Wpływ procesów utleniania i biodegradacji na zmianę struktury substancji organicznych naturalnie występujących w wodzie

• Autorzy: Świetlik J. , Raczyk-Stanisławiak U. , Nawrocki J.

Warianty tytułu

EN

Effect of Pre-Oxidation Followed by Biodegradation on the Molecular Weight Distribution of Natural Organic Matter

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy określono i porównano zmiany w rozkładzie mas cząsteczkowych substancji organicznych naturalnie występujących w wodzie pod wpływem silnych utleniaczy stosowanych w oczyszczaniu wody, tj. ozonu, dwutlenku chloru i chloru oraz określono wpływ wstępnego utleniania na efektywność biodegradacji substancji organicznych. Zmiany w rozkładzie mas cząsteczkowych substancji organicznych poddawanych następującym po sobie procesom utleniania i biodegradacji przeanalizowano wykorzystując chromatografię wykluczania (SEC). Przy wykorzystaniu tej samej techniki badano również podatność na utlenianie i biodegradację frakcji substancji organicznych o określonych masach cząsteczkowych. Ponadto, dla analizowanych wód naturalnych i modelowych, określono ilości powstającego w tym procesie biodegradowalnego węgla organicznego (BRWO) przy wykorzystaniu metody Joreta, a także oznaczono ilości powstających w procesach utleniania kwasów karboksylowych będących wskaźnikiem BRWO. Uzyskane rezultaty wykazały, iż reakcji z utleniaczami najłatwiej ulegają substancje organiczne o najwyższych masach cząsteczkowych absorbujące promienie UV zarówno przy 254 nm, jak i 220 nm. Analogiczne tendencje wykazano dla substancji organicznych poddanych w dalszym etapie procesowi biodegradacji. Z kolei dla frakcji substancji organicznych o najniższych masach cząsteczkowych, po procesie utleniania i biodegradacji, zaobserwowano wzrost absorpcji promieniowania UV przy mniej selektywnej długości fali 220 nm. Na podstawie analizy danych obejmujących pomiary OWO, BRWO oraz zawartość kwasów organicznych wykazano brak korelacji pomiędzy wzrostem intensywności pasm związanych z obecnością niskocząsteczkowych frakcji substancji organicznych a pozostałymi badanymi wskaźnikami. Wykazano, że powstające w zintegrowanych procesach utleniania i biodegradacji produkty o niskich masach cząsteczkowych to przede wszystkim produkty metabolizmu bakterii oraz produkty degradacji substancji organicznych, bogate w grupy funkcyjnie silnie absorbujące promieniowanie o długości fali 220 nm.

EN

The primary objective of the study was to analyze the changes in the molecular weight distribution (MWD) of natural organic matter (NOM) promoted by the reaction with strong oxidants commonly used in water treatment technology, i.e. ozone, chlorine dioxide and chlorine. Another major objective was to establish the influence of pre-oxidation on the efficiency of subsequent biodegradation of organic matter. High-pressure size exclusion chromatography (HP-SEC) with UV-254 nm and UV-220 nm detection was used to examine how the MWD of NOM had changed after the pre-oxidation and oxidation/biodegradation processes. The amount of biodegradable dissolved organic carbon (BDOC) was measured using the method described by Joret. The quantity and quality of carboxylic acids were analyzed by ion chromatography. The study has shown that the oxidation of NOM with strong oxidants accounted primarily for the break-up of high-molecular-weight molecules into smaller fragments and for a drop in aromaticity. Similar trends were observed with organic matter after the biodegradation experiments. The high amount of BDOC in the oxidized NOM is an indication that the changes in the NOM structure contributed by the application of the said oxidants enhanced the biodegradability of organic matter, especially after oxidation with ozone and chlorine dioxide. A comprehensive analysis of the TOC, BDOC and carboxylic acids levels before and after biodegradation has confirmed the formation of low-molecular-weight, easily biodegradable by-products of NOM oxidation. The increased biodegradability of the NOM components as a result of oxidation/disinfection with chlorine dioxide and/or chlorine may undesirably affect the biological stability of drinking water at a long residence time in the distribution network.

Słowa kluczowe

PL

substancje organiczne; biodegradacja; rozkład mas cząstkowych; chlor; ozon; dwutlenek chloru; produkty uboczne utleniania

EN

natural organic matter; molecular weight distribution; biodegradation; chlorine; ozone; chlorine dioxide; oxidation by-products

• Wydawca: Polskie Zrzeszenie Inżynierów i Techników Sanitarnych, Oddział Dolnośląski
• Czasopismo: Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2005
• Tom: R. 27, nr 3
• Strony: 27--32
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz.

Twórcy

autor

Świetlik J.

autor

Raczyk-Stanisławiak U.

autor

Nawrocki J.

• Uniwersytet im. A. Mickiewicza, Zakład Technologii Uzdatniania Wody, ul. M. Drzymały 24, 60-613 Poznań

Bibliografia

• 1. O. GRIFFINI, M. L. BAO, K. BARBIERI, K. BURRINI, D. SANTIANNI, F. PANTANI: Formation and removal of biodegradable ozonation by-products during ozonation-biofiltration treatment: pilot scale evaluation. Ozone Sci. Eng., 1999, 21, pp. 79-98.
• 2. CH. K. KUO: Improved application of ion-chromatography determination of carboxylic acids in ozonated drinking water. Journal Chromatogr. A., 1998, 804, pp. 265-272.
• 3. D. S. SCHECHER, P. C. SINGER: Aldehydes formation during ozonation. Ozone Sci. Eng., 1995, l, pp. 53-59.
• 4. J. NAWROCKI, l. KALKOWSKA: Humic and fulvie acids as precursors of aldehydes-ozonation by-products. Toxicol. Environ. Chem., 1999, 68, pp. 297-306.
• 5. P. SERVAIS, G. BILLEN, M. C. HASCOET: Determination of the biodegradable fraction of dissolved organie matter in waters. Wat. Res., 1987, 21(4), pp. 445-450.
• 6. J. PEURAVUORI, K. PIHLAJA: Isolation and characterization of natura! organie matter from lake water: comparison of isolation with solid adsorption and tangential merubrane filtration. Environ. Int., 1997, 23, pp. 441-451.
• 7. T. MYLLYKANGAS, T. K. NISSINEN, P. RANTAKOKKO, P. J. MARTIKAINEN, T. VARTIAINEN: Molecular size fractions oftreated aquatic humus. Wat. Res., 2002, 36, pp. 3045-3053.
• 8. M. R. COLLINS, C. W. VAUGHAN: Characterization of NOM removal by biofiltration: impact of coagulation, ozonation, and sandmedia coating. In: R. A. MINEAR, G. L. AMY [Eds]. Disinfection By-products in Water Treatment. The Chemistry of their Formation and Control. CRC Press, Boca Raton, FL, 1996. pp. 449-476.
• 9. J. PEURAVUORI, K. PIHLAJA: Molecular size distribulion and spectroscopic properties of aquatic humie substances. AnalyChim Acta, 1997, 337, pp. 133-149.
• 10. T. VARTIAINEN, A. LIIMATAINEN, P. KAURANEN: The use of size exclusion columns in determination of the quality and quantity of humus in artificially recharged ground waters and drinking waters. Total Environ. Sci., 1987; 62, pp. 75-84.
• 11. J. PEURAVUORI, N. PAASO, K. PIHLAJA: Characterization of lake-aquatic humic matter isolated with two different sarbing solid techniques: pyrolysis electron impact mass spectrometry. AnalyChim Acta, 1999,391, pp. 331-344.
• 12. S. D. RICHARDSON, A. D. THRUSTON JR., T. V. CAUGHRAN, P. H. CHEN, T. W. COLLETTE, T. L. FLOYD, K. M. SCHENCK, B. W. LYKINS JR., G. R. SUN, G. MAJETICH: Identification of new ozone disinfection by-products formed in drinking water. Environ Sci. Technol., 1999, 33, pp. 3368-3377.
• 13. I. SIBILLE: Stabilite biologique des reseaux de distribulion d'eau potable.AnneeBiol., 1998, 78,pp.117-161.
• 14. J. ŚWIETLIK, U. RACZYK-STANISŁAWIAK, S. BIŁOZOR, W. ILECKI, J. NAWROCKI: Adsorption of natura! organie matter oxidized with CI02 on granul ar acti vated carbon. Wat. Res., 2002, Vol. 36, No. 9, pp. 2328-2336.
• 15. U. RACZYK-STANISŁAWIAK, J. ŚWIETLIK, A. DĄBROWSKA, J. NAWROCKI: Biodegradability of organie by-products after natural organic matter oxidation with CI02- case study. Wat. Res., 2004, Vol. 38, No. 4, pp. 1044-1054.
• 16. J. JORET, Y. LEVI, T. DUPIN, M. GILBERT: Rapid method for estimating bioeliminable organie carbon in water. Proc. AWWA Anual Conf.,Orlando FI.1988, pp.1715-1725.
• 17. Standard Methods for Examination ofWater and Wastewater, 18th Edition. American Public Health Association/American Water Works Association/ Water Environment Federation, Washington DC 1992.
• 18. K. CARLSON, G. AMY: The formation offilter-removable biodegradable organic matter during ozonation. Ozone Sci. & Eng., 1997, Vol. 19, No. 2, pp. 179-199.
• 19. A. DĄBROWSKA, J. NAWROCKI: Powstawanie aldehydów pod wpływem silnych utleniaczy w uzdatnianiu wody. Ochrona Środowiska, 2003, nr 3, ss. 53-56.
• 20. U. RACZYK-STANISŁAWIAK, P. ANDRZEJEWSKI, A. DĄBROWSKA, J. ŚWIETLIK, J. NAWROCKI: Dezynfekcja wody dwutlenkiem chloru i chlorem a stabilność biologiczna wody wodociągowej. Mat. konf. ,,Zaopatrzenie w wodę, jakość i ochrona wód", PZITS, Poznań 2004, tom I, ss. 755-765.
• 21. A. DĄBROWSKA, J. ŚWIETLIK, J. NAWROCKI: Związki karbonylowe jako produkty uboczne dezynfekcji wody dwutlenkiem chloru. Mat. konf. ,,Zaopatrzenie w wodę i jakość wód", PZITS, Poznań-Gdańsk 2002, ss. 709-719.