Koagulering

Den norske drikkevannsforskriften krever tilstedeværelse av minst to hygieniske barrierer i alle godkjenningspliktige vannforsyningssystemer. Slike barrierer må ikke bare finnes – de må også være stabile og effektive til enhver tid for å oppnå det som er hovedformålet: En sikker vannforsyning. De fleste store vannverk i Norge benytter koaguleringsprosesser som en sentral del av sin vannbehandling. Over 2 millioner forsynes med drikkevann fra disse vannverkene.

Begrepet “koagulering” innebærer en destabilisering av kolloider og makromolekyler, herunder mikroorganismer som bakterier, virus og protozoer/parasitter, naturlig organisk materiale (NOM), leirpartikler (turbiditet), etc. slik at disse “partiklenes” negative overflateladning nøytraliseres til et nivå nær null. Siden “partiklene” er små, med store overflate/volumforhold, vil frastøtende elektriske krefter mellom partikler – grunnet like (negative) overflateladninger – dominere over gravitasjonskreftene. Systemet er derved stabilt, og partiklene holder seg adskilte, uten å løpe sammen/agglomerere til større partikkelaggregater og uten å synke til bunns eller stige til topps i den beholderen de befinner seg i. Et illustrerende eksempel på dette kan være de stabile partiklene som skaper fargen i en kopp te: Koppen kan stå i ukesvis uten at fargen “klumper” seg eller synker til bunns – dette fordi den negative overflateladningen på partiklene gjør systemet stabilt, dvs. hindrer partiklene i å løpe sammen til større, sedimenterbare partikkelaggregater.

Slike systemer som i utgangspunktet er stabile må derfor destabiliseres, slik at man fjerner de kreftene som motvirker at små kolloider og molekyler: i) kan løpe sammen (flokkuleres) til større partikkelaggregater (fnokker) som så kan fjernes i en etterfølgende separasjonsprosess, eller ii) kan adsorberes til utfellingsprodukter som dannes ved tilsats av et destabiliseringsmiddel, dvs. en koagulant.

Slike koagulanter, for eksempel aluminiumsulfat og jernklorid, vil finnes i vannet som ladede metallforbindelser og som utfellingsprodukter (metallhydroksider). Det er i hovedsak vannets pH-verdi som avgjør hvilke forbindelser som dannes – og hvilken ladning de har. Ved lave pH-verdier vil positivt ladede ioner (kationer) dominere, mens man ved høye pH vil kunne få dannet negativt ladede ioner (anioner) uten evne til å destabilisere de negativt ladede forbindelser man ønsker å fjerne fra vannet. Hvilke pH-verdier dette er, er svært spesifikt for den enkelte koagulanttype. Eksempelvis vil jernklorid normalt være effektivt innenfor et lavere «optimalt» pH-område enn aluminiumsulfat.

 Metalhydroksider som feller ut under gunstige pH-forhold og tilstrekkelig høye koagulantdoser i vannet – eller på tilgjengelige overflater i filtersenger og på filterkorn – vil også normalt få ha en positiv elektrisk overflateladning ved de pH-verdier som normalt anvendes i koaguleringsprosesser. Dette skaper gunstige forhold for en ladningsnøytralisering og kanskje enda viktigere – en adsorpsjon og en fastholding – mellom de negative partikler som ønsket fjernet fra vannet – og utfellingsproduktene som finnes i vannet og i en filterseng etter tilsats av en koagulant under “riktige” pH-forhold.

Utforminger av koaguleringsprosessen

I Norge anvendes i hovedsak koagulering med eller uten flokkulering, og med en etterfølgende dybdefiltreringsprosess. Vi har også noen få anlegg med flokkulering og sedimentering eller flotasjon foran filtertrinnet, og et fåtall anlegg med koagulering som forbehandling før membranfiltrering. For koaguleringsbaserte prosesser kan vi skille mellom tre ulike utforminger: 

1. Kontaktfiltrering, der filtreringen skjer i et filter etter koagulering, men uten foregående flokkulering eller separasjon (sedimentering eller flotasjon)
2. Direktefiltrering, der filtreringen skjer etter koagulering og forutgående flokkulering, men uten forutgående separasjon
3. Konvensjonell filtrering eller det man i Norge tidligere kalte fullrensing, med koagulering, flokkulering og sedimentering evt. flotasjon foran filtertrinnet

I Norge anvendes primært direktefiltrerings- og kontaktfiltreringsprosesser. Dette er fordi råvannet er av relativt god kvalitet, slik at slamproduksjonen ikke blir så stor at forsedimentering eller for-flotasjon er påkrevet for å sikre tilstrekkelig lange filtersykluser, god utløpsvannkvalitet og sikker filterdrift.

Drift og optimalisering

Drift av hvert enkelt koaguleringsanlegg må optimaliseres utfra forutsetningene til anlegget. En grundig beskrivelse av drift og optimalisering finnes i Norsk Vanns rapport 188 Veiledning for drift av koaguleringsanlegg og rapport 189 Håndbok for driftsoptimalisering av koaguleringsanlegg. Alle som arbeider med slike anlegg bør sette seg inn i disse rapportene. 

Som beskrevet over er koagulering en hygienisk barriere. Dimensjonering av hygieniske barrierer er beskrevet i Norsk Vanns rapportserie om god desinfeksjonspraksis, som nå har endret navn til «mikrobiell barriere analyse» – MBA. Rapport 209 Veiledning i mikrobiell barriere analyse, bør leses for å få en helhetlig forståelse av tenkningen knyttet til hygieniske barrierer.

Koagulering den mest vanlige vannbehandlingsprosessen i store norske vannverk for fjerning av farge/NOM og partikler. Svikt i dette trinnet vil også kunne gi problemer for påfølgende desinfeksjon og annen vannbehandling. Likeledes vil rester av partikler og fellingskjemikalier som ikke fjernes i tilstrekkelig grad i filteret, gi økt sedimentasjon i ledningsnettet (økt behov for spyling). Følgelig er god og stabil drift av koaguleringstrinnet svært viktig.

Klimaendringer og økt fargetall gir økt belastning; NOMiNOR prosjektet

En stor del av overflatevannkildene benyttet til drikkevann, særlig de som befinner seg syd for 62. breddegrad, har observert en betydelig økning av vannets innhold av naturlig organisk materiale (NOM) i de siste tiår. NOM-økningen er tilskrevet drivere som redusert tilførsel av sur nedbør, klimaendringer og økt primærproduksjon/biomasse i utmark/nedbørfelt. Redusert tilførsel av sur nedbør gir lavere ionestyrke i vannet, mindre utvasking av aluminium fra berggrunn og jordsmonn, og derved økt vann løselighet/konsentrasjon av NOM. Klimaendringer, herunder økte nedbørmengder, økt nedbørintensitet og økt temperatur, kan gi et endret avrenningsmønster over året med større avrenning høst og vinter. Dette kan gi økt utvasking av NOM fra organisk avfall (løv og plante-rester) og fra de øvre, humusrike jordlag. Lengre perioder uten isdekke kan også påvirke lagdeling og sirkulasjonsperioder, og gjøre vannkildene mer eksponert for vindpåvirking (vipping av sprangsjikt) slik at overflatevann bringes ned på større dyp der drikkevannsinntakene er plassert. Disse utfordringer er i mer detalj beskrevet i Norsk Vann rapport 230 fra NOMiNOR prosjektet.

NOMiNOR var et felles prosjekt mellom ti vannverk i Norge, Skottland, Sverige og Finland, og ledende fagmiljøer i de samme landene. Prosjektet utviklet verktøy for prediksjon av fremtidig fargetallsutvikling i vannkilder. Videre er ulike metoder benyttet for å karakterisere NOM i de ulike vannkildene, og optimalisere vannbehandlingen i vannverkene utfra karakteriseringen av NOM og måling av NOM fraksjoner gjennom de ulike vannbehandlingsprosessene.

Økt NOM gir økt belastning for koaguleringstrinnet. Dette har medført behov for større kapasitet og økte investeringer hos mange vannverk.