Characterization and Coagulation of Impurities in Water Treatment
Vedoucí/Supervisor
Prof. Ing. Václav Janda, CSc.
Jazyk/Language
English
Abstract
Undesirable natural or anthropogenic compounds are commonly present in drinking water supplies. An ongoing challenge for water treatment is algal organic matter (AOM) produced by phytoplankton. A part of this thesis is devoted to the coagulation of AOM, specifically cellular organic matter (COM) and its peptide/protein and non-proteinaceous fraction. Besides investigating the coagulation in relation to the COM character, attention was paid to its interactions with other compounds and to the subsequent impacts on coagulation. Additionally, the involvement of an ozonation step was assessed. Another part of the thesis is focused on emerging anthropogenic water pollutants microplastics (MPs), particularly on their quantification and characterization at drinking water treatment plants (DWTPs).
It has shown that the optimum coagulation conditions differ for the COM peptides/proteins and the non-proteinaceous fraction. While the former was effectively removed at slightly acidic coagulation pH, the latter required coagulation pH around neutral and much higher doses of coagulant. The maximum removal efficiency for the non-proteinaceous fraction was much lower compared to that of the peptides/proteins (25% versus 75%), owing mainly to the high content of low-molecular-weight (< 10 kDa) compounds. Further, it was found that when COM, namely the peptide/protein fraction, occurs in the water together with other organic or inorganic compounds such as humic substances or clay colloids, deterioration in coagulation can be avoided by optimization of coagulation conditions, especially of the coagulation pH. In the case of the mixture of the organic compound, even better coagulation efficiency and lower coagulant demand (compared to coagulation of the compounds alone) was achieved. Mutual coagulation optimum was determined also for a mixture of cyanobacterial
cells and COM, while the removal of 99% and 57% was attained, respectively. When preozonation was applied prior to coagulation of the non-proteinaceous COM, either increased or decreased removal was observed depending on the pre-ozonation conditions, i.e., O3 dose and ozonation pH, while aldehydes were found to be formed as ozonation by-products.
With regard to MPs, their occurrence was revealed in both raw and treated water of different DWTPs supplied by surface water. The average numbers ranged from 1473 ± 34 MPs L-1 to 3605 ± 497 MPs L-1 in raw water and from 338 ± 76 MPs L-1 to 628 ± 28 MPs L-1 in treated water, depending on the DWTP; the removal was 70-83%. The prevailing shapes were fibers and fragments, major materials were polyethylene terephthalate, polypropylene, and polyethylene, and the vast majority of MPs was < 10 μm in size.
Abstrakt
Zdroje pitné vody běžně obsahují nežádoucí látky přírodního i antropogenního původu. Problémy při úpravě vody působí látky produkované fytoplanktonem (algal organic matter – AOM). Část této práce je věnována odstraňování AOM pomocí koagulace; konkrétně byly studovány celulární AOM (cellular organic matter – COM) a jejich peptidová/proteinová a neproteinová složka. Kromě výzkumu koagulace COM ve vztahu k jejich charakteru byla pozornost věnována interakcím COM s dalšími látkami a jejich následným dopadům na koagulaci. Testováno bylo také využití ozonizace. Další část práce je pak věnována poměrně nově sledovaným antropogenním polutantům vodního prostředí – mikroplastům (MPs), a to zejména jejich kvantifikaci a charakterizaci na úpravnách pitné vody.
Optimální podmínky koagulace jsou rozdílné pro COM peptidy/proteiny a neproteinovou složku. Zatímco peptidy/proteiny byly nejúčinněji odstraňovány při mírně kyselém pH, neproteinová složka koagulovala v oblasti kolem neutrálního pH, přičemž bylo zapotřebí vyšších dávek koagulačního činidla. Lišila se i maximální účinnost koagulace, která byla 75 % pro peptidy/proteiny a jen 25 % pro neproteinovou složku, zejména z důvodu vysokého obsahu nízkomolekulárních látek (< 10 kDa). Dále bylo zjištěno, že výskyt COM peptidů/proteinů ve vodě obsahující další organické či anorganické znečištění, jako např. huminové látky nebo koloidní jílové minerály, nemusí vést ke zhoršení účinnosti koagulace, pokud jsou přizpůsobeny podmínky koagulace, zejména reakční pH. V případě organických látek bylo dokonce pozorováno zlepšení účinnosti koagulace a současně snížení potřebné dávky koagulačního činidla (v porovnání s koagulací daných látek samostatně). Koagulační optimum bylo určeno také pro současné odstraňování sinicových buněk a COM, přičemž bylo dosaženo účinnosti až 99 % pro buňky a 57 % pro COM. Využití pre-ozonizace ve spojení s koagulací bylo testováno pro neproteinovou složku COM a v závislosti na podmínkách preozonizace (dávka O3 a pH ozonizace) bylo pozorováno zvýšení či snížení celkové účinnosti odstranění, přičemž při zapojení ozonizace docházelo ke tvorbě aldehydů.
Přítomnost mikroplastů byla zjištěna jak v surové, tak upravené vodě na úpravnách zásobovaných z povrchových vodních zdrojů. Průměrné množství MPs v surové vodě bylo 1473 ± 34 MPs L-1 až 3605 ± 497 MPs L-1, v upravené pak 338 ± 76 MPs L-1 až 628 ± 28 MPs L-1; účinnost odstranění dosahovala 70-83 %. Z tvarů převažovaly fragmenty a vlákna, z materiálů polyetylentereftalát, polypropylen a polyetylen, přičemž naprostá většina MPs byla < 10 μm.