Introduction to AMS and the THM-100
Systems that Enable the Optimisation of THM Control
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Introduction to AMS and the THM-100 Systems that Enable the Optimisation of THM Control Overview AMS History & Creden1als Regulatory Background What causes Disinfec1on By-Product
Systems that Enable the Optimisation of THM Control
¡
Loca1ons ¡
Overview ¡
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History and Background ¡
Aqua ¡Metrology ¡Systems ¡Limited ¡(“AMS”) ¡-‑ ¡incorporated ¡in ¡UK, ¡March ¡2010 ¡
¡
Technology ¡
industry ¡(parts ¡per ¡trillion) ¡
validated ¡in ¡conjunc1on ¡with ¡Severn ¡Trent ¡Services, ¡Analy1cal ¡Laboratories ¡
¡
All ¡IP ¡secured ¡by ¡InternaGonal ¡Patents ¡
¡
Over ¡20 ¡operaGng ¡sites ¡worldwide ¡since ¡2010, ¡at ¡: ¡
¡
Global ¡network ¡of ¡distributors ¡and ¡agents ¡
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Water ¡Supply ¡Regula1on ¡26, ¡DWI, ¡2010 ¡(England ¡& ¡Wales): ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡
The ¡ online ¡ THM-‑100 ¡ monitor ¡ from ¡ AMS ¡ enables ¡ the ¡ achievement ¡of ¡RegulaGon ¡26 ¡with ¡minimum ¡operaGng ¡ and ¡capital ¡costs ¡in ¡the ¡water ¡treatment ¡process. ¡
Regulatory Background
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“Design, ¡operate ¡and ¡maintain ¡the ¡disinfec3on ¡process ¡so ¡ as ¡ to ¡ keep ¡ disinfec3on ¡ by-‑products ¡ as ¡ low ¡ as ¡ possible ¡ without ¡ compromising ¡ the ¡ effec3veness ¡ of ¡ the ¡ disinfec3on” ¡
What Causes Disinfection By-Product Formation?
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Naturally-‑Occurring ¡ ¡ Organic ¡MaTer ¡(NOM) ¡ e.g.: ¡
¡ Chlorine ¡Based ¡Compounds ¡for ¡ ¡ Microbiological ¡DisinfecGon ¡ e.g.: ¡
DisinfecGon ¡By-‑Products* ¡ e.g.: ¡
DisinfecGon ¡By-‑Products* ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Regulated ¡in ¡Drinking ¡Water: ¡Several ¡classes ¡and ¡compounds ¡- ¡Trihalomethanes ¡(Globally) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡- Haloace1c ¡Acids ¡(in ¡US) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡
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Paradigm Today – Grab Samples
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(collec1on, ¡storage, ¡sample ¡prepara1on) ¡
sample ¡ ¡
laboratory ¡equipment ¡(GC-‑MS ¡or ¡GC-‑ECD) ¡
water ¡treatment ¡plant ¡in ¡3-‑10 ¡days ¡(+) ¡
treatment ¡process ¡
Standard Method for DBP Laboratory Analysis
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¡
equipped ¡with ¡telemetry ¡
Requirements for Effective Online THM Monitoring ¡
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– Mi1ga1on ¡chemicals ¡(e.g. ¡coagulants, ¡alterna1ve ¡disinfectants) ¡ – GAC, ¡filters ¡and ¡membranes ¡ – Source ¡Water ¡blending ¡ – Sludge ¡removal ¡ – Energy ¡(e.g. ¡RO, ¡EDR, ¡Aera1on) ¡
Benefits of an Online THM Monitor ¡
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W ¡– ¡2.0’ ¡(610mm) ¡ D ¡– ¡1.3’ ¡(406mm) ¡ H ¡– ¡5.0’ ¡(1524mm) ¡ Weight ¡– ¡100 ¡lbs ¡(45 ¡kg) ¡
Electronics ¡Cabinet ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Process ¡Cabinet ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Chemical ¡Cabinet ¡
Organisation of the THM-100 System ¡
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(Chloroform ¡or ¡Bromoform) ¡
AMS THM-100
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THM-100 Principles of Operation
Analysis ¡Steps ¡ THM-‑100 ¡Process ¡Flow ¡
Draw ¡Finished ¡Water ¡Sample ¡ Fill ¡Reservoir ¡(Purge ¡Vessel) ¡ Extract ¡THMs ¡ Purge ¡Reservoir ¡and ¡Trap ¡THMs ¡ Concentrate ¡THMs ¡ Desorb, ¡Trap ¡and ¡Dissolve ¡THMs ¡into ¡ Reagents ¡ React ¡THMs ¡with ¡Reagents ¡ Ini1ate ¡the ¡Fujiwara ¡Reac1on ¡ Measure ¡change ¡in ¡Absorbance ¡ Spectrophotometric ¡Detec1on ¡at ¡540 ¡nm ¡ Determine ¡Concentra1on ¡of ¡the ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ dominant ¡THM ¡and ¡TTHM ¡ Quan1ta1ve ¡Determina1on ¡of ¡dominant ¡ THM ¡and ¡TTHM ¡Concentra1ons ¡ Report ¡TTHM ¡and ¡CHCl3/CHBr3 ¡ Make ¡Results ¡Available ¡on ¡the ¡System ¡and ¡ via ¡4-‑20 ¡mA ¡Telemetry ¡
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) ¡
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0 ¡ 10 ¡ 20 ¡ 30 ¡
0 ¡ 10 ¡ 20 ¡ 30 ¡ THM-‑100 ¡1 ¡ THM-‑100 ¡2 ¡ THM-‑100 ¡3 ¡
% Error CHCl3 % Error CHBr1-3
0 ¡ 10 ¡ 20 ¡ 30 ¡
0 ¡ 10 ¡ 20 ¡ 30 ¡ Lab ¡1 ¡ Lab ¡2 ¡ Lab ¡3 ¡ Lab ¡4 ¡ Lab ¡5 ¡
% Error CHCl3 % Error CHBr1-3
¡
¡
Data Reliability: Online THM-100 vs. Labs
Data Reliability: Online vs. Grab-Samples (WTW & SR)
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0 ¡ 10 ¡ 20 ¡ 30 ¡ 40 ¡ 50 ¡ 60 ¡ 70 ¡ 80 ¡ 90 ¡
17-‑Apr ¡ 1-‑May ¡ 15-‑May ¡ 29-‑May ¡ 12-‑Jun ¡ 26-‑Jun ¡
TTHM (ug/L)
WTW ¡: ¡THM-‑100 ¡ WTW ¡: ¡Grab-‑Sample ¡ THM ¡Zone ¡ Storage ¡Reservoir ¡1 ¡ Storage ¡Reservoir ¡2 ¡ Storage ¡Reservoir ¡3 ¡
Pre-‑treatment ¡
¡material ¡in ¡raw ¡water ¡
material ¡in ¡raw ¡water ¡ ¡
from ¡raw ¡water ¡
content ¡water ¡ Post-‑treatment ¡
network ¡ THM ¡RemediaGon ¡costs ¡
produc1on ¡
the ¡above ¡
Example ¡Cost/Benefits ¡
¡
$5m ¡year ¡saving ¡in ¡imported ¡ water ¡
€65k/$80k ¡year ¡saving ¡in ¡ chemicals ¡
Avoidance ¡of ¡€70k/$90k ¡ annual ¡non-‑compliance ¡fines ¡
€50k/$60k ¡year ¡saving ¡in ¡ chemicals ¡
Overtreatment ¡-‑ ¡$200m ¡ Filtra1on ¡system ¡produces ¡ 5ppb ¡THM ¡levels ¡
¡
THM Remediation Options – Difficult & Expensive
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Recommended Locations for an Online THM Monitor ¡
Post ¡Chlorina1on ¡& ¡THM ¡Mi1ga1on ¡Strategies ¡: ¡
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THM Mitigation by Aeration, RO, & Monitoring
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¡
¡
0 ¡ 10 ¡ 20 ¡ 30 ¡ 40 ¡ 50 ¡ 60 ¡ 70 ¡ 80 ¡ 90 ¡ 0 ¡ 5 ¡ 10 ¡ 15 ¡ 20 ¡ 25 ¡ 30 ¡ 35 ¡ 40 ¡ 45 ¡
8-‑Sep ¡ 9-‑Sep ¡ 10-‑Sep ¡ 11-‑Sep ¡ 12-‑Sep ¡ 13-‑Sep ¡ 14-‑Sep ¡ 15-‑Sep ¡ 16-‑Sep ¡ 17-‑Sep ¡ 18-‑Sep ¡ 19-‑Sep ¡ 20-‑Sep ¡
% ¡Bromoform ¡ TTHM ¡(ug/L) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡TTHM ¡ ¡ ¡ ¡ ¡% ¡Bromoform ¡
Reduc1on ¡in ¡Extent ¡
THM Mitigation by Source Water Blending
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¡
¡
0 ¡ 10 ¡ 20 ¡ 30 ¡ 40 ¡ 50 ¡ 60 ¡ 70 ¡ 80 ¡ 90 ¡ 100 ¡ 4-‑Aug ¡ 11-‑Aug ¡ 18-‑Aug ¡
TTHM ¡(ug/L) ¡
I n c r e a s e d ¡ s
r c i n g ¡
¡ L
a l ¡ W a t e r ¡ Increased ¡purchase ¡of ¡Imported ¡Water ¡
THM-‑100 ¡System ¡InstallaGons ¡(Past, ¡Current ¡& ¡CommiTed) ¡
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¡Technical ¡Evalua1ons ¡ ¡Commercial ¡Sales ¡ ¡Pending ¡Installa1ons ¡
Proven Acceptance of the THM-100 on a Global Scale
THM-100: A Fit-for-Purpose Online THM Monitor
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On-‑Board ¡THM ¡Calibra1on ¡ Standards ¡for ¡Accuracy ¡ USB ¡& ¡Ethernet ¡Ports: ¡
for ¡Downloads ¡and ¡Upgrades ¡ ¡
Telemetry: ¡ ¡
4-‑20 ¡mA ¡Closed ¡Loop ¡ (Concentra1ons ¡& ¡Alarms) ¡
Analysis ¡Process ¡that ¡offers ¡THM ¡ Specia1on, ¡and ¡THM ¡Selec1vity ¡ Intui1ve ¡LCD-‑UI ¡& ¡Menu ¡ ¡ Customisable ¡THM ¡ Concentra1on ¡Alarms ¡ ¡ ¡ Customisa1on ¡of ¡Schedule: ¡ ¡
Online ¡Samples ¡(typically ¡4 ¡hours) ¡ ¡ Self-‑Calibra1on ¡(2 ¡weeks) ¡
¡
Configurable ¡for ¡Grab-‑Samples ¡ in ¡Boeles ¡ ¡
Automated, ¡Unaeended, ¡Accurate ¡
Simple ¡PM ¡service ¡ ¡ every ¡3 ¡months ¡ ¡ Accuracy: ¡Typically ¡< ¡5% ¡ Repeatability: ¡Typically ¡<2% ¡RSD ¡
Treatment ¡U1li1es ¡for ¡over ¡two ¡years ¡
__________________________________ ¡
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¡ ¡ ¡ ¡
the brominated THMs)
t1 and t2, for both THM-100 Standards
Process, for both THM Standards
Rates of the Colorimetric Reactions
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THM-100 Self-Calibration with THM Standards Standards
Chloroform ¡reacts ¡more ¡slowly ¡than ¡brominated ¡THMs ¡to ¡form ¡the ¡Fujiwara ¡reac1on ¡
¡
The ¡THM ¡Specia1on ¡of ¡each ¡water ¡sample ¡is ¡deduced ¡from ¡the ¡kine1cs ¡of ¡the ¡Fujiwara ¡ reac1on ¡
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Absorbance .e Time / secs
Optimized Fujiwara Reaction Kinetics for the Four THMs
Cl3 Br2Cl BrCl2 Br3
Rates of the Colorimetric Reactions Rates of the Colorimetric Reactions
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concentrations of source water organic matter & bromide, disinfectant chlorine, pH
(chloroform) and the total THMs yields a determination of the remaining THMs.
the percentage of the typically dominant trihalomethane in the drinking water samples (typically CHCl3).
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27% 12% 1% 35% 28% 7% 5%
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THM Speciation Ratios are Predictable (CHCl3 Dominant)
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 % THM . % CHCl3 in THM Total THM Ratios in Drinking Water Samples (CHCl3 Dominant)
% CHBrCl2 % CHBr2Cl % CHBr3
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THM Speciation Ratios are Predictable (CHBr3 Dominant)
0%# 10%# 20%# 30%# 40%# 50%# 30%# 40%# 50%# 60%# 70%# 80%# THM$
%$CHBr3$ THM$Ra,os$in$Drinking$Water$Samples$ (CHBr3$Dominant)$$
Br2Cl# Cl3# BrCl2#
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28 Excursions ¡caused ¡by ¡
missed ¡by ¡grab ¡ sample ¡tesGng ¡
Water Utility in Wales
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No ¡Treatment ¡ Costly ¡ Treatment ¡ Under ¡Treatment ¡
Water Utility in Ireland
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5.9 ug/Lspike TTHM (UPW) Br 1-3 CHCl3 Total THM 5.9 ug/L spike TTHM (UPW) Br 1-3 CHCl3 Total THM 1 1.6 3.2 4.8 1 1.9 3.9 5.8 2 1.6 3.3 4.9 2 1.7 3.5 5.2 3 1.8 3.3 5.0 3 1.6 3.4 5.0 4 1.9 3.4 5.3 4 1.8 3.5 5.3 5 2.0 3.7 5.8 5 1.6 3.2 4.8 59 ug/L spike TTHM (UPW) Br 1-3 CHCl3 Total THM 59 ug/L spike TTHM (UPW) Br 1-3 CHCl3 Total THM 1 23.2 40.8 64.0 1 17.0 34.6 51.6 2 21.8 40.8 62.6 2 14.8 29.8 44.6 3 23.2 41.4 64.6 3 16.9 34.0 51.0 4 23.5 41.7 65.2 4 15.8 31.8 47.6 5 24.1 42.0 66.1 5 35.5 76.6 112.0 100 ug/L spike TTHM (UPW) Br 1-3 CHCl3 Total THM 100 ug/L spike TTHM (UPW) Br 1-3 CHCl3 Total THM 1 40.2 65.0 105.2 1 34.3 57.7 91.9 2 40.9 64.4 105.3 2 34.2 57.6 91.9 3 40.3 62.8 103.1 3 35.4 61.9 97.3 4 39.4 62.8 102.2 4 35.0 59.5 94.5 5 39.9 61.6 101.5 5 35.9 61.4 97.3 100 ug/L spike TTHM (Borehole Water) Br 1-3 CHCl3 Total THM 100 ug/L spike TTHM (Borehole Water) Br 1-3 CHCl3 Total THM 1 38.4 70.9 109.3 1 37.4 53.2 90.6 2 39.7 69.2 108.9 2 37.0 52.8 89.8 3 38.9 70.4 109.3 3 38.3 54.0 92.3 4 39.0 68.4 107.4 4 41.4 59.7 101.1 5 39.0 70.0 109.0 5 37.1 54.5 91.6
THM-100 HS-GC/ECD
compared with manual off-line headspace GC/ECD analysis at this analytical lab
Accuracy: Spiked Samples in UPW
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Excellent correlation exists between the results from the THM-100 Analyzer and Grab Sample analyses by HS-GC/ECD at STAS
Repeatability of Online vs. Lab Samples
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Telemetry Communications and Data Access
– 4 Channels
– Local Network
– Download Data – Download Log Files – Upload Software Upgrades
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Solution 3 "Dilutor" Cleaning / Solvent Solution 2 "Developer" (Base mixture) Selector Valve Desorb Reservoir (Room Temp) (4 mL) Reaction Reservoir (Heated) (4 mL) Optical Spectro- meter Heated Purge Vessel (250 mL)
Level SensorCDA (or N2) Water Drain Drinking Water Source
V03Solution 1 "Retainer" (for desorption) Chemical Waste
V04 Vent Purge gas 20 psi Desorb gas 6 psiSyringe & Motor Gas Drying Tube
V02 V01THM Standard 1 Water
VentFACILITIES
Vent
CONSUMABLE REAGENTS
Trap & Desorb Column
V01 Vent / Drain V06 VentTHM Standard 2
Schematic of THM-100 Components ¡
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Process Cabinet
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Chemical Cabinet
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LCD-UI (User Interface)
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WTW in So. California WTW in Arizona (US) WTWs in Spain
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THM-100 System Installations
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WTW in So. California WTW in Ireland WTW in Portugal WTW in Korea
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