Brunare sjöar orsaker och utmaningar för vattenverken!

Transkript

1 Brunare sjöar orsaker och utmaningar för vattenverken! Stephan J. Köhler Institutionen för vatten och miljö SLU Uppsala med inspel av Stefan Löfgren, Elin Lavonen, Per Ericson och Alexander Keucken, Johanna Ansker, Kristina Dahlberg, Phillip McCleaf och Kenneth Persson Effekter av ökande färg och DOC i ytvatten Direkta effekter ytvatten Ökad surhet Ökad näringshalt Ökad metallhalt Direkta effekter dricksvatten Nya processer för dricksvattenberedning krävs Ökad kemikalieanvändning Indirekta effekter ytvatten Mindre siktdjup Ändrad temperaturskiktning Förskjutning i växtplanktonsamhället Indirekta effekter dricksvatten Risk för dålig lukt och smak Risk för virus o svamp Risk för trihalometaner Ökad transport av oönskade syntetiska föreningar 1) HUMUS vad är humus, vad kommer det ifrån, hur mobiliseras och förändras humus? 2) TRENDER vilka trender ser vi idag och vad kan de beror på? 3) VATTENVERK vilka metoder används för kontrol och avskiljning av humus idag och kanske imorgon? 4) FORSKNING Utkick : pågående forskning om detta 1

2 Vad är humus, vad kommer det ifrån, hur mobiliseras och förändras humus? DOC (Löst organiskt kol) Stora, komplexa organiska föreningar Transportör för toxiska spårämnen surhet färg Processer i marken (sorption av humus, förändring av -biologi ) Humus Biopolymerer Nedbrytningsprodukter Sma organiska syror Thurman

3 Låg avrinning: Våtmarker viktig DOCkälla Vanligtvis torv Hög avrinning: Strandzoner viktig DOC-källa Torv eller morän Mobilisering av DOC i skogs och våtmark är olika Köhler et al JGR Biogeosciences Nederbörd mellan juni-december [mm] Torra och våta år Area = 3200 km 2 fuktiga år Area = 0.05 km 2 månad månad Köhler et al JGR Biogeosciences 3

4 Bäcknära zon marken Sjöar och vattendrag ytvatten Grund vatten SJ Köhler, Institutionen för vatten och miljö Kolomsättning i akvatiska ekosystem Kolomsättning i akvatiska ekosystem CO 2 terrestert Humus nedbrytning och nybildning Fällning av terrestert Humus Blandning av terrestert och nytt (authochthonous) humus 4

5 Förlust av DOC, löst järn och färg Specifik absorbans ändras SUVA = UV/DOC [l mg -1 m -1 ] Vattnets ålder Köhler et al. PloS One 2013 Ökande halter av DOC i stora delar av Sverige, Kanada, Storbrittanien Abs 420 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 Färg och DOC samvarierar inte alltid eftersom DOC källor och karaktören varierar! mätt både både DOC och färg! 0, År Torra år DOC kvantitet och karakter vattendrag Normalt år Fuktiga år Låg DOC Högre DOC 5

6 DOC kvantitet och karakter sjöar Torra år Normalt år Fuktiga år lägre DOC Mera intern C Låg SUVA högre DOC Mera Terrestert Högre SUVA Vilka trender ser vi idag och vad kan de beror på? Varför blir våra vatten bruna? Ökande färgvärden och DOC-halter i ytvatten i Europa och Nordamerika Föreslagna drivkrafter Ökad avrinning (Hongve et al 2004) Ökad temperatur (Freeman et al 2001) Klimatförändringar (Worrall et al 2003) Kvävedeposition (Pregitzer et al 2004) Ändrad markanvändning (Garnett et al 2000) CO 2 -nivåer (Freeman et al 2004) Ökad förnaproduktion (Roulet & Moore, 2006) Minskad surt nedfall (Clark et al 2010) Ändrad depositionskemi & syrakänslighet i avrinningsområdet (Monteith et al 2007) Ökat utflöde av järn (Kritzberg & Ekström, 2012) etc? Vattenfärg & DOC Tid? 6

7 35-års tidsserier, 28 vattendrag Stor samvariation mellan humus och Q SO 4 * Q förklarar upp till 88% och 78% av den årliga variationen i Abs_f respektive COD Mn. Temperatur och Cl hade låg förklaringsgrad. Q den viktigaste faktorn. Erlandsson et al ph och katjoner styr humuslöslighet förändringar av ph och Al i marken spelar in (återhämtning från försurningen) Evans et al 2012 Skyllberg and Magnusson 1995 Ökande järnhalter påverkar vattenfärgen! Kritzberg & Ekström, Biogeosciences

8 Trender Vädret (nederbörd och temperatur) har stor betydelse för variationen i vattenfärg och påverkar både DOC och Fe DOC-halterna har huvudsakligen minskat i markvatten i södra Sverige under perioden Den förväntade ökade DOC-lösligheten kopplat till ökat ph verkar motverkas av minskad jonstyrka och Al-halter i markvattnet. Resultaten strider mot hypotesen om ökade DOC-halter i ytvatten p.g.a. återhämtningen från försurning. Men resultaten representerar främst data från inströmnings-områden med låg hydraulisk konnektivite till ytvatten. Vi framför hypotesen att de processer som skapar ökad DOC-halter i avrinningen bör sökas efter i utströmningsområden och torvmarker med hög hydraulisk konnektivitet och korta omsättningstider. Trender i halter och karaktär av DOC mera terrestert kol (+) mera järn (+) större fluktuationer (?) () förändrade omsättningstider (?) förändring av växtlighet (?) Längre vegetationsperioder (?) Enkelt att prediktera Svårt att prediktera Vilka metoder används för kontrol och avskiljning av humus idag och kanske imorgon? 8

9 Minskad effekt för UV-desinfektion Minskad effekt för klorbaserad desinfektion Högre halter av desinfektionsbiprodukter (DBPs) Ökande halter av humus och klimatvariationer Bildning av trihalometaner ökar med ökande DOC (THMfp = Trihalogen formation potential) THMfp = a + b*toc kan bara ibland skattas med absorbans Toxicitet J<Br<Cl är dessa joner stabila? Kväveinnehålande DOC kan leda till biprodukter Minskad effekt för UV-desinfektion Mera fluktuation i råvattenkvaliten Minskad effekt för klorbaserad desinfektion Ökad behandling Högre halter av desinfektionsbiprodukter (DBPs) Högre driftskostnader. Ökande halter av humus och klimatvariationer 9

10 Högre DOC kräver mera kemikalier större variationer mera arbete Fällning kan avskilja terrestert DOC men kostnaderna ökar Andelen allochthont kol passerar ofta mera biotillgänglig Minskad effekt för UV-desinfektion Mera fluktuation i råvattenkvaliten Minskad effekt för klorbaserad desinfektion Ökad behandling Högre halter av desinfektionsbiprodukter (DBPs) Högre driftskostnader. Ökande halter av humus och klimatvariationer Mera problem med oönskad smak, lukt och färg NOM-buren transport av farliga organiska spårämnen Ökad risk för biologisk tillväxt i ledningsnätet DOC karaktär och mängd kan medföra problem Andel algproducerad DOC leder till större problem med lukt och smak Mera biotillgänglig l DOC i ledningsnätet DOC kan verkar som transportör för toxiska spårämen 10

11 Minskad effekt för UV-desinfektion Mera fluktuation i råvattenkvaliten Minskad effekt för klorbaserad desinfektion Ökad behandling Högre halter av desinfektionsbiprodukter (DBPs) Högre driftskostnader. Ökande halter av humus och klimatvariationer Mera problem med oönskad smak, lukt och färg NOM-buren transport av farliga organiska spårämnen Ökad risk för biologisk tillväxt i ledningsnätet Adsorption till aktiva kolfilter Adsorption till membranytor Minskad barriäreffekt Ökad bakspolning Minskat skydd mot föroreningar (t.ex. olja och diesel) Högre driftskostnader. DOC sorbera på aktivt kol Barriereffekten mot kemiska föreningar så som diesel eller andra oönskade ämnen fungerar inte längre Aktivt kol förvandlas till en biofilter vattenbehandling Etablerade metoder Nya metoder Flokkulering & Sandfilter Långsamsandfilter Konstgjord infiltration Lå dfilt NF Membrantekniker Floc+UF NF Jonbyte Ozonering/Fällning 11

12 vattenbehandling Etablerade metoder Flokkulering & Sandfilter Långsamsandfilter Konstgjord infiltration Preferentiellt borttagning av terrestert kol Preferentiellt borttagning av färg Delvis nedbrytning av BDOC i långsamsandfilter vattenbehandling Nya metoder Membrantekniker Floc+UF NF Jonbyte Ozonering/Fällning Membrantekniker Sand Filter MF UF NF RO ED Gradient Por storlek [ m] Tryck [bar] Tryck to Elektrisk Potential <0.005 < to 2 1 to 5 3 to 20 5 to 80 1 to 3 Flöde [l/m 2 /h] Användningsområden Clarification Suspended Matter, Protozoa Clarification Colloids Bacteria, Spores Clarification Large Organic Molecules, large Virus Water softening, colour, natural organic matter, micropollutant removal, Virus Desalination of seawater and brackish water Desalination of brackish water, ion removal (NO 2) 12

13 Membran porstorlek 100 Fe 80 ction [%] Rejec Colour 20 Ca Mn TOC Nominal membran porstorlek [ nm] Källa: Willy R. Thelin, SINTEF Erfarenheter från Norge: Nanofiltration Felaktig dimensionering Kontroll av membranintegritet, barrierverkan Membran fouling (förfiltration nödvändig) Chlorering Bypass Renings kemikalier Membraner Alkalisering Sand filter Råvatten (Valgfritt) (Optional For- Prefilter Reservoar Källa: Willy R. Thelin, SINTEF Circulationspump Drain Dricks vatten Utkick : pågående forskning om detta 13

14 Forskningsprojekt Källa: Svenskt Vatten publikationer U6-U9; Color of Water Formas Starka forskningsmiljöer, Interaktion med klimat och effekter på drickvattentäkter Uppsala universitet, Linköping universitet, SLU, Stockholm vatten MODELLERING OCH PROGNOSER FJÄRRANALYS SJÖPROCESSER OCH KOLCYKELN RENING AV DRICKSVATTEN CoW (modellering och prognos) Ledesma et al

15 CoW (humuskaraktär) Lavonen et al. (in prep.) CoW (humuskaraktär) Lavonen et al. (in prep.) Genomembrane Lund universitet SLU Pentair Norrvatten, Vivab AB, Sydvatten, Linköping 15

16 SLU Agneta Oskarsson, Johan Lundqvist, Åsa Ohlsson Andersson SafeDrink Lutz Ahrens, Stephan Köhler, Karin Wiberg, Rikard Åslund Tröger Integrerad kemisk och toxikologisk Uppsala Univ metodik för detektion av Björn Hellman, Lena Norgren hälsofarliga kemiska ämnen i Mittuniveristetet dricksvatten Erika Wall Livsmedelesverket Heidi Pekar, Caroline Dirks, Anders Glynn Uppsala Vatten Philip McLeaf NIVA, Uppsala universitet, Oslo universitet, SLU Domaqua WP1 Drivariabler av DOC halter i ytvatten I nutida och framtida klimat WP2 DOM kvalitet, karakter, reaktivitet and behandlingsbarhet WP3 Anpassning av vattenverk till klimatförändringar Pågående arbeten Testa andra beredningstekniker (MIEX, NF) kostnader, tillämpning för nordiska vatten Online sensorer färgtrender räcker inte, mäta TOC, CODMn, DBP (Br,I) Klimatförändringar humus, us, temperatur, flöden, förändrade öä dade vegetationsperioder och typer. Utmaningar i ledningsnätet ny material, tillväxt, -biologiska risker co-transport av spårämnen (antropogen påverkan) bekämpningsmedel, perflourerade ämnen,pesticider Konstgjord infiltration, hur länge? Intresserad? stephan.kohler@slu.se 16