Modelling of trihalomethanes and haloacetic acids during the drinking water treatment and in the distribution system of two towns

Modélisation de trihalomethanes et acids haloacetiques pendant le traitement et la distribution d'eau en deux villes

¹ Departamento de Química Analítica, Nutrición y Bromatología. Facultad de Farmacia, Universidad de Salamanca. Campus “Miguel de Unamuno”, E-37007, Salamanca, Spain
² Departamento de Estadística. Facultad de Ciencias, Universidad de Salamanca

Abstract

New and more stringent standards have been stablished or are under way in many countries for disinfection by-products (DBPs) in drinking water. The effort to comply with these new rules, maintaining microbiological security, may be quite unequal for each country since different water resources (surface or groundwater), water qualities and even climates will implicate different operational changes and, hence, costs. Thus, there is a need to estimate the factors influencing the formation of DBPs in real systems so that optimization of operational conditions can minimize them without a need for a dramatic shift for another treatment procedure.

A study has been carried out on the drinking water treatment plants and distribution systems of two towns (Salamanca and Avila, Spain), from raw to tap water, over a one year period, in order to elaborate mathematical models for the presence of THMs and HAAs. Multivariate analysis has been performed for measurables and operational data from each sampling date: Water temperature, pH, T.O.C., UV-254, A.H.S. (aquatic humic substances), free and total chlorine, and chlorine dosages.

The one year monitoring of both systems show that, on an average basis, the level of THMs and HAAs measured in the distribution system of Avila are nearly double those of Salamanca, so that 45% of cases exceed the E. U. standard of 100 µg/L THMs and 86% exceed the U.S.A. standard of 60 µg/L HAAs. For Salamanca 20% and 50% of cases exceed these standards, respectively. An early hypothesis for this was the higher level and different composition of TOC together with the higher chlorination dosages for Avila. However, regression analysis did not find linear correlation with TOC (or other related parameters, as AHS and UV-254). No linear correlation was found either between chlorination dosages and levels of THMs, but a positive one was obtained with HAAs levels for both systems. In spite of all this, the mathematical model for HAAs in Salamanca selected TOC, AHS and the rechlorination dosages practised at reservoirs.

In line with the findings generally reported, a linear and positive dependence on temperature was observed for THMs and HAAs in Avila and HAAs in Salamanca. However, a non linear dependence was found for THMs in Salamanca, showing a curve with a maximum at 21,2 °C after which a sharp decrease of THMs was observed with increasing temperature.

The possible influence of pH, a factor generally recognised of paramount importance, could not be demonstrated so that this variable is only reflected in one of the models. The homogeneity of the pH values measured along the period of study has hindered the quantitation of its possible influence.

Four mathematical equations have been obtained to predict the levels of THMs and HAAs at any of the points studied for both systems. The variables selected for each model were: Water temperature (in all four models), pH for HHAs in Avila, time of residence for THMs in Salamanca and rechlorination dosages, TOC and AHS for HAAs in Salamanca.

Résumé

Des nouvelles limites pour les sous-produits de chloration on été établies ou sont en cours en beaucoup de pays pour l'eau de boisson. Cela va entraîner un effort d'adaptation différent selon les ressources en eau (soit de surface ou souterraine), sa composition et même le climat de chaque pays ou localité, imposant des changements opérationels et, par conséquence, des coûts. Il se dégage, alors, la nécessité de mettre en évidence les facteurs influants sur la formation et présence des DBPs en systèmes reéls, de façon à optimiser les conditions opérationelles pour les minimiser en évitant la necesité de changements drastiques de procédés de traitement.

On a fait une étude sur les filières de potabilisation et sur les réseaux de distribution d'eau de deux villes (Salamanque et Avila, en Espagne), de l'eau brute à l'eau de robinet pendant un an, pour élaborer des modèles mathématiques qui quantifient la présence de trihalomethanes (THMs) et acides haloacetiques (HAAs). On a appliqué l'analyse de variance aux paramétres et données opérationelles suivants: température, pH, TOC, UV-254, AHS (substances humiques aquatiques), chlore libre et total et taux de chloration.

En moyenne, les niveaux des THMs et HAAs retrouvés dans les réseaux de distribution pendant la période d'étude sont d'un ordre presque double en Avila par rapport à Salamanque, en excédant le 45% des cas la limite de l'U.E. de 100 µg/L en THMs et le 86% des cas la limite des Etats-Unis de 60 µg/L en HAAs. Pour Salamanque, les cas excédants ces limites sont de 20 % et de 50 %, respectivement. Une première hypothèse pour l'expliquer ce sont les plus hauts niveaux et la différente composition du TOC et d'autre part les plus forts taux de chloration pour Avila. Cependant, l'analyse de régression n'a pas trouvé de correlation linéaire avec le TOC (ou d'autres parameters en relation avec lui, comme les AHS et l'UV-254). De même, aucune corrélation linéaire n'a été trouvée entre les taux de chloration et les niveaux de THMs ; par contre on a trouvée pour les niveaux d'HAAs dans les deux systèmes. Malgré tout, le modèle mathématique pour les HAAs à Salamanque a sélectionné comme variables dépendantes le TOC, les AHS et les taux de rechloration appliqués dans les trois réservoirs.

Comme il est généralement reconnu, on a aussi observé une dépendance linéaire et positive de la température pour les THMs et les HAAs en Avila et pour les HAAs à Salamanque. Pourtant, on a retrouvée une dépendance non-linéaire pour les THMs à Salamanque, en montrant une courbe portant un maximum à 21,2 °C après lequel on remarque une brusque diminution des THMs avec températures supérieures.

La possible influence du pH, un facteur reconnu comme très important, n'a pas pû être prouvé dû à l'homogénéité des valeurs mesurées pendant la période d'étude. Cela a empêché la quantification de sa possible influence et il se trouve comme variable seulement à un des modèles.