Metody charakterystyki naturalnych organicznych składników wód ujmowanych z przeznaczeniem do spożycia przez ludzi

Machi, J.; Mołczan, M.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Metody charakterystyki naturalnych organicznych składników wód ujmowanych z przeznaczeniem do spożycia przez ludzi

Autorzy

Machi J. , Mołczan M.

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

Pobierz

Identyfikatory

Warianty tytułu

Methods for natural organic matter characterization in water taken and treated for human consumption

Języki publikacji

Abstrakty

Wiedza o zawartości sumy naturalnych substancji organicznych nie jest obecnie wystarczająca zarówno przy planowaniu, jak i eksploatacji instalacji do oczyszczania wody. Pogłębiona charakterystyka zawartych w ujmowanych wodach naturalnych związków organicznych pozwala na lepsze zrozumienie ich przemian w procesach oczyszczania wody, a także odgrywa bardzo ważną rolę podczas optymalizacji pracy poszczególnych etapów układu technologicznego. Powszechnie stosowanym wskaźnikiem do analizy związków organicznych w wodzie jest absorbancja w nadfiolecie, która umożliwia zarówno ocenę jakościową, jak i ilościową tych związków. Absorbancja właściwa w UV (SUVA), jako odniesienie wartości absorbancji w 254 nm do zawartości w wodzie rozpuszczonego węgla organicznego, umożliwia natomiast kontrolę procesów oczyszczania wody, zwłaszcza w zakresie dawkowania koagulantów oraz utleniaczy. Inne metody charakterystyki naturalnych substancji organicznych stanowią domenę prac badawczych i nie są szerzej wykorzystywane w praktyce funkcjonowania przedsiębiorstw wodociągowych. Wśród nich na uwagę zasługują techniki spektroskopii fluorescencyjnej, które pozwalają na monitorowanie jakości wody w czasie rzeczywistym i cechują się zwiększoną selektywnością oraz czułością w zestawieniu z absorbancją w nadfiolecie. Analiza fluorescencyjna, umożliwiająca identyfikację frakcji biodegradowalnej związków organicznych, pozwala na wybór właściwych metod ich usuwania. Bardzo duże możliwości analityczne zapewnia chromatografia, zwłaszcza w połączeniu z szeroką gamą dostępnych detektorów. Umożliwia ona badanie takich cech substancji organicznych, jak masa cząsteczkowa, polarność, aromatyczność czy podatność na tworzenie ubocznych produktów dezynfekcji wody. Daje to szerokie możliwości interpretacyjne w odniesieniu do optymalizacji pracy układu technologicznego oczyszczania wody. Bardzo pomocne do charakteryzowania składu wody pod względem obecnych w niej związków organicznych są także metody frakcjonowania z wykorzystaniem membran lub żywic selektywnych. Separacja cząsteczek substancji organicznych według takich cech, jak wielkość, hydrofilowość czy kwasowość, pozwala na otrzymanie wyselekcjonowanych próbek, które mogą być poddane dalszym badaniom.

Today’s knowledge on total Natural Organic Matter (NOM) content proves not sufficient both at planning and operation of water treatment installations. Detailed characteristics of NOM present in raw and treated water enables better understanding of its changes during water treatment processes as well as substantially contributes towards operation optimization of subsequent stages of a technological set-up. UV absorbance, a common indicator used for NOM analysis in water, allows for both its qualitative and quantitative assessment. Specific UV absorbance (SUVA), being the UV absorbance of a water sample at 254 nm normalized for dissolved organic carbon (DOC), allows monitoring of water treatment processes, especially in terms of coagulant and oxidizing agent dosing. Other NOM characterization methods are a domain for research and are not widely employed in daily practice of water supply corporations. Among those techniques, fluorescence spectroscopy methods are worth noticing as they enable water quality monitoring in real time and are characterized by higher selectivity and sensitivity compared to UV absorbance. Fluorescence analysis that allows identification of biodegradable organic fractions, enables selection of adequate methods of their removal. Chromatography offers a number of analytical capabilities, especially when combined with a wide range of available detectors. It allows examination of NOM characteristics such as molecular weight, polarity, aromaticity or susceptibility to water disinfection by-product formation. Thus multiple possibilities of interpretation arise in regard to optimization of technological system operation in water treatment. In terms of NOM presence, fractionation methods employing membranes and selective resins are particularly helpful in water composition characterization. NOM particle separation according to its size, hydrophilicity, acidity and others enables monitoring its removal susceptibility in particular treatment processes and predicting the technological effects based on NOM characteristics.

Słowa kluczowe

oczyszczanie wody absorbancja w UV absorbancja właściwa w UV spektroskopia fluorescencyjna magnetyczny rezonans jądrowy chromatografia cieczowa chromatografia wykluczania frakcjonowanie jonowymienne frakcjonowanie membranowe

water treatment UV absorbance specific UV absorbance (SUVA) fluorescence spectroscopy nuclear magnetic resonance liquid chromatography size exclusion chromatography resin fractionation membrane fractionation

Wydawca

Polskie Zrzeszenie Inżynierów i Techników Sanitarnych, Oddział Dolnośląski

Czasopismo

Ochrona Środowiska

Rocznik

2016

Tom

Vol. 38, nr 4

Strony

25--32

Opis fizyczny

Bibliogr. 49 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Machi J.

justyna.machi@pwr.edu.pl

Politechnika Wrocławska, Wydział Inżynierii Środowiska, wyb. S. Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław

autor

Mołczan M.

marek.molczan@pwr.edu.pl

Politechnika Wrocławska, Wydział Inżynierii Środowiska, wyb. S. Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław

Bibliografia

1. M. SILLANPÄÄ: Natural Organic Matter in Water. Characterization and Treatment Methods. Elsevier, Butterworth-Heinemann, 2015.
2. J. NAWROCKI: Uboczne produkty utleniania i dezynfekcji wody – doświadczenia ostatnich 30 lat (By-products of water disinfection: Summary of 30 years’ experience). Ochrona Środowiska 2005, vol. 27, nr 4, ss. 3–12.
3. M. KABSCH-KORBUTOWICZ: Zaawansowane metody usuwania naturalnych substancji organicznych z wody. Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN 2012, vol. 92.
4. G.W. van LOON, S.J. DUFFY: Environmental Chemistry. A Global Perspective. II Edition. Oxford University Press, Oxford 2002.
5. J. NAWROCKI: Uzdatnianie wody. Część 1: Procesy fizyczne, chemiczne i biologiczne. Wydawnictwo Naukowe UAM, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2010.
6. A. MATILAINEN, E.T. GJESSING, T. LAHTINEN, L. HED, A. BHATNAGAR, M. SILLANPÄÄ: An overview of the methods used in the characterisation of natural organic matter (NOM) in relation to drinking water treatment. Chemosphere 2011, Vol. 83, No. 11, pp. 1431–1442.
7. G. KORSHIN, C.W.K. CHOW, R. FABRIS, M. DRIKAS: Absorbance spectroscopy-based examination of effects of coagulation on the reactivity of fractions of natural organic matter with varying apparent molecular weights. Water Research 2009, Vol. 43, No. 6, pp. 1541–1548.
8. G.V. KORSHIN, C.-W. LI, M.M. BENJAMIN: Monitoring the properties of natural organic matter through UV spectroscopy: A consistent theory. Water Research 1997, Vol. 31, No. 7, pp. 1787–1795.
9. J.L. WEISHAAR, G.R. AIKEN, B.A. BERGAMASCHI, M.S. FRAM, R. FUJII, K. MOPPER: Evaluation of specific ultraviolet absorbance as an indicator of the chemical composition and reactivity of dissolved organic carbon. Environmental Science and Technology 2003, Vol. 37, No. 20, pp. 4702–4708.
10. B.A. POULIN, J.N. RYAN, G.R. AIKEN: Effects of iron on optical properties of dissolved organic matter. Environmental Science and Technology 2014, Vol. 48, No. 17, pp. 10098–10106.
11. P. ROCCARO, M. YAN, G.V. KORSHIN: Use of log-transformed absorbance spectra for online monitoring of the reactivity of natural organic matter. Water Research 2015, Vol. 84, pp. 136–143.
12. A. WŁODYKA-BERGIER, T. BERGIER: Wpływ jakości materii organicznej na potencjał tworzenia się lotnych organicznych produktów chlorowania wody. Archives of Environmental Protection 2011, vol. 37, nr 4, ss. 25–35.
13. J.K. EDZWALD, J.E. TOBIASON: Enhanced coagulation: US requirements and a broader view. Water Science and Technology 1999, Vol. 40, No. 9, pp. 63–70.
14. C. VOLK, K. BELL, E. IBRAHIM, D. VERGES, G. AMY, M. LeCHEVALLIER: Impact of enhanced and optimized coagulation on removal of organic matter and its biodegradable fraction in drinking water. Water Research 2000, Vol. 34, No. 12, pp. 3247–3257.
15. N. ATES, M. KITIS, U. YETIS: Formation of chlorination by-products in waters with low SUVA – correlations with SUVA and differential UV spectroscopy. Water Research 2007, Vol. 41, No. 18, pp. 4139–4148.
16. Q. WEI, C. FENG, D. WANG, B. SHI, L. ZHANG, Q. WEI, H. TANG: Seasonal variations of chemical and physical characteristics of dissolved organic matter and trihalomethane precursors in a reservoir: A case study. Journal of Hazardous Materials 2008, Vol. 150, No. 2, pp. 257–264.
17. G. HUA, D.A. RECKHOW, I. ABUSALLOUT: Correlation between SUVA and DBP formation during chlorination and chloramination of NOM fractions from different sources. Chemosphere 2015, Vol. 130, pp. 82–89.
18. H. ZHAO, C. HU, D. ZHANG, H. LIU, J. QU: Probing coagulation behavior of individual aluminum species for removing corresponding disinfection byproduct precursors: The role of specific ultraviolet absorbance. Plos One 2016, Vol. 11, No.1, pp. 1–17.
19. M. KITIS, T. KARANFIL, A WIGTON, J. E. KILDUFF: Probing reactivity of dissolved organic matter for disinfection by-product formation using XAD-8 resin adsorption and ultrafiltration fractionation. Water Research 2002, Vol. 36, No. 15, pp. 3834–3848.
20. J. DOJLIDO, J. ZERBE: Instrumentalne metody badania wody i ścieków. Arkady, Warszawa 1997.
21. K. XIAO, J.-Y. SUN, Y.-X. SHEN, S. LIANG, P. LIANG, X.-M. WANG, X. HUANG: Fluorescence properties of dissolved organic matter as a function of hydrophobicity and molecular weight: Case studies from two membrane bioreactors and an oxidation ditch. Royal Society of Chemistry 2016, Vol. 6, No. 29, pp. 24050–24059.
22. N. HUDSON, A. BAKER, D. WARD, D.M. REYNOLDS, C. BRUNSDON, C. CARLIELL-MARQUET, S. BROWNING: Can fluorescence spectrometry be used as a surrogate for the biochemical oxygen demand (BOD) test in water quality assessment? An example from South West England. Science of the Total Environment 2008, Vol. 391, No. 1, pp. 149–158.
23. W.-T. LI, J. JIN, Q. LI, C.-F. WU, H. LU, Q. ZHOU, A.-M. LI: Developing LED UV fluorescence sensors for online monitoring DOM and predicting DBPs formation potential during water treatment. Water Research 2016, Vol. 93, pp. 1–9.
24. J. BRIDGEMAN, A. BAKER, D. BROWN, J.B. BOXALL: Portable LED ﬂuorescence instrumentation for the rapid assessment of potable water quality. Science of the Total Environment 2015, Vol. 524–525, pp. 338–346.
25. L. YANG, J. HUR, W. ZHUANG: Occurrence and behaviors of fluorescence EEM-PARAFAC components in drinking water and wastewater treatment systems and their applications: A review. Environmental Science and Pollution Research 2015, Vol. 22, No. 9, pp. 6500–6510.
26. K. IKEYA, A. WATANABE: Application of 13C ramp CPMAS NMR with phase-adjusted spinning sidebands (PASS) for the quantitative estimation of carbon functional groups in natural organic matter. Analytical and Bioanalytical Chemistry 2016, Vol. 408, No. 2, pp. 651–655.
27. Z. WITKIEWICZ, J. KAŁUŻNA-CZAPLIŃSKA: Podstawy chromatografii i technik elektromigracyjnych. Wydawnictwo WNT, Warszawa 2012.
28. K. BIELICKA-DASZKIEWICZ, K. MILCZEWSKA, A. VOELKEL: Zastosowanie metod chromatograficznych. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2010.
29. M. YANG, G. KORSHIN, D. WANG, Z. CAI: Characterization of dissolved organic matter using high-performance liquid chromatography (HPLC)-size exclusion chromatography (SEC) with multiple wavelength absorbance detector. Chemosphere 2012, Vol. 87, No. 8, pp. 879–885.
30. H. HUANG, E. SAWADE, D. COOK, C.W.K. CHOW, M. DRIKAS, B. JIN: High-performance size exclusion chromatography with a multi-wavelength absorbance detector study on dissolved organic matter characterisation along a water distribution system. Journal of Environmental Sciences 2016, Vol. 44, pp. 235–243.
31. Q. ZHENG, X. YANG, W. DENG, X.C. LE, X.-F. LI: Characterization of natural organic matter in water for optimizing water treatment and minimizing disinfection by-product formation. Journal of Environmental Sciences 2016, Vol. 42, pp. 1–5.
32. G. AMY, N.G. HER, I.C. JARUSUTTHIRAK: Natural organic matter (NOM) fouling of pressure-driven membranes: Foulant identification by size exclusion chromatography (SEC) and Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy. In: Utilization of NOM Characteristics to Improve Process Selection and Performance, Workshop Results, Berlin 2001, pp. 56–60.
33. N. HER, G. AMY, J. CHUNG, J. YOON, Y. YOON: Characterizing dissolved organic matter and evaluating associated nanofiltration membrane fouling. Chemosphere 2008, Vol. 70, No. 3, pp. 495–502.
34. B.P. ALLPIKE, A. HEITZ, C.A. JOLL, R.I. KAGI: A new organic carbon detector for size exclusion chromatography. Journal of Chromatography A 2007, Vol. 1157, No. 1–2, pp. 472–476.
35. F.C. WU, R.D. EVANS, P.J. DILLON, Y.R. CAI: Rapid quantification of humic and fulvic acids by HPLC in natural waters. Applied Geochemistry 2007, Vol. 22, No. 8, pp. 1598–1605.
36. B. WARTON, A. HEITZ, B. ALLPIKE, R. KAGI: Size-exclusion chromatography with organic carbon detection using a mass spectrometer. Journal of Chromatography A 2008, Vol. 1207, No. 1–2, pp. 186–189.
37. A. ROJAS, S. SANDRON, R. WILSON, N.W. DAVIES, P.R. HADDAD, R.A. SHELLIE, P.N. NESTERENKO, B. PAULL: Simple, quantitative method for low molecular weight dissolved organic matter extracted from natural waters based upon high performance counter-current chromatography. Analytica Chimica Acta 2016, Vol. 909, pp. 129–138.
38. S. SANDRON, P.N. NESTERENKO, M.V. McCAUL, B. KELLEHER, B. PAULL: Normal-phase high-performance counter-current chromatography for the fractionation of dissolved organic matter from a freshwater source. Journal of Separation Sciences 2014, Vol. 37, No. 1–2, pp. 135–142.
39. L. XING, T. LO, R. FABRIS, C.W.K. CHOW, J. van LEEUWEN, M. DRIKAS, D. WANG: Using reverse phase high performance liquid chromatography as an alternative to resin fractionation to assess the hydrophobicity of natural organic matter. Water Science and Technology 2012, Vol. 66, No. 11, pp. 2402–2409.
40. L. XING, R. FABRIS, C.W.K. CHOW, J. van LEEUWEN, M. DRIKAS, D. WANG: Prediction of DOM removal of low specific UV absorbance surface waters using HPSEC combined with peak fitting. Journal of Environmental Science 2012, Vol. 24, No. 7, pp. 1174–1180.
41. A. WŁODYKA-BERGIER, T. BERGIER: Charakterystyka prekursorów lotnych ubocznych produktów chlorowania wody w sieci wodociągowej Krakowa (Characterization of precursors to volatile water chlorination by-products in the Krakow water distribution system). Ochrona Środowiska 2011, vol. 33, nr 3, ss. 29–33.
42. C. WANG, X. ZHANG, J. WANG, C. CHEN: Characterization of dissolved organic matter as N-nitrosamine precursors based on hydrophobicity, molecular weight and fluorescence. Journal of Environmental Sciences 2013, Vol. 25, No. 1, pp. 85–95.
43. J.A. LEENHEER, E.W.D. HUFFMAN Jr.: Classification of organic solutes in water by using macroreticular resins. Journal of Research of the U.S. Geological Survey 1976, Vol. 4, No. 6, pp. 737–751.
44. Q. WEI, C. YAN, Z. LUO, X. ZHANG, Q. XU, C.W.K. CHOW: Application of a new combined fractionation technique (CFT) to detect fluorophores in size-fractionated hydrophobic acid of DOM as indicators of urban pollution. Science of the Total Environment 2012, Vol. 431, pp. 293–298.
45. Q. WEI, C. YAN, J. LIU, Z. LUO, Q. XU, X. ZHANG, C.W.K. CHOW, M.N. CHONG: Multistep, microvolume resin fractionation combined with 3D fluorescence spectroscopy for improved DOM characterization and water quality monitoring. Environmental Monitoring and Assessment 2013, Vol. 185, No. 4, pp. 3233–3241.
46. M.D. KENNEDY, H.K. CHUN, V.A.Q. YANGALIA, B.G.J. HEIJMAN, J.C. SCHIPPERS: Natural organic matter (NOM) fouling of ultrafiltration membranes: Fractionation of NOM in surface water and characterisation by LC-OCD. Desalination 2005, Vol. 178, No. 1–3, pp. 73–83.
47. Y. GAO, D. CHEN, L.K. WEAVERS, H.W. WALKER: Ultrasonic control of UF membrane fouling by natural waters: Effects of calcium, pH, and fractionated natural organic matter. Journal of Membrane Science 2012, Vol. 401–402, pp. 232–240.
48. Y. HAM, Y. KIM, Y. JU, S. LEE, S. HONG: Characterization of natural organic matters using flow field-flow fractionation and its implication to membrane fouling. Desalination and Water Treatment 2013, Vol. 51, No. 31–33, pp. 6378–6391.
49. E.T. GJESSING: Gel- and ultramembrane filtration of aquatic humus: A comparison of the two methods. Schweizerische Zeitschrift für Hydrologie 1973, Vol. 35, No. 2, pp. 286–294.

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-d7c8be95-e6ef-489b-8093-703536fb36eb