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Impacts of background organic matter on organic micro-pollutant adsorption onto activated carbon
Zietzschmann, Frederik
ITU-Schriftenreihe
Adsorption using powdered or granular activated carbon (PAC, GAC) is an advanced treatment for the removal of organic micro-pollutants (OMP) from waters like drinking waters (DW) or wastewater treatment plant (WWTP) effluents. Such waters contain background organic matter (BOM) which can adsorb at the same time as OMP. This competitive adsorption adversely affects OMP removals. The present study aims at advancing PAC and GAC laboratory tests for a more profound characterization of competitive adsorption in different waters, and its prediction using different mathematical and analytical tools.
The high and low molecular weight BOM of WWTP effluent were separated using membrane techniques. Then, the respective impacts on OMP adsorption onto PAC were investigated. The low molecular weight (LMW) organics are the most competitive BOM fraction. In miniaturized GAC filters, the concept of rapid small-scale column tests (RSSCT) was used on WWTP effluent. Among the BOM fractions, the LMW organics have the strongest retention and thus adsorption affinity, underlining their competitiveness. Using ozonation prior to PAC, the aromaticity and hydrophobicity of BOM were shown to crucially impact OMP adsorption. The results imply synergies of ozonation prior to activated carbon treatment.
The influence of the water origin on OMP-BOM adsorption competition was tested with PAC on five DW and seven WWTP effluents. High comparability was ensured by adjusting similar concentration ratios of OMP/BOM in all waters (BOM reflected by dissolved organic carbon — DOC). Within both groups of waters (DW or WWTP effluents), respectively, the relationships between the PAC loadings and the OMP liquid phase concentrations were similar (for a given OMP). Thus, BOM from different DW affects OMP adsorption similarly (the analogue applies to WWTP effluents). In the equivalent background compound (EBC) model, the EBC concentrations correlate with the DOC (DW/ WWTP effluents separately) and the LMW organics concentration (all waters together). OMP adsorption in waters ex-cluded from the correlations could be modelled satisfyingly with the DOC or the LMW organics concentration. In further tests with GAC treating DW and WWTP effluent, the breakthrough curves could be superimposed by using the LMW organics throughput. In addition, the GAC capacity is proportional to the respective OMP influent concentration.
In a PAC performance test, the OMP removals from WWTP effluent by eight PAC correlated with the removals of the surrogate parameter UV254 absorption, mostly independent of the PAC. The UV254 removal also correlated with OMP removals in many other tests of this study. Additional tests were developed for lab-scale investigations of OMP adsorption in multi-stage PAC reuse. A single relationship between the PAC loadings and the liquid phase OMP concentrations appears valid for all stages. Based on this result, a simple modification of the EBC model was developed for assessing the efficiency of PAC reuse.
This study shows the transferability of PAC and GAC adsorption data in different waters. The developed approaches alleviate practical estimations of OMP adsorption in various waters, by using comparatively simple experimental, analytical, and mathematical tools.
Die Adsorption an Pulver- oder granulierte Aktivkohle (PAK, GAK) dient der Entfernung organischer Spurenstoffe aus Wässern wie Trinkwasser (TW) oder Kläranlagenablauf (KAA). Solche Wässer enthalten Hintergrundorganik, die zeitgleich mit den Spurenstoffen adsorbiert. Diese Adsorptionskonkurrenz verschlechtert die Spurenstoff-Entfernung. In der vorliegenden Studie wurden PAK- und GAK-Labormethoden weiterentwickelt, um die Adsorptionskonkurrenz in verschiedenen Wässern zu charakterisieren und mittels mathematischer und analytischer Tools vorherzusagen.
Mittels Membrantechniken wurden höher- und niedermolekulare Hintergrundorganik getrennt. Anschließend wurde der jeweilige Einfluss auf die Spurenstoff-Adsorption an PAK in KAA untersucht. Die niedermolekulare Hintergrundorganik übt die stärkste Adsorptionskonkurrenz aus. In Miniatur-GAK-Filtern wurde das Konzept der rapid small-scale column tests (RSSCT) auf KAA angewendet. Rückhalt und somit Adsorptionsaffinität und Konkurrenzfähigkeit sind bei der niedermolekularen Hintergrundorganik am stärksten. Desweiteren wurde per Vor-Ozonung der Einfluss der Hintergrundorganik-Aromatizität und Hydrophobizität auf die Spurenstoff-Adsorption an PAK gezeigt. Es ergeben sich synergetische Effekte bei einer Ozonung vor Aktivkohleadsorption.
Der Einfluss der Wasserherkunft auf die Adsorptionskonkurrenz zwischen Spurenstoffen und Hintergrundorganik wurde an fünf TW und sieben KAA mittels PAK getestet. Eine hohe Vergleichbarkeit wurde durch ähnliche Verhältnisse an Spurenstoff/ Hintergrundorganik gewährleistet (letztere verkörpert per gelösten organischen Kohlenstoff, DOC). Die Zusammenhänge zwischen PAK-Beladung und wässriger Spurenstoff-Konzentration waren in der jeweiligen Wassergruppe (TW, KAA) ähnlich (für den jeweiligen Spurenstoff). Folglich ist die Beeinträchtigung der Spurenstoff-Adsorption durch die Hintergrundorganik verschiedener TW ähnlich (analoges gilt für KAA). Im equivalent background compound (EBC) Modell korrelieren die modellierten EBC-Konzentrationen mit dem DOC (separate Korrelationen für TW und KAA) und mit der Konzentration der niedermolekularen Hintergrundorganik (alle Wässer gemeinsam). Die Spurenstoff-Adsorption in von den Korrelationen ausgeschlossenen Wässern konnte mittels DOC oder der Konzentration der niedermolekularen Hintergrundorganik modelliert werden. Ferner konnten die GAK-Durchbruchskurven von Spurenstoffen in TW und KAA per Auftragung über den Durchsatz an niedermolekularer Hintergrundorganik überlagert werden. Außerdem ist die GAK-Kapazität proportional zur jeweiligen Spurenstoff-Zulaufkonzentration.
In einem Vergleich von acht PAK korrelieren die Spurenstoff-Entfernungen in KAA weitgehend unabhängig von der PAK mit der Entfernung des Surrogatparameters UV254-Absorption. Auch in anderen Versuchen dieser Studie korreliert die Spurenstoff-Entfernung mit der UV254-Entfernung. Desweiteren wurde ein Test für die Untersuchung der Spurenstoff-Adsorption bei mehrstufiger PAK-Wiederverwendung entwickelt. Zwischen der PAK-Beladung und der wässrigen Spurenstoff-Konzentration besteht in allen Stufen der gleiche Zusammenhang. Das EBC Modell wurde modifiziert, um die Effizienz bei der PAK-Wiederverwendung abzuschätzen.
Diese Studie zeigt die Übertragbarkeit der Spurenstoff-Adsorption an PAK und GAK in verschiedenen Wässern. Die entwickelten Methoden ermöglichen praktische Vorhersagen der Spurenstoff-Adsorption mittels einfacher experimenteller, analytischer und mathematischer Tools.
