Removal of Organic Matter from Water During the Biofiltration Process – a Full Scale Technological Investigation

Kołaski, Piotr; Wysocka, Agnieszka; Pruss, Alina; Lasocka-Gomuła, Iwona; Michałkiewicz, Michał; Cybulski, Zefiryn

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Removal of Organic Matter from Water During the Biofiltration Process – a Full Scale Technological Investigation

Autorzy

Kołaski Piotr , Wysocka Agnieszka , Pruss Alina , Lasocka-Gomuła Iwona , Michałkiewicz Michał , Cybulski Zefiryn

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

Pobierz

Identyfikatory

Warianty tytułu

Usuwanie związków organicznych z wody w procesie biofiltracji – badania w skali technicznej

Języki publikacji

Abstrakty

The research was carried out on the full scale Water Treatment Plant with maximal capacity of 150 000 m³/d. Treated water is characterized by a high content of organic pollutants. In order to eliminate them from water and ensure the biological stability of water in the water supply network, in January 2015 a second stage of water treatment was launched, based on integrated ozonation and filtration through carbon filter beds. Between January and May 2016, samples of water and a filter bed were collected from four carbon filters and then physicochemical and bacteriological analysis were done. The FDA test and biochemical diagnostics were made to prove the microbiological activity of the filter bed. The studies showed a decrease in the content of organic compounds, meassured as TOC and COD (KMnO₄), and the biological activity of the analyzed carbon filters. The carbon filter beds were populated by Pseudomonas fluorescens, Acinetobacter lwoffii, Aeromonas salmonicida and Sphingomonas paucimobilis. In none of the analyzed filters were found strains of the Enterobacteriaceae family which may have a potential threat to health of the consumers. The application of carbon filters has reduced the organic matter content in treated water.

Badania prowadzono w skali technicznej na Stacji Uzdatniania Wody (SUW) o maksymalnej wydajności 150 000 m³/d. Woda dopływająca do SUW charakteryzuje się zawartością specyficznych zanieczyszczeń organicznych. W celu ich eliminacji z wody oraz zapewnienia biologicznej stabilności wody w sieci wodociągowej, w styczniu 2015 r. uruchomiono drugi stopień oczyszczania wody, oparty o zintegrowane procesy ozonowania i filtracji przez złoże węglowe. Co miesiąc, w okresie od stycznia do maja 2016 r., pobierano próbki wody oraz złoża filtracyjnego z czterech filtrów węglowych. Próbki wody pobierano bezpośrednio znad złoża filtracyjnego oraz na odpływie z filtrów. Próbki złoża filtracyjnego pobierano z jego górnej warstwy, w pięciu punktach każdej komory filtracyjnej. Przeprowadzono analizy fizyczno-chemiczne i bakteriologiczne wody oraz złóż filtracyjnych. W celu wykazania aktywności mikrobiologicznej złóż wykonywano test aktywności esteraz z dwuoctanem fluoresceiny FDA. W próbkach wody i węgla aktywnego w celu zidentyfikowania mikroorganizmów prowadzono diagnostykę biochemiczną z wykorzystaniem zautomatyzowanego systemu Vitek 2 Compact (bioMerieux). Przeprowadzone badania wykazały obniżenie zawartości związków organicznych wyrażonych jako OWO i ChZT (KMnO₄) oraz biologiczną aktywność analizowanych filtrów węglowych. Złoża filtrów węglowych zasiedlone były przez Pseudomonas fluorescens, Acinetobacter lwoffii, Aeromonas salmonicida oraz Sphingomonas paucimobilis. W żadnym z analizowanych filtrów nie wyhodowano natomiast szczepów z rodziny Enterobacteriaceae stanowiących potencjalne zagrożenie dla zdrowia konsumentów.Wprowadzenie filtrów węglowych do ciągu technologicznego SUW spowodowało obniżenie zawartości materii organicznej w wodzie uzdatnionej.

Słowa kluczowe

biologically active carbon filters filtration full scale technical investigation identification of microorganisms organic matter water treatment

biologicznie aktywne filtry węglowe badania w skali technicznej filtracja oczyszczanie wody związki organiczne identyfikacja mikroorganizmów

Wydawca

Politechnika Koszalińska

Czasopismo

Rocznik Ochrona Środowiska

Rocznik

2019

Tom

Tom 21, cz. 2

Strony

1136--1155

Opis fizyczny

Bibliogr. 53 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Kołaski Piotr

Poznan University of Technology, Poland

autor

Wysocka Agnieszka

Poznan University of Technology, Poland

autor

Pruss Alina

alina.pruss@put.poznan.pl

Poznan University of Technology, Poland

autor

Lasocka-Gomuła Iwona

AQUANET SA, Poznan, Poland

autor

Michałkiewicz Michał

Poznan University of Technology, Poland

autor

Cybulski Zefiryn

Greater Poland Cancer Center, Poznan, Poland

Bibliografia

1. Adam, G., Duncan, H.,(2001). Development of a sensitive and rapid method for the measurement of total microbial activity using fluorescein diacetate (FDA) in a range of soils. Soil Biology & Biochemistry, 33, 943-951.
2. Battin, T.J. (1997). Assessment of fluorescein diacetate hydrolysis as a measure of total esterase activity in natural stream sediment biomass. The Science of the Total Environment, 198, 51-60.
3. Breeuwer, P., Abee, T. (2000). Assessment of viability of microorganisms employing fluorescence techniques. International Journal of Food Microbiology, 55, 193-200
4. de Vera, G.A., Gerrity, D., Stoker, M., Frehnera, W. Wert, E.C. (2018). Impact of upstream chlorination on filter performance and microbial community structure of GAC and anthracite biofilters, Environmental Science Water Research & Technology, 4, 1133-1144.
5. Domoń, A., Papciak, D., Tchórzewska-Cieślak, B., PietPietrucha-Urbanik, K., (2018) Biostability of tap water-A qualitative analysis of health risk in the example of groundwater treatment (semi-technical scale). Water, 10(12), 1764.
6. Elhadidy, A.M., Van Dyke, M.I., Chen, F., Peldszus, S., Huck, P.M. (2017). Development and application of an improved protocol to characterize biofilms in biologically active drinking water filters. Environmental Science: Water Research and Technology, 3, 249-261.
7. Gerrity, D., Arnold, M., Dickenson, E., Moser, D., Sackett, J. D. Wert, E. C. (2018). Microbial community characterization of ozone-biofiltration systems in drinking water and potable reuse applications, Water Res., 135, 207-219.
8. Gibert, O., Lefevre, B., Fernandez, M., Bernat, X., Paraira, M., Calderer, M., Martinez- Llado, X. (2013). Characterizing biofilm development on granular activated carbon used for drinking water production. Water Research, 47, 1101-1110.
9. 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.
10. Green, V.S., Stott, D.E., Diack, M. (2006). Assay for fluorescein diacetate hydrolytic activity: Optimization for soil samples. Soil Biology & Biochemistry, 38, 693-701
11. Holc, D., Pruss, A., Komorowska-Kaufman, (2018). The Possibility of Using UV Absorbance Measurements to Interpret the Results of Organic Matter Removal in the Biofiltration Process, Rocznik Ochrona Środowiska, 20, 326-341.
12. Holc, D., Pruss, A., Michałkiewicz, M., Cybulski, Z. (2016). 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.
13. 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.
14. Kaarela, O. E., Harkki, H. A., Palmroth, M. R. T., Tuhkanen, T. A. (2015). Bacterial diversity and active biomass in full-scale granular activated carbon filters operated at low water temperatures. Environmental Technology, 36(6), 681-692.
15. Kiedryńska, L. (2004). Zasiedlanie granulowanych węgli aktywnych przez mikroorganizmy w procesie uzdatniania wody. (Water treatment involving granular active carbon filters: Problem of bacterial colonization). Environmental Pollution Control, 26(1), 39-42.
16. Kijowska, E., Leszczyńska, M., Sozański, M.M. (2001) Metabolic activity test in investigation of biodegradation in biological filters. Water, Science & Technology: Water Supply, 1(2), 151-158.
17. Kołaski, P, Wysocka, A, Pruss, A, Lasocka-Gomuła, I, Michałkiewicz, M, Cybulski, Z (2017). Usuwanie związków organicznych podczas filtracji wody. In: Bergier T, Włodyga Bergier A (ed) Dezynfekcja wody: zagrożenia, wyzwania, nowe technologie. AGH, Kraków, 195-201.
18. 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. Technologia Wody, 5(61), 8-15.
19. Kołwzan, B. (2011). Analiza zjawiska biofilmu – warunki jego powstawania i funkcjonowania. (Analysis of biofilms – their formation and functioning). Environmental Pollution Control, 33(4), 3-14.
20. Laurent, P., Prevost,M., Cigana, J., Niquette, P., Servais, P. (1999). Biodegradable organic matter removal in biological filters: evaluation of the Chabrol Model. Water Research, 33, 1387-1398.
21. Lautenschlager, K., Hwang, C., Ling, F., Liu, W.-T., Boon, N., Koster, O., Egli, T. Hammes, F., (2014). Abundance and composition of indigenous bacterial communities in a multi-step biofiltration-based drinking water treatment plant, Water Res., 62, 40-52.
22. Leszczyńska, M., Oleszkiewicz, J.A., (1996) Application of the fluoresceine diacetate hydrolysis as an acute toxicity test. Environmental Technology, 17(1), 79-85.
23. Liao, X, Chen, C, Chang, C-H, Wang, Z, Zhang, X, Xie ,S. (2012). Heterogeneity of microbial community structures inside the up-flow biological activated carbon (BAC) filters for the treatment of drinking water. Biotechnol Bioprocess Eng., 17, 881-886.
24. Liao, X., Chen, C., Wang, Z., Wan, R., Chang, C.-H., Zhang, X. Xie, S. (2013). Changes in biomass and bacterial communities in biological activated carbon filters for drinking water treatment, Process Biochem., 48, 312-316.
25. Lin, W., Yu, Z., Zhang, H. Thompson, I. P. (2014). Diversity and dynamics of microbial communities at each step of treatment plant for potable water generation, Water Res., 52, 218-230.
26. Liu, C., Olivares, C. I., Pinto, A. J., Lauderdale, C. V., Brown, J., Selbes, M. Karanfil, T., (2017). The control of disinfection byproducts and their precursors in biologically active filtration processes, Water Res., 124, 630-653.
27. Lu, S, Liu, J, Li ,S, Biney, E. (2013). Analysis of up-flow aerated biological activated carbon filter technology in drinking water treatment. Environ Technol., 34, 2345-2351.
28. Mądrecka, B., Komorowska-Kaufman, M., Pruss, A., Holc, D. (2018). Metabolic activity tests in organic matter biodegradation studies in biologically active carbon filter beds. W: Water Supply and Wastewater Disposal / red. Henryk Sobczuk, Beata Kowalska – Lublin, Polska : Politechnika Lubelska, 163-177.
29. Mołczan, M. (2006). Podstawy modelowania matematycznego procesu adsorpcji-biodegradacji w biologicznie aktywnych złożach granulowanych węgli aktywnych. (Principles to mathematical modeling of the adsorption-biodegradation process in granular active carbon beds). Environmental Pollution Control, 3, 9-14.
30. Oh, S., Hammes, F. Liu, W.-T., (2018). Metagenomic characterization of biofilter microbial communities in a full scale drinking water treatment plant, Water Res., 128, 278-285.
31. Olesiak, P., Stępniak, L. (2014). Metody intensyfikacji procesu sorpcji w uzdatnianiu wody, Interdyscyplinarne zagadnienia w inżynierii i ochronie środowiska. (Methods of sorption intensification in water treatment) Praca zbiorowa pod red. Traczewskiej T. M., Kazimierczak B., Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław.
32. Outi, E. Kaarela, Heli, A. Härkki, Marja R.T. Palmroth & Tuula A. Tuhkanen (2015). Bacterial diversity and active biomass in full-scale granular activated carbon filters operated at low water temperatures, Environmental Technology, 36(6), 681-692, DOI: 10.1080/09593330.2014.95854
33. Papciak, D., Kaleta, J., Puszkarewicz, A., Tchorzewska-Ciślak, B. (2016). The use of biofiltration process to remove organic matter from groundwater. Journal of Ecological Engineering, 17(3), 119-124.
34. PN-EN ISO 6222:2004 Water quality – Quantitative determination of growth-promoting microorganisms – Determination of the total number of colonies by culture on nutrient agar.
35. Prest, EI, Hammes, F, van Loosdrecht, MCM and Vrouwenvelder, JS (2016). Biological Stability of Drinking Water: Controlling Factors, Methods, and Challenges. Front. Microbiol. 7:45. doi: 10.3389/fmicb.2016.00045
36. Pruss, A, Pruss, P, Jedrzejczak, A (2011). Hydraulic Losses Generated by Modern Drainage Systems During Backwash of Rapid Filters. Ochr Sr, 33(4), 47-48.
37. Pruss, A., Maciołek, A., Lasocka-Gomuła, I. (2009). Wpływ aktywności biologicznej złóż węglowych na skuteczność usuwania związków organicznych z wody.( Effect of the biological activity of carbon filter beds on organic matter removal from water). Environmental Pollution Control, 4, 31-34.
38. Pruss, A. (2015). Selection of the Surface Water Treatment Technology – a Full Scale Technological Investigation. Water Science and Technology, 71(4), 638-644.
39. Pruss, A., Pruss. P. (2016). Effectiveness of Organic Compounds Removing During Water Treatment by Filtration Through a Biologically Active Carbon Filter with the Identification of Microorganisms. Environmental Pollution Control, 38, 25-28.
40. Rosińska, A., Rakocz, K. (2013). The Role of the Biodegradable Organic Matter in the Water Disinfection. Inżynieria i Ochrona Środowiska, 4, 511-521.
41. Seredyńska-Sobecka, B., Tomaszewska, M., Janus, M., Morawski, A. (2006). Biological activation of carbon filters. Water Research, 40, 355-363.
42. Shaw, J. L., Monis, P., Fabris, R., Ho, L., Braun, K., Drikas, M. Cooper, A., (2014). Assessing the impact of water treatment on bacterial biofilms in drinking water distribution systems using high-throughput DNA sequencing, Chemosphere, 117, 185-192.
43. Simpson, D. (2008). Biofilm processess in biologically active carbon water purification. Water Research, 42, 2839-2848.
44. Szuster-Janiaczyk, A. (2016). The Microbiological Evaluation of Deposits Come from Water Network on the Example of Selected Water Supply System. Rocznik Ochrona Środowiska, 18(2), 815-827.
45. Tian, J., Lu, J., Zhang, Y., Li J.-C. Sun, L.-C., Hu, Z.-L. (2014). Microbial community structures and dynamics in the O3/ BAC drinking water treatment process, Int. J. Environ. Res. Public Health, 11, 6281-6290.
46. Velten, S., Boller, M., Koster, O., Helbing, J., Weilenmann, H., Hammes, F. (2011). Development of biomass in a drinking water granular active carbon (GAC) filter. Water Research, 45, 6347-6354.
47. 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.
48. Włodyka-Bergier, A., Bergier, T. (2011). A1 The influence of organic matter quality on potential of volatile organic water chlorination products formation. Rocznik Ochrona Środowiska, 13, 25-35.
49. Wołowiec, M., Komorowska-Kaufman, M., Pruss, A, Rzepa, G., Bajda, T. (2019). Removal of Heavy Metals and Metalloids from Water Using Drinking Water Treatment Residuals as Adsorbents: A Review, Minerals, 9(8), 487-487-17.
50. Wołowiec, M., Pruss, A, Komorowska-Kaufman, M., Rzepa, G., Bajda, T. (2019). The properties of sludge formed as a result of coagulation of backwash water from filters removing iron and manganese from groundwater. SN Applied Sciences, 1(6), 639- 1-639-10.
51. Wolska, M. (2014). Removal of precursors of chlorinated organic compounds in selected water treatment processes. Desalination and Water Treatment, 52, 3938-3946.
52. Wolska, M., Urbanska-Kozłowska, H., Mołczan, M. (2019). Introduction of an adsorption process into a surface water treatment system and its effect on disinfectant use. Water Science and Technology. Water Supply, 19(5), 1354-1362.
53. Zimoch, I., Szostak, A. (2006). Estimation of carbon filters operation in Goczałkowice Water Treatment Plant. Węgiel aktywny w ochronie środowiska i przemyśle, 247-258.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-a472ba39-7d98-4403-80d4-81655db210cf