Pilot

npj Clean Water Band 6, Artikelnummer: 52 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Die Qualität des Trinkwassers (DW) kann sich während der Verteilung ändern, was zu Geschmacks- und Geruchsereignissen und zum erneuten Wachstum von Mikroben führen kann. Pilotanlagen, die Verteilungsnetze nachahmen, sind für das Verständnis dieser Veränderungen von entscheidender Bedeutung. Wir präsentieren ein neues Pilotanlagendesign, einschließlich Rohrleitungsmaterial, Sensoren und Instrumentierung. Die drei unabhängigen Schleifen (jeweils 100 m) des Piloten zeigen ein identisches Verhalten, sodass drei Bedingungen gleichzeitig getestet werden können. Die Überwachung umfasst die Bildung von Geschmacks- und Geruchsverbindungen, das Nachwachsen von Mikroorganismen und Veränderungen im gelösten organischen Kohlenstoff. Echtzeitmessungen ermöglichen eine kontinuierliche Überwachung und die Probenahme von Biofilmen im Innenrohr ist möglich. Die Modularität des Pilotprojekts erleichtert die Untersuchung der Auswirkungen des Klimawandels, verschiedener Rohrleitungsmaterialien und Quellwassers auf die DW-Qualität im Verteilungsnetz.

Die Gewährleistung der Trinkwasserqualität (DW) für die Kunden ist für DW-Unternehmen von entscheidender Bedeutung. Die hygienische und ästhetische Qualität von Wasser wird durch physikalisch-chemische und mikrobielle Prozesse im Quellwasser während der Produktion, Lagerung und Verteilung beeinflusst. DW ist nach der Herstellung kein steriles Produkt, daher kann das erneute Wachstum von Mikroben und die Umwandlung organischer Bestandteile und Nährstoffe im DW-Verteilungssystem (DWDS) möglicherweise zu Geruchs- und Geschmacksproblemen, Trübung, Verfärbung, Beschädigung des Rohrmaterials und möglicher Kontamination mit darunter liegenden Krankheitserregern führen Einfluss verschiedener Umweltparameter1,2. Um Qualitätsänderungen in einer sicheren und dennoch realistischen Umgebung zu untersuchen, können Pilotanlagen von DWDS eingesetzt werden.

In dieser Mitteilung stellen wir ein DWDS-Design im Pilotmaßstab vor, das auf die Untersuchung mikrobieller Gemeinschaften, Biofilmbildung sowie Geschmacks- und Geruchsereignisse abzielt. Dieses Pilotprojekt umfasst innovative Funktionen wie Online-Überwachung, Probenahme flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs) und Biofilm sowie modulare Rohrabschnitte. Durch die Integration dieser Funktionen können wir die komplexe Dynamik innerhalb des DWDS genau untersuchen. Darüber hinaus belegen unsere ersten Experimente die Reproduzierbarkeit des Systems und unterstreichen seine Zuverlässigkeit. Wichtig ist, dass wir festgestellt haben, dass das Vorhandensein von Probenahmeventilen keinen erkennbaren Einfluss auf die Bakterienzusammensetzung hat. Diese vielversprechenden Ergebnisse bilden eine solide Grundlage für zukünftige Forschungsbemühungen, ermöglichen ein tieferes Verständnis der Faktoren, die Veränderungen in der Wasserqualität vorantreiben, und ebnen den Weg für wirksame Minderungsstrategien.

Die Pilotanlage besteht aus einer Struktur von 5,2 m × 2,6 m, die drei identische Rohrleitungsschleifen enthält (Abb. 1 und ergänzende Abb. 1). Als Rohrleitungsmaterial wurde PVC-U nach Rücksprache mit der Literatur und mit verschiedenen DW-Unternehmen in Flandern ausgewählt (ergänzende Abbildung 2). Alle in diesem Pilotprojekt verwendeten Materialien entsprechen den belgischen nationalen DW-Vorschriften (Hydrocheck-Anforderungen von Belgaqua) (Bode GmbH, Deutschland).

Die Struktur ist 5,2 m × 2,6 m groß. Die drei identischen Schleifen sind angegeben.

Jede Schleife hat einen Durchmesser von DN80 und eine Gesamtlänge von 100 m DN80. Das resultierende Oberflächen-Volumen-Verhältnis beträgt ~50 m−1 und liegt damit deutlich über dem Minimum von 25 m−1, um eine ausreichende biologische Aktivität bei der Umwandlung organischer Produkte in Geruch, Geschmack, Farbe und DBPs3 zu haben, und hat <5 % ( 25 L) Volumenabweichung bei der Probenahme. Jede Schleife verfügt über drei 4 m lange Rohrabschnitte am Anfang, in der Mitte und am Ende der Schleife, die mittels Schraubflanschverbindungen und Absperrklappen vom Typ LUG installiert werden (Ergänzungsbild 1, rote Pfeile). Mit diesen Ventilen können Sie die Rohrleitungen in den 4-m-Abschnitten einfach wechseln, andere Rohrmaterialien testen oder alte Rohre mit z. B. korrodierten Innenflächen oder einem ausgereiften Biofilm installieren, um deren Einfluss auf die DW-Qualität zu untersuchen.

Vor dem Anschluss des Piloten wird ein umweltfreundliches Rückschlagventil vom Typ EA montiert, um das gebäudeinterne DW-Netzwerk vor möglichen Verunreinigungen durch die Pilotversuche zu schützen. Im Kreislauf jedes Kreislaufs können undurchsichtige 1-m3-Puffertanks aus Polyethylen hoher Dichte (HDPE) (Mauser, Deutschland) verwendet werden. Diese Gefäße können einfach mit einem Palettentransporter ausgetauscht werden, sodass verschiedene Chargen anderen (Trink-)Wassers für Experimente angeschlossen werden können.

Der Pilot kann in einem geschlossenen Kreislauf mit oder ohne Verwendung des Puffertanks in einem offenen Kreislauf und im Durchlaufmodus zum Spülen nach und vor neuen Experimenten betrieben werden (ergänzende Abbildung 1). ). Mit diesen Strömungsmöglichkeiten können wir den Einfluss unterschiedlicher hydraulischer Verweilzeiten untersuchen. Nach Angaben des örtlichen Trinkwasserversorgers werden 95 % ihres Trinkwassers innerhalb von 5 Tagen an den Kunden geliefert, und 35 % der Kunden erhalten ihr Wasser innerhalb eines Tages (ergänzende Abbildung 3).

Die mittlere Strömungsgeschwindigkeit im flämischen DWDS beträgt 0,08 m/s (ergänzende Abbildung 4) und wird für die Reproduzierbarkeitsexperimente verwendet. Daher haben wir die Pumpen so ausgewählt, dass sie unter Berücksichtigung der Länge von 100 m und des Rohrdurchmessers DN80 eine Strömungsgeschwindigkeit zwischen 0 und 0,5 m/s aufweisen. Es wurden vertikale mehrstufige frequenzgesteuerte Kreiselpumpen ausgewählt (Grundfos, Dänemark) (ergänzende Abbildung 6). Unter Berücksichtigung des gewünschten Strömungsregimes (0,00 m/s–0,50 m/s, Medianwert 0,08 m/s) für zukünftige Experimente wurde ein Regelkreis mit einem Grundfos CRNE 3-4 mit einem Arbeitsbereich zwischen 0,5 m3/h ausgestattet (0,03 m/s für DN80) und 5,2 m3/h (0,29 m/s für DN80). Beide anderen Kreisläufe waren mit einer Grundfos CRNE 5-4-Pumpe ausgestattet, die einen Betriebsbereich zwischen 1,0 m3/h und 10,0 m3/h (0,06–0,55 m/s für DN80) hat.

Die Hochleistungspumpe (CRNE 5-4) kann auch als Spülpumpe mit hoher Geschwindigkeit (0,55 m/s) zur Reinigung nach und vor neuen Experimenten verwendet werden. Auf der Druckseite jeder Pumpe wurde ein 60-l-Druckbehälter Wellmate WM4 (Pentair, USA) installiert, um den Druckverlust im System beispielsweise aufgrund der Probenahme auszugleichen (ergänzende Abbildung 1).

In jeder Schleife wird die Durchflussrate gesteuert, während Systemdruck, Temperatur, pH-Wert und Leitfähigkeit automatisch protokolliert werden (ergänzende Abbildung 1). Zur visuellen Kontrolle vor Ort ist in jedem Kreislauf zwischen dem Anfang des Kreislaufs und den Wärmetauschern ein elektromagnetischer Durchflussmesser der Marke Picomag (Endress+Hauser AG, Schweiz) eingebaut.

Der Systemdruck wird sowohl von den oben genannten Pumpen als auch von einem E&H Ceraphant PTP31B-Druckschalter (Endress+Hauser AG, Schweiz) in jedem Kreislauf überwacht. Zusätzlich verfügen alle Pumpen über eine Anzeige des erzeugten Drucks. Der pH-Wert wird mit einem E&H Memosens-Sensor (Endress+Hauser AG, Schweiz) pro Schleife überwacht, der in einem E&H Flowfit CPA250 (Endress+Hauser AG, Schweiz) untergebracht ist (ergänzende Abbildung 7).

Am Anfang jeder Schleife besteht die Möglichkeit, eine Verbindung zu einem OnCyt-00 Duo-Gerät (Oncyt, Schweiz) herzustellen, das automatisch eine Wasserprobe entnimmt, sie färbt und an ein Durchflusszytometer (Accuri C6+, BD Biosciences, Belgien) sendet ), der die Probe misst.

Das aktive Pumpen von Wasser in einem geschlossenen Kreislauf birgt die Gefahr einer Erwärmung des Wassers. Da die (mikro)biologische Aktivität und andere (bio)chemische Transformationsprozesse durch wechselnde Temperaturen beeinflusst werden, ist es wichtig, eine stabile Temperatur aufrechtzuerhalten, um diese Transformationen vollständig zu verstehen. Darüber hinaus ermöglicht die Temperaturregelung, die Auswirkungen höherer Rohwassertemperaturen oder eines Anstiegs der Bodentemperaturen (und damit der Rohrtemperaturen) aufgrund des Klimawandels zu testen.

In jedem Kreislauf befinden sich drei E&H TMR31-Temperaturtransmitter (Endress+Hauser AG, Schweiz): Einer misst das Rücklaufwasser direkt vor der Pumpe, während der zweite und dritte vor und nach den Wärmetauschern montiert sind. Bei den maßgefertigten Wärmetauschern handelt es sich um Rohr-in-Rohr-Systeme (IEC, Belgien).

Jeder Kreislauf ist mit sechs Probenahmeventilen ausgestattet; zwei Arten von Ventilen an drei Probenahmestellen innerhalb des Kreislaufs, um das Wasser am Anfang, in der Mitte und am Ende des Kreislaufs zu beproben/zu messen (Ergänzende Abbildungen 1 und 8). Kugelhähne aus Edelstahl (SS) (DN15) ermöglichen eine Hitzesterilisation (Flamme) des Ventils vor der Probenahme. Als zweites Probenahmeventil werden SS-Kugelhähne mit extra Ablasshahn für Schlauchanschlüsse zum Anschluss von Schläuchen für die Online-Durchflusszytometrie verwendet. Darüber hinaus verfügen sowohl die 1-m3-Pufferspeicher als auch die Saugleitungen der Pumpen über eigene Probenahmeanschlüsse zur Probenahme des einströmenden Wassers.

Zur Steuerung des Systems und zur Visualisierung der verschiedenen gemessenen Signale wird ein 12-Zoll-HMI (KTP1200) von Siemens PLC (Siemens, Niederlande) verwendet, um die drei Zirkulationskreisläufe sowie die Kühlkreisläufe zu betreiben. Das HMI dient zur Visualisierung des Prozesses, der Werte der (Online-)Instrumentierung sowie zur Interaktion (Start/Stopp/Frequenzeinstellungen) mit den Umwälzpumpen und Regelventilen. Die SPS ermöglicht auch die Speicherung der Daten über eine Ethernet-Verbindung zu den zentralen Servern. Mögliche Alarme oder Warnungen werden sowohl auf dem Bildschirm als auch im Feld mithilfe einer Signalsäule, einschließlich Licht- und akustischer Signalisierung (Siemens, Niederlande), visualisiert.

Die drei Kreisläufe des DWDS im Pilotmaßstab wurden gleichzeitig parallel betrieben, indem das gleiche Wasser mit einer Durchflussrate von 23,5 ± 0,5 l/m (1,4 m3/h) und einer Durchschnittstemperatur von 16,3 ± 0,44 °C zirkulierte Leitfähigkeit von 431 ± 1,5 µS/cm während 7 Tagen (Abb. 2). Um die Reproduzierbarkeit zwischen den drei Kreisläufen zu untersuchen, wurde die physikalisch-chemische Zusammensetzung des Wassers analysiert. Temperatur, Leitfähigkeit, Druck, pH-Wert und Durchfluss des Wassers wurden kontinuierlich mit den Online-Sensoren des Piloten gemessen.

eine Temperatur; b Leitfähigkeit und c pH. Die Messungen wurden kontinuierlich durchgeführt. Tag 0 entspricht den Messungen nach der Reinigung des Piloten, nach Einleitung des Wassers in die Schleifen. Schleife 1 = rot; Schleife 2 = grün; Schleife 3 = blau.

Die Konzentrationen der chemischen Zusammensetzung lagen zwischen: Gesamt-N, 2,7 und 3 mg/L; NPOC, 2 und 2,8 mg/L; Cl-, 30,2 und 30,6 mg/L; NO3-, 11,8 und 12,4 mg/L; SO42-, 25,6 und 36 mg/L; Na+, 23 und 23,9 mg/L; K+, 3,5 und 23,1 mg/L; Mg2+, 5,6 und 5,8 mg/L; Ca2+, 54 und 60,7 mg/L (Abb. 3).

Ergebnisse für (a), nicht ausspülbarer organischer Kohlenstoff (NPOC) (b), Cl- (c), NO3- (d), SO42- (e), Na+ (f), K+ (g), Mg2+ (h) , und Ca2+ (i). Jeden Tag wurde 7 Tage lang eine Probe aus jeder Schleife gemessen. Für die NPOC-Messungen wurden technische Triplikate gemessen und gemittelt. Tag 0 entspricht den Messungen nach der Reinigung des Piloten, bevor das Wasser in die Kreisläufe eingeleitet wird. Schleife 1 = rot; Schleife 2 = grün; Schleife 3 = blau.

Diese Parameter folgten ähnlichen Trends in den drei Schleifen (p > 0,05). Wir können Spitzen von SO42- am Tag 5 (25,64 mg/L), einen Spitzenwert von K+ in Schleife 1 am Tag 2 (23,14 mg/L), einen ähnlichen Spitzenwert in Schleife 2 am Tag 3 (23,12 mg/L) und beobachten eine Änderung der Ca2+-Konzentration in Schleife 2 am Tag 4 (53,95 mg/L) (Abb. 3).

Das Vorkommen von Geschmacks- und Geruchskomponenten wurde in den drei Kreisläufen gemessen, um deren Verhalten im umgewälzten Abwasser zu untersuchen und die Reproduzierbarkeit zwischen den Kreisläufen zu untersuchen. Proben wurden am Tag 0, Tag 3 und Tag 7 in der Mitte jeder Schleife entnommen.

Sechs der zweiunddreißig Zielverbindungen wurden quantifiziert (Ergänzungstabelle 3). Die anderen 27 Verbindungen wurden nicht nachgewiesen (dh Signal-Rausch-Verhältnis unter 3 für 23 Verbindungen) oder waren nicht quantifizierbar (dh Signal-Rausch-Verhältnis unter 10 für 4 Verbindungen). Für alle Verbindungen betrugen die relativen Standardabweichungen (RSDs) innerhalb und zwischen den Schleifen am Tag 0 4–25 % bzw. 10–19 %. Die Konzentration dieser Verbindungen im Zeitverlauf war in den drei Kreisläufen für 3-Methylbutanal, 2,6-Nonadienal, β-Cyclocitral, Chloroform und BHT signifikant ähnlich (Kruskal–Wallis, p > 0,05), unterschied sich jedoch für MTBE (Kruskal– Wallis, p > 0,05). Im Laufe der Zeit kommt es zu einem Anstieg des Auftretens von 2,6-Nonadienal, MTBE und BHT (Kruskal-Wallis, p < 0,05) und es gibt keinen signifikanten Anstieg von 3-Methylbutanal, β-Cyclocitral und Chloroform (ANOVA oder Kruskal-Wallis, p > 0,05).

Da DW vom Beginn des Experiments bis zum 7. Tag zirkuliert, ist mit einem Anstieg der Bakterienzellkonzentration zu rechnen. Die Frage ist jedoch, ob sich die drei Schleifen ähnlich verhalten und ob die Ergebnisse im Verlauf des Experiments über die drei Schleifen hinweg reproduzierbar sind. Daher wurden das bakterielle (Wieder-)Wachstum und der Fingerabdruck gleichzeitig in den drei Schleifen an den Probenahmeventilen am Anfang, in der Mitte und am Ende der Rohrleitung mittels Durchflusszytometrie untersucht.

Es wurden keine signifikanten Unterschiede in den Mikrobenzahlen in den drei Schleifen (Abb. 5d) (Kruskal-Wallis, p > 0,05) oder den Probenahmepunkten einer der Schleifen (Abb. 5a – c) (Kruskal-Wallis, p >) festgestellt 0,05), was darauf hindeutet, dass auch die Probenahmeventile keinen Einfluss haben. Der zytometrische Fingerabdruck ändert sich über die Schleifen oder die Tage hinweg nicht signifikant (PERMANOVA, p > 0,05). Allerdings ist ein nicht signifikanter Trend in Abhängigkeit von der Zeit zu beobachten (Abb. 6) und beim Vergleich von Tag 0 und Tag 7 ist ein signifikanter Unterschied zu beobachten (PERMANOVA, p < 0,001). Diese Fingerabdruckverschiebungen könnten auf die Veränderung der Umgebung nach der Rezirkulation zurückzuführen sein, beispielsweise auf Nährstoffmangel oder Auswaschung aus den Rohren. Um die täglichen Fingerabdrücke für jede Schleife zu berechnen, haben wir die zu Beginn, in der Mitte und am Ende jedes Tages gesammelten Proben zusammengefasst.

Unsere Ergebnisse zeigen, dass die drei identischen Schleifen (100 m) des Pilotprojekts über einen siebentägigen Betriebszeitraum hinweg ein konsistentes Verhalten zeigen. Das Ionenprofil, die Bakterienlast, das VOC-Profil und die Gesamttrends in jedem Kreislauf waren ähnlich (Abb. 2–6). Wir haben einen Zeitraum von 7 Tagen als repräsentative hydraulische Retentionszeit (HRT) für DWDS ausgewählt, da die Mehrheit der Kunden in Flandern ihre DW mit einer HRT von weniger als 5 Tagen erhalten (ergänzende Abbildung 3). Darüber hinaus hatten die Abtastpunkte innerhalb jeder Schleife (Anfang, Mitte und Ende) keinen merklichen Einfluss auf diese Parameter (Abb. 2–6), was darauf hindeutet, dass die Überwachung der DW-Qualität an einem einzelnen Abtastpunkt pro Schleife ausreichend ist.

Ergebnisse für (a), 2,6-Nonadienal (b), β-Cyclocitral (c), Methyl-tert-butylether (MTBE) (d), Chloroform (e) und butyliertes Hydroxytoluol (BHT) (f). Immer wenn der Messwert unter dem Nachweiswert lag, wurde er als Null aufgezeichnet. Tag 0 entspricht den Messungen nach der Reinigung des Piloten, nach Einleitung des Wassers in die Schleifen. Schleife 1 = rot; Schleife 2 = grün; Schleife 3 = blau.

Ergebnisse für (a) Schleife 1, (b) Schleife 2, (c) Schleife 3, (d) und die durchschnittliche Dichte des Anfangs-, Mittel- und Endpunkts jeder Schleife. Die Proben wurden 7 Tage lang zweimal täglich (vormittags und nachmittags) online gemessen. Tag 0 entspricht den Messungen nach der Reinigung des Piloten, nach Einleitung des Wassers in die Schleifen. Schleife 1 = rot; Schleife 2 = grün; Schleife 3 = blau.

Die Proben wurden innerhalb von 7 Tagen zweimal gemessen (morgens und abends). Um den zytometrischen Fingerabdruck zu berechnen, wurden für jede Schleife die am Anfang, in der Mitte und am Ende der Schleife entnommenen Proben gepoolt. Tag 0 entspricht den Messungen nach der Reinigung des Piloten, nach Einleitung des Wassers in die Schleifen.

Während des gesamten 7-Tage-Zeitraums wies das VOC-Profil in den drei Schleifen Ähnlichkeiten auf (Abb. 4). Die BHT-Werte im Wasser stiegen im Verlauf des Experiments an und übertrafen die Anfangswerte am Ende des siebten Tages deutlich (p < 0,001, Anova-Tukey) (Ergänzungstabelle 4). Frühere Studien haben über die Auswaschung von PE in das System berichtet4,5, und wir spekulieren, dass die Auswaschung aus den HDPE-Puffertanks zu diesem Anstieg beitragen könnte. Der beobachtete Anstieg war jedoch in allen drei Kreisläufen konsistent (ein durchschnittlicher Faktor von 7), was es zu einer vielversprechenden Modellverbindung für die Untersuchung der VOC-Auswaschung aus neuen Kunststoffrohren in zukünftigen Experimenten macht.

Das in diesem Experiment verwendete DW wurde vom örtlichen Wasserversorger (FARYS) aus Oberflächenwasser hergestellt. Oberflächenwasser weist im Vergleich zum Grundwasser einen niedrigeren Kalziumgehalt, einen höheren NPOC und erhöhte Temperaturen auf (Ergänzungstabelle 2), wodurch es sich für die Untersuchung der möglichen Auswirkungen steigender Temperaturen aufgrund des Klimawandels auf die DW-Qualität eignet. Das örtliche DW-Versorgungsunternehmen fügt freies Chlor als Restdesinfektionsmittel in den Wasserproduktionsanlagen hinzu, mit einer maximalen Konzentration von 0,250 mg/l freiem Chlor gemäß den flämischen DW-Grenzwerten. Aufgrund der langen hydraulischen Verweilzeit im DWDS wird jedoch das gesamte freie Chlor verbraucht, bevor es in die Pilotinfrastruktur gelangt. Messungen des einströmenden Trinkwassers, die im Pilotprojekt verwendet wurden, ergaben keine nachweisbaren Konzentrationen an freiem Chlor über dem Grenzwert von 0,02 mg/L.

Es gibt bestimmte Einschränkungen dieser Pilotanlage, wie zum Beispiel die relativ kurze Länge der Schleifen (100 m) im Vergleich zu den Rohrlängen, die typischerweise im Feld anzutreffen sind. Dies wirkt sich auch auf die Genauigkeit der Untersuchung hydraulischer Verweilzeiten aus. Darüber hinaus kann diese Pilotanlage die DW-Qualitätsprobleme wie Wasserlecks und Infiltrationen nicht nachbilden. Darüber hinaus wurde die Durchflussrate bei (21,5 ± 9,5) m3/h gehalten, was einem Druck von etwa 2 bar entspricht. Im DWDS beträgt der typische Druck 2,5 bar, kann jedoch je nach Nutzung im Laufe des Tages variieren6. Ein anderes lokales Unternehmen berichtet von großen Druckschwankungen (1,5–8 bar) (Waterdruk En Debiet | Farys, nd). Diese Druckunterschiede könnten einen gewissen Einfluss auf das Wachstum der mikrobiellen Gemeinschaft haben.

DWDS-Pilotprojekte bieten die Möglichkeit, Qualitätsänderungen in einer kontrollierten und realistischen Umgebung zu untersuchen. Im Folgenden erwähnen wir einige ihrer möglichen Verwendungszwecke.

Während Desinfektionsprodukte eine sehr wichtige Rolle bei der Wasserhygiene spielen, erzeugen sie Desinfektionsnebenprodukte (DBPs), die möglicherweise die menschliche Gesundheit schädigen könnten, obwohl die Beweise dafür nicht schlüssig sind7. Dies hat zu einer Optimierung des Einsatzes von Desinfektionsmitteln und sogar zu einer Änderung der Desinfektionsstrategien einiger Versorgungsunternehmen geführt8. Eine Pilotanlage eines DWDS könnte es ermöglichen, die Bildung von DBPs nach verschiedenen Wasseraufbereitungen weiter zu untersuchen und zu untersuchen, wie sie sich auf die Wassermikroorganismen und die Bildung von VOCs auswirken.

Im Laufe der Zeit entwickeln DWDS lose Ablagerungen, Rohrschuppen und Biofilme. Wenn diese Umgebung gestört wird, kann sich das Material mobilisieren und in die Wassermenge gelangen, wodurch potenziell gefährliche Situationen entstehen [35][36]. Während Umweltstörungen bei DWDS häufig vorkommen (z. B. Änderung der Wasserquelle oder des Mischungsverhältnisses der Quellen, Betriebsänderungen usw.), sind ihre Auswirkungen auf die DW-Qualität nur unzureichend untersucht9,10. Außerdem sind alternde Rohre bekanntermaßen anfälliger für Verunreinigungen und weisen eine erhöhte Biofilmbildung und Korrosion auf11. Das in dieser Studie vorgestellte modulare System der Pilotanlage ermöglicht die Nutzung der aktuellen 4 m-Abschnitte zur Einführung gealterter Rohre aus dem bestehenden DWDS oder aus anderen Materialien (Ergänzende Abbildung 1).

Über 90 % der Bakterien im DWDS liegen als Biofilm vor12. Biofilme können das Auftreten von DBPs induzieren, den Abbau/die Bildung von Geschmack und Geruch (T&O) verursachen und pathogene Mikroorganismen und Wirbellose beherbergen. Um ihre Bildung innerhalb der Rohre zu untersuchen, schlagen wir die Verwendung eines 3D-gedruckten Coupon-Systems vor, wie in der ergänzenden Abbildung 9 beschrieben, um die Biofilmbildung zu beobachten. Diese Coupons ähneln den von Fish et al.13 beschriebenen: Es handelt sich um herausnehmbare Einsätze aus demselben Material wie die Rohre (in unserem Fall PVC-U). Bei dem von uns vorgestellten System kann jedoch statt nur eines kleinen Teils der gesamte Einsatz entnommen und analysiert werden. Um einen stabilen Biofilm zu erreichen, würden wir empfehlen, insgesamt etwa 500 Tage zu warten, wie in Referenz vorgeschlagen. 14.

Geruch und Geschmack in Trinkwasser können die Wahrnehmung der Wassersicherheit durch den Verbraucher beeinträchtigen und vom Konsum von Leitungswasser abhalten. Um das Auftreten und die Entwicklung dieser Ereignisse zu testen, verfügt diese Pilotanlage über die Kapazität, die Sorptionsextraktion mit Rührstab (SBSE) zu verwenden, mit der (Halb-)VOCs passiv beprobt und vorkonzentriert werden können. In der Mitte jeder Schlaufe befindet sich ein Abschnitt mit sechs PVC-Schraubgewindelöchern und entsprechenden verschließbaren Kappen. In diese Löcher wird ein PP-Netzbehälter eingesetzt, der Rührstäbe für SBSE enthalten kann. Der Abschnitt mit den Löchern kann mit Absperrklappen vom Typ DN80 GF LUG (Typ 038) isoliert werden. Um den Wasserfluss während der Handhabung der Rührstäbe aufrechtzuerhalten, ist ein Bypass vorhanden (ergänzende Abbildung 10). Eine weitere wichtige Verwendung von Pilotanlagen besteht darin, sie zur Untersuchung des Auftretens von Schadstoffen wie Arzneimitteln, endokrinen Disruptoren und/oder Pestiziden in DW15,16 zu verwenden.

Schließlich kann die Pilotanlage als Testfall für die Entwicklung, Kalibrierung und Validierung mathematischer Modelle dienen, die zur Echtzeit-Betriebsunterstützung und -Steuerung von DWDS verwendet werden können und derzeit nicht ausreichend genutzt werden.

Um Staub und Schmutz aus dem Inneren der Anlage zu entfernen, wurde die Pilotanlage durch Spülen und Desinfizieren gereinigt. Jeder Puffertank wurde mit Leitungswasser gefüllt und die Zirkulation mit niedriger Durchflussrate gestartet. NaOCl (VWR, Frankreich) wurde bis zu einer Konzentration von 1 mg/L freiem Chlor im System zugegeben, danach wurde das System 1 Stunde lang bei maximaler Kapazität der Pumpen umgewälzt. Nach diesem Reinigungsvorgang wurde das System 1 Stunde lang mit Leitungswasser gespült, um das restliche Chlor zu entfernen.

Anschließend wurden die drei Puffertanks mit lokalem Trinkwasser aus der Leitung gefüllt (siehe Eigenschaften in Tabelle S2) und das Wasser in die Kreisläufe eingeleitet. Das System wurde dann geschlossen und lief sieben Tage lang, wobei Proben morgens (vormittags, 11 Uhr) und nachmittags (nachmittags, 16 Uhr) für jede Schleife am Anfangs-, Mittel- und Endpunkt der Probenahme entnommen wurden. Als repräsentative HRT des DWDS wurde der 7-Tage-Zeitraum gewählt, da in Flandern 95 % der Kunden ihr Trinkwasser mit einer HRT von weniger als 5 Tagen erhalten (Abb. S3). Die Strömungsgeschwindigkeit wurde auf 0,08 m/s (24 m3/h) und die Temperatur auf 15 °C eingestellt. Während des Experiments wurde das Wasser bei Umgebungsdruck durch die Kreisläufe und Puffertanks umgewälzt.

Wasserproben wurden in 40-ml-TOC-freien Fläschchen (Sievers, Deutschland) gesammelt und vor der Analyse in einem Kühlraum bei 6 ° C gelagert. Nicht ausspülbarer organischer Kohlenstoff (NPOC) wurde mit einem Analysegerät für den gesamten organischen Kohlenstoff (TOC V-CPN, Shimadzu, Japan) analysiert.

ICP-OES-Proben wurden in 50-ml-Kunststoff-Falcon-Röhrchen (Greiner, Deutschland) gesammelt und jeder Probe wurde 1 Vol.-% einer konzentrierten 65 %igen HNO3-Lösung (Chem-Lab, Belgien) zugesetzt, um die Konzentrationen der in der Lösung vorhandenen Metalle aufrechtzuerhalten von Fe, Mn und P in den filtrierten (0,45 µm) Proben wurden mithilfe der optischen Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES Thermo Scientific TM iCAPTM 7000, USA) gemessen.

Na+, K+, Mg2+, Ca2+, NH4+, Cl-, NO3- und SO42 wurden mittels IC (Ionenchromatographie) unter Verwendung eines 930 Compact IC Flex gemessen, ausgestattet mit einer Metrosep A Supp 5- 150/4.0-Säule, einer Metrosep A Supp 4/5 Vorsäule/4,0 und ein 850 IC Leitfähigkeitsdetektor (Metrohm, Schweiz). Die Kationen wurden mit einer Flussrate von 0,7 ml/min unter Verwendung von 1,7 mM HNO3 (2 M; ThermoFisher Scientific, USA) und 1,7 mM 2,6-Pyridindicarbonsäure (≥99,5 %; Sigma-Aldrich, USA) eluiert. Die Anionen wurden mit einer Flussrate von 0,7 ml/min unter Verwendung von 1,0 mM NaHCO3 (≥99,5 %; Carl Roth, Deutschland) und 3,2 mM Na2CO3 (≥99,5 %; Carl Roth, Deutschland) eluiert.

Wasserproben wurden in vorgereinigten bernsteinfarbenen 500-ml-Flaschen gesammelt, nachdem der Wasserhahn 10 Sekunden lang laufen gelassen wurde und kein Luftraum in den Flaschen vorhanden war. Anschließend wurden die Proben bei 4 °C im Dunkeln gelagert und innerhalb von 12 Stunden analysiert. Die Vorkonzentration der Analyten erfolgte mittels SBSE mit einer Polydimethylsiloxan (PDMS)-Sorptionsphase. Nach thermischer Desorption bei 280 °C in einem Unity Thermal Desorption System (Markes UNITY Series 2, UK) wurden die Analyten über eine Zwischenkühlfalle zu einem Gaschromatographen (Focus GC, Thermo Scientific; Säule: FactorFour VF1ms (100 % PDMS)) übertragen. ; 30 m × 0,25 mm, 1 µm). Die Trennung wurde unter konstantem Heliumdruck (50 kPa) durchgeführt und die Ofentemperatur begann bei 35 °C und wurde 7 Minuten lang gehalten. Anschließend wurde die Temperatur auf 60 °C (8 °C/Min.), dann auf 170 °C (5 °C/Min.) und schließlich auf 250 °C (10 °C/Min.) erhöht und 10 Minuten lang gehalten Mindest. Die getrennten Verbindungen wurden (Übertragungsleitung bei 240 °C) an ein Massenspektrometer (DSQII, Thermo Scientific) übertragen, das mit Elektronenionisation (70 eV) und im Selected-Ion-Monitoring-Modus (SIM) arbeitete. Chromatogramme wurden mit der Software Thermo Xcalibur 2.2 verarbeitet und auf 32 T&O-Verbindungen untersucht. Als interner Standard wurde Toluol-d8 verwendet.

Die statistischen Tests wurden nach Überprüfung der Stichprobengröße und Normalität mit der Funktion shapiro.test ausgewählt. Dann wurden ANOVA (Funktion aov) oder Kruskal-Wallis (Funktion kruskal.test) verwendet, um die Hypothese zu testen. Um die Unterschiede im phänotypischen Fingerabdruck zu testen, wurde PERMANOVA mit der Funktion adonis2 verwendet.

Es wurde ein Accuri C6 Plus-Durchflusszytometer (BD Biosciences, Belgien) verwendet, das mit vier Fluoreszenzdetektoren (533/30 nm, 585/40 nm, >670 nm und 675/25 nm), zwei Streudetektoren und einem blauen ausgestattet ist 20 mW 488 nm Laser und ein roter 12,5 mW 640 nm Laser. Das Durchflusszytometer wurde mit MilliQ (Merck Millipore, Belgien) als Hüllflüssigkeit betrieben. Die Qualitätskontrolle wurde täglich mit BDTM CS&T RUO-Perlen (BD Biosciences, Belgien) durchgeführt. Die Proben wurden im Festvolumenmodus (25 μl) bei hoher Geschwindigkeit laufen gelassen.

Die generierten Flow Cytometry Standard-Dateien (.fcs) wurden mit dem flowCore-Paket (v.2.8.0) in R (Version 4.1.2) importiert. Die intakten Zellen wurden mithilfe der in Abb. S5 beschriebenen Gating-Strategie bestimmt. Durch Artefakte verursachtes Hintergrundrauschen wurde durch manuelles Zeichnen eines Gates auf den FL1- und FL3-Fluoreszenzdaten entfernt. Die Kombination dieser beiden Parameter führt zu der optimalsten Signal- und Rauschtrennung für Trinkwasserproben. Die Durchflusszytometriedaten jeder Probe wurden transformiert, diskretisiert und zu einem eindimensionalen Vektor verkettet, der als Grundlage für die weitere Analyse der phänotypischen Gemeinschaft dient, wie in Props et al. beschrieben. (2016). Die phänotypische Community-Analyse wurde mit dem Phenoflow-Paket (v.1.1.2) durchgeführt. Mithilfe des flowCore-Pakets wurden die Bakterienzelldichten extrahiert. In der zweiten Phase wurde eine phänotypische Gemeinschaftsanalyse mithilfe von durchflusszytometrischem Fingerabdruck durchgeführt, um die Veränderungen in den mikrobiellen Gemeinschaften im Laufe der Zeit zu bestimmen und die Unterschiede zwischen den einzelnen Schleifen zu bewerten. Aus diesen Fingerabdrücken wurden Beta-Diversitätsanalysen und Hauptkoordinatenanalyse-Berechnungen (PCoA) mit dem Vegan-Paket (v.2.6.2) durchgeführt. Um die Ursache bestimmter Unterschiede in der Zelldichte und im Community-Fingerabdruck zu ermitteln, wurden alle Metadaten wie Temperatur, Druck, Durchflussrate und Leitfähigkeit kontinuierlich überwacht und in R mithilfe des ggplot2-Pakets (v.3.3.6) verarbeitet.

Die Analysepipeline und Rohdaten finden Sie unter https://github.com/CMET-UGent/Garcia-Timermans_et_al_2023/.

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CG, BM, CD, TP, ZM und FW werden von der Forschungsstiftung Flandern (FWO) im Projekt FWO-SBO Biostable [Fördernummer S006221N] gefördert. Die Arbeit ist Teil des Lehrstuhls für nachhaltiges Trinkwasser der Universität Gent-Aquaflanders, der von Aquaflanders unterstützt wird, dem Verband flämischer Unternehmen, die für Trinkwasser- und Abwassermanagement verantwortlich sind (www.aquaflanders.be). Die Autoren möchten Tom Thijsen von IEC (Innovation Engineering & Construction nv, Riemst, Belgien) und Tobias Broekaart von Eurowater Belgien für ihren intellektuellen Beitrag zum Design und zur technischen Unterstützung beim Start des Pilotprojekts danken. Außerdem möchten die Autoren John Buffel und Mike Taghon von CAPTURE, Tom Vandermarliere von FARYS|TMVW für die technische Unterstützung während der Einrichtung des Pilotprojekts und der ersten Analyse sowie Elena Torfs und Emile Cornelissen für ihr Feedback zum Manuskript danken .

Zentrum für mikrobielle Ökologie und Technologie (CMET), Abteilung für Biotechnologie, Universität Gent, Coupure Links 653, B-9000, Gent, Belgien

Cristina García-Timermans, Thomas Pluym, Fien Waegenaar, Nico Boon und Bart De Gusseme

Center for Advanced Process Technology for Urban Resource Recovery (CAPTURE), Frieda Saeysstraat 1, B-9052, Gent, Belgien

Cristina García-Timermans, Bram Malfroot, Cameron Dierendonck, Zoë Mol, Thomas Pluym, Fien Waegenaar, Jan BA Arends, Kristof Demeestere, Christophe Walgraeve, Nico Boon und Bart De Gusseme

BIOMATH, Abteilung für Datenanalyse und mathematische Modellierung, Universität Gent, Coupure Links 653, B-9000, Gent, Belgien

Bram Malfroot

Gruppe „Partikel- und Grenzflächentechnologie“ (PaInT), Abteilung für Grüne Chemie und Technologie, Universität Gent, Frieda Saeysstraat 1, B-9000, Gent, Belgien

Cameron Dierendonck & Kristof Demeestere

Forschungsgruppe Environmental Organic Chemistry and Technology (EnVOC), Abteilung für Grüne Chemie und Technologie, Universität Gent, Coupure Links 653, B-9000, Gent, Belgien

Zoë Mol & Christophe Walgraeve

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BG, BM, CG, ZM, FW, JA, CW und KD trugen zum Entwurf der Installation bei. CG, BM, BG, CD, TP, ZM, FW und NB haben die experimentelle Validierung entworfen. CD, TP, ZM und FW sammelten die Daten. ZM, TP, FW, CD und CG führten die Datenanalyse durch. CG und BG haben das Papier mit Beiträgen von BM, CD, TP, ZM, FW, JA, NBCW und KD verfasst. Alle Autoren stimmten der endgültigen Version des Manuskripts zu.

Korrespondenz mit Cristina García-Timermans oder Bart De Gusseme.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

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Nachdrucke und Genehmigungen

García-Timermans, C., Malfroot, B., Dierendonck, C. et al. Trinkwasserverteilungssystem im Pilotmaßstab zur Untersuchung von Wasserqualitätsänderungen während des Transports. npj Clean Water 6, 52 (2023). https://doi.org/10.1038/s41545-023-00264-8

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Eingegangen: 30. September 2022

Angenommen: 21. Juni 2023

Veröffentlicht: 08. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41545-023-00264-8

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