PARAFAC modellering som en innovativ metod för att övervaka avskiljning av naturligt organiskt material (NOM) i vattenverk – resultat från vattenverk i Sydafrika och Belgien.
Av: Thor Wahlberg
Förekomst av naturligt organiskt material (NOM) i beredningen av råvatten till dricksvatten påverkar utgående vattenkvalitet och ökar vattenverkens driftkostnader. En ökad halt NOM ger ökad dosering av fällningskemikalie, snabbare igensättning av filter och bidrag till bildande av desinfektionsbiprodukter.
Effektiv avskiljning av fNOM (fluorescerande NOM) är avgörande och därför är karakterisering av fNOM fraktioner för beredningsstegen ett användbart verktyg. Traditionellt analyseras NOM som färg, CODMn, TOC och på senare år även UV254nm vilka inte ger någon information om vilken typ av NOM som skall beredas och heller inte något om hur detta avskiljs och förändras under beredningen.
Ett verktyg för att följa och bestämma fNOM i beredning har provats i vattenverk i Sydafrika och Belgien. Avskiljningen av fNOM har undersökts med fluorescens EEM (Excitation-Emission Matrix) och parallell faktoranalys, PARAFAC (är en statistisk metod). Skillnaden mellan UV254nm och fluorescens är att den förra mäter absorbans (hur mycket av det utsända ljuset vid en viss våglängd som absorberas av organiska ämnen) och den senare hur mycket ljus som emitteras när organiska ämnen utsätts för ljus i olika våglängder. Fluorescens kan jämföras med luminiscens. Det ska påpekas att fluorescensspektroskopi och PARAFAC används i stor omfattning. För denna artikel är det tillämpningen och resultaten från att större antal vattenverk som är intressant.
Material och metodik
Provtagningar vid vattenverk i Sydafrika gjordes vinter 2017 och sommaren 2018. I de Belgiska vattenverken gjordes provtagningar våren 2018. För prov (tre exemplar) gjordes analyser direkt med analys av pH, turbiditet, konduktivitet, TOC, UV254nm och fNOM. EEM data togs fram med excitation våglängder om 239,00 – 800,00 nm med 3,00 nm intervall och emission våglängder på 246,70 – 825,13 nm i medelintervall 4,54 nm. Den modellteknik som har använts för att matematiskt separera fNOM fraktioner är PARAFAC. EEM data korrigerades för påverkan från provhantering och instabilitet i instrumentet. Fraktioner för fNOM identifierades utifrån våglängdstoppar i emission och excitations spektrat. Till exempel HA lika fraktioner i våglängdsområdet 380 – 540 nm för emission och 250 – 340 nm för excitation. Ett förhållande mellan P/H (protein-lika föreningar / humusföreningar) vid givna spektra beräknades också.
Resultat
Vattenkvalitén i undersökta vattentäkter och vattenverk varierade. För de tio vattenverk i Sydafrika var partikelavskiljningen mätt som turbiditet mellan 75 % och 99 % för råvatten med 3,0 – 6,5 NTU. Processerna i vattenverken ozonering, koagulering, flotation och snabbfiltrering. Avskiljningen mätt som TOC varierade däremot stort från 2 – 73 %. Det är stora säsongsmässiga skillnader beroende bland annat på kraftiga regn som fyller dammar och späder ut NOM innehåll vintertid. Dessutom påverkar markanvändningen och tillförsel av avloppsvatten till de dammar som används. Det betyder skillnader i mängd och sammansättning av fNOM över året. För de belgiska vattenverken var avskiljning genom koagulering och ultrafiltrering (UF) mellan 52 och 90 %. UF är effektivt för avskiljning av högmolekylärt NOM. Dock begränsas effektiviteten i ultrafiltreringen av fNOM som orsakar fouling. UV254nm i dricksvattnet varierade stort. Under vintersäsongen 0,12 – 0,48 cm-1 och sommarsäsongen 0,05 – 0,13 cm-1. I Belgien lägre värden 0,01 – 0,04 cm-1.
Även om UV254nm ger lite information om NOM så är det förnärvarande en värdefull parameter för att övervaka NOM avskiljning on-line. I den PARAFAC analys som gjorts med EEM data har tre validerade större komponenter av fNOM fraktioner grupperats. De har maximal intensitet i det tredimensionella fluorescens spektrat. Av de tre grupperingarna består den första av HA (humussyror), hydrofobt, ursprung från omgivande mark, bestående av nedbrutna växtdelar. Den andra grupperingen består av hög och lågmolekylärt hydrofobt och hydrofilt fNOM. Den tredje gruppen består av protein-lika ämnen och låg aromatiskt lågmolekylärt material. I denna studie så kartlades hur fNOM förändrades genom beredningen utifrån de tre grupperingarna för olika råvatten och beredningsteg.
Den första grupperingen avskiljdes framför allt genom kemisk fällning, färgat högmolekylärt NOM. Den andra gruppen kunde avskiljas genom beredningsteg som aktiverat kol och UF. För den tredje gruppen kunde viss avskiljning noteras i filter med aktiverat kol tills adsorptionskapaciteten i kolet avtagit. En del av det protein-lika fNOM kunde identifieras med ursprung från avloppsvatten.
I beredningen är de dominerande fNOM fraktionerna humus och protein. Därför har förhållandet mellan dem beräknats, som ett komplement till ovan beskrivna fluorescensspektra. I beredning av råvatten i Sydafrika kunde konstateras att P/H förhållandet <0,6, dvs större andel humus. I dessa vattenverk ökade P/H förhållandet i det färdigberedda vattnet. För beredning av råvatten i de belgiska vattenverken var P/H> 1,0 beroende främst på förekomsten av alger i råvattnet vilket orsakar en nedbrytning av humifierade materialet.
Från undersökningarna kunde konstateras att det i råvattnet finns en stor mängd och variation av fNOM och att beredning i vattenverken är mycket begränsade vad som kan avskiljas. Tidigare studier har visat att när protein-lika komponenter av fNOM dominerar beror det på påverkan från algblomningar, påverkan från jordbruk och dåligt renat avloppsvatten. Som tidigare nämnts avskiljs HA med kemisk fällning medan övriga humifierade komponenter och protein-lika ämnen konkurrerar om avskiljning med aktiverat kol. Ju högre P/H värden i dricksvattnet jämfört med råvattnet så finns humifierade och protein-lika föreningar av fNOM i dricksvattnet. Vid klorering reagerar detta med fNOM och bildar ämnen som klassas som cancerogena.
Slutsatser
Avskiljningen av fNOM var 69 – 85% under sommaren och 42–64 % under vintern, vid de vattenverk som ingick i studien i Sydafrika. I Belgien var motsvarande siffra under våren 74–78%. Avskiljningen av fNOM var tydligt påverkat av den sammansättningen av fNOM, processen vid aktuellt vattenverk och säsongsmässiga förändringar. Även om en låg avskiljningen inte betyder en hög halt fNOM så måste mängd och sammansättning av fNOM tas i beaktande från råvatten till färdigt dricksvatten. Komponentanalysen visade att total halt fNOM och TOC kan korreleras vilket kan vara ett verktyg för att följa mängden fNOM. Dock säger TOC halten inget om faktorerna som påverkar avskiljningen av fNOM. Förhållandet P/H visade överskott av humusmaterial i råvattnen i Sydafrika men i Belgien finns en mikrobiologisk aktivitet som bryter ned humusmaterial. Med PARAFAC metoden kunde sammansättningen av fNOM i det klorerade dricksvattnet fastställas. Fortsatta studier kan med detta underlag förutsäga mängder av grupper av fNOM, toxicitet och biostabillitet.
Källa: Sikelewa N. Ndiweni, Michael Chys, Nhamo Chaukura, Stijn W. H. Van Hulle and Thabo T.I. NkambulePARAFAC model as an innovative tool for monitoring natural organic matter removal i water treatment plants. Water Science & Technology vol 81 p 1786 – 1796 (2020)
