Fremtidige teknologier for sikring av hygieniske barrierer

Presentasjon om: "Fremtidige teknologier for sikring av hygieniske barrierer"— Utskrift av presentasjonen:

1 Fremtidige teknologier for sikring av hygieniske barrierer
Prof. Liv Fiksdal NTNU Fremtiden for VA-sektoren i Norge 7-8 januar 2004, Trondheim

2 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 fare. Fremtiden for VA-sektoren i Norge 7-8 januar 2004, Trondheim

3 HVA SKAL VI HA BARRIERER MOT ?
Kjente målgrupper: FYS./KJEM. HELSEFARLIGE STOFFER PATOGENER eksempler Bakterier Campylobacter Salmonella Bakteriesporer Clostridier (som indikator for Crypto) Parasittiske protozoer Cryptosporidium Virus Hepatitt Norwalk Organisk stoff Humus (THM-forløper etc) Kreftfremkallende stoffer DPB (THM, HAC, Bromat) Miljøgifter (f.eks PAH) Toksiske stoffer Tungmetaller Arsenikk, Fluor Radionukleider Radon, Tritium Fremtiden for VA-sektoren i Norge 7-8 januar 2004, Trondheim

4 Nye kjemiske forbindelser produseres i stort antall
Eksisterende forbindelser 13 millioner kjente kjemiske forbindelser EU: registerte kjemiske forbindelser på markedet (European Inventory of Existing Commercial Chemical Substances, EINECS) EU: „High Production Volume Chemicals“ (HPVC) > 1000 tonn/år „Nye forbindelser“: introdusert på markedet etter 1981 (EU), 1979 (USA) EU: nye „notified substances“ USA: „premanufacturing notifications“ Zitate aus: Karcher, Ecotox. Environ. Safety 1998, 40, Chemicals in the European Environment: Low doses, high stakesEEA and UNEP Annual Message 2 on the State of Europes Environment, EEA 1998 ES&T 32, A251 (Juni 98) Europe‘s Environment The Dobris Assessment, EEA, 1991 Weltweite Chemikalienproduktion 1930: 1 Mio t/a 2000: 400 Mio t/a 1998: 1244 Milliarden Euro (31% davon EU (Weissbuch 2001) 13 Mio bekannte chemische Verbindungen > registrierte Chemikalien ( in der EU auf dem Markt vor 198, registriert im EINECS (European Inventory of Existing Commercial Chemical Substances) davon in Mengen über 10 t/a und von t und High Production Volume Chemicals (HPVC): mit Produktion >1000 t/a, 95 % der gesamten Weltproduktion Davon 75 %: zu wenig Daten verfügbar, um minimale Risikobewertung (nach OECD) durchzuführen PMNs seit Einführung TSCA; Achtung, US existing substances werden kontinuierlich erweitert!! Fremtiden for VA-sektoren i Norge 7-8 januar 2004, Trondheim

5 Nye kjemiske forbindelser som det kan bli aktuelt å fjerne fra (overflate)vann
Pharmaceuticals and personal care products (PPCPs) Hormoner/hormonlignende stoffer: estrone (E1), estradiol (E2) 17 α-ethinylestradiol (EE2), Farmasøytiske forbindelser (diclofenac, ibuprofen, bezafibrate, clofibric acid, carbamazepine, diazepam, iopromide, diatrizoate, sulfamehoxazole, roxithromycine and cyclophosphamide) Luktstoffer som tilsettes ulike produkter (musk fragrances): galaxolide and tonalide. Fremtiden for VA-sektoren i Norge 7-8 januar 2004, Trondheim

6 Eksempler på farmasøytiske produkter
Huber et al. 2003 Fremtiden for VA-sektoren i Norge 7-8 januar 2004, Trondheim

7 Antall nye vannbårne patogener øker
Nesten halvparten av de nye patogene mikro-organismene er virus WHO 2003 Fremtiden for VA-sektoren i Norge 7-8 januar 2004, Trondheim

8 “Kandidatliste”: Mikrobielle forurensinger som er funnet (eller forventes å bli funnet) i drikkevannssystemet Type Sykdom Acanthamoeba protozo Meningoensephalitis Adenoviruses virus Respiratorisk, gastroenteritis, o.a. Aeromonas hydrophila bakterie Diaré, sårinfeksjon Caliciviruses Gastroenteritis Coxsackieviruses Meningitis, forkjølelse, o.a. Cyanobacteria Nevromuskulær toxin, o.a. Echoviruses Meningitis, diaré, o.a. Helicobacter pylori magesår Microsporidia Diare’, infeksjon i lungesystem Mycobacterium avium intracellulare (MAC) Infeksjon i lungesystem mm Fremtiden for VA-sektoren i Norge 7-8 januar 2004, Trondheim EPA 2003

9 HVOR EFFEKTIVE ER KJENTE VANNBEHANDLINGSMETODER
SOM HYGIENISK BARRIERE OVERFOR ”NYE” FORBINDELSER? Fysisk hindring Partikkelfjerning Koagulering/separasjon Membranfiltrering Kjemisk hindring Desinfeksjon Klorering, Ozonering, UV-bestråling Fjerning Adsorpsjon -Aktiv kull Nedbrytning Oksidasjon/biologisk omsetning Ozonering/biofiltrering Fremtiden for VA-sektoren i Norge 7-8 januar 2004, Trondheim

10 Potensielle teknologiske løsninger for fjerning av PPCP
Ozonering (renseeffekt avhenger av produkttype) Avanserte oksidasjonsprosesser (UV/H2O2, ozon/H2O2) Kombinert ozonering og AC Membranfiltrering Ozonering ozone dose: 2 mg/l pH temp 8oC Co = 0.5 umol/l Symbol er målte data, linjer er modell-beregninger Huber et al. 2003 Fremtiden for VA-sektoren i Norge 7-8 januar 2004, Trondheim

11 Anvendte teknologier for desinfeksjon av mikroorganismer
BAKTERIER Kan reduseres med de konvensjonelle desinfeksjonsmetoder men ulike organismer har ulik overlevelsesevne overfor de ulike metodene (klorering, ozonering, UV-desinfeksjon) PROTOZOER Svært resistente mot klor - Høye doser av UV og ozon er effektivt BAKTERIESPORER Er resistent mot normal klorering – UV og ozon er effektivt VIRUS Varierende resistens avhengig av type. Mange er mer resistent enn bakterier overfor klor, ozon, UV Fremtiden for VA-sektoren i Norge 7-8 januar 2004, Trondheim

12 Membranfiltrerings-anlegg i Norge behandler vann for å fjerne humus.
Membran-filtreringsanlegg er tillatt som hygienisk barriere i Norge. Nominell poreåpning ≤ 10 nm. Membranfiltrerings-anlegg i Norge behandler vann for å fjerne humus. Antall av ulike typer renseanlegg for fjerning av NOM (humus). 1999 Coagulation Membrane filtration Ion exchange Ozonation/biofiltration Fremtiden for VA-sektoren i Norge 7-8 januar 2004, Trondheim

13 Oversikt over partikkelstørrelser relatert til UF- og MF membranteknologi
Fremtiden for VA-sektoren i Norge 7-8 januar 2004, Trondheim

14 Potensiell ny teknologi for fjerning av virus og kjemiske forbindelser (f.eks humus):
Membranfiltrering med åpne UF- eller MF- membraner i kombinasjon med koagulering Fremtiden for VA-sektoren i Norge 7-8 januar 2004, Trondheim

15 Besparingspotensiale ved bruk av membranfiltrering med koagulering
Sammenligning med NF-membranfiltrering uten koagulering: Typiske driftstrykk for NF spiralmodul anlegg er 4-8 bar og UF anlegg 0,5-2 bar. Et UF-anlegg vil derfor representere en besparelse både i kapitalkostnader (mindre pumper) og pumpedriftskostnader. UF/MF membraner har større porer enn NF membraner og vil generelt gi: større vannflukser ved lavere driftstrykk. redusere membranareal-behovet lavere kapitalkostnader lavere vedlikeholdsutgifter og kostnader ved utskifting av enheter. Et UF/MF anlegg med koagulering har et enda bedre potensial for forbedring av vannfluksen ved at fouling kan kontrolleres og reduseres. Fremtiden for VA-sektoren i Norge 7-8 januar 2004, Trondheim

16 NFR-prosjekt: Hygieniske barrierer for fjerning av virus:
Koagulering og filtrering gjennom hulfiber UF og MF-membraner Fremtiden for VA-sektoren i Norge 7-8 januar 2004, Trondheim

17 Et mikrofiltreringsanlegg vil bestå av mange slike bunter.
Den mest vanlige typen av mikrofiltreringsmembraner er en 1 m lang bunt av tynne, trådaktige hulfibre. Et mikrofiltreringsanlegg vil bestå av mange slike bunter. Outside -> Inside filtration Et tverrsnitt av en enkelt hulfiber er vist ovenfor (gult). Partikler (brune) holdes igjen på utsiden av membranoverflaten og renset vann (blått) passerer inn til den åpne kanalen i midten, og strømmer gjennom denne Fremtiden for VA-sektoren i Norge 7-8 januar 2004, Trondheim

18 Membrane polymers: A: Polypropylen (PP) B: Polyethersulfon (PES)
Fremtiden for VA-sektoren i Norge 7-8 januar 2004, Trondheim

19 Membran karakteristikk
Membrane A (loose ultra filtration) Membrane B (microfiltration) Material Polypropylen (PP) Polyethylenesulfon (PES) Nominal pore size (nm) - 200 Molecular weight cut off 30 000 Membrane area (m2) 0.020 0.028 Driftsforhold Trykkområder (bar) 0.9 0.6 Flux (L/M2,H) 117 200->60 Permeabilitet (L/M2,H,bar) 130 Tverrstrømshast. (m/s) 0.03 0.04 Koagulanter ALG Aluminiumsulfat 3 og 5 mgAl/L PAX Polyaluminiumsulfat 3 og 5 mg Al/L Fremtiden for VA-sektoren i Norge 7-8 januar 2004, Trondheim

20 Typiske resultater mhp Fjerning av virus MS2
UF-membranfiltrering av autoklavert springvann tilsatt MS2 bakteriofag Koagulant: PAX (3 mg Al/L) pH 6.9 Fremtiden for VA-sektoren i Norge 7-8 januar 2004, Trondheim

21 Fjerning av MS2 og farge i vann.
Koagulering (ALG 3mg/L) og MF-membranfiltrering (200 nm nominell poreåpn) Fremtiden for VA-sektoren i Norge 7-8 januar 2004, Trondheim

22 Forsøks-virus MS2 Størrelse: ca 23 nm Isoelektrisk punkt: pH 3.9
Vertsbakterie: E. coli Forsøks-virus 100 nm Fremtiden for VA-sektoren i Norge 7-8 januar 2004, Trondheim

23 Påvisning av MS2 bakteriofag (bakterievirus).
Vannprøven spres jevn ut over en agarplate som er dekket av en hinne av E. coli. På hvert sted hvor det finnes et virus dannes etter 24 h et opakt felt (plaque) som kan sees med det blotte øye Fremtiden for VA-sektoren i Norge 7-8 januar 2004, Trondheim

24 Konklusjoner Nye grupper av kjemikalier og patogene mikroorganismer kan representere økt helserisiko, avhengig av forekomst (konsentrasjoner) og virkning. Lav forekomst i norskt drikkevann? Effekten av eksisterende teknologiske hygieniske barrierer mot disse gruppene bør vurderes. Membranfiltrering med åpne UF eller MF membraner i kombinasjon med koagulering er en potensiell teknologisk hygienisk barriere mot virus i drikkevann. God kombinert farge- og virus-reduksjon (6-7.5 logenheter) er oppnådd i labskala-undersøkelser med koagulanter som er vanlig i norske anlegg med koagulering/separasjon Pilot-forsøk vil kunne gi et grunnlag for vurdering av rense-effekt og driftsparametre under praktiske forhold Fremtiden for VA-sektoren i Norge 7-8 januar 2004, Trondheim