UV-desinfeksjon som hygienisk barriere:

Norsk Vannforening, Fagtreff Et kritisk blikk på vannbehandling som hygienisk barriere mot sykdomsfremkallende mikroorganismer Nasjonalt folkehelseinstitutt, Oslo, 11 november 2008 UV-desinfeksjon som hygienisk barriere: Driftsforstyrrelser og effekter av slike Bjørnar Eikebrokk, SINTEF Bjørnar Eikebrokk, Sjefsforsker, dr. SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur Vann & Miljø bjornar.eikebrokk@sintef.no SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 1

Det foreligger en rykende fersk Veiledning for UV-desinfeksjon av drikkevann SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 2

Drikkevannsforskriftens 14 (2002) For å sikre hygienisk betryggende drikkevann, skal eier av godkjenningspliktig vannverk gjennom valg av vannkilde(r), beskyttelse av denne (disse) og etablering av vannbehandling sørge for at det til sammen finnes minimum 2 hygieniske barrierer i vannforsyningssystemet. En av disse skal sørge for at drikkevann blir desinfisert eller behandlet på annen måte for å fjerne, uskadeliggjøre eller drepe smittestoffer. SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 3

UV som desinfeksjonsmetode Ca. 800 vannverk har UV desinfeksjon (VREG) i Norge Disse anleggene forsyner ca. 0.9 mill. personer Før primært på de små nå også UV på de store vannverk Sterk økning i antall UV-anlegg de siste årene Hovedårsak til den økende interessen for UV: Effektiv inaktivering av parasitter (i motsetning til klor) Dokumenterte barrieresvikt i mange vannkilder også i store innsjøer med dypvannsinntak 2004: Helsinki med verdens største UV-anlegg: 7 000 m 3 /t 2007: New York (300 000 m 3 /t), Seattle (28 000 m 3 /t), Rotterdam (19 600 m 3 /t) 2008: Oslo (Oset): 21 600 m 3 /t (2 anlegg) SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 4

Sentrale komponenter i UV-anlegg Målt Q og UV-I (UVsensor) UV-dosen beregnes og angis (PLS/SCADA) Q-måler SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 5

Veilederen til Drikkevannsforskriften Indikatorkrav til vannbehandling og UV-desinfeksjon som hygieniske barrierer Bakterier og virus 3 log fjerning/inaktivering (99,9%) Parasitter 2 log fjerning/inaktivering (99%) Veilederens krav til indikatorverdier for UV-dose > 30 mj/cm 2 for inaktivering av bakterier, virus og parasitter, basert på beregnet doseverdi > 40 mj/cm 2 for inaktivering også av bakteriesporer, basert på biodosimetertest SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 6

UV-intensitet, -transmisjon og -dose Noen sentrale begreper: 1. UV-intensitet, UV-I (mw/cm 2 ); = f (lampe, UV-T, belegg) 2. UV-transmisjon, UV-T (%); = f (vannkvalitet, dvs NOM, Fe, ++) 3. Bestrålingstid, t (sek); = f (Q, UV-reaktorhydraulikk, reaktorvolum) UV-dose (mws/cm 2, i.e. mj/cm 2 ) = UV-I t UV-anlegg må baseres på gode grunnlagsdata/worst case 1. Max vannstrøm (Q DIM ) 2. Minimumsverdi for UV-I (avgitt av lampe/målt i sensor) 3. Minimumsverdi for UV-T (vannkval) 4. Kvalitet på ekstern og intern strømforsyning SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 7

Relativ UV-intensitet (%) Den viktigste vannkvalitetsparameter UV-transmisjon Rough Rule of Thumb 5 % decrease in UV-T 50 % reduction in UV-dose Avstand fra UV-lampen (cm) Templeton (2008) SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 8

Kortslutningsstrømmer og gradienter i UVintensitet gir inhomogen UV-dosefordeling UV-dosen er vanskelig (umulig) å beregne. Derfor brukes en testorganisme som måleinstrument (biodosimeter) for tilført dose (Sommer 2008) SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 9

Biodosimetrisk testing/validering Målt utdøing (log-reduksjon) av valgt testorganisme (biodosimeter) i UV reaktoren sammenholdes med en standardkurve (dose-respons-kurve) for avlesning av dosen som gir samme log-reduksjon (Reduction Equivalent Dose, RED) Dose Responskurve for testorganismen SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 10

Eksempel Godkjenning/sertifisering fra FHI Hydraulisk kapasitet ved ulik UV intensitet (sertifiseringsområdet) UV-dose > 40 mj/cm 2 Godkjenningen gjelder bare innenfor angitt (testet) område, og valgt driftspunkt må ligge over kurven for antall aggregater i bruk x Kilde: A. Seim, Bergen Vann KF SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 11

Hvordan fungerer desinfeksjonsanleggene i praksis? V.Lund, 2007 (VREG) Gj.sn. for v.v.med tilfredsstillende bakt. kvalitet Gj.sn. for utilfredsstillende v.v. (# Pers.) (# Pers.) Membranfilter Kjemisk felling + klor eller UV Klorering UV bestråling 1 300 11 000 15 000 1 100 300 400 300 600 Ant. tilfreds. 70 97 112 371 vannverk Ant.utilfreds. 4 4 15 47 vannverk % utilfreds. vannv. 5,4 4,0 11,8 11,2 Utilfredsstillende vannverk vannverk = Funn av E. coli i flere enn 5% av prøvene SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 12

Det finnes utfordringer også med UV Underdimensjonerte anlegg og mangelfull oppfølging fra leverandør Mangelfulle dimensjonerings-/grunnlagsdata Redusert levetid på UV-lamper pga lav temp (LP), mange start/stopp Kortslutninger/svikt pga flom/oversvømmelse Lekkasjer i UV-sensorer med påfølgende signalfeil Manglende kontroll/tilsyn av anlegg generelt og UV-sensorer spesielt Beleggdannelse på kvartsglass og sensorvinduer Manglende vannmålere og hydraulisk skjevfordeling mellom linjer Feil i elektrisk kabling og smeltende anslutninger Stans av anlegget pga dårlig strømkvalitet: strømblink/spenningsfall Manglende/underdimensjonert nødstrømforsyning/ups Feilleveranser av UV-lamper og manglende reservedeler Dårlig rengjøring og svikt i mekaniske viskersystemer Lampebrekkasje pga trykkstøt/undertrykk Svikt i forutgående vannbehandling med stopp i UV For lav kompetanse i flere ledd (leverandør-rådgiver-bruker) SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 13

Forutsetninger for at UV-anlegg kan være effektive og stabile desinfeksjonsbarrierer Biodosimetrisk testede/godkjente UV-aggregater UV-dose 40 mj/cm 2 Drift innenfor godkjent område God og stabil vannkvalitet (UV-T 5cm > 30 %) Pålitelige og kalibrerte UV-sensorer God kontroll på vannføring gjennom alle UV-aggregat Effektiv beleggkontroll/vask (lampeglass og sensor) God og stabil kvalitet på strømforsyningen Kontroll på lampestatus (timeteller, UV-I, pådrag) Gode driftsovervåknings-/kontrollsystemer Robuste komponenter (ballaster) SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 14

Driftsforstyrrelser som kan påvirke barriereeffekt og -stabilitet Forhold utenfor selve UV-anlegget Forringelse av råvannskvalitet (sirkulasjon, flom, etc) Svikt i oppstrøms vannbehandling Svikt i strømforsyning (strømutfall, blink, spenningsfall, etc) Flom, oversvømmelser, m.v. Forhold i selve UV-anlegget Komponentsvikt i UV-anlegg (ballaster, lamper, sensorer, etc) Svikt i styring/pls Beleggdannelse Svikt i vaskesystemer/beleggkontroll Svikt i driftskontroll og vedlikeholdsrutiner Svikt i kalibreringsrutiner (f. eks. UV-sensor) Manglende reservedeler/reservedelslager SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 15

Hva betyr nedetid/svikt i UV-aggregater for total barriereeffekt (log-reduksjon)? Eks. 1. Helt ute 4 % av tiden Eks. 2. Delvis ute 8 % av tiden Eksempel 1: Full svikt (til 0-log reduksjon) for 4 % av behandlet vannvolum (tid) gir en total log-reduksjon som avtar fra 2.6 til 1.37 (I Norge kreves 2-log reduksjon for parasitter og 3-log for bakterier og virus) Eksempel 2: Delvis svikt (fra 2.6 til 2.0 log-reduksjon) for 8 % av behandlet vannvolum (tid) opprettholder en total log-reduksjon på 2.5 Bør det stilles krav til driftsstabilitet/max nedetid (off-spec drift)? SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 16

Typiske variasjonsforløp av vannforbruk og vannkvalitet (UV-transmisjon) Sommer-topper Høst-topper USEPA 2006 Drift av UV-anlegg må ta hensyn til variasjoner i vannforbruk (Q) og vannkvalitet (UV-T) SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 17

Vannkvalitet og UV-desinfeksjon Partikler: skygge-effekter og innbaking av mikroorganismer NOM: absorberer UV-lys og reduserer UV-transmisjonen Restmetall fra koagulering: kan redusere UV-T og danne belegg på lampe og sensor Jern+mangan: kan gi belegg som er vanskelig å fjerne (NB for grunnvann; og for Mn-holdig Fe-klorid?) Også sensoren trenger rengjøring ikke bare kvartsglassene USEPA: Månedlig kontroll av UV-sensor anbefales Belegg Kartlegg vannkvalitet m/variasjoner! Optimal vannbehandling er viktig! Rengjøring/vask er viktig! NOM SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 18

Sirkulasjonsperioder i vannkilder kan gi stor reduksjon i UV-transmisjonen (Talgø 2007) SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 19

NB for substanser med høy UV-absorbans og stort potensial for beleggdannelse 91 -> 90 % T 254 I tillegg: Beleggdannelse fra noen av de samme substanser (NB for Fe,Mn) Ingen sign. absorbans fra: NH 3, NH 4+, Ca 2+, OH -, Mg 2+, Mn 2+, P, SO 4 2- SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 20

Vannkvalitet og UV-desinfeksjon Reduksjon i avlest UV-intensitet i 7 døgns test - Ca 20 mg Ca/L SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 21

Mekanisk (a) og mekanisk-kjemisk (b) rengjøring av UV- lamper/kvartsglass Visker - teflonring Visker m/vaskeløsning Hva med sensorvinduet? SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 22

Vask og Beleggkontroll Sirkulasjonspumpe Sitronsyre Kriterier for initiering av vask? Saltsyre,sitronsyre,fosforsyre? Kilde: A. Seim, Bergen Vann KF SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 23

Lampestatus og levetid Avgitt UV-intensitet avtar med levetiden Levetiden bør være 7-12 000 (LP), og 3-7000 timer (MP) Levetiden reduseres ved temperaturer < 5 C Uoriginale lamper bør brukes med forsiktighet SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 24

Kvalitet på strømforsyning Spenningsfall > 10 % kan slukke UV-lampen Kortvarige strømutfall - strømblink kan slukke lampen ÅRSAKER: Lynnedslag Dårlig ekstern strømforsyning Dårlig kvalitet på forsyningsnettet i Norge? Forskjell by og land? Dårlig/for liten kapasitet på internt nett Innslag av tunge lastkomponeter Manglende kapasitet på nødstrøm/ups SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 25

Kvalitet på strømforsyningen Viktig å kartlegge vannkvaliteten men også kvaliteten på strømforsyningen! Kvalitet på strømforsyningen Hva er normalfrekvens og varighet på strømutfall? Hva er normalfrekvensen på kortvarige strømblink? Hvor ofte forekommer spenningsfall ned mot 200 V? (lampe slukkes) Forskjeller mellom Norge og andre land og mellom by og land? Hva med interne strømforsyning - nettkapasitet, tunge komponenter/spenningsfall, m.v? Bør UPS brukes for å løse problemer mht strømforsyningen? ++ SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 26

Kvalitet på strømforsyning Antall spenningsdip BKK År (sentral- og regionalnett, ikke lokalnett) 2000 27 2001 18 2002 22 2003 13 2004 17 2005 18 2006 20 Spenningsdip (SEFO 2007) Hurtig reduksjon i spenningens effektivverdi til under 90 %, men større enn 1 % av avtalt spenningsnivå, med varighet fra 10 millisek til 60 sekunder Gjennomsnittet for Norge når det gjelder antall spenningsdip (sentralnett, reginalnett og lokalnett) er i størrelsesorden 12-16 pr år UV-anlegg vil normalt kunne slås ut 1-2 ggr/mnd pga spenningsdip SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 27

Malley 2008 SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 28

Malley 2008 SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 29

Anbefalte kontrollfrekvenser Malley (2008) SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 30

UV-dose (mj/cm 2 ) Dose UV Varighetskurver for UV-dose Et godt verktøy Varighetskurve Espeland for kontroll og identifisering av barrieresvikt? 45 40 40 mj/cm 2 35 30 25 20 15 10 5 Eksempel Dose UV-anl.1 Espeland Barrieresvikt Barrieresvikt (< 40 i mj/cm UV-aggregatene Dose 2 UV-anl.2 Espeland ) i 5-30 % av levert 5-30 Dose vannmengde UV-anl.3 % av Espeland tiden fra anleggets Dose i UV-anl.4 dette 5 UVreaktorer Espeland eksempelet Dose UV-anl.5 Espeland 0 0 % 5 % 10 % 15 % 20 % 25 % 30 % 35 % % av levert vannmengde SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 31

On-line Turbiditet (NTU) UV-dose (mj/cm 2 ) Dose UV Fare på ferde når barrieresvikt oppstår i forutgående vannbehandlingstrinn og i UV-anlegget og til samme tid Varighetskurve Espeland Barrieresvikt i en filterenhet i mer enn 40 % av tiden 45 40 35 40 mj/cm 2 0.2 NTU 30 25 20 15 10 5 Dose UV-anl.1 Espeland Barrieresvikt Dose UV-anl.2 Espeland i UV-aggregater Dose UV-anl.3 Espeland 5-30 % av tiden Dose UV-anl.4 Espeland Dose UV-anl.5 Espeland % av tiden eller produsert vannmengde 0 0 % 5 % 10 % 15 % 20 % 25 % 30 % 35 % % av levert vannmengde SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 32

Takk for oppmerksomheten! SINTEF Byggforsk Avd Infrastruktur - Vann og miljø 33