølgelengde rundt 254 nanometer (nm), vert dei påførde skader på arveanlegga (DNA/RNA) Lågtrykks UV, vanlegast nytta, lamper fylte med kvikksølvdamp. Stråling oppstår ved utlading i kvikksølvdamp ved lågt trykk (ca. 0,001 atm.). Slike UV-lamper har normalt ein effekt i området 30-300 W, og gjev ca. 40-90% av strålinga med bølgelengde 254 nm. Lampeeffektar på 200-300 W er såkalla høgintensitets lågtrykks-uv. Mellomtrykks UV har normalt ein effekt i området 1-7 kw, lamper fylte med argon- og kvikksølvdamp, har eit innvendig trykk på 1-3 atm. og gjev stråling hovudsakleg i UV-området 200-320 nm. Mellomtrykkslampene har til no mest vore nytta i anlegg som skal behandle større vassmengder. Det vert no krav om isolering av bølgelengder <240 nm pga. fare for smakspåverknad av vatnet. 10
Lysspekteret Effektkurve for mellomtrykks-uv Effektkurve for lågtrykks-uv 11 I UV-teknologien nyttast CT-begrepet (konsentrasjon ganger tid=dose) slik: Intensitet (I) uttrykt i mw/cm 2 Stråletida (t) uttrykt i sekund (s) UV-dose (D) (Engelsk: Fluence) uttrykt i mws/cm 2 Ulike benevningar på UV-dose nyttast, eksempelvis: 30 mws/cm 2 = 30 mj/cm 2 = 300 J/m 2 (J = joule, energieining der 1 J = 1 kg m 2 /s 2 = 1 newtonmeter = 1 wattsekund = ca. 0,24 cal.) Dosen reknast ut som ein lineær funksjon av intensitet og strålingstid etter formelen: D = I x t der tida t reknast slik: t = volum av strålekammer (l) / vassmengde (l/s) 12
UV-STRÅLING, hygienisk barriere: Dose større enn 30 mws/cm 2 vert rekna for å vera ein hygienisk barriere overfor bakteriar, virus og parasittar, der doseverdien refererer seg til ein berekna verdi. Dose større enn 40 mws/cm 2 reknast i tillegg som hygienisk barriere overfor bakteriesporer. Denne doseverdien refererer seg til målt verdi basert på biodosimetertest Men: UV-dose >100 mws/cm 2 trengst for å drepe Adenovirus og sulfittreduserande virus (heile 200 mws/cm 2 for 3-log reduksjon). I USA er det retta spesiell fokus på dette. 13 Biodosimetertest: Det nyttast ein kultur av sporer til bakterien Bacillus subtilis (Bs) i testen I ein laboratorietest vert den aktuelle kulturen av Bs som skal nyttast i fullskalatesten, testa overfor ein UV-dose på 40 mws/cm 2. Grad av inaktivering av Bs ved laboratorietesten vert registrera. Gjennom ein fullskalatest av UV-aggregatet som skal sertifiserast, vert Bs-kulturen injisert og blanda i vasstraumen før aggregatet. Gjennom fleire seriar av prøveuttak/ analyser og intensitetsmålingar vert det målt om UV-aggregatet oppnår ein inaktivering av Bs som tilsvarar det som vart oppnådd i laboratorietesten ved ein UV-dose på 40 mws/cm 2 Dersom UV-aggregatet greier dette kravet, vert det sertifisert og gjeve eit sertifisert kapsitetsdiagram. Testen vert utført med ulike UV-transmisjonar (fargetal) i vatnet. Intensitetsmålaren vert óg sertifisert i denne testen, av samme instans som testar aggregata. 14
Validering av UV anlegg i henhold til ÖNORM og DVGW UV-aggregat som skal testes Utgangs kons. av bakteriesporer Trinn 2 Trinn 1 Inaktiveringstest med Kalibrerte UV-doser Fastsettelse av antall overlevende bakteriesporer 0 B.subtilis ATCC 6633 Fastsettelse av antall overlevende bakteriesporer Log. red 2 Sjekk at tilfredsstillende UV dose er oppnådd 20 40 UV dose, mj/cm 2 Fremstilling av standardkurve over inaktiveringseffekt versus UV-dose 15 UV-STRÅLING, desinfeksjonsbiprodukt og spesielle effektar: Nitritt kan dannast ved UV-stråling av nitrathaldig vatn. Enkelte undersøkingar har synt at UV-stråling av vatn som inneheld plantevernmiddel, kan produsere mutagene nedbrytingsprodukt. Forsøk med UV-stråling av humushaldig vatn har resultert i redusert biofilmvekst i ledningsnett, som kan forklarast med danning av hydroksylradikalar som har toksisk verknad på bakteriar. Lukt og smak kan forekoma ved UV-overdosering. Risikoen er størst ved bruk av mellomtrykks-uv og ved høgt innhald av organisk materiale. Det er UV-lys <240 nm som gjer dette. Fotoreparasjon, dvs. reaktivering av mikroorganismer etter UV dersom vatnet vert utsett for synleg lys i 1 til 2 timar etter UV-strålinga. I drikkevassamanheng med lukka røyrsystem og stort sett overbygde basseng vert ikkje fotoreparasjon rekna for noko problem. Likevel skal ein unngå å montere UV-anlegg før større åpne filter t.d. marmorbasseng. 16
UV-STRÅLING, desinfeksjonsbiprodukt og spesielle effektar: Det er stilt spørsmålsteikn ved om UV-stråling av klorert vatn kan gje opphav til danning av kloreringsbiprodukt. Teoretisk kan ein tenke seg dette, men det er ennå ikkje, så vidt Folkehelseinstituttet er kjent med, dokumentert. Ein førehandsregel vil her vera, dersom eit vassverk skal ha klor og UV i serie, å UV-stråle fyrst og klorere etterpå. Som fylgje av det låge innhaldet av nitrat og plantevernmiddel i norske drikkevasskjelder, ser ikkje norske helsestyresmakter nokon grunn til å åtvare mot helsemessige effektar i samband med biprodukt ved UV-stråling. 17 OZONERING, inaktivering: I oksidasjonsprosessen er det cellemembranen til mikroorganismen som vert angripen, ikkje ulikt virkemåten til klor. Ozon er svært effektiv i små dosar mot bakteriar og virus, medan det vert kravd større dosar for inaktivering av parasittar og bakteriesporer Ozon er mindre oppløyseleg i vatn enn t.d. klor og set såleis større krav til effektiv innblanding og kontakttid. Dette vert løyst på anlegga ved å bygge kontaktkolonner eller kontaktkammer som sikrar opphaldstider mellom 5 og 15 minutt eller lengre. 18
OZONERING, hygienisk barriere: Restozon større enn 0,2 mg/l O 3 etter 10 min. kontaktid vil vera hygienisk barriere mot bakteriar og virus. Utforming av og storleik på kontaktkolonna er vesentleg. Dersom parasittane Cryptosporidium, Giardia og bakteriesporer skal inaktiverast, bør restozon i vatnet vera større enn 5 mg/l O 3 etter 10. min. kontaktid 19 OZONERING, desinfeksjonsbiprodukt: Dersom råvatnet inneheld meir bromid enn 50 µg/l, må danning av bromat ved ozonering av vatnet takast med i betraktning. Dette er særleg aktuelt ved bruk av sjøvatn i vassforsyning og ved bruk av vasskjelder i kystnære strøk. Låg ph, låg alkalitet og låg temperatur reduserar bromatdanninga. Eksempel frå Skien VV: Råvatn med bromid 5 µg/l Br, ph 6,3, alk. 0,1 mmol/l og temp. 6 o C: Etter tilsats av opptil 1,6 mg/l O 3 vart bromatkonsentrasjonen målt til <0,4 µg/l BrO 3- (ved KIWA i Nederland). Grenseverdien i drikkevassforskrifta er sett til 5 µg/l BrO 3-. 20
Foredragets undertittel set spørsmål ved om klorering er på veg ut av den gode desinfeksjonsfamilien Folkehelseinstituttet spør i web-publikasjon (publisert 2003), dvs før Giardia-utbrotet i Bergen: Kan klorering fortsatt aksepteres som hygienisk barriere ved norske vannverk? 21 Folkehelseinstituttet oppsummerer slik i same artikkelen: Vi anbefaler ikke at alle norske vannverk som bruker klor til desinfeksjon i dag, umiddelbart skal måtte gå over til andre former for vannbehandling. Ved mange vannverk vil man kanskje kunne ha en god sikkerhet, også i forhold til parasitter og bakteriesporer, ved å ha en sikker vannkilde i kombinasjon med den vannbehandling man allerede har. Det er imidlertid klart at sikkerheten vil øke hvis man skifter til vannbehandlingsmetoder som også fungerer overfor parasitter og bakteriesporer. Vi anbefaler vannverkene å vurdere om de allerede nå bør planlegge og etter hvert skifte til bedre vannbehandlingsmetoder. Det er naturlig å stille de strengeste kravene til de største vannverkene, fordi det for samfunnet er vanskeligere å takle konsekvensene av en svikt dersom svært mange mennesker blir syke samtidig. Det er derfor naturlig at de store vannverkene går foran i sikring av drikkevannet. Vannverkseier og myndighet må jevnlig gjøre nye vurderinger av om sikkerheten er god nok. Ny kunnskap, endringer i samfunnets normer for akseptabel risiko og endringer i trusselbildet er alle faktorer som er viktige i denne prosessen. 22