Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2450
Main Title: Removal of dissolved metals from storm water runoff by zero-valent iron
Translated Title: Entfernen von gelösten Metallen aus Regenwasserabfluss durch Eisen
Author(s): Rangsivek, Ropru
Advisor(s): Jekel, Martin
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In dieser Studie wurde eine neuartige Methode zur Aufbereitung von schwermetallbelasteten Oberflächenabflüssen untersucht. Dabei kam nullwertiges Eisen (Fe0) als Barrieresystem zum Einsatz. In Batch- und Säulenversuchen wurden die Mechanismen und der Einfluss der Wasser-qualität auf die Schwermetallentfernung in dem Fe0-Barrierensystem untersucht. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass mit Fe0 eine vergleichbare Beladungskapazität erzielt wird wie mit granuliertem Eisenhydroxid (GEH). Die Entfernung von gelöstem Kupfer und Zink durch Fe0 ist auf mehrere geschwindigkeitsbestimmende Schritte zurückzuführen, wobei die Eisenoxidation, die Eisenhydroxidbildung, die Metalladsorption und die Mitfällung von Be-deutung sind. Das gelöste Kupfer wird direkt oder indirekt durch Fe0 reduziert. Als Reaktions-produkte wurden Cu0 und Cu2O festgestellt. Die Zinkentfernung ist hauptsächlich auf die Adsorption und auf die Mitfällung zurückzuführen. Die kinetischen Batchversuche haben gezeigt, dass die Zinkentfernung durch geringe Sauerstoffgehalte, niedrige Temperaturen und niedrige pH-Werte sowie hohe DOC- und Metallgehalte verringert wird. Die Säulenversuche mit Fe0 zeigten, dass das gelöste Kupfer besser zurückgehalten wird als das gelöste Zink. Dabei wurde eine mittlere Beladung des Fe0 in Höhe von 76 mg g-1 (mit min.: 55 und max.: 96 mg g-1) für Kupfer und von 55 mg g-1 (mit min.: 22 und max.: 69 mg g-1) für Zink ermittelt. Es zeigte sich ein besserer Rückhalt bei erhöhten pH-Werten sowie bei einer erhöhten Wassertemperatur. Demgegenüber verringerte sich der Kupfer- und Zinkrückhalt bei einer Zunahme der Gelöstsauerstoffkonzentration bzw. der Leitfähigkeit. Von den untersuchten Einflussgrößen auf den Metallrückhalt wurde der NOM-Gehalt im Oberflächenabfluss als wichtigster Einflussparameter identifiziert, der zu einer drastischen Verringerung der Metallrückhaltes. Die festgestellte Inhibierung des Metallrückhaltes in Gegenwart von NOM kann auf die konkurrierende Adsorption, auf die Bildung von metallorganischen Komplexen sowie auf die Hemmung der Eisenkorrosion zurück¬geführt werden. Die im Rahmen der Versuche ergab sich, dass vorzugsweise die höher molekularen, hydrophoben NOM-Fraktionen mit der Eisenoberfläche reagieren. Zur Simulation der Durchbruchskurven unter verschiedenen Randbedingungen wurden Modell-rechnungen mit einem Poren-Diffusionsmodell durchgeführt. Dabei konnten die experimentell ermittelten Durchbruchskurven durch geeignete Wahl der Modellparameter hinreichend abgebildet werden. Im Falle erhöhter NOM-Gehalte im Oberflächenabfluss war zur Modellierung der Durchbruchskurven allerdings eine weitere Anpassung der Modellparameter erforderlich. Mit dem Ziel der Verbesserung der Ausfällung und der Metalladsorption an der Eisenoxidoberfläche wurden Untersuchungen mit karbonatischen Materialien (Calcit, Dolomit, Magnesit) durchgeführt. Die Versuche haben gezeigt, dass bei mittleren Verweilzeiten von 1 bzw. 5 Minuten ca. 30 bis 80 % bzw. ca. 60 bis 100 % der Metallkonzentrationen entfernt werden können. Mit einer Erhöhung der Verweilzeit kann dabei ein verbesserter Rückhalt erzielt werden. Das zur on-site Behandlung von schwermetallhaltigen Oberflächenabflüssen empfohlene Reinigungssystem besteht aus einer mit spiralförmigen Eisenspänen gefüllten Säule gefolgt von einer Belüftungseinheit und einer nachgeschalteten Filtereinheit aus Bimsstein / Dolomitstein. Für die praktische Anwendung ist zu beachten, dass die karbonatischen Materialien durch Ausbildung von Biofilmen und Deckschichten passiviert werden. Zum Erhalt der hydraulischen Leitfähigkeit sowie zur Reaktivierung der Oberflächen ist deshalb eine gelegentliche Rückspülung des Systems erforderlich. Die Kostenanalyse ergab, dass Fe0 ein geeignetes Medium für Aufbereitung von schwermetallbelasteten Oberflächenabflüssen ist.
This study investigates the novel treatment method for heavy metals from contaminated runoff by employing Fe0. Batch kinetic, equilibrium and flow-through configurations were thoroughly studied. Based on the investigation, it was found that Fe0 achieves a comparable capacity to a commercial adsorbent like granular ferric hydroxide (GFH). The removal of Cu2+ and Zn2+ by Fe0 takes place through an array of rate-limiting steps including iron oxidation, iron (oxy)hydroxide precipitation and metal adsorption/co-precipitation. Cu2+ is directly or indirectly reduced by Fe0 and/or dissolved, structured Fe2+, and forms Cu0 and Cu2O as reduction products. The removal of Zn2+ is mainly due to the adsorption and co-precipitation processes. Results of batch kinetic tests using showed that when the solution is low in DO, T, pH, IS or reactions take place under high metal and DOC concentrations, the removal rate of Zn2+ dramatically decreases. The breakthrough column tests showed that the exhaustion of zinc occurred more rapidly than copper; yielding a metal loading capacity of an average 76 mg g-1 Fe0 for copper (with min: 55 and max: 96 mg g-1) and 55 mg g-1 Fe0 for zinc (min: 22, max: 69 mg g-1). Increased pH and temperature generally favor faster retention rates of copper and zinc, whereas increases in DO and conductivity of the solution hinder the removal of copper in the column system. Among parameters studied, NOM shows to be the most influent compound that results in a dramatically decreased metal uptake rate. Inhibition of NOM on the removal of metals by Fe0 was due to competitive adsorption, metal-ligand complexes and the inhibition that was caused by surface coverage of iron corrosion products. The NOM fraction that mainly interacts with metals is a larger size hydrophobic fraction with high aromaticity. With aims to upscale the treatment process and to be able to simulate the breakthrough curves at various scenarios, a pore-surface diffusion model (PSDM) was attempted. Generally, the PSDM can adequately capture most of the determined curves but at increased NOM concentration, an over prediction of the curve was observed. Following the test and modeling at various scenarios, optimization of the processes was carried out by incorporating Fe0 with calcite, dolomite and magnesite media. The recommended system for on-site treatment of metal-contaminated runoffs consisted of columns filled with spiral shaped irons followed by an aeration unit and post filtration of pumice/dolomite. According to the test, about 60-100 and 30-80 % of metal concentrations could be removed at an EBCT of 5 and 1 min EBCT, respectively. A longer EBCT will yield a better performance. For practical operations, carbonate materials tend to be passivated by various minerals and biofilms. An occasional backwash in order to reactivate the surface of materials inside and to maintain the hydraulic conductivity of the system is required. Finally, cost analysis showed that Fe0 is a suitable medium for stormwater runoff treatment
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-26451
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2747
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2450
Exam Date: 23-Apr-2010
Issue Date: 29-Apr-2010
Date Available: 29-Apr-2010
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Dachablauf
Elimination
Metalldach
Rückhaltung
Schwermetallbelastung
Adsorption
Metal roof
NOM
Roof runoff
Runoff
Treatment
Zero-valent iron
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/de/
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