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Hölting, Lisanne, 2015. Virus removal during artificial groundwater recharge and the effects of organic matter : Tunåsen infiltration basins, Uppsala, Sweden. Second cycle, A2E. Uppsala: SLU, Dept. of Aquatic Sciences and Assessment

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Abstract

Die Verunreinigung von Trinkwasser mit pathogenen Mikroorganismen kann zu epidemischen Krankheitsausbrüchen führen und stellt daher weltweit ein Risiko für die menschliche Gesundheit dar. Oberflächengewässer sind im Gegensatz zu Grundwasser anfälliger für Verunreinigungen. Trotzdem steigt die Nutzung von Oberflächengewässern zur Herstellung von Trinkwasser, aufgrund die wachsende Nachfrage der Bevölkerung. 50% des Trinkwasserkonsums in Schweden wird durch die Nutzung von Oberflächengewässern gedeckt, ein Großteil davon durch die künstliche Anreicherung von Grundwasser. In Uppsala, Schweden, wird Wasser aus dem naheliegenden Fluss Fyrisån, in sandgefüllte Infiltrationsbecken gepumpt, um die natürlichen Grundwasservorkommen anzureichern, die als Trinkwasser genutzt werden.
Diese Studie konzentriert sich auf die Adsorption und Inaktivierung von Viren während des Infiltrationsprozesses. Bodenproben stammen aus den Infiltrationsbecken und Wasserproben aus dem Pumpwerk bei Tunåsen, Uppsala. Eine Laborstudie wurde durchgeführt, in deren Fokus die Auswirkung von organischem Material auf die Adsorption und Inaktivierung der Viren steht. Flusswasser, Sand und Modelviren (MS2 Bakteriophagen) wurden in Bioreaktor-Gefäße gefüllt und ständiges Rühren simulierte den Infiltrationsprozess über 10 Wochen. Über diesen Zeitraum wurde die Konzentration der Viren anhand der „Double Agar Layer“- Methode gemessen. Die Experimente wurden zudem bei 4°C durchgeführt, um Winterbedingungen in Uppsala zu simulieren und ein Worst-Case-Szenario für Vireninaktivierung zu erschaffen.
Zwei verschiedene Böden wurden getestet, von denen einer schon mehrere Jahre als Infiltrationsmaterial genutzt wird und einer, der noch ungenutzt ist. Da die Konzentration von organischem Material in Oberflächengewässern während des letzten Jahrzehnts konstant gestiegen ist, reichert sich immer mehr organisches Material als organische Bodensubstanz (SOM) im Infiltrationsmaterial an. Die zwei Böden unterscheiden sich daher in ihrem Gehalt an organischen Kohlenstoff (TOC). Während im „alten Sand“ 0.034 % TOC gemessen wurde, wurde im „neuen Sand“ nur 0.008 % TOC gemessen.
Weiterhin unterschieden sich die Experimente in der Konzentration gelöster organischer Stoffe (DOM) und Ionenstärke (IS). Für beide Faktoren wurden jeweils eine hohe und eine niedrige Konzentration gewählt, welche die Konzentrationsschwankungen im Fluss Fyrisån wiederspiegeln.
Wie angenommen, ist die Inaktivierung der Viren während der kalten Wintermonate insgesamt sehr gering und Adsorptionsprozesse sind hauptverantwortlich für die Entfernung der Viren. Während SOM große Auswirkungen auf die Adsorption der Viren hatte, zeigten Schwankungen in IS und DOM hauptsächlich Auswirkungen auf die Inaktivierung der Viren. Eine Kombination von hohem DOM und niedriger IS führte zu den geringsten Inaktivierungsraten. Die Anreicherung von SOM in den Infiltrationsbecken führte dazu, dass Virusbindungsstellen geblockt wurden und die Adsorptionskapazität des „alten Sandes“ gleich Null war. Der „neue Sand“ hingegen, adsorbierte die Viren schnell.
Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass die Effizienz der Adsorptions- und Inaktivierungsprozesse von Viren in Infiltrationsbecken künstlicher Grundwasseranreicherungsanlagen mit der Akkumulation von organischem Material über die Zeit abnimmt.

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The contamination of drinking water with pathogenic microorganisms can lead to outbreaks of waterborne diseases, which are a major risk to human health worldwide. Even though surface waters are more vulnerable to contamination with pathogenic microorganisms than groundwater, the use of surface waters in artificial recharge systems has become an important method for the production of drinking water. This study focuses on the artificial recharge scheme Tunåsen in Uppsala, Sweden, where water from the Fyris River is infiltrated through sand in order to recharge the groundwater body and later to be used for drinking water production. The effects of organic matter on the removal of viruses during the infiltration process have been analyzed, as the levels of organic matter in the Fyris River.
Batch reactors were filled with water and sand from the Tunåsen infiltration scheme, as well as with a model virus, and were then attached to an orbital agitator that simulates the infiltration process. The batch reactors were sampled over 69 days in order to assess the decrease in virus concentration over time. Different levels of dissolved organic matter (DOM) and ionic strength (IS) have been used, which represent water chemistry variations of the Fyris River. A literature study was conducted, leading to the hypothesis that the increase in DOM in the river could lead to a lower virus removal, whereas high IS could enhance the virus removal process. Furthermore, two soils of the infiltration scheme that differ in soil organic matter (SOM) were used to test, whether high SOM reduces virus adsorption. The soil with high SOM content has been used for 9 years, whereas the soil with low SOM content has not been used for infiltration, yet.
The experiments were kept at 4°C (winter conditions in Uppsala), which creates a worst case scenario for virus removal, as virus inactivation by temperature is kept at a minimum and the virus removal is mainly dependent on adsorption to the sand. MS2 bacteriophages were used as they represent a worst-case model virus for adsorption and the double agar layer method was used for their detection. The decrease in MS2 concentration over time was modeled and a comparison between the virus removal experiments under dynamic and static conditions was done.
The results have shown that under winter conditions, inactivation is close to zero and adsorption is the main process, responsible for virus removal. The effects of DOM and IS on the virus removal process were rather small, but is has been shown that a combination of high DOM and low IS leads to the lowest inactivation rates. As assumed, a high level of SOM in the infiltration material probably suppresses adsorption almost completely, resulting in an overall low removal of viruses during the winter months. In conclusion, soil that accumulates organic matter over time could result in the increased risk of waterborne disease outbreaks.

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Dricksvattenförorening orsakad av patogena mikroorganismer kan leda till utbrott av vattenburna sjukdomar, vilket utgör en stor risk för människors hälsa i hela världen. Ytvattens betydelse för dricksvattenproduktion växer, trots att de är mer utsatta för kontaminationsrisk. Denna studie fokuserar på det konstgjorda infiltrationssystemet vid Tunåsen i Uppsala, Sverige, där vatten från Fyrisån infiltreras genom sand för att fylla på grundvattenmagasinet. I denna laboratoriestudie har processen för borttagning av virus under infiltrationen undersökts, med fokus på effekterna av organiskt material i vattnet.
Halten organiskt material i ytvatten i Sverige ökar och det är ännu inte helt klarlagt hur det påverkar virusborttagningsprocessen. Genom en litteraturstudie formulerades hypotesen att höga halter löst organiskt material (dissolved organic matter, eller DOM) leder till en minskad borttagning av virus medan en hög jonstyrka kan förbättra virusborttagningsprocessen. Dynamiska ”batch reactor”-experiment med olika förhållanden konstruerades för att undersöka effekterna av DOM och IS på virusborttagningsprocessen.
Två jordar undersöktes, en som använts i infiltrationsbassänger under flera år och en som inte använts tidigare. Jordarna har olika halter organiskt material (SOM) och enligt hypotesen skulle den oanvända jorden med låg halt SOM avlägsna mer virus. Målet med denna studie var att bidra till utformningen av dricksvattenanläggningen på Tunåsen. Jord- och vattenprover togs från detta område. Experimenten utfördes vid en temperatur på 4°C (vinterförhållanden i Uppsala) för att skapa ett worst-case-scenario för borttagning av virus, då inaktivering minskar vid lägre temperaturer. En modell användes för att förutsäga viruskoncentrationens minskning över tid. Resultaten från de olika virusborttagningsexperimenten har sedan jämförts under dynamiska och statiska förhållanden.
Resultaten visar att borttagning av virus i infiltrationsbassänger minskar över tid, samt att effektiviteten minskar då organiskt material ackumuleras i jorden. Resultaten visar även att adsorptionsprocesser avstannar vid höga halter SOM samt att korrelationen mellan virusborttagning och DOM respektive IS är låg. Slutsatsen av denna studie är att ackumulation av organiskt material i marken över tid ökar risken för vattenburna sjukdomsutbrott.

Main title:Virus removal during artificial groundwater recharge and the effects of organic matter
Subtitle:Tunåsen infiltration basins, Uppsala, Sweden
Authors:Hölting, Lisanne
Supervisor:Bishop, Kevin
Examiner:Vinnerås, Björn
Series:UNSPECIFIED
Volume/Sequential designation:UNSPECIFIED
Year of Publication:2015
Level and depth descriptor:Second cycle, A2E
Student's programme affiliation:NM025 EnvEuro - European Master in Environmental Science 120 HEC
Department:(NL, NJ) > Dept. of Aquatic Sciences and Assessment
Keywords:drinking water, artificial groundwater recharge, bacteriophages, organic matter, adsorption
URN:NBN:urn:nbn:se:slu:epsilon-s-5002
Permanent URL:
http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:slu:epsilon-s-5002
Subjects:Water resources and management
Language:English
Deposited On:09 Dec 2015 14:47
Metadata Last Modified:09 Dec 2015 14:47

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