Monitoring of the formation of disinfection by-products (DBPs) in a large drinking water distribution system

Abstract

Disinfection By-Products (DBPs) are ubiquitous in chlorinated drinking water. US Environmental Protection Agency (EPA) has stated that DBPs formed in chlorinated drinking water is a potential health risk to the general public. Numerous studies have shown association with long-term DBP exposure and bladder, rectal and colon cancer, as well as reproductive and developmental health effects. This is a major public health issue and a cost to society due to required health treatment, loss of mobility and sickness days.

DBP levels vary as a function of water residence time, temperature, seasonal variations of the concentration and reactivity of Natural Organic Matter (NOM) and treatment methods at the Drinking Water Treatment Plant (DWTP). Due to climate change, more intense precipitation and higher average temperature, the surface waters' NOM content is expected to increase and thus, cause more frequent DBP spikes.

While periodic sampling and analysis of a limited number of drinking water samples are expensive, there is a need to develop online methods and predictive models to quantify DBP concentrations in real time in distribution systems. With a rapid development in the quality of online monitoring sensors, decrease in their costs, expansion of the set of water quality parameters that can be quantified, now it is time to pursue a consistent implementation of proactive monitoring of DBPs in drinking water systems.

This study examined DBP data of discrete sampling and online monitoring that have been generated over 10 years in the Seattle water distribution system. The main objectives with the data processing were to identify potential factors influencing high DBP concentration and map "hot spots" of the DBP formation in the Seattle Water Supply System. The results obtained were used to select optimal locations for implementation of online monitoring sensors in the distribution system. A Cost Benefit Analysis (CBA) was conducted to estimate the net benefits for the Seattle city to deploy a system of online monitoring sensors.

Desinfeksjonsbiprodukter (DBPs) er en uønsket konsekvens ved desinfesering av drikkevann. US Environmental Protection Agency (EPA) har uttalt at klorert drikkevann er en potensiell helserisiko for allmennheten. Flere studier har påvist en sammenheng mellom langsiktig eksponering av DBP og blære-, tykktarms- og endetarmskreft, så vel som reproduktive og utviklingsmessige helseeffekter. Dette er en trussel for folkehelsen samt en stor samfunnskostnad på grunn av nødvendig helsebehandling, tap av mobilitet og sykefravær.

DBP varierer som en funksjon av oppholdstid, temperatur, behandlingsmetoder ved drikkevannsrenseanlegget og sesongvariasjoner av konsentrasjonen og reaktiviteten til Naturlig Organisk Materiale (NOM). Som en følge av klimaendringer vil det i fremtiden bli mer intens nedbør og høyere gjennomsnittstemperaturer, og overvannkilders NOM innhold forventes øke og dermed føre til hyppigere DBP episoder.

Det er i dag et behov for å utvikle online metoder og prediktive modeller for å kvantifisere DBP-konsentrasjoner i sanntid i distribusjonssystemer, da periodisk prøvetaking og analyse av et begrenset antall drikkevannsprøver er kostbart og ineffektivt. Per dags dato, pågår det en rask utvikling i kvaliteten på online overvåkningssensorer. Samtidig som online overvåkningssensorer blir rimeligere og mer robuste, utvides også av settet med vannkvalitetsparametere som kan kvantifiseres. Det er derfor påtide å implementere en proaktiv overvåking av DBP i drikkevannssystemer.

I denne studien ble DBP-data, som har blitt generert over en tiårsperiode basert på drikkevannsprøver og online overvåking fra Seattles drikkevannssystem, analysert. Hovedmålet med analysen var å identifisere potensielle faktorer som påvirker høy DBP-konsentrasjon og kartlegge "hot spots" av DBP-formasjonen i Seattles drikkevannssystem. Resultatene som ble oppnådd ble brukt til å velge optimale lokasjoner for implementering av online overvåkningssensorer i distribusjonssystemet. En kostnadsnytteanalyse (CBA) ble utført for å estimere nettofordelene for byen Seattle ved å implementere overvåkningssensorene i nettet.