Hygieniske barrierer Hvilke utfordringer står vi overfor når vi skal

Presentasjon om: "Hygieniske barrierer Hvilke utfordringer står vi overfor når vi skal"— Utskrift av presentasjonen:

1 Hygieniske barrierer Hvilke utfordringer står vi overfor når vi skal
Vannforsyningsdagene 2003 Tromsø mai, 2003 Hygieniske barrierer Hvilke utfordringer står vi overfor når vi skal vurdere om vannbehandlingstiltak er tilstrekkelige hygieniske barrierer? Prof. Hallvard Ødegaard Institutt for Vann- og miljøteknikk NTNU

2 DET SOM SKAL GJENNOMGÅS
Noen almenne problemstillinger knyttet til begrepet hygieniske barrierer Barrierevirkning ved ulike vannbehandlingsmetoder Partikkelseparajonsmetoder Desinfeksjonsmetoder Eksempel Vil innføring av ozon ved Skien vannverk gi to hygieniske barrierer?

3 HVOR MYE ER NOK? Ifølge Veilederen til Drikkevannsforskriften bør en vannbehandlingsmetode for å kunne betraktes som en hygienisk barriere, inaktivere: virus med 3-log parasitter med 2-log. Dette er i tråd med USEPA sin anbefaling. Problemet er at Veilederen ikke gir klare retningslinjer for hvordan man skal bestemme hvor stor inaktiveringen ved ulike behandlingstiltak er.

4 OVERSIKT OVER ULIKE BEHANDLINGSMETODER SOM KAN GI EN HYGIENISK BARRIERE
Fysisk hindring Partikkelfjerning Filtrering Koagulering/separasjon (inkl filtrering) Membranfiltrering Kjemisk hindring Desinfeksjon Klorering, Ozonering, UV-bestråling Fjerning av stoff Adsorpsjon Arsenikk, fluor, pesticider Nedbrytning Okydasjon/biologisk omsetning Ozonering/biofiltrering

5 ET VANNBEHANDLINGSANLEGG BESTÅR SOM
OFTEST AV FLERE DELPROSESSER SOM HVER ISÆR KAN HA EN BARRIEREVIRKNING O3

6 MAN KAN SUMMERE DELEFFEKTER
Det er den totale vannbehandlingen som gjelder – ikke de enkelte enhetsprosesser. Når man skal vurdere totalprosessen, må man vurdere delprosessene som inngår i totalprosessen hver for seg. Deretter kan man summere graden av inaktivering for hver av delprosessene, og evt korrigere resultatet etter en totalvurdering, f.eks. p.g.a. andre gunstige faktorer eller svakheter i anlegget. Dette er i tråd med hvordan EPA utfører tilsvarende vurderinger (EPA 2001), og i overensstemmelse med de signaler som er gitt om hvordan Veilederen til drikkevannsforskriften bør tolkes (Nicholls 2003).

7 KRAV TIL TO HYGIENISKE BARRIERER I VANNBEHANDLINGEN
Den siste HB skal være desinfeksjon eller tilsvarende. Hvis kilden ikke er tilfredsstillende hygienisk barriere må første barriere være annen form for vannbehandling enn desinfeksjon (f.eks. turbiditetsfjerning, kjemisk felling/filtrering, membranfiltrering, osv). Den første hygieniske barriere må tilpasses de kjemiske stoffer og/eller mikroorganismer som utgjør utfordringene som vannbehandlingen skal løse.

8 HVA SKAL VI HA BARRIERER MOT?
PATOGENER FYS./KJEM. HELSEFARLIGE STOFFER Bakterier E-Coli Campylobacter Salmonella Fekale streptokokker Bakteriesporer Clostridier Parasittiske protozoer Cryptosporidium Virus Hepatitt Norwalk Partikler turbiditet, partikkelantall Organisk stoff Humus (THM-forløper etc) Kreftfremkallende stoffer DPB (THM, HAC, Bromat) Miljøgifter Toksiske stoffer Tungmetaller Arsenikk, Fluor Radionukleider Radon, Tritium Avhengig av behov: kilde, problem, risiko, osv.

9 HYGIENISKE BARRIERER OVERFOR FYSISK/KJEMISKE HELSEFARLIGE STOFFER
PARTIKLER – som indikatorer på patogener Bestemmelse : turbiditet, partikkelantall, antall i bestemt størrelse Kan fjernes ved partikkelfjerning Sandfiltrering Koagulering/filtrering Membranfiltrering HUMUS – som forløper for DBP og adsorbent av miljøgifter Bestemmelse : Fargetall, TOC Kan fjernes ved : O3/biofiltrering Ionebytting

10 HYGIENISKE BARRIERER OVERFOR FYSISK/KJEMISKE HELSEFARLIGE STOFFER
KREFTFREMKALLENDE DBP (MX, THM, HAC, Bromat etc) Hovedstrategi : Minimaliser dannelse Barriere delvis definert ved grenseverdi (f.eks 50 g TTHM/l, 5 g BrO3-/l) ORGANISKE MILJØGIFTER (plantevernmidler, PAH, tetra- og trikloreten) Kan fjernes (delvis) ved adsorpsjon (f.eks 0,1 g /l for hvert enkelt plantevernmiddel, 0,1 g PAH/l, etc.)

11 HYGIENISKE BARRIERER OVERFOR FYSISK/KJEMISKE HELSEFARLIGE STOFFER
TOKSISKE STOFFER (Cd, Pb, Hg etc, Arsenikk, Fluorid, Cyanid etc) Tungmetaller kan (delvis) fjernes ved utfelling, Arsenikk og fluorid kan delvis fjernes ved adsorpsjonsprosesser. Prosesser for fjerning av toksiske stoffer er ikke vanlig forekommende i norske vannverk Barriere delvis definert ved grenseverdi RADIONUKLEIDER (radon, tritium etc) Radionucleider kan (delvis) fjernes ved lufting og ved sorpsjonsprosesser (som imidlertid leder til radioaktiv sorpsjonsmasse)

12 HYGIENISKE BARRIERER OVERFOR PATOGENER
BAKTERIER (Koli, E-Coli, enterokokker og fekale streptokokker) Kan håndteres med de konvensjonelle desinfeksjonsmetoder men ulike organismer har ulik overlevelsesevne overfor de ulike metodene (klorering, ozonering, UV-desinfeksjon) Størrelse ~ 1µm – partikkelseparasjon kan være barriere PARASITTISKE PROTOZOER (Cryptosporidium, Giardia) Svært resistente mot klor - Høye doser av UV og ozon er effektivt Problematisk som indikator – komplisert bestemmelse Relativt store ~ 4-6 µm – partikkelseparasjon kan være barriere BAKTERIESPORER (Clostridium Perfringens sporer) Er resistent mot normal klorering – UV/O3 Bestemmelse enklere en for protozo-ocyster - indikator for slike VIRUS (Hepatitt, Norwalk, Polio) Mer resistente enn bakterier – Vanskelig bestemmelse Små ~ 0,02 – 0,3 µm – koagulering må til ved partikkelseparasjon

13 BARRIEREVIRKNING VED PARTIKKELSEPARASJON
Alle partikkelseparasjonsmetoder vil gi en viss barrierevirkning men virkningen er selvsagt avhengig av hvor små partikler som lar seg fjerne med metoden. En rekke filtreringsmetoder, som f.eks. koagulering/ direktefiltrering, langsomfiltrering, mikrofiltrering osv, har svært effektiv Crypto-fjerning (2-4 log fjerning) forutsatt at utløpsturbiditeten og partikkelinnholdet holdes lavt (<0.15 NTU) (EPA 2001). Hu (2002) observerte ca 0.5 til >1.0 log fjerning av Crypto i hurtigsandfiltre på innløpet til vannverket, og det er også rapportert om Crypto-separasjon i biologiske filtre (Dai and Hozalski 2002). Likevel er det først og fremst koagulering/direktefiltrering og membranfiltrering vi tenker på når det gjelder metoder som alene kan gi en hygienisk barriere.

14 KOAGULERING/DIREKTEFILTRERING
Eksempel To hyg. barrierer: Koagulering/filtrering Klorering Man kan forvente minimum 2-log inaktivering av Crypto (samt også Giardia og virus) forutsatt en effektiv koagulering og en rentvannsturb.(< 0,3 NTU) Kan man bedre turbiditeten i effluenten til <0.15 NTU, kan det forventes ytterligere 1-log reduksjon Mange driftsforhold (dose, pH, temperatur etc) påvirker effekten

15 VANNBEHANDLING MED KOAGULERING
Veileder til drikkevannsforskriften:

16 Koagulering/direktefiltrering: Hygienisk barriere mot patogener
Forventes minimum 2-log inaktivering for Crypto/Gardia og virus forutsatt effektiv koagulering og turbiditet < 0.3 FNU. Driftsparametre som påvirker effektiviteten som HB. Ved turbiditet<0.15 kan det forventes ytterligere 1-log reduksjon. Kontinuerlig turbiditetsmåling (evt partikkelmåling) på hver linje øker sikkerheten. Bruk av modningsvann/1.filtrat i produksjonen reduserer sikkerheten. Tilbakeføring av slamvann til innløpet kan øke belastningen av patogener på prosessen. Farge, TOC, rest-koagulant betyr mindre, bortsett fra at høy farge/TOC (gitt av forskriften) påvirker desinfeksjonsprosessen og evt heterotrof vekst i ledningsnettet, samt potensialet for DBP. Koagulantdose og koagulerings-pH

17 Membranfiltrering Typisk norsk løsning Forbehandling : 50 µm mikrosil
Modul : spiral modul Membraner : celluloseacetat Poreåpning : 1 - 5 nm

18 MEMBRANFILTRERING Veileder til drikkevannsforskriften:
Porestørrelsesinndelingen halter litt. De fleste ultrafiltreringsmembraner har poreåpning på rundt 40 nm

19 FORSØK MED VIRUS-SEPARASJON VED IVM, NTNU
Forsøk med ultrafiltrering, evt etter forkoagulering med virus (30 nm) har gitt følgende foreløpige resultater Ultrafiltrering (40 nm) gir < 1 log virus-reduksjon Ultrafiltrering (40 nm) med koagulering gir > 3 log virus-reduksjon Ultrafiltrering (40 nm) med koagulering bør sannsynligvis regnes som HB overfor virus

20 SPØRSMÅLSTEGN KNYTTET TIL HYGIENSIKE BARRIERER VED MEMBRANFILTREREING
Membraner har ikke en konstant porestørrelse men en Gauss-fordeling av poreåpninger (avhengig av materialet) Alle membraner vil ha noen porer som er betydelig større enn ”den nominelle” poreåpning Belegg-dannelse på membranoverflaten påvirker separasjonseffektiviteten (mindre partikler separeres) Tverrstrømshastigheten samt driftsbetingelser ved beleggkontroll påvirker hvilke partikler som separeres Det kan være defekter i en membran, som i liten grad oppdages med tradisjonelle parametre (<90 % fjerning, men som kan ha betydning ved 3-4 log patogen-fjerning)

21 SIKRING AV HYGIENISK BARRIERE VED MEMBRANFILTRERING
Unngå driftsstans (by-pass av anlegget) og lekkasjer Forbehandling - Sørg for god drift, rengjøring og vedlikehold av forbehandlingsfilter. Membranvask - Daglig rengjøring og hovedrengjøring. Vær OBS ved disponering av vaskevann, samt konsentrat THM, fosfor i rentvannet rett etter vasking Prosesskontroll – Bruk kontinuerlig turbiditetsmåling, evt partikkeltelling. Lekkasjekontroll – Gjennomfør regelmessig testing for evt lekkasjer Trykk holde test (ofte standadisert test), “Diffusive air flow test” (test), Ultralyd måling analyse (lokalisering), “Bubble point testing” (lokalisering).

22 BARRIEREVIRKNING MOT PATOGENER VED DESINFEKSJON
BAKTERIER (Koli, E-Coli, enterokokker og fekale streptokokker) Kan håndteres med de konvensjonelle desinfeksjonsmetoder men ulike organismer har ulik overlevelsesevne overfor de ulike metodene (klorering, ozonering, UV-desinfeksjon) PARASITTISKE PROTOZOER (Cryptosporidium, Giardia) Svært resistente mot klor - Høye doser av UV og ozon er effektivt Problematisk som indikator – komplisert bestemmelse BAKTERIESPORER (Clostridium Perfringens sporer) Er resistent mot normal klorering – UV/O3 Bestemmelse enklere en for protozo-ocyster - indikator for slike VIRUS (Hepatitt, Norwalk, Polio) Mer resistente enn bakterier – Vanskelig bestemmelse

23 Indikatorparametere for hygieniske barrierer i et vannbehandlingsanlegg UV-bestråling
Vannbehandlingsanlegg med UV-bestråling UV-stråledose Milliwattsek (mWs) pr cm2 > > 40 En dose på >30 anses å være en hygienisk barriere ovenfor bakterier, virus og parasitter. Doseverdien refererer seg til en beregnet verdi, jf. eksisterende ordning i Norge. Dersom bakteriesporer også skal inaktiveres. Denne doseverdien refererer seg til målt verdi basert på dosimetertest.

24 Inntil var det almen enighet om at parasittiske protozoer var særdeles resistente overfor alle desinfeksjonsprosesser inkludert UV-bestråling. Man anså at metoden var uaktuell pga de høye doser som måtte brukes (og dermed høye kostnader). Disse konklusjonene var trukket på bakgrunn av såkalte in vitro tester. Senere har man utført forsøk med mediumtrykk UV-lamper der effekten er vurdert ved in vivo-tester (bruk av mus) og disse har ført til at man nå ser på muligheten til at UV-bestråling kan være en god barriere mot Crypto med langt mer positive øyne (Lund, 2003). SIFF regner i dag at en dose på 30 mWs/cm2 gir en tilfredstillende barrierevirkning overfor både bakterier, virus og parasitter, og metoden må derfor anses som en fullgod desinfeksjonsmetode i hygienisk barriere sammenheng. Man er noe mer usikker på barriere effekten overfor sporedannende bakterier (Clostridium perfringens) og Veiledningen setter 40 mWs/cm2 som dosekrav når det gjelder disse. Metoden er imidlertid først og fremst egnet ved små anlegg (som vi jo har mange av her i landet) og det er særdeles viktig at dimensjonering utføres riktig, bl.a. må anlegget dimensjoneres etter maksimal vannmengde, dårligst målte UV-absorbans og ved endt levetid for UV-lampene.

25 Indikatorparametere for hygieniske barrierer i et vannbehandlingsanlegg Klorering
Enhet Indikator-verdi Merknader Vannbehandlingsanlegg med klorering Restklor Milligram/l Cl2 > 0,05 Fritt klor > 0,05 etter minst 30 minutters kontakttid gir normalt en tilfredsstillende hygienisk barriere mot bakterier og virus. Ved bortfall eller sterkt redusert 1.ste barriere må dosen økes, f.eks. slik at restklor blir 0,5 etter 30 min. Maksimal dosering bør ikke overskride 5 mg/l Cl2. Metoden er ikke hygienisk barriere ovenfor parasitter og bakteriesporer. Verdien på 0,05 er satt ut fra analysemetodens nedre grense. På grunn av metodens noe begrensede effekt som hygienisk barriere, og smak/lukt-problematikk dersom restklormengden økes, bør metodens egnethet vurderes.

26 Indikatorparametere for hygieniske barrierer i et vannbehandlingsanlegg Ozonering
Enhet Indikator-verdi Merknader Vannbehandlingsanlegg med ozonering Rest ozon Milligram/l O3 > 0,2 > 5 Rest ozon > 0,2 i vannet etter minimum 10 min kontakttid vil være en hygienisk barriere ovenfor bakterier og virus. Reaktorens utforming er vesentlig. Dersom råvannet inneholder mer bromid enn 50 ug/l, må dannelse av bromat ved ozonering av vannet tas i betraktning. Dersom parasittene Cryptosporidium, Giardia og bakteriesporer også skal inaktiveres, bør rest ozon i vannet være > 5 etter minimum 10 min kontakttid.

27 TILSETTING AV OKSYDASJONSMIDDEL KLORERING/OZONERING
Desinfeksjonseffektiviteten er avhengig både av den konsentrasjon det enkelte patogen utsettes for og den tid det utsettes for denne konsentrasjonen Med reaktive desinfeksjonsmidler endrer konsentrasjonen seg hele tiden Tiden som patogenet opplever en viss konsentrasjon endrer seg også og er avhengig av oppholdstidsfordelingen i kontakttanken Det blir derfor for enkelt å relatere effektivitet til rest- konsentrasjon etter en viss kontakttid slik Veilederen gjør

28 CT-BEGREPET (Chick-Watson modellen)
N/N0 = e-kCt log (N/N0) = - k.Ceff.t log (N/N0) = log (I) = log inaktivering N = antall overlevende etter tiden t N0 = antall overlevende i kontrollprøven k = inaktiveringskonstant (L / mg min.) Ceff= effektiv konsentrasjon av desinfeksjonsmiddel i løpet av tiden t (mg / L) t = kontakttid (min.) k er avhengig av hvilken patogen, hvilket desinfeksjonsmiddel og påvirkes i tillegg av pH, turbiditet, temperatur etc – i forskjellig grad for de ulike desinfeksjonsmidlene

29 CT VERDIER FOR INAKTIVERING AV VIRUS (EPA 1999)
Desinfeksjons middel Enhet Inaktivering 2 log 3 log 4 log Klor1 mg*min/L 3 4 6 Kloramin2 643 1067 1491 Klordioksid3 4.2 12.8 25.1 Ozon 0.5 0.8 1.0 UV mW*sek/cm2 21 36 - CT verdier er hentet fra AWWA 1991 1Verdiene er basert på: 0.2  fritt klor-rest0.5 mg/l, temp.10oC, 6  pH  9 2Verdiene er basert på temperatur 10oC, pH = 8 3Verdiene er basert på temperatur 10oC, 6  pH  9

30 Inaktivering (mg*min/L)
CT VERDIER FOR INAKTIVERING AV GIARDIA CYSTER (EPA 1999) Desinfeksjons middel Inaktivering (mg*min/L) 1 log 2 log 3 log Klor1 35 69 104 Kloramin2 615 1230 1850 Klordioksid3 7.7 15 23 Ozon 0.48 0.95 1.43 CT verdier er hentet fra AWWA 1991 1Verdiene er basert på fritt klor-rest0.4 mg/l, temperatur 10oC, pH 7 2Verdiene er basert på temperatur 10oC, pH = 8 3Verdiene er basert på temperatur 10oC, 6  pH  9

31 EKSEMPEL : OZONERING EPA’s GRUNNLAG FOR CT-BESTEMMELSE
Log inaktivering av Cryptosporidium som funksjon av ozon CT ved 1 – 5 ºC.

32 INNFLYTELSE AV TEMPERATUR
Log10(I) = * (1.10)temp * CT Beregnet CT-verdi for inaktivering av Cryptosporidium med bruk av ozon. Log inaktivering CT-verdi (mg / L minutt) 3 C 5 C 7 C 1.0 14.7 12.2 10.1 1.5 22.1 18.3 15.1 2.0 29.5 24.4 20.1 Er det rimelig å dimensjonere for den laveste temperaturen som kan forekomme?

33 Hvilken sikkerhet skal man legge inn?
k er avhengig av hvilken datagrunnlag man bygger på: Basert på EPA-figuren: Log(I) = k1 • (1.10)temp • Ceff • t10 middel: k1 = 0.051 90% konfidensnivå: k1 = 0.026 75% konfidensnivå: k1 = 0.035 t10 = strømningsfaktor (oppholdstid der 90% av vannet fortsatt er i reaktoren) Er det rimelig å legge seg på 75 % konfidensnivå som EPA gjør? Både lav pH (ca 6.5) og lavere turbiditet, som er typisk for norsk vannkvalitet, vil gi lavere nødvendig CT-verdi.

34 DIMENSJONERING BEREGNING AV T
Tid Ideell blanding Ideell stempel strømning C C (gitt volum) Q Reaktor Måler C i utløpet I en stempelstrømningsreaktor blir den effektive T lik midlere oppholdstid (V/Q) I en idealblandingsreaktor vil en stor del av patogenene ha en langt kortere reell oppholdstid enn V/Q EPA har foreslått å bruke t10 i en tilfeldig reaktor, dvs tiden der 90 % av en tracer fortsatt vil befinne seg i reaktoren – svært konservativt

35 BESTEMMELSE AV t10 UTEN TRACER (EPA, 1999)
Pakket filter/kolonne har t10 = 1.0

36 DIMENSJONERING Beregning av C
I en idealblandingsreaktor vil Ceff være lik Crest For en stempelstrømningsreaktor vil Ceff være lik Cdose i starten for så å avta eksponentielt mot Crest i utløpet Nødvendig volum er << i en stempelstrømningsreaktor For en reaktor med tilfeldig strømning foreslår EPA: Effektiv konsentrasjon Ceff: Ceff = [Cdose • Crest]0.5 Cdose = ozon dose Crest = utløpskonsentrasjon av ozon Crest = 0.58 • Cdose • e( • T) T = teoretiske oppholdstiden CT-verdiene beregnes for hvert segment av prosessen og summeres til slutt

37 Beregningseksempel på inaktivering av Crypto ved ozonering
CT-verdi for å nå 2.0 log inaktivering av Crypto Input: Dose=3.5 mg O3/l Opph.tid=20 min Pakket kolonne Temp = 3 ºC Resultat (k1=0.035) Crest= 1.3 mg O3/l Ceff = 2.1 mg O3/l CT-verdi = 42.8 Log (I) = 2.0 Det er mulig å nå 2.0 log inaktivering av Crypto selv med en “normal” ozon dose og lav temperatur !

38 EKSEMPEL SKIEN VANNVERK

39 OZONERING/BIOFILTRERING
OMBYGGING TIL OZONERING/BIOFILTRERING co2 o3

40 BEREGNING AV CT Vi antar en ozondose på 3.5 mg/l
Vi benytter PFR kontaktkolonne (f.eks. pakket kolonne) med oppholdstid på 15 minutter - t10 blir da lik T Utløpskonsentrasjonen av ozon blir ca 1 mg/l. Restozon fjernes i øverste del av antrasittfilteret Ozonkonsentrasjonen synker fra 1.0 mg/l til 0.2 mg/l i øverste del av filteret (kontakttid på 5 minutter) Bruker midlere k og 3oC Enhet Ceff (mg/l) t10 (min) CT (mg/l · min) Ozonreaktor (pakket) (3.5*1.0)0.5 = 1.87 15 28.1 Filter (1.0*0.2)0.5 = 0.45 5 2.2 Sum 30.3 Dette gir > 2 log inaktivering i ozonreaktoren alene !

41 SAMMENLIGNING EPA/SIFF
Eksempel : K1=0,035 (EPA anbefaling med 75 % konfidensnivå) Temperatur : 5 oC Pakket kollonne : t10/T = 1 EPA: Cdose = 3,6 mg/l og Tk =15 min, gir Crest=1,5 mg/l og Ceff=2,3 mg/l som gir CT=34,9 og log (I) = 2,0 SIFF (5 mg O3/l etter 10 min tk): Crest= 5 mg O3/l etter Tk =10 min krever Cdose = 10,8 mg/l som gir Ceff=2,3 mg/l og CT=73,7 og log (I) = 4,2 EPA’s krav er konservative og SIFF’s krav er urealistisk strenge

42 KONKLUSJONER Ulike vannbehandlingstiltak gir ulik grad av hygienisk barriere og barriereeffekt kan oppnås både med desinfeksjon opg med partikkelseparasjon. Blant desinfreksjonsmetodene gir UV-bestråling og Ozonering best hygienisk barriere Blant partikkelseparasjonsmetodene gir nanofiltrering og koagulering kombinert med sandfiltrering eller ultrafiltrering god barrierevirkning Veiledningen gir ikke god nok anvisning mht å bestemme hva som kan regnes som en hygienisk barriere ved ulike vannbehandlingsmetoder Ettersom kravet om to hygieniske barrierer er nedfelt i Drikkevannsforskriften, er det økonomisk og juridisk nødvendig av klare retningslinjer og beregningsmetoder utarbeides