1 Vannringen - Arbeidsseminar, Bergen 2013 Vannrenseanlegg Prof. em. Hallvard Ødegaard NTNU/SET AS hallvard.odegaard@ntnu.no 2 Naturlig ferskvannskvalitet i Norge Det er meget stor variasjon i den naturlige ferskvannskvaliteten Norsk overflatevann er surt, bløtt, lite saltholdig, svært ofte humusholdig og ikke bakteriologisk tilfredstillende med tanke på bruk som drikkevann Norsk grunnvann er mer likt norsk overflatevann (f.eks. bløtere) enn grunnvann i mange andre land Grunnvannet i Norge har overveiende bedre kvalitet enn overflatevannet og særlig er den bakteriologiske kvalitet bedre Dårlig råvannskvalitet skyldes i Norge i liten grad forurensning primært den naturlige tilstand 1
3 Vannkildekarakteristika KARAKTERISTIKK OVERFLATEVANN Partikler Humus Hygiene O 2 Fe/Mn Annet * Store, dype innsjøer ++ +/- + +/- + Kaldt vann * Små tjern og vann + --/+ - + +/- Alger, L/S * Eutrofe innsjøer - +/- - + + Alger, L/S * Elver - -/+ - ++ +/- Lukt,smak * Bekker -- +/- -- ++ +/- Lukt, smak GRUNNVANN * Grunnvann i løsmasser ++ ++ ++ -- - Ca/Mg, NO 3 * Grunnvann i fjell +/- + - + +/- Radon, fluor * Kunstig infiltrert vann ++ + + -/+ -/+ ++ Svært bra + Bra - Mindre bra -- Dårlig 4 Drikkevannsforskriften 1.Formål Denne forskriften har til formål å sikre forsyning av drikkevann i tilfredsstillende mengde og av tilfredsstillende kvalitet, herunder å sikre at drikkevannet ikke inneholder helseskadelig forurensning av noe slag og for øvrig er helsemessig betryggende. 12. Krav til kvalitet Drikkevann skal, når det leveres til mottakeren, jf. 5, være hygienisk betryggende, klart og uten framtredende lukt, smak eller farge. Det skal ikke inneholde fysiske, kjemiske eller biologiske komponenter som kan medføre fare for helseskade i vanlig bruk. 2
5 Eksempler på kvalitetskrav Parameter (gruppe) Enhet Grense- verdi Farge (1) COD (3) TOC (3,4) Turbiditet (1,4) Aluminium (3,4) Jern (3,4) Mangan (3) Kopper (3) 1 etter behandling 2 ut fra anlegg u/behandling 3 hos forbruker mg Pt/l mg O/l mg C/l FNU(NTU) 4 mg Al/l mg Fe/l mg Mn/l mg Cu/l 20 5 5; 1 3 2 1; 3 4; 1 0.3 0,2; 1 0.1 0,2; 1 0.1 0,05 2 0,1; 3 1.0 4 FNU=formazine neflometric unit NTU= neflometric turbidity unit 6 Mikrobiologiske parametre i vann levert abonnent Parameter Enhet (antall) Grenseverdi Tiltakstype Clostridium perfringens (inkl. sporer) Pr 100 ml 0 C Kimtall 22 o C Pr ml -* C Koliforme bakterier Pr 100 ml 0 B Escherichia coli Pr 100 ml 0 A Enterokokker Pr 100 ml 0 A * Ved verdier > 100 må årsaken undersøkes 3
7 Forskriften krevet at det skal være minst to hygieniske barrierer i vannforsyningssystemet: Hygienisk barriere definisjon: Naturlig eller tillaget fysisk eller kjemisk hindring, herunder tiltak for å fjerne, uskadeliggjøre eller drepe bakterier, virus, parasitter mv., og/eller fortynne, nedbryte eller fjerne kjemiske eller fysiske stoffer til et nivå hvor de aktuelle stoffene ikke lenger representerer noen helsemessig risiko Det er flere tiltak som kan beskytte befolkningen mot sykdom forårsaket av sykdomsfremkallende mikroorganismer i drikkevannet: Man kan forhindre mikroorganismene å nå vannverkets inntak i drikkevannskilden ved: tiltak i nedslagsfeltet tiltak i kilden Man kan sette inn vannbehandlingstiltak gjennom: fjerning av mikroorganismene gjennom partikkelseparasjon inaktivering av mikroorganismene gjennom desinfeksjon 8 Oversikt over behandlingsmetoder for drikkevann Problemstilling Tiltak Mulig behandlingsmetode Høy turbiditet Partikkelfjerning Koagulering/separering Høyt fargetall Humusfjerning Koagulering, ionebytting membranfiltrering, Høyt bakterieinnhold Desinfeksjon Klorering, UV-bestråling, ozonering Lukt og smak Lukt og smak fjern. Aktivkulladsorpsjon Jern og mangan Utfelling Oksydasjon/separasjon Nitrat Nitratfjerning Ionebytting, denitrifikasjon Organiske mikroforur. Reduksjon Adsorpsjon på aktivt kull Korrosivt vann Korrosjonskontroll ph- og alkalitets justering, Ca-tilsetting 4
9 Desinfeksjonsmetoder KLORERING Tilsetting av klor: Klorgass, Cl 2 - store anlegg Hypokloritt små anl. Ca(OCl) 2 NaOCl Effektivitet avhengig av dosering og kontakttid Normal dosering i Norge: 0,5 2 mg Cl 2 /l Normal kontakttid: 30 min Tidligere den vanligste metoden UV-BESTRÅLING Bestråling med UV-lys UV-bølgelengde: ca 2560 Å Kvarts/kvikksølv lamper som har begrenset levetid Effektivitet avhengig av produktet mellom intensitet og tid Dose=I*t (1 mwsek/cm 2) = 1mJ/cm 2 ) Typisk dose: 30-40 1mJ/cm 2 Mest brukt på små anlegg men i økende grad også på store (Oslo, Bergen, Tr.heim) Dyreste metode regnet som kr/m 3 (kapitalisert) OZONERING Tilsetting av ozongass Ozon (O 3 ) blålig gass fremstilt på stedet ved elektrisk utladning i luft eller O 2 (i O 3 -generator) Overføres til vannet gjennom bobledannelse i kontakttank Krever avozonering av overskuddsgass Normal dose: 0,2-0,5 mg/l Kontakttid: 5-10 min 10 Situasjonen i Norge Norge 2005: 312 vannverk med klor alene 528 vannverk med UV alene 204 vannverk med både klor og UV 10 vannverk med ozon i de fleste tilfeller i kombinasjon med klor eller UV Norge 2011 Store UV-anlegg i drift (Bergen, Oslo, Trondheim, Stavanger) Øket oppmerksomhet om parasitter pga Giardia epidemien i Bergen høsten 2004 Flere prosjekter angående desinfeksjonspraksis igangsatt 5
11 Optimal desinfeksjonspraksis Prosjekt i Norsk Vann/Svenskt Vatten 1. Rapport Norsk Vann 147/2006 - ODP I 2. Rapport Norsk Vann 169/2009 - ODP II 3. Veiledning Norsk Vann rapport 170/2009 GDP-veiledningen bygger på to fundament: 1. En prosedyre til bestemmelse av nødvendig inaktiveringsgrad a. I vannverket totalt b. I sluttdesinfeksjonen 2. Et sett av beregningsmetoder (en verktøykasse ) for bestemmelse av Ct-verdi og dermed inaktiveringsgrad 12 Faktorer som generelt innvirker på desinfeksjonseffektiviteten Kontakttid mellom desinfeksjonsmiddel og organisme Konsentrasjon og type av desinfeksjonsmiddel Antall og typer av organismer Strømningsbildet i desinfeksjonsreaktoren Vannets temperatur Vannets fysisk/kjemiske sammensetning 6
13 Ct-begrepet er sentralt 1. Det er en direkte sammenheng mellom den inaktiveringsgrad som kan oppnås og produktet av den konsentrasjon av desinfeksjonsmiddel mikroorganismen opplever og den tid den opplever denne konsentrasjonen log 10 N t /N 0 = - k C n. t (Chick/Watsons lov) (n~1) C er den konsentrasjon av desinfeksjonsmiddel som mikroorganismene føler t er den tiden mikroorganismene føler konsentrasjonen C endrer seg med tiden 14 Eksempel: Dosering av klor C dose C initiell C ut Klor C initiell C i = C dose IF C ut = C i e -k t C ut Tid (t) Klorkonsentrasjon (mg/l) 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 C dose C i IF C ut = C i e -kt 0 5 10 15 20 25 30 Kontakttid (min) IF og k bestemmes ut fra dette forløpet Ct er arealet under kurven 7
15 Log -reduksjon I forbindelse med desinfeksjon bruker vi svært ofte log-begrepet i stedet for % reduksjon fordi det kan være svært mange mikroorganismer per l vann. 1 log inaktivering = 90 % inaktivering 2 log inaktivering = 99 % inaktivering 3 log inaktivering = 99,9 % inaktivering 5 log inaktivering = 99,999 % inaktivering etc 16 Dimensjonerende Ct-verdi (mg. min/l) Bakterier (3 log) Virus (3 log) Parasitter av gruppen Giardia (2 log) Parasitter av gruppen Cryptosporidium (2 log) 4 o C 0,5 o C 4 o C 0,5 o C 4 o C 0,5 o C 4 o C 0,5 o C Klor ph < 7 ph 7 8 ph > 8 1.0 1,5 2,0 1,5 2,0 3,0 4,0 6,0 8,0 6,0 8,0 12,0 75 100 175 100 150 250 i.a. i.a. i.a. i.a. i.a. i.a. Kloramin 100 200 1500 2000 1750 2500 i.a. i.a. Klordioksid 1,0 1,5 20 25 25 40 1000 1250 Ozon 0,5 0,75 1,0 1,5 1,5 2,0 30 45 Log inaktivering: log IA = n Ct beregnet /Ct nødvendig Nødvendig Ct for en annen log inaktivering: Ct log n = Ct log n-1 (n/n-1) = Ct log n+1 (n/n+1) 8
17 Desinfeksjon med klorforbindelser Ulike klorforbindelser benyttes for desinfeksjon: Klor (Cl 2 ) Klorgass (Cl 2 ), Natriumhypokloritt (NaOCl) i en klorløsning, Kalsiumhypokloritt (Ca(OCl) 2 ) et tørt produkt som løses opp i vann. Kloramin (NH 2 Cl ) Klordioksid (ClO 2 ) Klorforbindelse Klorgass, Cl 2 Kalsiumhypokloritt Ca(OCl) 2 Natriumhypokloritt NaOCl Anvendelses område Middelstore og store anlegg Middelstore anlegg Små anlegg Karakteristika Gulgrønn gass med stikkende lukt. Tyngre enn luft Giftig. Yrkes hygienisk grenseverdi: 1 mg/l Leveres flytende i gassbeholder maks. fyllingsgrad: 88 % ved 21 o C Tapping av gass gir avkjøling. Krever oppvarmet doseringsrom <10 o C dannelse av klor is (Cl. 2 8 H2O ). Fuktig klor meget aggressiv. Levers som granulat (65 70% Cl 2 ). Må lagres kaldt. Løses opp før dosering. Løser lett i vann (200 250 g/l). Korrosiv. Leveres i løsning (12 15 % Cl 2 ). Må lagres kaldt og mørkt Løsningen taper seg ved lagring. Maks. levetid: 60 90 døgn.. Korrosiv 12.03.2007 18 Kjemiske reaksjoner ved klorering Når klor (som Cl 2 -gass) tilsettes vann, er det to reaksjoner som skjer, først en hydrolyse og så en dissosiasjon. Hydrolysen : Cl 2 + H 2 O = HOCl + H + + Cl - Dissosiasjonen: HOCl = H + + OCl - Når klor på hypokloritt-form tilsettes, får vi tilsvarende: NaOCl = Na + + OCl - HOCl mer effektiv enn OCl - ph er av betydning HOCl og OCl - er fritt klor Klor vil reagere med andre stoffer Klor forbrukes Danner mindre effektive klorforbindelser Danner helseskadelige stoffer Vannkvalitetsproblemer i naturen 12.03.2007 9
19 Dannelse av desinfeksjonsbiprodukter (DBP) ved klorering Klorerte organiske forbindelser Trihalometaner : TTHM : kravverdi : 50 µg/l Kloroform (dominerer i norsk vann) Bromdiklormetan (nest størst) Dibromklormetan (svært lite ) Bromoform (ikke konstatert Kloreddiksyrer (HAAC) Monoklor AC (minst) : JP krav : 20 µg/l Diklor AC JP krav : 40 µg/l Triklor AC (mest) JP krav : 200 µg/l Mutagen X (MX) : 3-klor-4-(deklormetyl)-5-hydroksi-2 [5H]-furanon Halogenerte acetoner, halogenerte acetonnitriler, klorfenoler, Triklornitrometan, klorhydrat, klorcyan 20 Desinfeksjonseffektivitet - klorforbindelser Bakterier Klor er et svært effektivt desinfeksjonsmiddel overfor bakterier og rapporterte Ct-verdier ligger vanligvis under 2 mg. min/l for 3 log inaktivering ved 1 o C. Virus Noen virus er mer resistente overfor fri klor enn bakterier og krever høyere Ctverdier for samme inaktivering (for eksempel 6-10 mg. min/l for 3 log inaktivering ved 1 o C Parasitter Klor er svært lite effektivt overfor parasitter og krever så høy Ct-verdier for inaktivering at bruk av klor for inaktivering av parasitter er praktisk/økonomisk uinteressant. Kloramin er lite effektiv både overfor bakterier, virus og parasitter Klordioksid er omlag like effektiv som klor overfor bakterier og virus, men noe mer effektiv overfor parasitter. 10
21 Ozonering Ozon er en gass med stort oksidasjonspotensial Gassen er giftig ved høye konsentrasjoner (luktes lett) Stort anlegg Lite anlegg Gassen produseres i en generator ved hjelp av en høyspent utladning Gassen oppløses i vannet ved at gassboblene kontaktes med vann Ozon er langt mer reaktivt enn klor Ozon inaktiverer mikroorgansimer Andre effekter av ozonering oksydasjon av organiske stoffer (reduksjon av TOC) oksidasjon av stoffer som gir lukt og smak (reduksjon av lukt og smak) oksidasjon av humus (farge reduksjon) oksidasjon av uorganiske stoffer, (f.eks. Fe og Mn, som så kan felles ut ) 22 Komponentene i et ozonanlegg Fødegass Luft : 3-5 vekts-% ozon Ren oksygen : 8-14 vekst-% ozon 11
23 Elementer i overføringssystemet fra ozon gass til vann 1. Ozongassen må innblandes i vannet Innblandingsenhet O 3 Innblanding 2. Ozon må overføres fra gassfase til vannfase Ozon kontaktreaktor Gassoverføring 3. Ozonet reagerer med komponenter i vannet og konsentrasjonen reduseres Ozon reaksjonsreaktor Det er ofte uklare overganger mht hva som er innblandingsreaktor, gassoverføringsreaktor og reaksjonsreaktor Reaksjon 24 Desinfeksjonseffektivitet - ozon Bakterier Ozon er et svært effektivt desinfeksjonsmiddel overfor bakterier og rapporterte Ct-verdier ligger vanligvis under 1 mg. min/l for 3 log inaktivering ved 1 o C. Virus Ozon er også svært effektivt overfor virus med Ct-verdier < 1,5 mg. min/l for 3 log inaktivering ved 1 o C Parasitter Ozon er relativt effektivt overfor parasitten Giardia (Ct = ca 2 mg. min/l for 2 log inaktivering ved 1 o C ) men mindre effektivt overfor Cryptosporidium (krever altså høye Ct-verdier > 25). 12
25 UV desinfeksjon To prosesser må finne sted : a. Generering av UV-lys med tilstrekkelig inaktiveringseffekt b. Overføring (transmisjon) av dette lyset til mikroorganismene Prinsippskisse av UV-anlegg 26 Sentrale begreper Intensitet, I (som normalt angis med benevning mw/cm 2 ) Ekvivalent med konsentrasjon ved kjemiske desinfeksjonsmetoder. UV-transmisjonen (UVT, %) Beskriver i hvilken grad UV-lys passerer gjennom en vannprøve av en viss lengde (lysvei) Stråletid, t (som angis i sekund) Ekvivalent med effektiv kontakttid ved kjemiske desinfeksjonsmetoder. Er avhengig av hydrauliske forhold (oppholdstidsfordeling), men er for ideell, turbulent stempelstrømning lik strålekammervolum dividert på vannføring (V/Q). UV-dose, D, som normalt angis med benevning mws/cm 2 (eller mj/cm 2 ) Ekvivalent med Ct-verdi ved kjemiske desinfeksjonsmetoder. D = I t 1 mws/cm 2 = 1 mj/cm 2 = 10 J/m 2 Normal dose 40 mj/cm 2 13
27 Nødvendig UV-dose for å oppnå 4-log inaktivering av noen utvalgte typer mikroorganismer i lab-forsøk. (Templeton, 2008). 28 Eksempler på anlegg 14
29 Desinfeksjonseffektivitet - UV UV-bestråling er svært effektivt overfor bakterier (< 15 mj/cm 2 for 3 log inaktivering ved 1 o C). UV-bestråling er effektivt overfor de fleste virus (< 30 mj/cm 2 for 3 log inaktivering ved 1 o C) men det finnes virus, Adenovirus type 40 og 41, som er svært resistent overfor UV (> 150 mj/cm 2 for 3 log inaktivering ved 1 o C). UV-bestråling er svært effektivt overfor parasitter (< 10 mj/cm 2 for 2 log inaktivering ved 1 o C). 30 Fordeler og ulemper med de ulike desinfeksjonsmetodene KLORERING UV-BESTRÅLING OZONERING Fordeler: Effektiv Billig Kjent teknologi Restvirkning på nettet Ulemper: Fjerner parasitter dårlig Danner klorerte org. forb. (THM) Kan gi lukt/smak Fordeler: Enkel drift Effektiv Ingen kjemikalier Fjerner parasitter godt Ulemper: Krever vann med lav farge og turbiditet Ingen virkning på nettet Kostbar Fordeler: Fjerner parasitter (Giardia) Oksiderer andre forbindelser (humus, Fe, Mn) Produseres på stedet Gir vannet frisk smak og tiltalende utseende Ulemper: Ingen virkning på nettet Relativt kostbar Øker biologisk.vekst potensial på nettet 15
31 Partikkelfjerning Partikler i vann Gravitasjonsmetoder for fjerning av partikler a. Sedimentering b. Flotasjon c. Sentrifugering d. Filtrering Filtreringsmetoder for fjerning av partikler a. Siling (planfiltrering) b. Filtrering gjennom granulært medium (dybdefiltrering) c. Membranfiltrering 32 Mikrosiling Benyttes primært til forbehandling i drikkevannsbehandling Roterende mikrosil (5 65 m lysåpning) 16
33 Prinsippet for koagulering/flokkulering/fnokkseparasjon Kolloidale partikler Koagulant Fnokkdannelse Fnokkseparasjon Tilsetting av koagulant Koagulering Flokkulering Fnokkseparering 34 Tilsetting av koagulant Koagulering Flokkulering Fnokkseparering KOAGULERING FLOKKULERING SEDIMENTERING Positivt ladet koagulant (Al +, Fe 3+ ) tilsettes Kolloider destabiliseres (løper sammen pga ladningsnøytralisering) Aggregater på 1-10 m For små til sedimenter. Det røres om i vannet De koagulerte aggregater kolliderer, fnokker oppbygges Dimensjoneringsparametre Oppholdstid (20-30 min) Omrøringsintensitet Oppdeling i kammer (> 2) Fnokkmengde Fnokkene synker til bunns Synkehastighet avh. av fnokkstørrelse Dimensjoneres for overflatebelastning, v: v = Vannmengde, Q (m/h) Overflateareal,A v = 0,6 1,2 m/h 17
35 Ulike typer av koaguleringsanlegg Koagulant tilsetting Flokkulering Sediment./ flotasjon Filtrering Konvensjonell Direkte filtrering Kontakt filtrering Introduction Vannkvalitetsproblemer i naturen 12.03.2007 36 Sedimentering Synkehastighet av partikkel i vann: 1/18µ [g. (ρ p ρ w ). d p2 ] (Stoke s lov) Suspensjonen av partikler føres inn i sedimenteringsbasseng hvor de langsomt synker mot bunnen mens vannet strømmer gjennom basenget 18
37 Eksempel på kompakt anlegg for koagulering/flokkulering/sedimentering (Actiflo) Slam Hydrosyklon M Mikrosand M M M Utløp Innløp Koagulant Injeksjon Koagulering Polymer Modning Lamellsedimentering 38 Actiflo - prinsippet Koagulant Mikrosand Polymer Vann Primærpartikler Fnokk 19
39 Flokkulering/flotasjon for fnokkseparasjon Ved flotasjon trykksettes en del av utløpsvannnet slik at luft kan løses i vannet. Når trykket slippes løs gjennom reduksjonsventiler, kan ikke vannet holde på luften som frigjøres i form av bobler. Disse hefter seg til fnokkene og drar disse med seg som slam til overflaten hvorfra det skrapes av. Flotasjon kan operere med langt høyere overflatebelastning enn sedimentering typisk 5-10 m/h. Fnokk/boble aggregat 40 Filtrering Filterkategorier: Planfiltrering (egtl: siling) Dybdefiltrering benyttes for: Direkte for fjerning av større partikler (alger etc.) Partikkelsjon utover sedimentering/flotasjon Direkte etter koagulering (direktefiltrering) Dybdefiltrering Gjennom seng av granulært materiale (sand etc.) Membranfiltrering Gjennom membran Biofiltre For biologisk omsetning ikke primært for partikkelseparasjon Fysisk/Kjemiske filtre For fysisk/kjemisk reaksjon ikke primært for partikkelseparasjon Ionebytterfiltre Aktivkullfiltrei 20
41 Filtrering produksjon drenering tilbakespyling Filterspyling 42 Drift av filter Lengde på filtersyklus - Bestemmes enten av falltapsbegrensning tid t 1 eller turbiditetsbegrensning tid t 2 Maks dh ut Falltap, dh Turbiditet ut Maks. turb. ut Modningsperiode t 1 t 2 21
43 Eksempel på oppbygging av to-mediafilter F/F+ 178 95 A/S F/F FL NC 1,6-2,5 mm Filter dybde (cm) 60 47 35 0 Anthracite 0,8-1,6 mm Sand 0,4-0,8 mm FL NC 1,6-2,5 mm FL HC 0,8-1,6 mm FL HC 0,8-1,6 mm Support layer Support layer Support layer -30 44 Oppbygning og dimensjonering av filtre Filterhastighet : Vannmengde/Filteroverflate : Q/A Filtertype Filtermedium Tetthet g/cm 3 Kornstørrelse d 60, mm Filterdybde cm Filterhastighet m/h Nedstrøms En-media Sand 2,60 0,4 0,8 50-80 4 8 Nedstrøms To-media Antrasitt Sand 1,80 2,60 1,0 2,0 0,4 0,8 45 50 20 30 8 12 Nedstrøms Tre-media Antrasitt Sand Granatsand 1,80 2,60 4,20 1,0 2,0 0,6 0,8 0,4 0,6 65 25 10 10 15 Nedstrøms To-lags Leca-granulat (Filtralite) 1,20 1,80 1,6 2,5 0,8 1,6 8 12 Oppstrøms En-media Oppstrøms En-media Sand/grus 2,65 1,80 Leca-granulat (Filtralite) 0,8 2,0 0,8 3,0 100-160 5 10 1,80 0,8 2,5 100-160 5 10 22
45 Ulike filtertyper Åpent gravitasjonsfilter Lukket trykkfilter 46 Membran filtrering Konsentrat membran Fase 1: Fase 2: Råvann Råvann Permeat Permeat Renset vann Drivende kraft; C, P, T, E Membranmoduler 23
47 Ulike membranfiltreringsteknologier definert av membranens poreåpning og trykket over den Trykkdifferanse (bar) Partikkel og molekylstørrelse (µm) 48 Omvendt osmose (porer < 1nm) Bruke for Fjerning av ioner Avsaltning Membranmodultype Spiralmembraner a. b. 24
49 Nanofiltrering (Porer <10 m) Brukes for Separasjon av kolloider, bl.a virus Fjerning av molekyler Humus (NOM) Organiske mikroforurensninger Mer enn 100 drikkevannsanlegg i Norge benytter nanofiltrering for fjerning av humus (myrfarge) i vann Benytter spiralmembraner 50 Ultrafiltrering (porer < 100 nm) Brukes for Fjerning av fnokker Separasjon av bakterier og parstter Kan brukes i kombinasjon med koagulering for fjerning av kolloider og humus (NOM) Dykkede hulfibermembraner Brukes vanligvis i membranbioreaktorer for rensing av avløpsvann Mange ulike modultyper blir brukt Hulfibermembraner i trykkrør 25
51 Mikrofiltrering (porer < 1000 nm) Mikrofiltrering (< 1000 nm) Fjerning av fnokker Separasjon av bakterier og parasitter Separasjon av alger Keramiske membraner synes ha et stort potensial Keramisk membran 52 Fjerning av humus Humus: langkjedede organiske molekyler. Problemstillinger: gir vannet farge (myrvann) gir vannet høyt innhold av organisk stoff (TOC) danner kreftfremkallende stoffer ved klorering adsorberer tungmetaller og organiske miljøgifter Svært vanlig problem I Norge Flere metoder er aktuelle. Mest brukt i Norge: Koagulering/direktefiltrering Membranfiltrering Ionebytting Ozonering/biofiltrering 26
53 Humusfjerning ved koagulering/ fnokkseparation Humus Koagulant Koagulering/fnokkseparasjons prosesser Koagulant tilsetting Konventsjonell Flokkulering Sedim./ flotasjon Filtrering Utfelling og fnokkdannelse Direkte filtrering Fnokk separasjon Kontakt filtrering 54 Koagulering/direktefiltrering (m/korrosjonskontroll) 27
55 Koagulering/membranfiltrering Membran(UF/MF) filtre kan erstatte sandfiltre anlegg for koagulering/filtrering for fjerning av humus i drikkevann Metoden er imidlertid foreløpig lite brukt i Norge Blant membranfiltreringsmetodene er det nanofiltrering som dominerer retentate Lello vannbehandlinsganlegg Levanger raw water permeate coagulation/ flocculation membrane filtration 56 Membran(nano)filtrering Typisk flyteskjema Typiske betingelser Forbehandling : 50 µm mikrosil Modul : spiral modul Membraner : celluloseacetat Poreåpning : 1-5 nm 28
57 Ozonering/biofiltrering Tilsetting av ozon som fremstilles på stedet Ozoneringen fjerner farge, men gjør vannet biologisk ustabilt Bakteriell omsetning i biologisk filter stabiliserer vannet biologisk 58 Fjerning av lukt og smak Lukt og smak er ofte et resultat av stoffer som utskilles av alger og bakterier de gir ofte en muggen, jordaktig smak pyrolysis Indre overflateareal ca. 600-1500 m 2 /g Aktivt kull er varmebehandlet kull som gjør kullet blir veldig porøst indre areal:1500 m 2 /g Den store indre overflaten adsorberer organiske stoffer Anlegg basert på adsorpsjon på aktivt kull, bygges ofte som lukkede filtre eller som anlegg med pulvertilsettinmg Adsorpsjon. Et overflate fenomen der noe hefter seg til overflaten på grunn av tiltrekkende krefter (fysisk eller kjemisk betinget) 29
59 Tre måter å bruke aktivt kull på PAK: Pulver aktivkull PAK Inn GAK: Granulært aktivkull Inn Inn Ut GAK GAC Sand Ut Ut a. PAK brukt i slurry anlegg b. GAK brukt i to media filter c. GAK brukt i filter anlegg Andvijk vannverk i Nederland med OMF-problemer 60 Fjerning av organiske mikroforurensninger Organiske mikroforurensninger: Stoffer som kan gi lukt og smak på vannet Algetoksiner Hormonhermende stoffer Farmasøytiske restprodukter Pesticider av ulik sort Selv om disse stoffene til dels kan være ganske forskjellige, er det to hovedstrategier som benyttes for å fjerne dem: 1. Adsorpsjon på aktivt kull 2. Kjemisk oksidasjon med sterke oksidasjonsmidler (f.eks. ozon eller ozon i kombinasjon med H 2 O 2 eller UV 30
61 Ionebytting Normal drift : R + -X - + Humus - R + Humus - + X - Regenerering : R + Humus + X - R + -X - + Humus - Ionebytting kan brukes til å fjerne humus som er negativt ladet, men også: Negative ioner (anionebytter), og Positive ioner (kationebytter) Metaller Kalsium og magnesium Ammonium 12.03.2007 62 Anlegg for behandling av grunnvann Grunnvanns definisjoner Grunnvann i fjell Grunnvann i løsmasser Grunnvann fra kunstig infiltrasjon Elvebank infiltrasjon Basseng infiltrajon 31
63 Vanlige komponenter å finne i grunnvann Jern og mangan, vanlige bruksmessige problemer (hhv. 14,1 % og 26,3 % ) Kalsium og magnesium (hardhet) kan være et bruksmessig problem og bør sjekkes Klorid (salt) bør sjekkes i kystområder og under øvre marine grense Nitrat, lokale problemer, bør sjekkes (0,6 %) Kadmium og bly, svært sjelden men bør sjekkes (0,2 %) Fluorid, relativt vanlig problem (16,6 %) (primært I fjellbrøner). Radon, også relativt vanlig problem (16 %) (primært I fjellbrøner). Arsen, ikke vanlig men bør sjekkes (1,5 %) (primært I fjellbrøner). Lav ph øker løseligheten av tungmetaller 64 Nødvendig behandling av grunnvann Normalt i Norge: Lufting Oksygenering CO 2 -avdriving Fjerning av jern (og evt mangan) (utfelling/filtrering) Desinfeksjon (klorering, ozonering, UV-desinfeksjon) Korrosjonskontroll (tilsetting av Ca og CO 2 evt andre metoder) Normalt i mange områder i utlandet: Fjerning av hardhet Fjerning av lukt og smak (H 2 S) Fjerning av nitrat (pga intensivt jorbruk) Fjerning av pesticider (pga intensivt jorbruk) Fra tid til annen: Fjerning av fluor (tannhelse) og arsen (giftig) Fjerning av radon 32
65 Oksygenering (lufting) Grunnvann har ofte lavt O 2 -innhold som følge av mikrobiologisk forbruk av oksygen i grunnen Lavt oksygeninnhold i grunnen fører til reduktive forhold jern og mangan på toverdig form feller ut når oksygen kommer til dannelse av gasser (H 2 S, CH 4 etc) lukt og smak Det er krav i drikkevannsforskriften om at O 2 - innholdet skal være > 70 %. Metning avhengig av temperatur : 70 % ved 15 o C = ca 10 mg O 2 /l 66 Prinsipper for lufting av drikkevann 33
67 Fjerning av jern og mangan Jern og mangan finnes i grunnen på redusert (to-verdig) form. Når det kommer oksygen til, feller Fe og Mn ut. Behandlingen består derfor av : oksygenering + utfelling + filtrering Oksydasjonen og utfellingen er ph-avhengig Jern : ph bør være > 7 ved ph > 8 går reaksjonen fort Mangan : ph bør være over 9 for at reaksjonen skal gå fort 68 Bløtgjøring av vann Hardhet i vann Hardhet er et buttrykk for vannets innhold av Ca 2+ og Mg 2 + Hardt vann kan gi kalkavsetninger i rør og varmtvannsanlegg, Ca 2+ + 2HCO 3- => CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Hardt vann har et totalt innhold av Ca 2+ og Mg 2+ tilsvarende > 150 mg/l CaCO 3 (60 mg Ca/l). < 20 mg Ca/l tilsvarer bløtt vann Det midlere norske overflatevann har kun 2,8 mg Ca/l og grunnvannet 8,5 mg Ca/l 34
69 Fjerning av hardhet (sjelden nødvendig i Norge) Kalk/soda-prosessen En utfellingsprosess der man tilsetter kalk for forskyve likevektene slik at kalsiumkarbonat og magnesiumhydroksyd feller ut: Ca 2+ + 2HCO 3- + Ca(OH) 2 => 2CaCO 3 + 2H 2 O Mg 2+ + 2HCO 3- + 2Ca(OH) 2 => 2CaCO 3 + Mg(OH) 2 + 2H 2 O Ionebytting En sorpsjonsprosess hvor man bytter ut de ioner man ønsker å fjerne (Ca- og Mg- her) med andre ioner med samme ladning som befinner seg i et ionebyttermedium (resin) Ca 2+ + 2HCO 3- + NaR => CaR + 2Na + + 2 HCO 3 - der R er et fastsittende ionebytter-resin reaksjonen er 100% effektiv så lenge det er Na + igjen i ionebytteren når all Na + er oppbrukt kan ionebytteren vaskes med NaCl CaR + 2NaCl => Na 2 R + CaCl 2 70 Ulike former for kunstig grunnvannsinfiltrasjon 35
71 Oppsummering behandling av grunnvann 1. Grunnvann i løsmasser er vanligvis av god kvalitet i Norge og trenger ofte lite behandling. Vanlige behandlingstiltak : Lufting, filtrering, desinfeksjon 2. Grunnvann i fjell ligner ofte mer på overflatevann spesielt er ofte den mikrobielle kvaliteten dårligere enn i grunnvann i løsmasser 3. Kunstig grunnvannsinfiltrasjon brukes mer og mer både i Norge og i andre land 4. I mange andre land er grunnvannet svært forurenset ofte av nitrater og pesticider dvs resultater av intensiv landbruksdrift på arealene over grunnvannsressursen. Slikt grunnvann kan krever omfattende behandling 72 Korrosjonskontroll Fordi mye av vannet i Norge er bløtt, surt og med lav alkalitet må man ofte behandle det med sikte på å redusere korrosivitet Det oppnås gjennom ulike metoder: tilsetting av kalk (Ca), kullsyre (CO 2 ) og evt lut (NaOH) filtrering gjennom kalsiumkarbonat (marmor) tilsetting av mikronisert marmor I alle tilfellene er målet : å øke ph til 7,5-8,5 å øke kalsium-innholdet til 15-25 mg Ca/l å øke alkaliteten til 0,6 1,0 mekv/l Et alternativ er tilsetting av vannglass (aktivert silika) som gir en beskyttende film på innsiden av røret 36
73 Silikatreaksjoner (vannglass) Fe 2+ + Si(OH) 4 = FeOSi(OH) 3+ + H + Mn 2+ + Si(OH) 4 = MnOSi(OH) 3+ + H + Me OH Me O OH O + Si(OH) 4 = O Si Me OH Me O OH 74 Norske erfaringer med vannglass Stabiliserer ph ute på nettet. Ved å tilføre base samt beskytte mot korrosjon. Løser opp rustknoller i ledninger og på ventiler. Reduserer tungmetallinnholdet i vannet (f.eks. Cu, Al). Ved å beskytte husinstallasjoner og ledninger mot korrosjon. Fjerner/reduserer belegg og biofilm fra ledningene. Fjerner/reduserer rødt vann problemer. Reduserer behovet for spyling og pluggkjøring. I enkelte tilfeller har det vært problemer med og korrosjonsprodukter løsner i for store mengder slik at vannkvaliteten blir dårlig (pga for høye silikatdoser). 37
75 Flyteskjema for fullrenseanlegg (anlegg for belastede vannkilder Glomma, Rhinen, Donau) 76 Oset vannverk i Oslo 38
77 Vannverk i spredt bebyggelse og hyttebebyggelse Vannkvalitetsproblemer i naturen 12.03.2007 78 Ulike mini vannbehandlingsanlegg på markedet 39
79 Takk for oppmerksomheten 40