Fractionation of NOM in water from the treatment process at Ringsjöverket

Abstract

During the last decades, increased concentrations of natural organic matter (NOM) and colour of surface waters have been reported from northern Europe and North America. Since surface waters are widely used for drinking water production this development has been problematic for drinking water producers. Even though NOM in itself is not harmful, it can cause production of undesirable disinfection by-products, decrease efficiency of UV-treatment and enhance biological growth within distribution systems. Moreover, drinking water treatment plants that use chemical precipitation has been forced to increase their coagulant dosages. This in order to
obtain sufficient removal of NOM. In addition to increased concentrations of NOM, the colour of surface waters and UV absorbance have been shown to increase more than DOC values. This is not only an indication of increasing NOM-concentrations but also of that the characteristics of the NOM in surface waters are changing. In order to be able to optimise and improve the performance of the applied processes, it is essential not only to investigate different options of treatment techniques, but also to analyse the characteristics of the NOM in the water.
In this master thesis, the characteristics of water from the process at Ringsjöverket were investigated. Ringsjöverket is a drinking water treatment plant located in Scania and owned by Sydvatten AB.
In order to characterise NOM based on hydrophobicity the rapid fractionation method was used. Applying this method, water was fractionated into very hydrophobic acids (VHA), slightly hydrophobic acids (SHA), charged hydrophilic acids (CHA) and neutral hydrophilic material (NEU). After fractionation the quantity of each fraction was determined by
dissolved organic carbon (DOC) measurements.
This study shows that the raw water from lake Bolmen has a hydrophobic character. The dominating fraction in the raw water, VHA, constitutes together with the SHA, 85% of all DOC in the raw water. Chemical precipitation and the following rapid sand filtration was shown to be
effective in separating VHA, SHA and CHA. However, these treatment processes showed no ability in separating the NEU fraction. The subsequent treatment in the slow sand filters showed no significant removal of any of the NOM fractions.
Since 2017, two pilots, one ultra-filtration pilot and one infiltration sand filter pilot, have been running at Ringsjöverket. The purpose is to investigate future options for treatment techniques. However, compared to the more conventional treatment including chemical precipitation and
rapid sand filtration, the chemical precipitation followed by ultra-filtration turned out to be less effective in separating NOM. However, small differences in separation of each fraction could be distinguished. The NEU fraction of NOM, which appeared to be unaffected during all other
treatment steps, was separated in the ultra-filtration membrane. The sand filter pilot showed no ability of separating any of the fractions of NOM. On the contrary, increased concentrations of the fraction VHA after the sand filter indicated leaching of NOM from the sand filter. However,
there are some uncertainties related to the result from the pilots. Therefore, more fractionation of this water is needed for a reliable result.

Popular Abstract (Swedish)

Under de senaste årtiondena har det i norra Europa och Nordamerika rapporterats om att sjöar och vattendrag blir allt brunare. Den bruna färgen kommer från naturligt organiskt material (NOM), vilket är material från döda djur och växtdelar, som transporterats med vattnet från
intilliggande skog och mark. Denna ”brunifiering”, som den också kallas, tros bland annat kunna vara ett resultat av de pågående klimatförändringarna och av minskad försurning av mark och vattendrag. Även om detta inte är något gemene man observerat, så orsakar det ändå problem.
Sydvatten, som är en utav Sveriges största dricksvattenproducent, har i många år sett att deras råvattenkälla, sjön Bolmen, stundtals blivit allt brunare. Detta har ökat belastningen på de processer som renar vattnet på Ringsjöverket. NOM kan orsaka att dricksvattnet får en oönskad färg, lukt och smak. NOM används också som näringskälla för mikroorganismer och detta kan främja tillväxten av mikroorganismer i ledningsnätet och på så sätt orsaka hygieniska problem.
NOM kan också orsaka att cancerframkallande biprodukter bildas vid klorering av vattnet. Höga koncentrationer av NOM kan också minska effektiviteten av UV behandlingen av vattnet. Som en konsekvens av allt högre NOM koncentrationer har man på Ringsjöverket till exempel,
för att kunna leverera ett rent vatten till konsumenterna, blivit tvungen öka sin dosering av fällningskemikalie.
Sydvatten planerar att börja leverera och rena vatten från Bolmen till deras andra dricksvattenverk, Vombverket. För att kunna göra det behöver en förlängning av Bolmentunneln byggas och ytterligare reningsprocesser vid Vombverket installeras. För att undersöka detta närmare har Sydvatten startat två testanläggningar på Ringsjöverket, en ultra-filtrerings membran och ett infiltrationssandfilter. Allt detta för att kunna undersöka vilken typ av rening man i framtiden behöver för att rena vatten från Bolmen på Vombverket. Data på vattenkvalitet från Bolmen visar ingen direkt indikation på att NOM koncentrationerna kommer minska i framtiden. Därför
är det viktigt att de reningsmetoder man väljer att använda sig av är driftsäkra och effektiva när det kommer till avskiljning av NOM.
I detta examensarbete, vilket är ett samarbete mellan Sydvatten och Institutionen för kemiteknik på Lunds universitet, har det organiska materialet i vattnet från Ringsjöverket närmare studerats.
En metod som kallas snabbfraktionering har används för att dela upp det lösta organiska materialet i fyra fraktioner baserat på dess hydrofila och hydrofoba karaktär. Det finns ett antal snabbare och enklare metoder för att mäta hur mycket NOM vatten innehåller men genom snabbfraktionering kan man mer i detalj ta reda på vilka olika typer av NOM som finns i vattnet.
I denna rapport presenteras resultatet från den snabbfraktionering som utfördes på vatten från Ringsjöverket. Snabbfraktioneringen av vattnet har bidragit med kunskap om vilken karaktär råvattnet har och hur de olika reningsprocesserna påverkar olika typer av NOM på Ringsjöverket.
Resultatet av denna studie hoppas kunna användas för att på ett bättre sätt kunna utvärdera nuvarande och framtida reningsprocesser.

• author: Karlsson, Stina
• supervisor: Michael Cimbritz; Olivia Söderman
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: VVAM05 20181
• year: 2018
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: water engineering, environmental engineering, avloppsteknik
• language: English
• id: 8955472
• date added to LUP: 2018-08-31 14:30:21
• date last changed: 2018-08-31 14:30:21