Fremtidig vandforsyning kræver nytænkning

Som samfund står vi med et enormt problem: Forurening fra kemikalier truer vores grundvandskvalitet.

Statsministeren sagde ved Folketingets åbning 2022: ”Vi skal beskytte det danske guld: vores rene drikkevand.”

Fremtiden i klimaforandringernes tegn vil helt givet bringe yderligere påvirkninger af vores grundvand med ændringer i fx nedbørsmønstre, tørkeperioder og saltvandsindtrængning.

Der er derfor brug for at bringe alle teknologier i spil for at fjerne forureninger og forbedre den samlede grundvandskvalitet.

Alene forurening fra pesticider – både forbudte og tilladte stoffer – detekteres i halvdelen af vores drikkevandsboringer (figur 1). Pesticider eller nedbrydningsprodukter af pesticider findes i 70 pct. af boringerne i det øvre grundvand (1).

For drikkevandsforsyningen får det særlig betydning, hvis vandet indeholder pesticidrester i koncentrationer over 0,1 µg/l, idet vandet så ikke må ledes til forbrugerne. I de tilfælde er der tre muligheder:

• Fortyndelse af forureningen med renere vand, så koncentrationen kommer under grænseværdien
• Opgive den forurenede lokalitet og etablere en ny pumpning et andet sted, eller
• Avanceret rensning af vandet, før det ledes ud til forbrugerne

Vandværker har simpel vandbehandling

I Danmark stammer alt vores drikkevand fra grundvand, som sammenlignet med overfladevand er af bedre kvalitet (fx mindre organisk stof og færre mikroorganismer).

De fleste vandværker er derfor designet til simpel vandbehandling, der består af et iltningstrin og typisk to sandfiltre til fjernelse af hovedsageligt jern, mangan og kulstof samt omdannelse af ammonium til nitrat (figur 2).

Avanceret rensning såsom membran- og aktiveret kulfiltrering er teknologier, der kan anvendes til at fjerne pesticidrester fra drikkevand, men herved dannes rest/spildevand (membranfiltrering) samt et betydeligt CO2-aftryk. Fx kræver aktivt kul regenerering ved temperaturer på mange hundrede grader, og filtre med aktivt kul er derfor ikke klimamæssigt gunstige.

Denne type avanceret rensning anvendes i lande, der benytter overfladevand til drikkevandsproduktion, og benyttes kun i helt ekstraordinære tilfælde her til lands.

Biologiske sandfiltre indeholder vigtige bakterier

Men kan denne simple vandbehandling mere, end vi tror? I sandfiltrene foregår der både biotiske og abiotiske processer.

For at disse processer skal fungere, skal filtrene indeholde bakterier, og det gør de. Vi har ved brug af DNA-sekventering vist, at velfungerende sandfiltre indeholder både bakterier og små dyr (eukaryoter) (2, 3).

Bakterierne udfører vigtige funktioner, og der er derfor en sammenhæng mellem vandets geokemi og de bakteriearter, der lever i sandfiltrene (2). Fx så vi, at Gallionella sp., som er en jernoxiderende bakterie, dominerede i sandfiltre, der behandlede råvand med højt jernindhold.

Det skal altså være den rigtige type bakterier, der renser vandet – eller den rette sammensætning af bakterier.

Sandfiltre kan i visse tilfælde nedbryde pesticider

Ud over at bidrage til den simple vandbehandling kan de naturlige bakterier i sandfiltre også i nogle tilfælde nedbryde pesticidrester og på den måde rense vandet for disse. Et eksempel er de naturligt forekommende bakteriers nedbrydning af phenoxysyre-herbicider i sandfiltre (4).

De særlige gener, som bakterierne bruger for at nedbryde disse stoffer, blev påvist og kvantificeret i sandfiltrene med PCR – den molekylærbiologiske metode, som er almindelig kendt fra bl.a. COVID-test.

Andre stoffer er dog svært nedbrydelige. Enten lever de bakterier, som nedbryder dem, normalvis ikke i sandfiltrene, eller også kender vi ikke til bakterier, som kan nedbryde stofferne.

Hvis det første er tilfældet, kan specifikke nedbryderbakterier tilsættes sandfiltrene for at opnå nedbrydning af det pågældende stof.

Tilførsel af gavnlige bakterier til sandfiltre

Som miljømikrobiolog har jeg fokus på, hvordan mikroorganismer kan være til gavn for miljøet. I den henseende er det utroligt smart, at visse bakterier er udstyret med gener, som gør, at bakterierne under de rigtige forhold kan nedbryde bestemte kemikalier – ofte til enten let nedbrydelige produkter eller ved fuldstændig nedbrydning.

At tilføre ønskede bakterier til sandfiltre er som sådan ikke nyt, og det er gennem tiden gjort på forskellige måder. Sandfiltre på vandværker har groft sagt fungeret lidt som en black box. Vandet kommer efter iltningstrinnet ind i filteret fuldt af jern, mangan, ammonium mv., og efter sandfiltrene kan det nu drikkeklare vand ledes ud til forbrugerne.

Men startes et nyt filter op, går der typisk en længere periode, hvor vand ledes gennem filteret, før filterets processer er klar til at rense vandet – en periode, hvor mikroorganismerne koloniserer filteret og opbygger biomasse.

Derfor har man i nogle tilfælde overført sand fra et velfungerende filter til nye filtre eller filtre, der på anden måde ikke fungerer optimalt. Sådan en transplantation af filtermateriale overfører naturligvis også de mikroorganismer, som lever i materialet, og på den måde inokuleres eller podes disse i det nye filter.

Kan også tilsætte specifik bakterie

En mere kontrolleret tilgang er at tilsætte renkulturer af en specifik bakterie. Et eksempel på dette er bakterien Aminobacter niigataensis MSH1, der udfører fuldstændig nedbrydning af pesticid-metabolitten 2,6-dichlorobenzamide (BAM). BAM er et nedbrydningsprodukt, som i Danmark hovedsageligt stammer fra herbicidet dichlobenil.

Brugen af dichlobenil blev i Danmark forbudt i 1997, men BAM er fortsat blandt toptre på listen over pesticidrester hyppigst fundet i de danske vandforsyningsindtag (1). Bakteriestammen MSH1 blev isoleret fra jord (5), og siden er både dens gener (6, 7) og anvendelse blevet studeret og beskrevet i en række videnskabelige publikationer (8).

Kort fortalt, så viste flere studier, at MSH1 kunne inokuleres i sandfiltre og fjerne BAM fra vandet, men at en population af MSH1-bakterier ikke kunne opretholdes i sandfiltrene over længere tid (maks. omkring en måned) (9, 10). Der må derfor tænkes i nye baner – dengang som nu.

Biologiske sandfiltre 2.0

Når bakterierne, der tilsættes, mistes, er det, fordi forholdene i systemet ikke er gunstige for dem. Sandfiltre, der behandler koldt og næringsfattigt grundvand, har ikke nødvendigvis de rette betingelser til at opretholde en population af bakterier, som er isoleret fra jord, hvor betingelserne er helt anderledes.

I sandfiltrene er der et hurtigt flow af vand, som kan udvaske bakterierne. Der er næringsfattigt, og bakterierne må derfor konkurrere med de naturligt eksisterende sandfilterbakterier om den sparsomme næring.

Derudover er der små dyr (protozoer), der lever af at græsse på bakterier – for ikke at tale om de operationelle procedurer, der udføres på vandværkerne for med mellemrum at rense filtrene.

Det er ikke gunstige betingelser for bakterier, der ikke er tilpasset miljøet. I et samarbejde med forskere fra GEUS, Københavns og Aalborg Universitet samt aktører fra vandsektoren satte vi os for trinvis at tilpasse og teste nye tilgange for at forbedre forholdene for MSH1-bakterien.

Vi tilsatte MSH1 i et pilotsystem, hvor membraner fjernede BAM fra forurenet grundvand. 90 pct. af vandstrømmen blev filtreret gennem membranen, som producerede ultrarent vand (uden forurening og mineraler).

De resterende 10 pct. af vandstrømmen – restvandet, som indeholdt forureningen – blev ledt videre til et sandfilter tilsat MSH1-bakterier.

Restvandet kan betragtes som et koncentrat, der indeholdt mere BAM i et mindre volumen af vand, og som derfor kunne ledes til filteret i et langsommere flow. Det var smart af to grunde:

For det første kan MSH1-bakterien leve af BAM, og derfor giver en højere koncentration mere 'mad' til MSH1-bakterierne. For det andet udvasker langsommere vandgennemstrømning færre bakterier, så flere forbliver i sandfilteret.

Forsøget viste, at vi kan opnå mere end 97 pct.s fjernelse af BAM i mindst 65 dage (11). Herefter observerede vi et mindre fald i effektiviteten til omkring 75 pct.s BAM-fjernelse.

I disse forsøg anvendte vi molekylære mikrobiologiske metoder (figur 3) som DNA-sekventering og PCR til at monitorere bakteriernes gener og dermed deres overlevelse. Metoder, som vi i det akademiske miljø er specialiseret i, og som samfundet drog stor nytte af under COVID-19-pandemien.

Fremtiden peger i mange retninger

Tilbage til spørgsmålet: Hvad bør der ske med de mange grundvandsboringer, der er forurenet? For ikke at tale om de lokaliteter, hvor grundvandet er så forurenet af punktkilder, at der ikke er drikkevandsboringer?

Jeg mener, at det må være en case by case-vurdering. For grundvand forurenet med mange svært nedbrydelige stoffer samtidigt kan et aktivt kulfilter være en god løsning, hvis filteret kan tilbageholde alle stofferne. Aktiv kulfiltrering er dog mindre effektivt til at fjerne polære stoffer.

I andre tilfælde kan forholdene for naturlige bakterier i almindelige sandfiltre forbedres, så de kan nedbryde forureningen. Et karakteristikum ved den sidstnævnte tilgang er, at nedbrydning typisk er specifik for et enkelt stof eller en stofgruppe.

Det er paradoksalt nok dette element, at naturlig nedbrydning ikke kan bruges til alt, der også gør tilgangen attraktiv: nemlig at vi ikke kommer ud på den glidebane, hvor vi kunne tænke ”vi renser alligevel vores drikkevand for alt, så hvorfor skal vi beskytte det?”.

De naturlige grønne løsninger er et vigtigt redskab til at rense forurenet grundvand, men disse kræver fortsat forskning og videreudvikling.

Der bliver i disse år prioriteret betydelige midler til forskning i grøn omstilling – og med rette! Men dette bør efter min mening gå hånd i hånd med en blå omstilling, specielt inden for rensning af forurenet grundvand til sikring af rent drikkevand, så vi ikke efterlader dette problem til vores børn og børnebørn.