Natuurlijke virussen voor bewaking van de integriteit van membraaninstallaties

Technologie

Steeds vaker en grootschaliger wordt membraantechnologie toegepast om uit verschillende bronnen, zoals grond-, oppervlakte-, afvalwater,- en zeewater, een hoge kwaliteit (drink)water te bereiden. Hierbij is het verwijderen van ziekteverwekkers, met name virussen, één van de belangrijke functies. In de waterbronnen zijn van nature veel virussen aanwezig, met concentraties van 1×10⁸ tot 1×10¹⁰ virussen per liter. Dit is 10 tot 100 keer zoveel als bacteriën. Aangezien virussen op basis van hun afmeting door membranen kunnen worden verwijderd, en ze niet door de poriën gaan, is het technisch mogelijk om met membraanprocessen het water volledig virusvrij te maken. Intacte membranen hebben natuurlijke viruslogverwijderingswaarden (LRV) van 8-10. Of deze LRV kan worden gebruikt om met virussen aan te tonen of in membraaninstallaties lekkage optreedt, wordt hier onderzocht.

Uitdaging

De huidige methoden kunnen slechts een LRV van maximaal 3 bepalen, en in full-scale installaties kan een volledige virusverwijderingscapaciteit van membranen niet worden geverifieerd. Momenteel is dan ook onvoldoende bewaking van de membraanintegriteit met de LRV mogelijk. Dit is nodig bij het optreden van beschadigingen aan het membraan of aan de membraanmodule.

Als gevolg van beschadigingen zijn membranen minder efficiënt in het verwijderen van virussen (en andere verontreinigingen in waterbronnen). Defecten kunnen bijvoorbeeld optreden in afdichtingen en o-ringen van membraanmodulen. Vezelbreuk kan zich voordoen bij holle vezels aan het membraanoppervlak of lijmlijnen raken beschadigd. Lekkage zorgt ervoor dat de viruslogverwijderingswaarden van membraanmodules aanzienlijk kunnen verminderen. In principe zou de LRV van virussen dus een potentiële kandidaat zijn om membranen te testen op beschadiging.

Oplossing

Voor het controleren van de membraanintegriteit heeft KWR een nieuwe methode ontwikkeld op basis van natuurlijke virussen (NV). Deze maakt gebruik van virussen die van nature in hoge concentraties in het water aanwezig zijn. Met behulp van lage monstervolumes en zonder vooraf chemische of biologische virussurrogaten te hoeven toevoegen, is het met NV mogelijk om zeer gevoelig (LRV van 7 of meer) de virusverwijdering te controleren, en dus een vinger aan de pols te houden van de membraanintegriteit. Bovendien maakt de hoge virusconcentratie in het bronwater detectie mogelijk zonder omslachtige monsterconcentratieprocedures.

Dankzij de eenvoudige Natural Virus (NV)-methode kan met een veel hogere gevoeligheid dan gebruikelijk de integriteit van full-scale membraaninstallaties routinematig worden gecontroleerd. Dit betekent dat een belangrijk obstakel in de bewaking van hogedrukmembranen is weggenomen.

Verloop onderzoek

Het TKI-onderzoek naar het bewaken van membraanintegriteit met natuurlijke virussen splitst zich op in een vijftal onderwerpen.

1. (Door)ontwikkeling van huidige test – gebaseerd op qPCR – voor NV in oppervlaktewateren die de LRV van membraaninstallaties bewaakt. Op basis van onder andere nieuwe metagenomics benaderingen en innovatieve microscopische analyses worden de natuurlijke virussen voor het eerste gekarakteriseerd. Bijvoorbeeld om te bepalen hoe groot ze zijn, wat de lading is en welke type virussen het zijn.
2. Testen en verder ontwikkelen van de NV-methode onder verschillende omstandigheden. Ontwikkelen van nieuwe NV-methoden met qPCR voor het bepalen van natuurlijke virussen in andere watertypen: grondwater, rioolwater en zeewater.
3. Bepalen van de integriteit van intacte en beschadigde ultrafiltratie-membranen op basis van virusverwijdering op laboratorium-, pilot- en praktijkschaal. Hiervoor zijn testen op laboratorium- en pilotschaal uitgevoerd. De invloed van vezelbreuk op de UF-membraanintegriteit is onderzocht met behulp van de NV-methode. Uit de testen komt naar voren dat bij één vezelbreuk een significante verlaging van de LRV plaatsvindt. Uit metingen op laboratorium-, pilot- en praktijkschaal komt naar voren dat met behulp van de NV-methode een LRV van 5 kan worden aangetoond voor UF membranen.
4. Bepalen van de integriteit van intacte en beschadigde omgekeerde osmose membranen op basis van virusverwijdering op laboratorium-, pilot- en praktijkschaal. Hiervoor zijn testen op laboratorium- en pilotschaal uitgevoerd. De invloed van fysieke (oa. o-ringen) en chemische (oa. chloor) membraanbeschadigingen op de RO-membraanintegriteit zijn onderzocht met behulp van de NV-methode. De aangebrachte beschadigingen resulteerde in een LRV verlaging. De NV-methode lijkt zeer geschikt om de invloed van beschadigingen op de (UF en RO) membraanintegriteit te bepalen. Tevens zijn er, gedurende verschillende perioden, metingen uitgevoerd op praktijkschaal.
5. Onderzoek naar de ontwikkeling van een biosensor voor doelvirussen in watersystemen voor snelle metingen op locatie. Op basis van het onderzoek wordt inzichtelijk of methoden reeds beschikbaar zijn waarmee de NV-methode (op termijn) op locatie kan worden toegepast voor een snelle bewaking van de membraanintegriteit zonder tussenkomst van een gespecialiseerd laboratorium. Ontwikkelingen die hierin nog nodig zijn worden geïdentificeerd en omschreven.