Vattenverken måste hantera ytvatten med allt högre halter av naturligt organiskt material. Det talas om brunifiering. En ny avhandling ser över behandlingsmetoder.
Av alla generella sötvattenkvalitetsförändringar i Sverige sedan 1970 är väl brunfärgningen den mest dramatiska. Många ytvatten har blivit 2 – 3 ggr brunare på 30 år eller så. Dessa förändringar har inte bara skett i Sverige, utan ökande halter naturligt organiskt material (NOM) i ytvatten är en utmaning för vattenförsörjningen i snart sagt alla länder vilka har tempererat klimat. Företeelsen finns dokumenterad i bland annat Kanada, norra USA, Finland, Norge, Ryssland, Polen, Baltikum och Kina.
Brunfärgningen medför ändrade ljusförhållanden i vattnet, som inverkar omedelbart och mycket omvälvande på vattenlevande organismer som assimilerar ljus, t ex organismer med klorofyll. Limnologisk forskning har visat att vid ändrade ljusförhållanden i en sjö förändras ekologin.
Ur ett vattenförsörjningsperspektiv är det värt att påpeka att svenskt kommunalt dricksvatten till 75 procent är baserat på ytvatten direkt eller indirekt, via konstgjord infiltration. Ytvattnens kvalitet påverkar hur kommunerna kan ta fram och distribuera dricksvatten. NOM i råvattnet ställer till besvär vid dricksvattenberedning genom att det kan missfärga vattnet och ge upphov till lukt- och smakstörningar. De minsta och biologiskt mest lättillgängliga NOM-föreningarna kan fungera som substrat för mikroorganismer och främja mikrobiell efterväxt i distributionsnät, vilket ökar risken för lukt- och smakstörningar ännu mer.
Om vattnet bereds genom klorering kan högre halter NOM i vattnet åstadkomma att cancerogena desinfektionsbiprodukter bildas. Om det bereds med ultraviolett desinfektion (UV-desinfektion) kan förhöjd halt NOM göra att UV-dosen måste ökas eftersom ringformade, aromatiska föreningar absorberar UV-ljus. Dessutom kan humusämnenas komplexbildande egenskaper medföra en risk för ökad transport av metaller och organiska spårämnen såsom persistenta föreningar i vattnet.
En ytterligare besvärande faktor är att eventuella kemiska barriärer genom kolfilter mot organiska spårämnen (läkemedelsrester, bekämpningsmedelsrester mm) fylls på snabbare på grund av adsorberade humusämnen. Kolfilter måste bytas ut eller regenereras oftare när NOM förekommer i förhöjd halt.
Hur ska sådant brunfärgat vatten beredas på effektivast sätt för att säkra vattenkvaliteten till konsumenterna?
Alexander Kecken vid Vivab i Falkenberg och Varberg och industridoktorand vid Lunds universitet, presenterade sin avhandling Climate Change Adaption of Waterworks for Browning Surface Waters. Nano- and Ultrafiltration Membrane Applications for Drinking Water Treatment den 15 december 2017. Det är ett gediget arbete som Keucken gjort där han studerat hur membranteknik fungerar för att hantera organiskt material om det förekommer i förhöjd halt.
I avhandlingen dokumenteras undersökningar av hur nanofiltrering och ultrafiltering kan användas för att ta bort NOM från vatten och hur mycket som avskiljs vid olika driftfall. Keucken har vidare detaljstuderat hur membran i drift beläggs med organiskt material och om någon åldring sker av det polymera materialet efter 8 000 drifttimmar.
Han har vidare modellerat den molekylära avskiljningen, retentionen som funtion av porstorlek och driftparametrar, särskilt transmembrantryck. Han har slutligen undersökt hur mycket bättre ett aktivt kolfilter fungerar som kemisk barriär mot antropogena föroreningar om NOM-halten minskar med 50 – 70 procent i dricksvattnet.
Ultrafilter tar inte bort något NOM alls. Det organiska materialet är för lågmolekylärt för att avskiljas av membran. Men om ultrafiltrering kombineras antingen med förfällning eller med direktfällning, blir NOM-retentionen ungefär samma som vid konventionell fällning.
Fördelarna är att ultrafilter kräver mindre fällningskemikalier, genererar mindre vattenverksslam och blir kompaktare eftersom kontakttiden för flockbildningen kan kortas. UF-membran har en kapacitet upp till 100 liter per kvadratmeter aktiv membranyta och timme. Vid kemisk analys genom vätskekromatografi kan de organiska molekylernas storlek bestämmas. Ultrafiltrering i kombination med kemisk fällning kan avskilja humus från mark (terrester humus), men har svårare att avskilja mera lågmolekylärt organiskt material från sjöar och vattendrag (akvatiskt material).
Testkörningar med UF kombinerad med direktfällning på ytvatten från sjön Neden (blandat med 20 procent grundvatten) resulterade i en reduktion av löst organiskt material (DOC) med motsvarande 30 samt 50 procent avskiljning av NOM fraktioner med hög molekylärvikt. Ultrafilter är yteffektiva och slutsatsen av dessa studier är därför att ultrafilter i kombination med kemisk fällning ger likvärdig rening som ett traditionellt ytvattenverk med kemisk fällning.
Eftersom vattenverket i Varberg, Kvarnagårdens vattenverk, behövde kompletteras med någon form av avskiljning av NOM då råvattnet i ytvattentäkten, sjön Neden, stigit rejält de senaste decennierna, passade UF väldigt väl in som kompletterande beredning i Varberg. Under tiden Keucken arbetat med sin avhandling har han också medverkat till att Kvarnagårdens vattenverk fått ett tvåstegs UF-steg installerat med en kapacitet om 1 080 m3/h, en kontrakterad NOM-reduktion (mätt som UV254-abs) ≥ 50 procent, ett färgtal ≤ 5 mg/liter Pt, avskiljning av parasiter och bakterier ≥ log 6, avskiljning av virus ≥ log 4, ett vattenutbyte ≥ 99,0 procent och en tillgänglighet ≥ 99,5 procent. Verket invigdes 13 september 2017.
Nanofiltrering gör att närmare 90 procent av NOM avskiljs i membransteget. Nanofilter är betydligt kraftfullare jämfört med ultrafilter och fällning. Bara det mest lågmolekylära organiska materialet passerar genom nanofiltermembranet. Det behövs därför ingen kompletterande kemisk fällning om nanofilter används som beredningsmetod. Kapaciteten är omkring 20 liter permeat per kvadratmeter NF-membran och timme. Långtidsförsök med NF filtrering av ytvatten från sjön Mälaren (utan förbehandling) indikerade höga och stabila NOM reduktionsgrader motsvarande 91,6 – 94,7 procent för UV absorbans vid 254 nm (UV254) och motsvarande 82 – 92,2 procent för totalt organiskt kol (TOC). Avskiljningen av NOM-fraktioner med hög molekylärvikt uppmättes till drygt 90 procent. Men vissa mineral hölls också tillbaka av NF, som kalcium och magnesium. Det kan behövas återmineralisering av dricksvattnet om dessa mineralhalter skulle bli för låga. NF före aktivt kol förlängde den kemiska barriärverkan med 2 – 6 månader, mätt som avskiljning av löst kol.
Avancerade mätmetoder användes för detektion av avlagringar på membranytan och förändringar/ försämringar av membranmaterial som funktion av rengörning eller tryckbelastning. Efter drygt 12 månaders kontinuerlig drift togs bitar av hålfibermembran ut från olika testmoduler och analyserades med avseende på fysikaliska och kemiska egenskaper. Inga membrananalyser tydde på några allvarliga förändringar av yta eller hållfasthet för membranen. Inte heller några irreversibla beläggningar hade byggts på under försöksåret.
Hur kommer brunfärgningen att fortgå i Sverige och vilken betydelse för dricksvattenkvaliteten har förändringen i framtiden? I avhandligen finns beskrivet en projicering av svagt ökande NOM-halt i råvattnet till Kvarnagårdens vattenverk fram till 2040. Med ultrafilter i kombination med koagulering kan en låg och stabil halt organiskt kol upprätthållas till cirka år 2025 – 2030 om koaguleringsdosen stiger från 0,5 – 0,7 till 0,9 mg/l Al. Om en större andel grundvatten kan användas för att späda färgtalet i råvattnet kan UF-steget fungera väl åtminstone till 2040. Om högre halter koagulanter anses vara ekonomiskt rimliga att använda för beredningen är det möjligt att klara betydligt brunare vatten även efter 2040.
Vad som verkligen händer med brunfärgningen i framtiden vet vi ju inte, men denna avhandling visar åtminstone att det finns ett antal verktyg inne på vattenverket som kan användas. Vi klarar det nog ändå, skulle man kunna säga om dricksvattenkvaliteten.
–––
Artikeln är tidigare publicerad under rubriken »Klimatanpassning av vattenverk för brunifierade ytvatten« i nyhetsbrevet Internationell VA-utveckling Läs mer på: www.internationellva.se
