Avdeling for Vann og miljø

Presentasjon om: "Avdeling for Vann og miljø"— Utskrift av presentasjonen:

1 Avdeling for Vann og miljø
Optimal desinfeksjonspraksis – workshop Dimensjonering av anlegg for desinfeksjon - gjennomgang av USEPA retningslinjer Stein W. Østerhus Avdeling for Vann og miljø SINTEF

2 Innhold Generelt CT Klor Kloramin Klordioksyd Ozon UV Oppsummering

3 Generelt

4 EPA-kilder SWTR, Surface Water Treatment Rule, 1989.
Multiple barriere, krav til inaktivering av virus (4log) og Giardia (3log), bruk av CT. Compliance with the filtration and desinfection requirements for public water systems using surface water sources, 1991. IESWTR, Interim Enhanced Surface Water Treatment Rule, 1998. For >10000pe: 2log inaktivering av Crypto (v/filtrering) eller Crypto kontroll (u/filtrering), turbiditetskrav fra hvert filter, krav til desinfeksjonsprofil, krav til nettmålinger. Desinfection Profiling and Benchmarking, 1999. Alternative Desinfectants and Oxidants, 1999. 1-DBPR, Stage 1 Desinfectants and Desinfection Byproducts Rule, 1998. Krav til DBP og max restkonsentrasjon av desinfeksjonsmiddel, behandlingsmetoder for å redusere DBP. Microbial and desinfection byproduct rules simultaneous compliance, 1999.

5 EPA-kilder FBRR, Filter Backwash Recycling Rule, 2001.
Formål: redusere sykdom pga resirkulering av patogener. Info-krav. LT1ESWTR, Long Term 1 Enhanced Surface Water Treatment Rule, 2002. Som IESWTR men gjelder for <10000 pe. 2-DBPR, Stage 2 Desinfectants and Desinfection Byproducts Rule, proposed 2003. Bygger på 1-DBPR, prøvetaking, prøvepunkt på nett, ”peak”-verdier. LT2ESWTR, Long Term 2 Enhanced Surface Water Treatment Rule, proposed 2003 (draft 2001). Formål: tilleggskrav til Crypto-fjerning avhengig av risk, krav til bestemte behandlingsmetoder, Long term 2 enhanced surface water treatment rule, 2001. The long term 2 enhanced surface water treatment rule (LT2ESWTR) – Implementation guidance, 2003. Long term 2 enhanced surface water treatment rule – Toolbox guidance manual, 2003. Ultraviolet desinfection guidance manual, 2003.

6 1989 1998 2002 2001 2003 1998 2003

7 Endringer i vurdering av metoder
Alt. des. & ox., 1999 OK

8 Log fjerning/inaktivering ved filtrering
Crypto-fjerning credits: typisk 2.0 log, men avhengig av drift. Membranfiltrering: avhengig av demonstrasjonstest og praksis i delstat.

9 CT

10 CT-verdi CT-verdi er en versjon av Chick-Watson’s lov.
Definisjon på CT-verdi: Produktet av restkonsentrasjonen av desinfeksjonsmiddel, C (mg/L), og kontakttiden, T (minutter), som restkonsentrasjonen er i kontakt med vannet. CT-verdi = dose , dvs konsentrasjon multiplisert med virketid. Kan benyttes for alle disinfeksjonsmetoder. En av de viktigste faktorer for å kunne bestemme og forutsi desinfiserende effekt. Aktuell bruk av CT-verdi: Dimensjonering av desinfeksjonsanlegg. Evaluering av desinfeksjonsanlegg mhp forventet inaktivering av patogener.

11 Dimensjonering med bruk av CT-verdi
Bestem nødvendig grad av inaktivering for ulike patogener. Velg desinfeksjonsmetode. Finn nødvendig CT-verdi fra eksisterende tabeller for å nå ønsket grad av inaktivering av aktuelle patogener ved bruk av valgte desinfeksjonsmetode. Dimensjonere desinfeksjonssteget med nødvendig dose og oppholdstid slik at man får CTcalc større eller lik CT-verdi avlest fra tabell. Log inaktivering: log(I) = n * CTcalc / CTlog(n)-krav

12 Utfordringer Hva skal man ha barriere mot og hvilken grad av inaktivering kreves? Hvilke CT-verdier skal kreves? Hvilken kontakttid, T, skal legges til grunn? Hvilken konsentrasjon, C, skal legges til grunn? Hvordan skal C og CT modelleres? Hvilke sikkerhetsfaktorer skal benyttes?

13 Kontakttid Teoretisk hydraulisk oppholdstid, HRT=V/Q Bruk av t10
Risiko for kortslutningsstrømmer, dødvolum, osv. Bruk av t10 Oppholdstiden som 90% av vannet opplever, dvs tiden det tar for 10% av vannet å passere. Anbefales av EPA. Kan bestemmes ved bruk av tracer. Kan anslås ved bruk av ”baffling factor”. Valg av Q Qdim, Qmidlere, Qmax, Qmaxtime, …..? EPA anbefaler Qpeakhour

14 Bestemmelse av t10 med tracer
Step-dose eller slug-dose Step-dose er enklere å analysere. t10 vs Q? Plot av t10 vs Q for fire ulike Q og les av t10 ved Qmaxtime. Ved kun en Qtest (forutsatt Qtest>0.91Q): t10=t10test*Qtest/Q Krav/anbefaling mhp dose, dosevarighet, tracer recovery, vannivå, osv. Kun aktuelt ved oppgradering av eksisterende anlegg, og ikke ved dimensjonering av nye anlegg.

15 ”Baffling factor” Rør og pakket filter/kolonne har t10 / T = 1.0

16 Klor

17 Klor Konsentrasjonen, C, som legges til grunn. CTcalc = C * t10
Restklorkonsentrasjonen etter det aktuelle segmentet. Et system kan deles inn i flere segment (men med mulighet til å måle restkonsentrasjonen etter hvert segment). CTcalc = C * t10 Tabeller over CT-krav for å nå ulik grad av inaktivering av Giardia og virus. Effekt avhengig av pH, temperatur og C. Er ineffektiv overfor Crypto.

18 CT-krav klor - IESWTR Giardia

19 CT-krav klor - IESWTR Giardia

20 CT-krav klor - IESWTR Giardia

21 CT-krav klor - IESWTR Giardia

22 CT-krav klor - IESWTR Giardia

23 CT-krav klor - IESWTR Giardia

24 CT-krav klor - IESWTR Virus

25 CT-krav klor - LT1ESWTR Giardia

26 CT-krav klor - LT1ESWTR Virus

27 Inaktivering og CT for klor
Log inaktivering av Giardia og virus: Log IGiardia = 3.0 CTBeregnet / CT3-log,Giardia Log IVirus = 4.0 CTBeregnet / CT4-log,Virus Regresjon: 3 log inaktivering av Giardia med klor: Temp<12.5 ºC CT3-log,Giardia = (0.353 I)( e( temp C pH)) Temp>12.5 ºC CT3-log,Giardia = (0.361 I)( e( temp C pH)) I = 3, dvs 3-log inaktivering av Giardia, C = restklor konsentrasjon

28 Klor: påstander Inaktivering av Giardia med klor er uaktuelt i Norge!
Kravet overfor virus er det samme ved pH 6 og 9, er det rimelig? Når man tilfredsstillende virus barriere med bruk av klor i Norge? Mer fokus på hydrauliske forhold og inndeling i segment!

29 Kloramin

30 Kloramin Konsentrasjonen, C, som legges til grunn. CTcalc = C * t10
Restklorkonsentrasjonen etter det aktuelle segmentet. Et system kan deles inn i flere segment (men med mulighet til å måle restkonsentrasjonen etter hvert segment). CTcalc = C * t10 Tabeller over CT-krav for å nå ulik grad av inaktivering av Giardia og virus. Behov for høye CT-verdier Er kun aktuell som sekundær desinfeksjonsmiddel. Effekt avhengig av pH, temperatur og C. Er ineffektiv overfor Crypto.

31 CT-krav kloramin - IESWTR
Giardia

32 CT-krav kloramin - IESWTR
Virus

33 CT-krav kloramin - LT1ESWTR
Giardia Virus

34 Kloramin: påstander Kloramin vil ikke kunne være en selvstendig hygienisk barriere i Norge! F.eks.: 0.05 mg Cl2/l i 24 timer gir CT=72 og 5ºC. Kan kloramin likevel være interessant? Synergier med andre metoder. Begrense begroing og biofilmdannelse i ledningsnettet. Sekundæreffekter på enkelte patogener, legionella?

35 Klordioksyd

36 klordioksyd Konsentrasjonen, C, som legges til grunn. CTcalc = C * t10
Restklorkonsentrasjonen etter det aktuelle segmentet. Et system kan deles inn i flere segment (men med mulighet til å måle restkonsentrasjonen etter hvert segment). CTcalc = C * t10 Tabeller over CT-krav for å nå ulik grad av inaktivering av Giardia, virus og Crypto. Kan benytte ”site” spesifikke krav mhp Crypto. Effekt avhengig av temperatur. Skal dimensjoneres for laveste temperatur ved inaktivering av Crypto (LT2ESWTR, 2003).

37 CT-krav klordioksyd - IESWTR
Giardia

38 CT-krav klordioksyd - IESWTR
Virus

39 CT-krav klordioksyd - LT1ESWTR
Giardia Virus

40 Klordioksyd – LT2ESWTR, 2001 Log inaktivering vs CT
Log(I) = *(1.09)Temp*CT prediktiv lign. fra data Log(I) = *(1.09)Temp*CT 75 % konf. nivå Log(I) = *(1.09)Temp*CT 90 % konf. nivå Konsentrasjonen, C, som ble lagt til grunn. Geometrisk middel, C = (C0 * Cf)0.5 C0 og Cf er initiell og slutt restkonsentrasjon for aktuelle segment. Forutsetter bruk av log(I)-ligning for 90 % konfidensnivå. Restklorkonsentrasjonen etter det aktuelle segmentet. Kan bruke log(I)-ligning for 75 % konfidensnivå. LT2ESWTR, 2003, angir C lik restklorkonsentrasjonen etter det aktuelle segmentet. 90 % konfidensnivå for CT-krav

41 CT-krav klordioksyd – LT2ESWTR
Cryptosporidium

42 Klordioksyd: påstander
Interessant kloralternativ der pH er høy? Mulig å inaktivere Giardia med en akseptabel dose. Er det ønskelig å bruke klordioksyd i Norge?

43 Ozon

44 Ozon (LT2ESWTR, 2003) Det gis ikke inaktiveringscredits til oppløsningskammeret (LT2ESWTR). For beregning av CT anbefales t10 (tracer), CSTR eller extended-CSTR – baffling factor anbefales ikke. Kan alternativt benytte ”site” spesifikk undersøkelse/data. To metoder for å beregne konsentrasjonen C: Direkte måling av konsentrasjonsprofil. Indirekte beregning av Cavg basert på utløpskonsentrasjon.

45 t10, CSTR, Extended-CSTR t10-metode CSTR-metode Extended-CSTR-metode
C og t10 bestemmes som angitt tidligere for hvert segment, og CT beregnes. CSTR-metode -log (I / I0) = log ( k10 * C * HDT) k10=koeff., C=beregnet konsentrasjon, HDT=hydraulisk oppholdstid Extended-CSTR-metode Basert på å modellere ozon decay gjennom ozon kontakttank.

46 Ozon – LT2ESWTR, 2001 Log inaktivering vs CT
Log(I) = 0.051*(1.10)Temp*CT prediktiv lign. fra data Log(I) = 0.035*(1.10)Temp*CT 75 % konf. nivå Log(I) = 0.026*(1.20)Temp*CT 90 % konf. nivå Konsentrasjonen, C, som ble lagt til grunn. Geometrisk middel, C = (C0 * Cf)0.5 C0 og Cf er initiell og slutt restkonsentrasjon for aktuelle segment. Forutsetter bruk av log(I)-ligning for 90 % konfidensnivå. Restklorkonsentrasjonen etter det aktuelle segmentet. Kan bruke log(I)-ligning for 75 % konfidensnivå.

47 CT-krav ozon – LT2ESWTR Cryptosporidium

48 Ozon - IESWTR Giardia

49 Ozon - IESWTR Virus

50 Ozon - LT1ESWTR Giardia Virus

51 Ozon: påstander Effektiv barriere mot virus og Giardia ved relativt lav CT-verdier! Crypto inaktivering krever relativt høye 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 ! Er Crypto inaktivering med ozon lite aktuelt?

52 UV

53 UV Dose = Intensitet * Eksponeringstid
Dvs CT-verdi 10 J/m2 = 1 mJ/cm2 = 1 mWs/cm2 Reduction equivalent dose (RED): Beregna dose for en gjennomstrømnings UV reaktor basert på biodosimetri (dvs måle log(I) til en organisme med kjent UV-dose respons). Settes lik UV-dosen i en innstilt stråle-test som når samme grad av inaktivering som måles i gjennomstrømnings UV reaktoren ved biodosimetrisk test. Lampetyper: lavtrykk (LP), lavtrykk høyintensitet (LPHO), mellomtrykk (MP)

54 UV lys

55 Lampetyper

56 Effekt av bølgelengde

57 Krav om test av anlegg Krav om test og godkjenning av UV-anlegg.
Gitte målbare forhold skal sikre tilfredsstillende dose. Disse inkl: UV-intensitet, Q, lampestatus Lampe alder, lampe fouling, UVT, innløps- og utløpsarrangement, dose distribusjon pga hastighetsprofil gjennom reaktoren, svikt i UV-lampe og andre kritiske komponenter, måleusikkerhet i online sensorer. Testingen skal inkludere (biodosimetrisk test); fullskala test av en reaktor tilsvarende de som skal benyttes på anlegget; inaktivering av en test organisme som dose-respons karakteristikken er blitt kvantifisert i en lavtrykkslampe.

58 Oppstilling for biodosimetrisk test

59

60

61 Reduction equivalent dose (RED)
Benytter MS2 bakteriofag eller Bacillus subtilis sporer som test organisme. Tilpasser en ligning til dataene: RED som funksjon av Q, UVT og UV intensitet Relatere RED fra biodosimetertest til til ønsket patogen inaktivering. RED fra biodosimetertest må være lik eller større enn en target RED (REDT). REDT er bestemt fra tabell over UV-dose krav multiplisert med en sikkerhetsfaktor. Sikkerhetsfaktoren er avhengig av om man benytter prosedyre Tier1 (enkel med noe høyere sikkerhetsfaktor) eller Tier2 (mer komplisert med noe lavere sikkerhetsfaktor).

62 UV – LT2ESWTR Basert på statistisk behandling av historiske laboratorie undersøkelser/data. Følgende organismer er benyttet: Cryptosporidium parvum, Giardia lamblia, Giardia muris og adenovirus. Angitt dose (mJ/cm2) vil gi angitt log inaktivering i 80 % av tilfellene.

63 Tier1 RED target

64 Krav for å kunne benytte Tier1
Plassering og antall UV sensorer. Max standard avvik på UV output (aldra lamper). UV spekter peak på nm og <10% intensitet >300nm. Nøyaktighet til UV intensitets sensor (±15%). Sjekk av UV sensor mot referansesensor (max avvik). Nøyaktighet for UVT-måler, flow-måler, UV-dose målt i kollimerte stråleinstrument, osv. Dose-respons (max dose pr log(I), hale, skulder, osv). UVT i test avhengig av sensor-lampe avstand. Max avvik på plot av log(I) vs dose. 5 prøver av hver innløp+utløp med standard avvik <0.20log. Usikkerhet ved interpolering <10%.

65 Tier2 RED target REDT = BRED x BPoly x (1+e) x Dp
BRED = RED bias (hvis test organisme er mer sensitiv til UV enn mål organisme er BRED = 1.00). BPoly = polykromatisk bias (for LP- og LPHO-lamper er BPoly = 1.00). e = utvidet usikkerhet angitt som fraksjon REDT = minimum RED som skal demonstreres under test. Dp = UV-dose (fra tabell) for å nå gitt inaktivering av ønsket patogen. BPoly bestemmes fra figurer. e er summen av usikkerhet fra test, instrumentering, osv.

66 RED bias Dosekrav til patogen dividert på log(I).
Avlest UV sensitivetet (REDPatogen) i tabell. Dose testorganisme dividert på log(I). Avlest UV sensitivetet (REDTest) i tabell. RED bias=REDTest/REDPatogen RED bias

67 UV - LT1ESWTR Virus Tidligere var dosekravene til virus mye lavere.
Årsak: man har gått over til å bruke adenovirus (er svært resistent) som referanse virus.

68 UV sensitivitet for ulike patogener

69 Andre test prosedyrer NSF/ANSI, Standard 55 öNORM, M 5873-1 DVGW, W294
REDT = 40 mJ/cm2 ved bruk av MS2 bakteriofag. öNORM, M REDT = 40 mJ/cm2 ved bruk av Bacillus subtilis sporer. DVGW, W294 NWRI/AWWARF UV Guidelines REDT er ikke spesifisert ved bruk av MS2 bakteriofag.

70 Biodosimetrisk test ÖNORM
Dose: 40 mJ/cm2 Test organisme: Bacillus subtilis

71 UV: påstander Svært effektiv overfor Giardia og Crypto, mindre effektiv overfor virus (spesielt Adenovirus). Adenovirus er svært resistent mot UV. Må man ha 3log inaktivering av Adenovirus? Biodosimetrisk test er logisk å benytte ved dimensjonering. Dvs Önorm?? Synes fornuftig å kombinere UV med annen metode. Reduserte doser for begge metoder?

72 Oppsummering

73 Oppsummerende kommentar
Omfattende bruk av sikkerhetsfaktorer på mange nivåer: ”Siling” av eksperimentelle data som legges til grunn for CT-krav. Bruk av resistente patogener ved utforming av CT-krav. Bruk av 90 % konfidensnivå ved utforming av CT-krav. Bruk av Qmakstime, lav temperatur, osv. Bruk av t10. Konservativ ved beregning av C (evt bruk av Cut). Bruk av sikkerhetsfaktor (UV).

74 Oppsummering CT som prinsipp kan benyttes til dimensjonering, oppgradering og evaluering av alle vanlige desinfeksjonsmetoder. USEPA sitt materiale er det mest omfattende og grundige som finnes. Har fokus på oppgradering og drift av eksisterende anlegg, og mindre på dimensjonering av nye. Kan likevel brukes som utgangspunkt til norske retningslinjer. Behov for forenkling ved bruk i Norge. Det kan være store fordeler ved å kombinere metoder.