Eisen aan microbiologisch veilig drinkwater 2. Gertjan Medema Cursus Drinkwatermicrobiologie

Transcriptie

1 Eisen aan microbiologisch veilig drinkwater 2 Gertjan Medema Cursus Drinkwatermicrobiologie

2 Microbiologisch onberispelijk drinkwater? EU Drinking Water Directive en Waterleidingbesluit NL Algemene eis: 1. Leidingwater dat de eigenaar aan derden ter beschikking stelt, bevat geen micro-organismen, parasieten of stoffen in aantallen per volume-eenheid of concentraties die nadelige gevolgen voor de volksgezondheid kunnen hebben. 2. Leidingwater voldoet op het punt waar het binnen een gebouw of perceel aan de tappunten ter beschikking komt, aan de tabellen I, II en III, opgenomen in bijlage A. Voor faecale ziekteverwekkers operationeel vertaald naar: E. coli moet afwezig zijn in 100 ml Enterococcen moeten afwezig zijn in 100 ml 2

3 Indicator voor veiligheid Ja Nee 3

4 Indicator voor veiligheid Ja Zeer waarschijnlijk Waarschijnlijk Mogelijk Niet waarschijnlijk Nee 4

5 Indicator voor veiligheid Ja Zeer waarschijnlijk Waarschijnlijk Mogelijk Niet waarschijnlijk Nee E.coli 5

6 Indicator voor veiligheid Ja Zeer waarschijnlijk Waarschijnlijk Mogelijk Niet waarschijnlijk Nee coligroep = coli37 = coliform E.coli 6

7 Indicator voor veiligheid <1,2 x 10-6 /L Ja Zeer waarschijnlijk Waarschijnlijk Mogelijk Niet waarschijnlijk Nee coligroep = coli37 = coliform E.coli Ziekte verwekker 7

8 Indicator voor veiligheid <1,2 x 10-6 /L Ja Zeer waarschijnlijk Waarschijnlijk Mogelijk Niet waarschijnlijk Nee? coligroep = coli37 = coliform E.coli Ziekte verwekker 8

9 Indicator concept Begon als idee dat bacterien uit de darm ziekte verwekken en niet in drinkwater voor mochten komen Bacterium coli gevonden in hoge concentraties in faeces van mensen en warmbloedige dieren Snel duidelijk dat dit geen ziekteverwekker was, maar wel algemeen voorkomt in faeces Indicator concept: niet zelf ziekteverwekker maar indicator voor faecale verontreiniging, waarschijnlijk met ziekteverwekkers 9

10 Een goede indicator Altijd aanwezig als ziekteverwekker aanwezig is Niet groeien in het milieu Overleving vergelijkbaar met ziekteverwekker Verwijdering tijdens zuivering vergelijkbaar met ziekteverwekker Detectie simpel, snel en goedkoop 10

11 E.coli as quality standard Milestone 1: culture media for bacteria Robert Koch ( ) : Professor Hygiene Berlin 1879: first proof of bacteria (anthrax) as agents of disease 1881: solid culture media for isolation of bacteria 1883: isolation of causative agent of cholera 1905: Nobelprice Physiology and Medicine 11

12 E.coli as quality standard Milestone 2: indicator-bacteria Christiaan Eijkman ( ) Professor Hygiene RU Utrecht 1904: Method for detection of fecal contamination of water with test at 46 C (Eijkman- test) 1929: Nobelprice Physiology and Medicine (discovery of role of vitamins) 12

13 Bacteriën van de coligroep Groei en zuur- en gasvorming binnen 48 uur bij 37ºC op lactose als voedingsstof in aanwezigheid galzouten Gedefinieerd door groeiomstandigheden, niet door bacteriesoort 13

14 Bacteriën van de coligroep Escherichia Klebsiella Citrobacter Enterobacter Hafnia Serratia e.a. Komen voor in darm, maar ook in milieu (bodem, vegetatie e.a.) 14

15 Bacteriën van de coligroep Is typering zinvol? Soms: - Bevestiging dat het een bacterie van de coligroep is - Steeds dezelfde: groei in filter/reservoir/leiding? - Verdenking van bewuste besmetting 15

16 Bacteriën van de coligroep Groei en zuur- en gasvorming binnen 48 uur bij 37ºC op lactose als voedingsstof in aanwezigheid galzouten Omzetting van galactose binnen 48 uur bij 37ºC 16

17 Bacteriën van de coligroep Altijd aanwezig als ziekteverwekker aanwezig is Niet groeien in het milieu Overleving vergelijkbaar met ziekteverwekker Verwijdering tijdens zuivering vergelijkbaar met ziekteverwekker Detectie simpel, snel en goedkoop 17

18 Thermotolerante Bacteriën van de coligroep 44 ipv 37ºC Altijd aanwezig als ziekteverwekker aanwezig is Niet groeien in het milieu Overleving vergelijkbaar met ziekteverwekker Verwijdering tijdens zuivering vergelijkbaar met ziekteverwekker Detectie simpel, snel en goedkoop 18

19 Thermotolerante bacteriën van de coligroep 44 ipv 37ºC Escherichia coli Citrobacter freundii Klebsiella pneumoniae Enterobacter sp. 19

20 Escherichia coli De faecale coliform Methoden beschikbaar voor directe analyse op E. coli - Direct plating method (NL) - Colilert e.a. 20

21 Bacterien van de coligroep thermotolerante bacterien van de coligroep Escherichia coli E. coli Thermotolerante bacterien van de coligroep Bacterien van de coligroep 21

22 Indicator voor veiligheid Ja Zeer waarschijnlijk Waarschijnlijk Mogelijk Niet waarschijnlijk Nee coligroep = coli37 = coliform E.coli 22

23 Waarom testen we op bacterien van de coligroep? Meetverplichting bacterien van de coligroep + Meetverplichting E. coli E. coli Thermotolerante bacterien van de coligroep Bacterien van de coligroep 23

24 Bacterien van de coligroep thermotolerante bacterien van de coligroep Escherichia coli Concentraties in riool en oppervlaktewater van coliformen ca 10x zo hoog als E. coli Coliformen + Indicatie dat iets mis kan zijn = alert! nader onderzoek! 24

25 E. coli: de faecale indcator? Bacterien Virussen Parasieten 25

26 Bcaterien van de coligroep thermotolerante bacterien van de coligroep Escherichia coli Altijd aanwezig als ziekteverwekker aanwezig is Niet groeien in het milieu Overleving vergelijkbaar met ziekteverwekker Verwijdering tijdens zuivering vergelijkbaar met ziekteverwekker Detectie simpel, snel en goedkoop 26

27 Beperkingen E. coli Too little Outbreaks via drinkwater dat aan huidige eis voldoet is niet altijd adequaat Nieuwe pathogenen resistenter Too late Huidige controle is altijd te laat Ontwikkelingen in maatschappij Niet achteraf controleren of het goed was, maar vooraf aantoonbaar kunnen maken dat het veilig is Consumentenveiligheid op basis risicoanalyse Sensoring Vergrijzing, minder afweer 27

28 Drinkwaterbesluit Bijlage A. behorend bij hoofdstuk 3 van het Drinkwaterbesluit Tabel I. Microbiologische parameters Parameter Maximum waarde Eenheid Opmerkingen Escherichia coli 0 kve/100 ml kve = kolonievormende eenheden Enterococcen 0 kve/100 ml Cryptosporidium Noot 1 (Entero)virussen Noot 1 Giardia Noot 1 Campylobacter Noot 1 Bacteriofagen pve/l pve = plaquevormende eenheden Noot 1 Noot: 1) Micro-organismen mogen krachtens artikel 21, eerste lid, en artikel 25 van de wet, niet in een zodanige concentratie in het drinkwater voorkomen dat nadelige gevolgen voor de volksgezondheid kunnen ontstaan. Voor bepaalde micro-organismen, zoals virussen en protozoa (onder meer Cryptosporidium en Giardia), is het niet mogelijk om concentraties te meten op het zeer lage niveau, waarop blootstelling relevant is voor de gezondheid van de gebruiker. In plaats hiervan dient de eigenaar die gebruik maakt van oppervlaktewater als grondstof voor de bereiding van drinkwater op basis van metingen van de desbetreffende microorganismen in de grondstof en gegevens over de verwijderingscapaciteit bij de verschillende zuiveringsprocessen (inclusief eventuele bodempassages) in overleg met de inspecteur een kwantitatieve risicoanalyse voor het bereide drinkwater op te stellen. De VROM-Inspectierichtlijn Â«Analyse microbiologische veiligheid drinkwaterâ» dient hiertoe gebruikt te worden. Voor het door middel van deze risicoanalyse berekende theoretische infectierisico geldt een grenswaarde van één infectie per personen per jaar. De toetsing aan deze grenswaarde voor het infectierisico dient in elk geval te worden uitgevoerd voor Enterovirussen, Cryptosporidium en Giardia, maar geldt in principe ook voor andere pathogene micro-organismen. Indien het berekende infectierisico groter is dan de genoemde grenswaarde, dient de eigenaar met de inspecteur te overleggen over te nemen maatregelen. De inspecteur kan bepalen dat voor kwetsbare grondwaterwinningen eenzelfde risicoanalyse wordt uitgevoerd. Tot de groep van bacteriofagen worden in elk geval gerekend de somatische colifagen en de F-specifieke bacteriofagen. 28

29 Risico analyse in het Drinkwaterbesluit Nieuwe eis microbiologische veiligheid: uitvoeren risico-analyse eis: gehalte pathogenen in drinkwater dermate laag dat infectierisico < 10-4 pppj analyse op basis gegevens bron en eliminatie in zuivering oppervlaktewater, infiltratie en oevergrondwater Enterovirussen, Cryptosporidium, Giardia en andere pathogenen waarvan bedrijf kan weten dat deze relevant zijn Inspectierichtlijn: indexpathogenen: parasiet, virus, bacterie (Campylobacter toegevoegd) 29

30 Onberispelijk? 1 infectie per personen per jaar 30

31 Amsterdam-centrum: personen Max. 9 infecties per jaar via drinkwater 31

32 Amsterdam-centrum: personen 9000 diarree-gevallen per jaar via alle routes 32

33 American Academy of Microbiology What is acceptable microbial risk through water? Numerical risk value is valuable as benchmark Set numerical value for water in context of other routes of exposure: allocate resources to highest health gain Value should be realistic DALY rather than risk of infection Safety is more than numbers: risk perception 33

34 Indicator voor veiligheid <1,2 x 10-6 /L Ja Zeer waarschijnlijk Waarschijnlijk Mogelijk Niet waarschijnlijk Nee? coligroep = coli37 = coliform E.coli Ziekte verwekker 34

35 Veiligheid bepalen door ziekteverwekkers te meten in drinkwater is geen optie 35

36 Microbiologische risicoanalyse Ken je wingebied VROM 5318 Analyse Microbiologische Veiligheid Drinkwater Ken je grondstof Richt/beheers je zuivering Bescherm de distributie 36 Veilig drinkwater

37 QMRA protocol Know your catchment INDEX PATHOGEN SELECTION Bacteria: Campylobacter Most prevalent in GI cases Infectious Present in all surface waters High concentrations (Re)contamination by waterfowl Quantitative detection methods Protozoa: Cryptosporidium/Giardia Most prevalent in GI cases Infectious Present in all surface waters Resistance to disinfection Quantitative detection methods Viruses: Enteroviruses Prevalent in GI cases Present in surface waters Quantitative detection method for infectious viruses 37

38 QMRA protocol Know your catchment PATHOGEN MONITORING IN SOURCE WATER Site: last open water Baseline monitoring: 26 biweekly samples/year (once every 3 years) Catchment survey: site specific peak events Historical indicator data Hydrological analysis (flow, rainfall, snowmelt) Experience Peak event monitoring 9 peak event samples/year (once every 3 years) Genotyping QA 38

39 Ken je rivier Lozing huishoudelijk afvalwater Ruw rioolwater < 10,000 i.e. 10, ,000 i.e. > 100,000 i.e. Effluent RWZI < 10,000 i.e. 10, ,000 i.e. > 100,000 i.e. Maas 39 Data: RIWA/RIVM

40 aantal/l aantal/l aantal/l aantal/l Maandelijks meten van indexpathogenen: pieken Maas bij Tailfer Bron: RIWA Albertkanaal Pieken in gehalte Cryptosporidium Giardia Cryptosporidium Giardia Apr-97 Jun-97 Aug-97 Oct-97 Dec-97 Feb-98 Apr-98 0 Apr-97 Jun-97 Aug-97 Sep-97 Nov-97 Jan-98 Feb-98 Apr-98 Jun-98 Maas bij Keizersveer Amsterdam Rijnkanaal bij Loenen Cryptosporidium 200 Cryptosporidium Giardia 150 Giardia Apr-97 Jun-97 Aug-97 Oct-97 Dec-97 Feb-98 Apr-98 Apr-97 Jun-97 Aug-97 Oct-97 Dec-97 Feb-98 Apr-98

41 coli44 (n/100ml) fstrep (n/100ml) Peak events Sharp increase in river flow Turbidity spikes Heavy rainfall Snowmelt/thaw Esp. Offstream storage reservoirs with high bird loads River intake in pristine 500 reservoirs 450 during high water 400 demand 350 CSO Polder water discharge High bird loads 50 0 Jan-96 Apr-96 Jul-96 Sep-96 Dec-96 Mar-97 Jun-97 Sep-97 Dec-97 Mar-98 Jun-98 Sep-98 Dec-98 Mar-99 Jun-99 Sep-99 Dec-99 Mar

42 Concentratie (n/l) Concentratie (n/l) Concentratie (n/l) Peil rivier (cm) Peil rivier (cm) Peil rivier (cm) Pathogens in source water CTS 6 (Germany) Catchment survey River (Rhine) Peak events at heavy rainfall River level rise as indicator Monitoring program Baseline: monthly Peak: extra samples during river level rise Results First flush gives peak concentration Risk moment raw and after bank filtration j j j j ff m a m jj j a s o n d Datum E. coli na Crypto oeverfiltratie 700 Giardia Peil 600 Peil

43 QMRA protocol Know your catchment Know your source General Site specific Describe system Select significant barriers Determine hazardous events (bad days) Monitor indicator removal Historical data: E. coli and Clostridium in 100 ml Not very sensitive/informative New strategy: Target/Control coliphages (viruses) treatment E. coli (bacteria) Clostridium spores (protozoa), somatic and F+ Select phases in chain of treatment processes and sample volumes where quantitative information can still be obtained: LARGE VOLUMES (1-100 LITER) Use information from operational parameters (Semi)on-line: bad days/moments Translation to pathogens?: treatment models; UV system validation If insufficient: additional research Challenge studies in practice (soil passage) Challenge studies in pilot systems Lab studies under site specific conditions 43 Literature data

44 Aantonen eliminatie pathogenen C pathogeen Ruw C indicator Microzeven Coagulatie Filtratie Zuivering Ozon DEC= log [C in /C uit ] AKF Chloor C pathogeen Drinkwater 44 C indicator

45 Aantonen eliminatie pathogenen Optie: Indicatoren per stap C pathogeen Ruw Microzeven C indicator DEC1= log [C in /C uit ] C pathogeen Coagulatie Filtratie Ozon AKF Chloordioxide Drinkwater 45 DEC2= log [C in /C uit ] DEC3= log [C in /C uit ] DEC4= log [C in /C uit ] DEC5= log [C in /C uit ] C indicator +

46 SSRC per 100ml Clostridium spore removal over time 100,0 Ozone Influent Effluent 10,0 1,0 0, > days 46

47 E. coli concentration (CFP/l) Lab is not practice: ozone example Ozonation CT 2 mg.min/l Expected E. coli inactivation: >>5 logs Full scale E. coli data: E. coli present in 4% of samples after ozone Removal 2.7 log Ozone in Ozone out 0.01 Dec-02 Mar-03 Jun-03 Oct-03 Jan-04 Apr-04 Aug-04 Nov-04 47

48 Log inactivation Operational parameters + model: inactivation modelled on CT, h Bad day 0 27 Apr 07 May 17 May 27 May 06 Jun 16 Jun 48

49 Concentratie (n/l) Pilot studies: Cryptosporidium removal by pilot slow sand filter Dag zonder dosering Influent Effluent Effluent < analysegrens Geen meting mogelijk door neerslag Looptijd (dagen) 49

50 Quantitative Microbial Risk Assessment Understanding risk of a given water supply system 50

51 Quantitative Microbial Risk Assessment Cryptosporidium in surface water system Model variable Information Input value Exposure assessment Concentration in source water (Cs) 0.1 oocysts / L 0.1 Removal performance of conventional treatment (R1) 3 Log Removal performance of disinfection (R2) Ineffective 1 Distribution system (D) None Ignored Consumption of unboiled tap water (V) None 2 Exposure (Cs x R1 x R2 x V) Health effects assessment Dose response model (Beta-Poisson low dose approx) r=0.2 Risk characterization Daily risk 4.E-05 Annual risk 1.E-02 51

60 Quantitative Microbial Risk Assessment Cryptosporidium in surface water system Event in treatment Model variable Information Input value Nominal Exposure assessment Concentration in source water (Cs) 0.1 oocysts / L Removal performance of conventional treatment (R1) 1.1 log Removal performance of disinfection (R2) Ineffective 1 1 Distribution system (D) None Ignored Ignored Consumption of unboiled tap water (V) None 2 2 Exposure (Cs x R1 x R2 x V) Health effects assessment Dose response model (Beta-Poisson low dose approx) Risk characterization Daily risk 3.E-03 4.E-05 Annual risk 1.E-02 r=0.2 75x 60

61 Quantitative Microbial Risk Assessment Cryptosporidium in surface water system Event in treatment, monitored with fecal indicator x 50x

62 Turbidity (NTU) Quantitative Microbial Risk Assessment Cryptosporidium in surface water system Event in treatment, monitored with turbidity 0.35 Filter effluent turbidity Day 62

63 Quantitative Microbial Risk Assessment Cryptosporidium in surface water system Event in treatment, monitored with turbidity x 5x

64 Probabilistic Risk Assessment To include variability & uncertainty Model variable Information Input value Exposure assessment Concentration in source water (Cs) 0.1 oocysts / L 0.1 Removal performance of conventional treatment (R1) 3 Log Removal performance of disinfection (R2) Ineffective 1 Distribution system (D) None Ignored Consumption of unboiled tap water (V) None 2 Exposure (Cs x R1 x R2 x V) Health effects assessment Dose response model (Beta-Poisson low dose approx) r=0.2 Risk characterization Daily risk 4.E-05 Annual risk 1.E-02 Highest risk 64

65 QMRA protocol Know your catchment Distribution Distribution not included in statutory QMRA Research program Know your source Target/Control treatment Protect your distribution 65

66 Know your catchment Know your source Safe drinking water Target/Control treatment Protect your distribution Safe drinking water 66 Quantitative Microbial Risk Assessment

67 System assessment Example: Amsterdam Water Supply 67

68 Pathogens in source water Cryptosporidium data N=48 15 Crypto detected /100L 68

69 Pathogen monitoring - QA Cryptosporidium recovery data N=30 Average 22% 69

70 Removal by treatment Select significant barriers in system Rapid Sand Filtration Ozonation Slow sand filtration Data collection 70

71 Removal by treatment Step 1 - Rapid sand filters Clostridium spore removal N=380 Average 1.29 log P2.5% 0.74 log Good fit 71

72 Removal by treatment Step 2: Ozone Clostridium spore removal N=363 Average 1.04 log P2.5% 0.24 log Adequate fit 72

73 Concentratie (n/l) Removal by treatment Step 3: Slow sand filtration Clostridium spore removal N= % = 0 Part of the samples out>in Data provided no reliable quantification of removal Questions about validity of using anaerobic spores for Cryptosporidium for slow sand filtration Solution: Pilot testing Triangular: logs Dag zonder dosering Influent Effluent Effluent < analysegrens Geen meting mogelijk door neerslag Looptijd (dagen)

74 cumulative frequency System assessment Example 2: site-specific pathogen and treatment data available source water after RSF after ozone after SSF concentration (1/l) Table 1. The concentration of Cryptosporidium in source water, at several stages in the treatment and in the final treated water and the resulting probability of exposure and infection to the consumer. Stage Mean P97.5 Source water After RSF After ozone After slow sand 1.2 x x 10-6 Annual probability of exposure 8.1 x x 10-5 Annual probability of infection 3.7 x x 10-5

75 Workshop January 31, 2008 Current status: provisional QMRA s completed Experiences: Next: Good to (re)turn focus on microbial safety Mainstream systems are ok Significant issues discovered (disinfectant mixing, contamination infiltration systems, well integrity): improvements Site specific data are not always sufficient: monitoring program (pathogens in source water, indicator removal with large volume assays) (expensive) QMRA document required combination of information into one document (reference for utility) Collect missing data viruses, virus removal Value of microbial indicators, process parameters Incorporation of events Conduct definite risk assessment 75

76 Indicator voor veiligheid Ja Zeer waarschijnlijk Waarschijnlijk Mogelijk Niet waarschijnlijk Nee AMVD coligroep = coli37 = coliform E.coli Ziekte verwekker 76