The Possibility of Using UV Absorbance Measurements to Interpret the Results of Organic Matter Removal in the Biofiltration Process

• Autorzy: Holc D. , Pruss A. , Komorowska-Kaufman M.

Warianty tytułu

PL

Możliwość wykorzystania pomiarów absorbancji UV do interpretacji wyników usuwania materii organicznej w procesie biofiltracji

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Natural organic matter (NOM) found in natural waters, is a heterogeneous mixture of compounds, still undiscovered from a chemical point of view. Standard water quality indicators, such as chemical oxygen demand (COD), dissolved organic carbon (DOC), UV₂₅₄, pH and others, do not provide information about the nature of NOM, such as molar mass or hydrophobicity. UV absorbance at different wavelengths is becoming more and more useful for characterizing NOM. UV absorption is a popular and relatively simple indicator determining the content of organic pollutants in water. The functional groups of organic compounds absorbing UV and VIS radiation are chromophores. It is believed that different chromophores are identified by different wavelengths. The UV absorbance at 220 nm is associated with both carboxylic and aromatic chromophores, while UV absorption at 254 nm is typical of aromatic groups with different degrees of activity. From the absorbance it is possible to determine the total content of dissolved organic carbon and organic compounds with a high content of aromatic rings that are precursors of by-products of disinfection or oxidation. It was also noticed that the relationships between two different wavelengths, such as: 254 nm/204 nm, 254 nm/436 nm, or 250 nm/365 nm, can characterize NOM. This article, presents the results of research on the use of UV absorbance at different wavelengths to interpret transformations of organic compounds in biologically active carbon filters (BAF). The analysis of these results complements the information published in 2016 (Holc et al 2016a, b). Research on the effectiveness of organic compounds removal in the biofiltration process was carried out on a pilot scale. The test stand consisted of two filtration columns with a diameter of 100 mm and a height of 3.0 m, filled with granulated activated carbon WG-12. The filters were fed with dechlorinated tap water. The filter columns differed from each other in the manner of activation of the filter bed. The effectiveness of organic substances elimination from water was assessed using the following parameters: pH, dissolved oxygen (DO) concentration, alkalinity, chemical oxygen demand (COD KMnO4), total organic carbon (TOC) and UV absorbance for the following wavelengths: 204 nm, 254 nm, 365 nm and 436 nm.In the research, it was noticed that as a result of filtration of water through the BAF bed, the absorbance value of UV254 decreased even to 0 cm^-1, which indicates very high efficiency of removing organic pollutants. During the research, was observed the correlation between the absorbance value measured at different wavelengths. There were very low values of the absorbance ratio: UV₂₅₄/UV₂₀₄ and UV₂₅₄/UV₄₃₆in both filter columns, which indicates effective removal of aromatic organic compounds from water through biodegradation.

PL

Naturalna materia organiczna (NOM), czyli substancje organiczne występujące w wodach naturalnych, to heterogeniczna mieszanina związków, wciąż nieodkryta z chemicznego punktu widzenia. Standardowe wskaźniki jakości wody, takie jak chemiczne zapotrzebowanie na tlen (ChZT), rozpuszczony węgiel organiczny, absorbancja UV₂₅₄, pH i inne, nie dostarczają wystarczających informacji o charakterze NOM, takich jak masa molowa, czy hydrofobowość. Do scharakteryzowania NOM coraz bardziej przydatna okazuje się absorbancja UV dla różnych długości fal. Absorpcja UV jest popularnym i względnie prostym wskaźnikiem określającym zawartość zanieczyszczeń organicznych w wodzie. Grupy funkcyjne związków organicznych pochłaniających promieniowanie UV i VIS to chromofory. Uważa się, że różne chromofory są identyfikowane przez różne długości fal. Absorbancja UV przy długości 220 nm jest związana zarówno z chromoforami karboksylowymi jak i aromatycznymi, podczas gdy absorpcja UV przy długości 254 nm jest typowa dla grup aromatycznych o różnych stopniach aktywności. Na podstawie wartości absorbancji można określić całkowitą zawartość rozpuszczonego węgla organicznego i związków organicznych o wysokiej zawartości pierścieni aromatycznych, które uważa się za prekursory ubocznych produktów dezynfekcji lub utleniania. Zauważono także, że zależności występujące między dwoma różnymi długościami fal, jak na przykład: 254 nm/204 nm, 254 nm/436 nm, czy 250 nm/365 nm, pomagają w charakteryzowaniu NOM. W artykule przedstawiono wyniki badań nad wykorzystaniem absorbancji UV o różnych długościach fal do interpretacji przekształceń związków organicznych w biologicznie aktywnych filtrach węglowych (BAF). Analiza tych wyników stanowi uzupełnienie informacji opublikowanych w 2016 roku (Holc i in. 2016a, b). Badania nad efektywnością usuwania związków organicznych w procesie biofiltracji prowadzono w skali pilotowej. Stanowisko badawcze stanowiły dwie kolumny filtracyjne o średnicy 100 mm oraz wysokości 3,0 m, wypełnione granulowanym węglem aktywnym WG-12. Filtry zasilano dechlorowaną wodą wodociągową. Kolumny filtracyjne różniły się między sobą sposobem aktywacji złoża filtracyjnego. Skuteczność eliminacji substancji organicznych z wody oceniano za pomocą następujących parametrów: pH, tlen rozpuszczony, zasadowość, utlenialność, OWO, absorbancję UV dla kilku długości fal: 204 nm, 254 nm, 365 nm i 436 nm. W trakcie prowadzonych badań zauważono, że w wyniku filtracji wody przez złoże BAF, wartość absorbancji UV₂₅₄ obniżyła się nawet do 0 cm^-1, co świadczy o bardzo wysokiej efektywności usuwania zanieczyszczeń organicznych. W trakcie przeprowadzonych badań zaobserwowano także korelację między wartościami absorbancji mierzonymi dla różnych długości fal. W obu kolumnach filtracyjnych odnotowano bardzo niskie wartości stosunku absorbancji: UV₂₅₄/UV₂₀₄ i UV₂₅₄/UV₄₃₆, co wskazuje na skuteczne usuwanie aromatycznych związków organicznych z wody poprzez biodegradację.

Słowa kluczowe

EN

biofiltration; biologically active filter; BAF; organic compounds; pilot scale technological investigation; UV absorbance

PL

biofiltracja; filtry biologicznie aktywne; związki organiczne; badania technologiczne w skali pilotowej; absorbancja w UV

• Wydawca: Politechnika Koszalińska
• Czasopismo: Rocznik Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2018
• Tom: Tom 20, cz. 1
• Strony: 326--341
• Opis fizyczny: Bibliogr. 29 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Holc D.

• Poznan University of Technology

autor

Pruss A.

• Poznan University of Technology

autor

Komorowska-Kaufman M.

• Poznan University of Technology

Bibliografia

• 1. Baghoth, S.A., Sharma, S.K., Guitard, M., Heim, V., Croue, J.P. (2011). Removal of NOM-constituents as characterized by LC-OCD and F-EEM during drinking water treatment. Journal of Water Supply: Research and Technology-AQUA, 60(7), 412-424.
• 2. Gibert, O., Lefevre, B., Fernandez, M., Bernat, X., Paraira, M., Pons, M. (2013). Fractionation and removal of dissolved organic carbon in a full-scale granular activated carbon filter used for drinking water production. Water Research, 47, 2821-2829.
• 3. Gibert, O., Lefevre, B., Teuler, A., Bernat, X., Tobella, J. (2015). Distribution of dissolved organic matter fraction along several stages of a drinking water treatment plant. Water Process Engineering, 6, 64-71.
• 4. Holc, D., Pruss, A., Michałkiewicz, M., Cybulski, Z. (2016). Efektywność usuwania związków organicznych podczas oczyszczania wody w procesie filtracji przez biologicznie aktywny filtr węglowy z identyfikacją mikroorganizmów (Effectiveness of Organic Compounds Removing During Water Treatment by Filtration Through a Biologically Active Carbon Filter with the Identification of Microorganisms). Rocznik Ochrona Środowiska, 18(2), 235-246.
• 5. Holc, D., Pruss, A., Michałkiewicz, M., Cybulski, Z. (2016). Przyspieszenie wpracowania filtrów węglowych – doświadczenia z badań technologicznych w skali pilotowej (Acceleration of carbon filters activation - experiments of pilot scale technological investigations). [In:] Dymaczewski Z., Jeż-Walkowiak J., Urbaniak A. (eds.) Water Supply and Water Quality, Kudowa Zdrój: PZITS Poznań, 683-703.
• 6. Huber, S., Balz, A., Abert, M., Pronk, W. (2011). Characterization of aquatic humic and non-humic matter with size-exclusion chromatography – organic carbon detection – organic nitrogen detection (LC-OCD-OND). Water Research, 45, 879-885.
• 7. Hur, J., Williams, M., Schlautman, M. (2006). Evaluating spectroscopic and chromatographic techniques to resolve dissolved organic matter via end member mixing analysis. Chemosphere, 63, 387-402.
• 8. Kim, H., Yu, M. (2007). Characterization of aquatic humic substances to DBPs formation in advanced treatment processes for conventionally treated water. Journal of Hazardous Materials, 143, 486-493.
• 9. Kołaski, P., Wysocka, A., Pruss, A., Lasocka-Gomuła, I., Michałkiewicz, M., Cybulski, Z. (2017). Usuwanie związków organicznych podczas filtracji wody przez złoża biologicznie aktywnych filtrów węglowych – badania w skali technicznej (Removal of organic compounds during water filtration through biologically active carbon filter beds – technical studies). [In:] Bergier T., Włodyka-Bergier A. (eds.) Dezynfekcja wody; zagrożenia, wyzwania, nowe technologie. Kraków: Wydawnictwa AGH, 195-201.
• 10. Kołaski, P., Wysocka, A., Pruss, A., Lasocka-Gomuła, I., Michałkiewicz, M., Cybulski, Z. (2018). Usuwanie związków organicznych podczas filtracji wody przez złoża biologicznie aktywnych filtrów węglowych – badania w skali technicznej. (Removal of organic compounds during water filtration through biologically active carbon filter beds – technical studies). Technologia wody, 4 (60) – in press.
• 11. Komorowska-Kaufman, M., Ciesielczyk, F., Pruss, A., Jesionowski, T. (2018). Effect of sedimentation time on the granulometric composition of suspended solids in the backwash water from activated carbon biological filters, 10th Conference on Interdisciplinary Problems in Environmental Protection and Engineering EKO-DOK 2018, E3S Web of Conferences, 44, 00072-1-00072-8.
• 12. Korshin, G., Chow, C., Fabris, R., Drikas, M. (2009). Absorbance spectroscopybased examination of effects of coagulation on the reactivity of fractions of natural organic matter with varying apparent molecular weights. Water Research, 43, 1541-1548.
• 13. Matilainen, A., Vepsalainen, M., Sillanpaa, M. (2010). Natural organic matter removal by coagulation during drinking water treatment: A review. Advances in Colloid and Interface Science, 159, 189-197.
• 14. Mądrecka, B., Komorowska-Kaufman, M., Pruss, A., Holc D. (2018). Metabolic activity tests in organic matter biodegradation studies in biologically active carbon filter beds. [In:] Sobczuk H., Kowalska B. (eds.) Water Supply and Wastewater Disposal, Lublin: Lublin University of Technology, 163-177.
• 15. Mołczan, M., Szlachta, M., Karpińska, A., Biłyk, A. (2006). Zastosowanie absorbancji właściwej w nadfiolecie (SUVA) w ocenie jakości wody (Application of ultraviolet absorbance (SUVA) in water quality assessment). Ochrona Środowiska, 28(4), 11-16.
• 16. Nowacka, A., Włodarczyk-Makuła, M. (2012). Zmiany adsorbancji w nadfiolecie (UV254) w wodzie w procesach uzdatniania (Changes in ultraviolet (UV254) adsorption in water in the treatment process). LAB Laboratoria, Aparatura, Badania, 17(1), 28-31.
• 17. Olesiak, P., Stępniak, L. (2014). Metody intensyfikacji procesu sorpcji w uzdatnianiu wody (Methods of sorption intensification in water treatment). [In:] Traczewskiej T. M., Kazimierczak B. (eds) Interdyscyplinarne zagadnienia w inżynierii i ochronie środowiska, Vol. 4, Wrocław: Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 621-634.
• 18. Papciak, D., Kaleta, J., Puszkarewicz, A., Tchorzewska-Cieślak, B. (2016). The use of biofiltration process to remove organic matter from groundwater. Journal of Ecological Engineering, 17(3), 119-124.
• 19. Pruss, A., Maciołek, A., Lasocka-Gomuła, I. (2009). Wpływ aktywności biologicznej złóż węglowych na skuteczność usuwania związków organicznych z wody (Effect of biological activity of carbon deposits on the effectiveness of removal of organic compounds from water). Ochrona Środowiska, 31(4), 31-34.
• 20. Pruss, A. (2015). Selection of the Surface Water Treatment Technology – a Full Scale Technological Investigation. Water Science and Technology, 71(4), 638-644.
• 21. Pruss, A., Komorowska-Kaufman, M., Mądrecka, B. (2018). The impact of the contact time on the effectiveness of organic compounds removal from water – pilot scale investigation. [In:] Sobczuk H., Kowalska B. (eds.)
• 22. Water Supply and Wastewater Disposal, Lublin: Lublin University of Technology, 251-262.Simpson, D. R. (2008). Biofilm processes in biologically active carbon water purification. Water Research, 42, 2839-2848.
• 23. Szerzyna, S., Mołczan, M., Wolska, M., Adamski, W., Wiśniewski, J. (2017). Absorbance based water quality indicators as parameters for treatment process control with respect to organic substance removal, 9th Conference on Interdisciplinary Problems in Environmental Protection and Engineering EKO-DOK 2017, E3S Web of Conferences, 17, 00091-1-00091-8.
• 24. Szuster-Janiaczyk, A. (2016). Ocena mikrobiologiczna osadów wodociągowych, na przykładzie wybranego Systemu Zaopatrzenia w Wodę (Microbiological evaluation of water supply sludge, on the example of the selected Water Supply System.), Rocznik Ochrona Środowiska, 18 (2), 815-827.
• 25. Włodyka-Bergier, A., Bergier, T., Kowalewski, Z., Grygar, M. (2016). Influence of modernization of disinfection method on drinking water microbial stability in Raba water distribution system in Krakow, Polish Journal of Environmental Studies, 25, 96-99.
• 26. Wolborska, A., Zarzycki, R., Cyran, J., Grabowska, H., Wybór, M. (2003). Ocena biologicznej aktywności filtrów węglowych w uzdatnianiu wód powierzchniowych na przykładzie wodociągu "Sulejów-Łódź" (Evaluation of biological activity of carbon filters in surface water treatment on the example of "Sulejów-Łódź" water supply system). Ochrona Środowiska, 25(4), 27-32.
• 27. Wolska, M. (2014). Removal of precursors of chlorinated organic compounds in selected water treatment processes. Desalination and Water Treatment, 52 (19-21), 3938–3946.
• 28. Valencia, S., Marin, J. M., Restrepo, G., Frimmel, F. H. (2012). Application of excitation-emission fluorescence matrices and UV/Vis absorption to monitoring the photocatalytic degradation of commercial humic acid. Science of the Total Environment, 442 (2013), 207-214.
• 29. Yan, M., Korshin, G., Wangc, D., Cai, Z. (2012). Characterization of dissolved organic matter Rusing high-performance liquid chromatography (HPLC)-size exclusion chromatography (SEC) with a multiple wavelength absorbance detector. Chemosphere, 87, 879-885.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).