+ All Categories
Home > Documents > Currentchallengesof treang ’rawwaters richin’ natural ... · richin’ natural’organic ......

Currentchallengesof treang ’rawwaters richin’ natural ... · richin’ natural’organic ......

Date post: 27-May-2018
Category:
Upload: lylien
View: 216 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
26
Stephan J. KÖHLER 1,2 , Elin E. LAVONEN 2 , Phillipe SCMITT-KOPPLIN 3 , Alexander KEUCKEN 4 , Norbert HERTKORN 3 , M HARIR 3 , Tom SPANJER 5 , Kenneth PERSSON 6 , Per ERICSSON 2 Jose L.J. LEDESMA 1 , Chris EVANS 1 , Salar VALINIA 1 , Johan TEMNERUD 1 , Julia HYTTEBORN 1 and Martyn FUTTER 1 1 SLU, Department of Aquatic Sciences and Assessment P.O. Box 7050 Uppsala, Sweden, +46 18 68 3826., [email protected] , 2 NORRVATTEN, Skogsbacken 6, 172 41 Sundbyberg; Sweden, [email protected] , [email protected] , [email protected] 3 HELMHOLTZ CENTRUM München, Allemagne, [email protected] ,[email protected] , [email protected] 4 VIVAB AB, Varberg, Sweden, [email protected] 5 PENTAIR, Enschede, Holland [email protected] 6 SYDVATTEN AB,Hyllie Stationstorg 21, 215 32 Malmö, Sweden, [email protected] Current challenges of trea0ng raw waters rich in natural organic ma4er (NOM) in Sweden
Transcript

Stephan J. KÖHLER1,2, Elin E. LAVONEN 2, Phillipe SCMITT-KOPPLIN3, Alexander KEUCKEN4, Norbert HERTKORN 3, M HARIR 3, Tom SPANJER 5, Kenneth PERSSON 6, Per ERICSSON 2

Jose L.J. LEDESMA1, Chris EVANS1, Salar VALINIA1, Johan TEMNERUD1, Julia HYTTEBORN1 and Martyn FUTTER1 1 SLU, Department of Aquatic Sciences and Assessment P.O. Box 7050 Uppsala, Sweden, +46 18 68 3826., [email protected], 2 NORRVATTEN, Skogsbacken 6, 172 41 Sundbyberg; Sweden, [email protected], [email protected], [email protected] 3 HELMHOLTZ CENTRUM München, Allemagne, [email protected],[email protected], [email protected] 4 VIVAB AB, Varberg, Sweden, [email protected] 5 PENTAIR, Enschede, Holland [email protected] 6 SYDVATTEN AB,Hyllie Stationstorg 21, 215 32 Malmö, Sweden, [email protected]

Current  challenges  of  trea0ng  raw  waters    rich  in  natural  organic    ma4er  (NOM)    in  Sweden  

climate  change  related  challenges    in  nordic  countries  

Increase  in  color      èBrowning  as  a  result  of  increased  iron    and  NOM  mobilisa9on  Increased  weather  extremes  with  floodings  and  dry  spells,  earlier  ice  break  up  and  longer  autumns      èmore  algal  blooms,  higher  varia9on  in  water  quality  

intro                                      trends                          lake    Mälaren                      adapta0on                            synthesis  

Specific  challenges  with  increasing  NOM  

intro                                      trends                          lake    Mälaren                      adapta0on                            synthesis  

DOC  and  color  

0

5

10

15

20

25

30

TOC

mg

/l

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Ab

s._F

420

nm

/5cm

01-01-1973 01-01-1979 01-01-1985 01-01-1991 01-01-1997 01-01-2003 01-01-2009date

Left Scale: TOC mg/lIncreasing  color  (A420_5cm;  light  brown)  and  TOC  (dark  brown)  in  Lyckebyån  between  1965  9ll  2012  

stream  

intro                                      trends                          lake    Mälaren                      adapta0on                            synthesis  

DOC  and  color  do  not  always  co-­‐vary  

0

5

10

15

20

25

30

TOC

mg

/l

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Ab

s._F

420

nm

/5cm

01-01-1973 01-01-1979 01-01-1985 01-01-1991 01-01-1997 01-01-2003 01-01-2009date

Left Scale: TOC mg/l

6

7

8

9

10

11

TOC

mg/

l

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

Abs

._F

420n

m/5

cm

01-01-1998 01-01-2000 01-01-2002 01-01-2004 01-01-2006 01-01-2008 01-01-2010 01-01-2012Date

Increasing  color  (A420_5cm;  light  brown)  and  TOC  (dark  brown)  in  Lyckebyån  between  1965  9ll  2012  

Varia9on  in  color  ((A420_5cm;  light  brown)  and  TOC  (dark  brown)  at  the  outlet  of  Mälaren  between  1996  and  2012  

stream  

lake  

intro                                      trends                          lake    Mälaren                      adapta0on                            synthesis  

Recovery  from  acidifica9on  is  one  apparent    driver  of  changes  in  DOC  and  color  

DOC  

SO42-­‐  

intro                                      trends                          lake    Mälaren                      adapta0on                            synthesis  

Comparing  modelled  trends  in  lakes  and  streams  change  in  DOC  mg  L-­‐1  year-­‐1  

Predicted  trend  for    lakes  n  =  1200      (Valinia  et  al.  2015  ES&T)  

Predicted  trend  in    streams  n  =  215    (Temnerud  et  al.  2014  Ambio)  

-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10

0.10.20.30.40.5

-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10

0.10.20.30.40.5

Regional  model    (offset,  S  deposi9on,  area,  lake  size)  

Site  specific  parameters    (offset,  temp,  flow,  trend)  

intro                                      trends                          lake    Mälaren                      adapta0on                            synthesis  

Trends  in  DOC  over  0me  

•  Trends  are  slowing    •  TOC,  color  and  Fe  trends  are  not  always  consistent  

•  Temporal  variability  has  increased  substan9ally  

•  Main  drivers  are    – Recovery  from  acid  arin  – Varia9on  and  trends  in  flow  and  temperature  

– Effect  of  increased  forest  growth    – Local  land  management  (ditching,  land  conversion,  replanta9on)          

è  site  specific  studies  are  needed  

to  beaer  understand    

 local  changes  and  

local  drivers      

in  DOC  quan9ty  and  quality!  

 

intro                                      trends                          lake    Mälaren                      adapta0on                            synthesis  

Lake  Mälaren  

 �  Lovö

Görväln  

Lovö  

<  5                          <10                          >15  

DOC  content        [mg  L-­‐1]  

Changes  in  DOC  in  large  lake  

intro                                      trends                          lake    Mälaren                      adapta0on                            synthesis  

Changes  in  NOM  character  in  large  lake  

Increasing  residence  9me  

In-­‐Lake  Processes  Offset  Increased  Terrestrial  Inputs  of  Dissolved  Organic  Carbon  and  Color    to  Lakes  Köhler  et  al  2013  PlosOne      

β/α DOC  

A420   Feorg  

intro                                      trends                          lake    Mälaren                      adapta0on                            synthesis  

Characterisa9on  of  NOM    

method parameter references

absorbance   SUVA,  UV Lavonen  et  al.    2015

Fluorescence β/α,  HIX,  FI Lavonen  et  al.  2015

FT-­‐ICR-­‐MS COS,  C/H,  C/O  ;    size,  van  Krevelen  plots

Lavonen  et  al.    2015

LC-­‐OCD Humic  acids,  size,  LMW Huber  et  al.  2011  Köhler  et  al.  2016

1H-­‐RMN NOM  structure  and  fucn9onality

Diamar  et  al,.  2008

intro                                      trends                          lake    Mälaren                      adapta0on                            synthesis  

Macroscopic  parameters  may  be  connected  to  molecular  proper9es  

How  turnover  ?me  affects  dissolved  organic  maAer  composi?on  -­‐  tracking  lake  organic    carbon  processing  with  op?cal  and  molecular  level  tools      Lavonen  et  al.  (  in  prep)  

intro                                      trends                          lake    Mälaren                      adapta0on                            synthesis  

This  can  be  used  to  understand  …and  benchmark  treatment  processes  

 

1.  entrée  

 3.  pompe    

4.  rajout  ALG    coagula9on  (COAG)  

5.  flocula9on  

9.  Filtre  à  charbon  ac9f  (GAC)    

 8.  pompe  6.  décanta9on   7.  Filtre  à  sable  (FAS)  

10.  UV    

11.  Ca(OH)2  et  rajout  monochloramine  

12.  Stockage  de  l´eau  traitée  

13.  pompe  

2.  microfiltre  

Al2(SO4)3    

Treatment Parameters scale References

1.  Coag/SF/GAC   coagula9on/SF/GAC pilot Lavonen  et  al.  2015    Köhler  et  al.  2016

intro                                      trends                          lake    Mälaren                      adapta0on                            synthesis  

This  can  be  used  to  understand  …and  benchmark  treatment  processes  

Treatment Parameters scale References

1.  Coag/SF/GAC   coagula9on/filter/GAC large Lavonen  et  al.  2015    Köhler  et  al.  2016

2.  Coag/SF/SF  slow coagula9on/filter/  slow  sand Large Lavonen  et  al.  2015

3.  Coag/SF/NF coagula9on/filt/NF Pilot Köhler  et  al.  2016

4.  MIEX Ion  exchange Pilot Lavonen  al.  2015  

5.  NF Nanofiltra9on Pilot Keucken  et  al.  2016

6.  SIX/Ceramac/O3 Ion  exchange,  ozone  and  ceramic  filtra9on Pilot Star9ng  2017

intro                                      trends                          lake    Mälaren                      adapta0on                            synthesis  

Changement  du  caractère  du  COD  PROCÈS

COAG

PROCÈS

MIEXNF

CERAMAC

β/α <  0.5  HSfrac =0.85COD  =  12

β/α >  0.7Hsfrac =  0.7COD  =  9

β/α >  0.7HSfrac >  0.3COD  =  4

β/α >  0.9HSfrac < 0.2COD  <  2

β/α SUVACOD

Biopoly  =  350   Biopoly  =  150  Biopoly    5-­‐250  ppb  

A420  

This  can  be  used  to  understand  …and  benchmark  treatment  processes  

Process  

intro                                      trends                          lake    Mälaren                      adapta0on                            synthesis  

100%

100%

35%

Dosing chemical [mg  L-­‐1]          

High  NOM  

Coagula9on  has  limits  in  low  SUVA  waters    

Reduced    barrier    func9on  against  organic  polluants  (PFAS)  

Specific  challenges  with  increasing  NOM  

intro                                      trends                          lake    Mälaren                      adapta0on                            synthesis  

…but  NOM  is  just  one  of  a  mul9tude  of  challenges  

•  Climate  change  •  More  than  70%  of  raw  water  used  is  surface  water  

•  Improved  microbial  barriers  are  needed  •  More  algal  blooms  and  algal  toxins  •  Improved  Chemical  barriers  and  POPs  are  needed  •  Renewal  and  increase  of  the  distribu9on  network    •  Popula9on  growth    leads  to  capacity  problems    

è  Many  WTPs  are  from  1970s…    

intro                                      trends                          lake    Mälaren                      adapta0on                            synthesis  

Adap9ng  and  exploring  •  Improving  current  processes  – Using  sensors  to  op9mize  coagula9on  online  

–  Coagula9on  with  Fe  instead  of  Al  (Helsinki)  

–  Pretretament  prior  to  ar9ficial  infiltra9on  (Gävle,  Uppsala)  

•  Installa9on  of  new  processes  –  COAG/UF  Göteborg  (done)  ,  Varberg  (in  progress)  

–  NF  Östersund  (in  progress)  –  NF,  IEX  or  Ceramac/IEX/O3  Stockholm  (in  progress)  

–  COAG/UF  Malmö    

intro                                      trends                          lake    Mälaren                      adapta0on                            synthesis  

Adap9ng  and  exploring  •  Improved  monitoring  

– WTP  –  Na9onal  monitoring  –  Satellite  image  analysis    

•  Joint  reserach  projects  –  NOMiNOR    (NOM  research  consor9um)  –  DomQua          (NOM  research  consor9um)  – MemiNOR    (Membrane  research  consor9um)  –  Coopera9on  between  WTP  (DRICKS)  network  –  DW  has  been  li{ed  in  the  Na9onal  research  agenda  

References  can  be  viewed  and  downloaded  at    h4ps://www.researchgate.net/profile/S_Koehler  

effort  è  

HSlabile  

HSstable  

DOCstable  

DOClabile  

DOC  removal  techniques    (no  oxida9on)  

Empirical  models  for  lake  DOC  (Valinia  et  al.  2015)  

Observed  and  predicted  TOC  levels  in  2010    TOC  Trends  are  driven  by  lake  area,  catchment  area  and  S  deposi0on    Study  is  limited  to  weakly  buffered  acid  sensi0ve  lakes      

   

Δ  [TOC]  =  0.098  +  0.058  [lake  area]  -­‐  0.069  [log  catchment  area]  -­‐  0.000052  [sulfurEMEP  1980]    

intro                méthodes                  sources                    réac0ons                potabilisa0on              synthèse  

Pilote:  Coag/SF/NF  

Upgrading  coagula?on  with  hollow-­‐fibre  nanofiltra?on  for  improved  organic  maAer    removal  during  surface  water  treatment.  Köhler  et  al  2016  Water  Research  Vol  89  

Görväln  

Köhler  et  al.  PloSOne  2013  

Aλ-­‐Modelled  =  a  *  DOCimport  +  b  *  Fecoll  +  c  *  DOCauto  

Predic9ng  color  A420  and    and  A254  from  EEM  and  Fe  data  

 ForWater  Jose  Ledesma,  PhD  (INCA-­‐C  modelling  

Ledesma  et  al.  Sci  of  the  tot  Environ.  2012  

Using  MERIS  to  predict  DOC  from  satelite  images  in  Mälaren  

2

2.5

3

3.5

4

4.5

2 2.5 3 3.5 4 4.5MERIS derived absorption coe!cient 443

SUVA

(L-1

mg-1

m-1

)

Fig 5.

B

lakebasinA

DC

E&FMERIS CDOM Case 2 Regional (m-1)

MERIS CDOM Boreal Lakes (m-1)

Mea

sure

d D

OC

(mg/

l)M

easu

red

DO

C (m

g/l)

R2 = 0.005 (whole lake)R2 = 0.92 (excluding basin D)

789101112131415

0.5 1 1.5 2 2.5 3

789101112131415

1 1.5 2 2.5

R2 = 0.65 (whole lake)R2 = 0.90 (excluding basin D)

(A)

(B)

Fig 3

B

lakebasinA

DC

E&F

Kutser  et  al.  (Remote  Sensing  of  Environment;)  

-­‐  DOC,  TOC  -­‐  EEM  flourescence  -­‐  FT-­‐ICR-­‐MS  -­‐  NMR  -­‐  è  follow  changes  in  DOC  character  -­‐  è  couple  molecular  and  specroscopic  data  

Elin  Lavonen,  PhD  

Tracking  changes  in  the  op0cal  proper0es  and  molecular  composi0on  of  dissolved  organic  ma4er  during  drinking  water  produc0on  Lavonen  et  al  2015  Water  Research  85:286-­‐294  


Recommended