Loading…
Einfluss algenbürtiger Stoffe auf Flockungs- und Adsorptionsprozesse in der Wasseraufbereitung
Mania, Mirko
In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss unterschiedlicher Fraktionen natürlicher organischer Stoffe (NOM) auf Oxidations-, Koagulations- und Adsorptionsprozesse bei der Trinkwasseraufbereitung aus Oberflächenwasser untersucht. Natürliche organische Stoffe sind oftmals die Ursache für eine Verschlechterung der Partikelentfernung in der Flockung und für die Bildung von Desinfektionsnebenprodukten bei der Chlorung des Wassers. Bei den NOM handelt es sich um eine heterogene Stoffgruppe, deren Fraktionen die Verfahren der Wasseraufbereitung unterschiedlich stark beeinflussen. Besonderes Augenmerk gilt bei den Untersuchungen dem Verhalten der wichtigen Stoffgruppen Polysaccharide und Huminstoffe bei Oxidations-, Koagulations- und Adsorptionsprozessen. Es werden hierfür sowohl NOM aus Berliner Oberflächenwasser und dem Suwannee River (USA) als auch aus Algenkulturen verwendet. Algenbürtige Polysaccharide im Rohwasser bewirken ab Konzentrationen von 0,25 mg/L eine massive Verschlechterung der Koagulation, bei Huminstoffen ist die Störung hingegen als moderat einzuschätzen. Wässer mit hohem Huminstoffanteil weisen eine deutlich höhere Ozonzehrung auf als Wässer, die durch algenbürtige Stoffe gekennzeichnet sind. Die Huminstoffe werden bei der Ozonung zu Bruchstücken kleinerer Molekülgröße, den Huminstoff-Hydrolysaten, oxidiert. Das Aufbrechen der glykosidischen Bindungen der Polysaccharide dauert im Vergleich dazu länger. Der koagulationsunterstützende Effekt der Vorozonung ist bei Polysacchariden trotz der niedrigeren Reaktionsgeschwindigkeit höher als bei Huminstoffen. Offensichtlich reicht eine leichte Verringerung der Dicke der organischen Coatingschicht um die Partikel aus, um die Flockungseigenschaften zu verbessern. Langkettige Polysaccharide wirken im niedrigen Konzentrationsbereich als Flockungshilfsmittel. Eine Vorozonung führt hier zur Verkürzung der Kettenlänge, die einen Anstieg der Trübung nach der Flockungsfiltration zur Folge hat. Eine günstige Alternative zur Vorozonung kann bei huminstoffhaltigen Wässern die Oxidation mit Wasserstoffperoxid in Verbindung mit der Flockung mit Fe3+-Salzen darstellen. Die Dosierung des H2O2 erfolgt nach der Fe3+-Einmischung, wobei H2O2/Fe3+-Verhältnisse von 1 nicht überschritten werden sollten. Höhere Anteile an algenbürtigen NOM im DOC wirken sich negativ auf das Verfahren aus. Die Voroxidation mit Kaliumpermanganat oder Natriumperoxodisulfat bewirkt keine eindeutige bzw. nur eine geringe Koagulationsverbesserung. Eine Freisetzung von Algentoxinen wurde bei keinem Oxidationsmittel beobachtet. Die Gleichgewichtsbeladung für NOM aus natürlichem Oberflächenwasser an Granuliertem Eisenhydroxid (GEH) liegt bei pH 8 im Bereich von 20 bis 30 mg DOC pro g GEH. Der nicht adsorbierbare Anteil beträgt etwa 35 % des DOC. Mit den Polysacchariden und den Huminstoffen werden bevorzugt die höhermolekularen Fraktionen des DOC adsorbiert. Bei der Regeneration des GEH mit NaOH oder H2O2 sind massive Verluste an Adsorptionskapazität zu verzeichnen, deren Ursache in der irreversiblen Adsorption der makromolekularen Polysaccharide zu finden ist. Für die adsorptive Entfernung von Microcystin ist GEH aufgrund zu geringer Gleichgewichtsbeladungen nicht geeignet.
In this study, the effect of different fractions of natural organic matter (NOM) on preoxidation, coagulation and adsorption processes in drinking water treatment from surface water has been investigated. In the majority of cases, natural organic matter causes a less efficient particle removal by coagulation. Additionally, chlorination of waters high in NOM may cause the formation of disinfection by-products. NOM is comprised of a heterogeneous mixture of compounds with the various NOM fractions showing a different influence on water treatment processes. These investigations focus on the influence of polysaccharides and humic substances on oxidation, coagulation and adsorption processes. In laboratory- and pilot-scale experiments, different NOM containing waters were used: a typical eutrophic raw water from the inner city of Berlin (Landwehrkanal), model solutions of a humic standard (Suwannee River - NOM) and polysaccharidic NOM extracted from a culture of cyanobacteria. Polysaccharides at concentrations above 0.25 mg/L cause a massive decrease of coagulation performance, compared to a moderate decrease caused by humic substances. The ozone demand of water with a high content of humic substances is significantly higher than of water rich in polysaccharidic NOM. As a result of ozonation, the humic substances are cracked into molecules of lower molecular weight, called building blocks. In comparison to that, the breakage rate of glycosidic bonds is lower. Despite of the lower ozone reaction rate of polysaccharides, the effect of enhanced particle separation due to ozonation is significantly higher than in humic waters. Apparently, only a slight reduction in the thickness of the particle coating layer increases the coagulation rate. At low concentrations, long chain polysaccharides act as a flocculant aid. A preozonation leads to shorter chain lengths and in consequence to a turbidity increase after flocculation. A potential alternative to preozonation, especially for waters with a high content of humic substances, is oxidation by hydrogen peroxide in combination with coagulation using ferric salts. Regarding the order of dosage, ferric coagulants have to be added first, followed by hydrogen peroxide. H2O2/Fe3+ ratios of 1 should not be exceeded. A higher content of algogenic organic matter impairs the performance of simultaneous oxidation by hydrogen peroxide. Preoxidation using potassium permanganate or sodium peroxodisulfate has no or only a slight effect on coagulation performance. A release of cyanobacterial toxins was not observed in any of the experiments. At pH 8, equilibrium loadings of 20 to 30 mg DOC per g of granular ferric hydroxide (GFH) material were observed. The non-adsorbable fraction amounted to approximately 35 % of DOC. The high molecular fractions polysaccharides and humic substances are preferably adsorbed. During regeneration of GFH material using sodium hydroxide or hydrogen peroxide solution, a massive decrease in reloading capacity was observed, caused by irreversible adsorption of macromolecular polysaccharides. GFH proved to be unsuitable for the removal of microcystin due to low equilibrium loadings.
