Color of Water Formas Starka forskningsmiljöer, 2010-2014 Interaktion med klimat och effekter på drickvattentäkter TOC varierar inte alltid med färg och ökar Ökande absorbans (A 420 _5cm; ljusbrun) och totalt organiskt kol (TOC, mörkbrun) i Lyckebyån under perioden 1965 till 2012 Jämförelse mellan halten TOC (mörkbrun) och absorbans mätt vid 420nm (ljusbrun) i utloppet av Mälaren 1
Nationella Dricksvattenkonferensen, Uppsala 14-15 april 2015 Ökande färg i ytvatten Direkta effekter ytvatten Ökad surhet Ökad metalltransport Direkta effekter dricksvatten Nya processer för dricksvattenberedning krävs Indirekta effekter ytvatten Mindre siktdjup Ändrad skiktning Förskjutning av phytoplanktonsamhällen Indirekta effekter dricksvatten Ökad lukt Blågrönalger Color of Water Formas Starka forskningsmiljöer, 2010-2014 Interaktion med klimat och effekter på drickvattentäkter MODELLERING OCH PROGNOSER FJÄRRANALYS RENING AV DRICKSVATTEN http://www.geo.uu.se/cow/ SJÖPROCESSER OCH KOLCYKELN 2
Från ett tidigt spånarmöte några få av många många pek 3
Vad lovade vi: Öka förståelsen för spatiala och temporala variationer av DOC. Karakterisera DOC karaktär 550 p 500 Studera reningsprocesser med avseendet på DOC Em. (nm) 450 400 350 300 300 400 Ex. (nm) Utveckla bättre prognosmodeller för DOC Color of Water (CoW) 4
Disinfektions biprodukter i svenska vattenverk Klimatdrivna modeller för DOC halter i Fyrisån 5
Color of Water (CoW) Flourescens beskriver hur kolets karaktär varierar i sjöar och kan kopplas till fällning Kothawala et al 2014 6
Trender i Mälaren A420 Löst järn vattnets ålder Löst kol : Vattnets färg orsakas av tre viktiga komponenter: Löst humus (HUM), löst järn (Fe diss ) och löst färsk kol (Alg) A = a*hum + b*fe diss + calg 6 80 A 420 calc 4 2 A 254 calc 60 40 0 0 2 4 6 A 420 meas 20 20 40 60 80 A 254 meas 7
Beräkna Mälarens DOC och SUVA från himlen MERIS satellit data vattnets ålder Kutser et al. (Remote Sensing of Environment 2013) Mälaren är ett vattenverk vattnets ålder 8
Online sensorer som mäta absorbans (t.e. vid 250nm) kan användas för dosering % TOC efter koagulering % TOC efter koagulering Svårbehandlad DOC ca 30-40% i Mälaren Vi modellerar DOC borttagning. SO 4 [mm] 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 SO4 Sweden SO4(meas) TOC(meas) 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 DOC [ppm] % TOC efter koagulering 0.00 0.0 0 5 10 15 20 25 number of cleaning cycles antal cykler % TOC efter koagulering 9
Keucken et al. (liten utflyckt till Genomembran projektet) Differential EEMS Coagulation Nanofiltration Differential EEMs for coagulation (left) and nanofiltration (right) treatments. Dark red colors indcate strong removal (> 75%) of flourescent active fractions while blue-purple colors indicate a relative poor removal ( < 40%). 10
Karakterisering av löst kol LC-OCD Exempel på ett LC-OCD resultat för ett råvatten från Görvälnverket. Mängd löst kol läses av på y-axeln som funktion av elutionstid på kolonnen på x-axeln. Olika långa elutionstider orsakas av olika egenskaper, bland annat storlek. Mängd DOC som kan tas bort är direkt relaterad till mängd huminsubstanser. Dessa kan skattas med fluorescens och absorbans! Flourescens andel humus andel fpotentiell fällbar humus 11
Jag tror vi gjorde vad vi lovade! Öka förståelsen för spatiala och temporala variationer av DOC. Karakterisera DOC karaktär 550 p 500 Studera reningsprocesser med avseendet på DOC Em. (nm) 450 400 350 300 300 400 Ex. (nm) Utveckla bättre prognosmodeller för DOC Avskiljning av DOC Koagulering (35-65%) MIEX (50-70%) Nanofiltration (75-90%) Vill ni avskilja DOC mät då regelbunden turbiditet A254 A420 (eller Pt färg) Orgelbunden Löst järn (efter filtration) Flouroescens helst via SLU ;) LC-OCD 12
Schema över möjliga viktiga effekter i dricksvattenverken till resultat av förhöjda halter av organiskt kol i ingående råvatten Minskad effekt för UVdesinfektion Minskad effekt för klorbaserad desinfektion Högre halter av desinfektionsbiprodukter (DBPs)!!! Mera fluktuation i råvattenkvaliten Ökad behandling Högre driftskostnader.!!! Ökande halter av humus och klimatvariationer Problem med oönskad smak, lukt och färg NOM buren transport av farliga ämnen Ökad risk för biologisk tillväxt i ledningsnätet!!!?????? Adsorption till aktiva kolfilter Minskad barriäreffekt Minskat skydd mot föroreningar (t.ex. olja och diesel)??? Slutsatser (1) Absorbans har använts sedan länge för att få ett mått på humushalten i vatten. I enlighet med tidigare studier fastlås att mätvärden vid enbart en våglängd (t.ex. Pt färg, 436nm etc.) inte ger ett bra mått på totalhalten organiskt kol. Särskilt halten löst järn påverkar A 254 och kan även leda till missvisande resultat för A 420. Absorbansmätningar vid minst två, helst tre, olika våglängder (254, 335 och 420 nm) ger en bra skattning av halten organiskt kol vid konstanta järnhalter. Däröver tillförs värdefull information om både flockbarheten och förändringar av karaktären hos humus. Utöver den relativa fördelningen av humus (autoktont och alloktont) så påverkas absorbansen även av ph, höga halter av nitrat och halten järn. Användning av absorbansspektra som täcker hela våglängdsområdet (230-500 nm) ger den bästa möjliga informationen om både fluktuationer av organiskt kol och turbiditet. Det finns en stor potential för optimering av processtyrning genom online mätningar både i stora och små vattenverk med hjälp av sådana absorbansmätningar. Kunskapen om hur detta ska göras bör dock samlas ihop och systematiseras. Skillnader mellan löst organiskt kol (DOC) och totalt organiskt kol (TOC) är försumbara i de undersökta vattenverken. Detta möjliggör användning av vattenverksspecifika kalibreringar för att skatta både DOC och TOC via absorbans från minst två olika våglängder, helst 254 nm och 420 nm under förutsättning att 13
Slutsatser (2) I enlighet med tidigare resultat så indikerar höga (> 3.5) SUVA-värden lättfällbara vatten. Stora skillnader i specifik absorbans (absorbans per DOC) förekommer mellan olika råvatten. Dessa orsakas av olika andel alloktont humus i råvattnet. Fällning och flockning tar selektivt bort den humusfraktion som har högst SUVA och högst färg vid 420 nm. Den borttagna fraktionen karakteriseras av hög FI och låg FR. Fällda vatten är mycket mera homogena än råvatten. SUVA ligger runt 2 och A 254 kan användas för att skatta DOC med en och samma kalibrering i alla undersökta vattenverk I Görvälnverket tar fällningen bort biopolymerer som annars kan leda till tillväxt i ledningsnätet. Nanofiltrering tar bort humusämnen som inte kunde fällas och reducerar även andelen humusfragment. DOC-halten i permeatet från membranen ligger för alla vattenverk under 2 ppm. Används nanofiltrering efter fällning så sänks DOC i utgående vatten till 0,7 ppm. Nanofiltrering är mindre selektiv i borttagningen av humus än flockning. Större humusämnen tas bort väldigt effektivt (> 90%) efter nanofiltrering (MWCO 450 Dalton) medan små organiska syror inte avskiljs lika bra. Den möjliga effekten på biologisk tillväxt i ledningsnätet bör undersökas vidare då en ökad andel av dessa ämnen förändrar livsvillkoren för biofilmen. Slutsatser (3) Kompletterande fluorescensmätningar efter olika beredningssteg ger värdefull information om hur effektivt beredningen fungera och hur beredningen möjligen skulle kunna optimeras. Differentiella EEMs kan användas för att jämföra fällbarheten i olika vattenverk och under olika årstider. Ett begränsat antal karakteriseringar som rör storleksfördelningen av humus (LC-OCD) anses tillföra värdefull information om humuskaraktär och sammansättning då den oftast kan kalibreras mot analysdata för organiskt kolhalt och färgspektra från vattenverksdata. T.ex. så bekräftade LC-OCD mätningar sambanden mellan DOC och A 254 efter fällning. Under projektets gång framkom även ett stort behov av en systematisk kvalitetskontroll för analysparametrar som rör organiskt kol och färg. Stora avvikelse kan förkomma även vid ackrediterade och avancerade analysmetoder. Provtagningsprotokollen och provhantering måste systematiseras samt att det måste ingå regelbundna kontrollprover i analysprogrammet. Vid avvikelse som är större än 1,5 mg/l eller 25% bör orsaken undersökas vidare. 14
Pågående arbeten Borttagning av microcystiner med nanofilter Borttagning av DOC med nanofilter Borttagning av oönskade organiska spårämnen med aktivt kol, jonbyte och nanofilter Enkät : Vad tycker ni i vattenverk är viktigast och varför? Stephan.Kohler@slu.,se Relevanta vetenskapliga arbeten Impact of iron associated to organic matter on remote sensing estimates of lake carbon content Remote Sensing of Environment (Impact Factor: 4.77). 01/2015; 156:109 116. DOI: 10.1016/j.rse.2014.10.002 Evaluating common drivers for color, iron and organic carbon in Swedish watercourses AMBIO A Journal of the Human Environment (Impact Factor: 2.97). 11/2014; 43(1):30-44. DOI: 10.1007/s13280-014-0560-5 Controls of dissolved organic matter quality: Evidence from a large-scale boreal lake survey. Global Change Biology (Impact Factor: 8.22). 12/2013; 20(4). DOI: 10.1111/gcb.12488 Source: PubMed In-Lake Processes Offset Increased Terrestrial Inputs of Dissolved Organic Carbon and Color to Lakes PLoS ONE (Impact Factor: 3.53). 08/2013; 8(8):e70598. DOI: 10.1371/journal.pone.0070598 Source: PubMed Selective Chlorination of Natural Organic Matter: Identification of Previously Unknown Disinfection Byproducts Environmental Science and Technology (Impact Factor: 5.48). 02/2013; DOI: 10.1021/es304669p Variability in spectral absorbance metrics across boreal lake waters Journal of Environmental Monitoring (Impact Factor: 2.11). 08/2012; 14(10):2643-52. DOI: 10.1039/c2em30266g Long-term dynamics of dissolved organic carbon: Implications for drinking water supply Science of The Total Environment (Impact Factor: 3.16). 06/2012; 432:1-11. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2012.05.071 15