I en studie har forskare undersökt vilken effekt olika UV i kombination med titandioxid (TiO2), persultat (PS) och väteperoxid (H2O2) har för den kemiska omsättningen av NOM i dricksvatten.
Av: Kenneth M Persson
Av Sveriges kommunala dricksvattenförsörjning grundas 75% på ytvattentäkter, antingen för direkt beredning i ytvattenverk (Alelyckan, Lovön, Ringsjöverket mfl.) eller indirekt via konstgjord grundvattenbildning (Gälleråsen, Sörmon, Vombverket mfl.). I råvatten från Småland till mellersta Norrland har ytvattnens färgtal och halt organiskt material ökat de senaste 25 år. För att kunna leverera ett prima, mikrobiellt stabilt och välsmakande dricksvatten behövs färgen avskiljas och halten organiskt material minskas i vattenverken, vilket ökat det vetenskapliga intresset för vad det organiska materialet egentligen består av och hur olika reningssteg i vattenverken förmår avskilja det från vattnet. Kärt barn har många namn. Det organiska materialet kan beskrivas som exempelvis total organisk kolhalt (TOC), löst organisk kolhalt (DOC), kemisk syreförbrukning (COD) eller löst organiskt material (DOM). En betydande del av det organiska materialet finns naturligt (NOM) i vattnet. Det har antingen sitt ursprung i omgivande mark (terrestert NOM) eller från biologiska processer i själva vattnet (akvatiskt NOM). Inte bara i Sverige har ökande NOM observerats i ytvattnen, utan i snart sagt alla länder på norra halvklotet har denna förändring kommit att innebära nya utmaningar för en säker dricksvattenförsörjning.
Artikeln
Det finns flera reningsmetoder att sätta in på verket, som adsorption, koagulering, membranfiltrering och jonbyte. UV-baserade avancerade oxidationsprocesser (AOP) har också undersökts av många forskare för att kartlägga hur väl NOM kan avlägsnas från dricksvatten. I en nyligen publicerad artikel i Journal of Environmental Sciences har Yao och medarbetare undersökt vilken effekt olika UV i kombination med titandioxid (TiO2), persultat (PS) och väteperoxid (H2O2) har för den kemiska omsättningen av NOM i dricksvatten. De karaktäriserade NOM med hjälp av flera olika mättekniker och studerade vilka desinfektionsbiprodukter (DBP) som bildades i efterföljande kloreringssteg i vattnen.
NOM är ingen väldefinierad grupp organiska föreningar. Tvärtom är NOM heterogent, komplext och kan oxideras via flera olika reaktionsvägar i vattenverket. Eftersom det kan se ut på många olika sätt finns många olika metoder för att karaktärisera dess egenskaper. En vanlig karaktärisering är att fraktionera NOM efter storlek och grad av vattenlöslighet (HPI, hydrofilt; HPO, hydrofobt; TPI, transfilt, intermediärt) i olika jonbytessteg. Små, neutrala, hydrofila föreningar ger störst beläggningsproblem i membrananläggningar. Hydrofoba fraktioner av NOM har generellt lättare att bilda desinfektionsbiprodukter. Dock bildas haloättiksyra lättare från hydrofilt NOM.
Vatten som användes i studien hämtades på sommaren från två olika råvattenreservoarer som används för staden Jinans vattenförsörjning i Shandong-provinsen, Kina. Halten löst organiskt kol bestämdes i vattnen. Kolfraktionen fraktionerades med jonbytesteknik efter storlek och grad av hydrofilicitet. Dessutom karaktäriserades NOM-materialet genom att dess fluorescens mättes. Slutligen studerades dess förmåga att bilda desinfektionsbiprodukter som trihalometaner respektive halogenerade organiska föreningar. Forskarna ville mäta i vilken omfattning behandling med UV-oxidation i kombination med förstärkt kemisk oxidation genom persulfat, väteperoxid och titandioxidkatalys förändrade NOM-fraktionernas förmåga att bilda olika desinfektionsbiprodukter.
Vattnen i de två olika reservoarerna hade snarlik sammansättning. HPO-, TPI- och HPI-fraktionen utgjorde 42 %, 25 % och 33 % av NOM i råvatten i QS-reservoaren, som hade en DOC-halt på 2,6 mg/l. I WHS-reservoaren var DOC-halten 2,5 mg/l med 40 %, 27 % respektive 32 % HPO-, TPI och HPI-andel. För den avancerade oxidationen användes UV/H2O2, UV/TiO2 och UV/K2S2O8. Doserna av H2O2, TiO2 och K2S2O8 som användes i studien var 100 µmol/L, 6 mmol/L respektive 100 µmol/L. Själva UV-lampan var en högtryckskvicksilver UV-lampa om 200 W effekt med en UV-intensitet om 1,44 mW/cm2.
Resultat
Samtliga oxidationsmetoder ledde till att totalhalten organiskt material minskade. Olika metoder påverkade de olika fraktionerna i olika grad. DOC-halterna minskade för HPO, TPI och HPI med 3,0 %–6,0 %, 4,0 %–10 % respektive 10 %–17 %. Den hydrofila fraktionen HPI bröts alltså ned mer än HPO och TPI. Specifik UVA, vilket beräknas som förhållandet mellan UV254-absorbansen och DOC-koncentrationen, ger ett mått på graden av aromaticitet i NOM. SUVA minskade mera än totalhalten DOC. SUVA för HPO, TPI och HPI-fraktionerna minskade med 50 %–71 %, 6,7 %–27 % respektive 29 %–43 % efter oxidation med de tre olika UV-baserade metoderna.
Behandlingen med de avancerade oxidationsmetoderna i kombination med UV-ljus resulterade i tydligt lägre potential för det organiska materialet att bilda trihalometaner och halogenerat organiskt material efter klorering. HPO-fraktionen ger störst bidrag, med hypotesen att denna fraktion är rik på aromatiska ämnen, fenoliska hydroxylgrupper och konjugerade dubbelbindningar, som är mer benägna att reagera med klor. Högst reduktion åstadkoms när UV och väteperoxid kombinerades. För HPO, TPI och HPI som behandlats med UV/H2O minskade trihalometanbildningen med 77 %–82 %, 62 %–74 % respektive 81 %–83 %. För de andra metoderna UV/TiO2 och UV/PS ökade trihalometanbildningen för fraktionerna HPO- och TPI-fraktion, men minskade för HPI-fraktion. Forskarna resonerar om att olika oxidationsmetoder leder till olika halt hydroxylradikaler och hur detta påverkar graden av oxidation av alkoholgrupper och ketogrupper i NOM.
Oavsett vattenkällor var HPI-fraktion med låg molekylvikt och aromaticitet mer benägen att brytas ned än HPO och TPI. När det gäller SUVA, jämfört med TPI- och HPI-reaktion, var borttagningseffektiviteten för HPO mycket högre. UV/H2O2-processen kan minska den specifika trihalometanbildningen av HPO, TPI och HPI- fraktionerna. Dessa typer av noggranna karaktäriseringar av NOM ökar förståelsen av vilket organiskt material som förekommer i vattnet. Studier av olika oxiderande kombinationers effekt på hur organiskt material förändras är helt klart användbara för att bedöma när trihalometaner och halogenerade organiska ämnen riskerar att bildas. Överhuvudtaget inspirerar artiklar som Yao och medarbetare till mera omfattande mätningar på hur NOM ser ut och förändras vid vattenrening, i Jinan och på andra ställen i världen. Intressant är också att olika avancerade oxidationsmetoder ger tydligt olika slutresultat på risken för trihalometanbildning i vattnet.
Källa: Zhenxing Yao, Mingquan Wang, Ruibao Jia, Qinghua Zhao, Li Liu, Shaohua Sun. Comparison of UV-based advanced oxidation processes for the removal of different fractions of NOM from drinking water, Journal of Environmental Sciences, 126, 2023, 387-395.
