Characteristic of Fulvic Acids Extracted from the Wastewater by Different Methods

• Autorzy: Łomińska-Płatek Dominika , Anielak Anna M.

Warianty tytułu

PL

Właściwości kwasów fulwowych wyekstrahowanych ze ścieków za pomocą różnych metod

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Fulvic acids (FAs) were isolated from the wastewater by two different extraction methods. The first one with ammonia water (NH₄OH) and the second with an ion exchange using a hydrophobic ion exchanger and desorbed using aqueous sodium hydroxide (NaOH). The samples were collected directly from the primary and secondary effluents at the WWTP and the obtained results were averaged. The WWTP treats mainly wastewater from individual users and industrial plants. The selected plant comprises mechanical and biological wastewater trains as well as sludge processing and biogas trains. The plant works as a three-stage Bardenpho system and operates five identical biological reactors. The main objective of the study was to conduct a mass balance and assess the amount of FAs in the primary and secondary effluent. The extracted acids were subjected to an analysis of their elemental composition, trace elements content and IR spectrum analysis. Based on elemental composition, atomic ratios: C/O, C/H, C/N and O/H, as well as a degree of inside oxidation, have been determined. The studies have shown that the highest amount of FAs was extracted from the primary effluent with the NaOH method and in the secondary effluent less inorganic impurities were removed. Based on the results, it can be concluded that extraction with NaOH solution and a two-stage ion exchange process (hydrophobic ion-cation exchanger-H+) reduces the degree of internal oxidation of FAs. Soluble HSs extracted from the primary effluent had a higher level of humification in both methods. Comparing an elemental composition of four samples, it can be noticed that a structure of FAs extracted with the same method is very similar for both primary and secondary effluent, but when two different methods are compared some small differences can be found. Based on the research, it can be stated that the WWTP discharged less FAs compared to the input pollution load, regardless of the extraction method used.

PL

Kwasy fulwowe (KF) zostały wyekstrahowane ze ścieków z wykorzystaniem różnych metod ekstrakcji. Pierwsza metoda z użyciem wody amoniakalnej (NH₄OH) natomiast druga oparta na procesie wymiany jonowej na hydrofobowym wymienniku jonitowym przy użyciu wodnego roztworu wodorotlenku sodu (NaOH). Próbki zostały pobrane bezpośrednio z mechanicznie oraz biologicznie oczyszczonych ścieków z wybranej oczyszczalni ścieków a podane wyniki zostały uśrednione. Oczyszczalnia ścieków (OŚ) odprowadza głównie ścieki od indywidualnych użytkowników, ale i również z zakładów przemysłowych. Wybrana OŚ składa się z części mechanicznej i biologicznej oraz osadowej i gazowej. W skład części mechanicznej wchodzą: kraty rzadkie, pompownia, kraty gęste, piaskowniki, osadniki wstępne, pompownia II stopnia. Część biologiczna składa się z reaktorów i osadników wtórnych. OŚ pracuje w układzie 3 stopniowym Bardenpho i składa się z 5 identycznych biologicznych reaktorów. Z kolei część osadowa to: zagęszczarki mechaniczne, stacja dezintegracji osadu, zagęszczanie grawitacyjne, prasy taśmowe, wydzielone komory fermentacji oraz ciąg generowania gazu. Oczyszczone ścieki trafiają do rzeki poprzez wylot kaskadowy. Głównym celem badań był bilans masy oraz określenie ilości KF w mechanicznie i biologicznie oczyszczonych ściekach. Wyekstrahowane KF poddano analizie ich składu elementarnego, zawartości pierwiastków oraz przeprowadzono badanie absorbancji widma IR w podczerwieni. Na podstawie składu elementarnego określono ilorazy atomowe: C/O, C/H, C/N i O/H oraz wyliczono stopień utlenienia wewnętrznego. Wyniki badań pokazały, że największe stężenie KF wyekstrahowano przy użyciu metody z wykorzystaniem NaOH z mechanicznie oczyszczonych ścieków. Przy użyciu tej samej metody mniej zanieczyszczeń nieorganicznych usunięto z KF wyekstrahowanych ze ścieków biologicznie oczyszczonych. Na podstawie wyników badań można wnioskować, że ekstrakcja KF z użyciem roztworu NaOH podczas dwu stopniowej wymiany jonowej (hydrofobowy wymiennik jonitowy H+) zmniejsza stopień utlenienia wewnętrznego (ω). KF wyekstrahowane ze ścieków mechanicznie oczyszczonych miały wyższy stopień humifikacji, w obu metodach. Porównując skład elementarny czterech próbek można zauważyć, że budowa KF wyekstrahowanych tą samą metodą jest bardzo zbliżona, ale kiedy porówna się ze sobą KF wyekstrahowane z tych samych ścieków jednak różnymi metodami zauważalne są małe różnice. Badania wykazały, że wybrana OŚ odprowadza mniejszy ładunek KF w porównaniu do wprowadzanego, bez względu na rodzaj zastosowanej metody ekstrakcji.

Słowa kluczowe

EN

humic substances; fulvic acids; wastewater treatment plant; extraction of fulvic acids; elemental analysis; spectroscopic characteristics

PL

substancje humusowe; kwasy fulwowe; oczyszczalnia ścieków; ekstrakcja kwasów fulwowych; analiza elementarna; charakterystyka spektroskopowa

• Wydawca: Politechnika Koszalińska
• Czasopismo: Rocznik Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2019
• Tom: Tom 21, cz. 1
• Strony: 184--200
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Łomińska-Płatek Dominika

• Cracow University of Technology, Poland

autor

Anielak Anna M.

• Cracow University of Technology, Poland

Bibliografia

• 1. Anielak A.M. & Łomińska-Płatek D. (2017). Sources of origin and characteristics of fulvic acids, precursors of the by-products of oxidation and disinfection, Water disinfection: threats, challenges, new technologies – conference materials.
• 2. Anielak A.M., Kryłów M., Łomińska-Płatek D. (2018). Characterization of fulvic acids contained in municipal sewage purified with activated sludge. Archives of Environmental Protection, 44(1), 70-76.
• 3. Becher M., Kalembasa K., Pakuła E., Malinowska E. (2013). Agricultura, 12, 7-13.
• 4. Boggs S. Jr., Livermore, D., Seitz, M.G. (1985). Humic substances in natural waters and their complexation with trace metals and radionuclides: a review. Macromolecular Chemistry and Physics, 25.
• 5. Boguta P., D’Orazio, Sokołowska Z., Sensei N. (2016). Effects of selected chemical and physicochemical properties of humic acids from peat soils on their interaction mechanisms with copper ions at various pHs. Journal of Geochemical Exploration, 168, 119-126.
• 6. Casassas E., Marqués L., Tauler R. (1995). Study of acid-base properties of fulvic acids using fluorescence spectrometry and multivariate curve resolution methods. Analytica Chimica Acta, 310(3), 473-484.
• 7. EN ISO 12782-5:2012 (2012). Soil quality – Paremeters for geochemical modelling of leaching and speciation of constitents in soils and materials Part 5: Extraction of humic substances from aqueous samples.
• 8. Feng H.J., Hu L.F., Mahmood Q., Long Y., Shen D.S. (2008). Study on biosorption of humic acid by activated sludge, Biochemical Engineering Journal, 39, 478-485.
• 9. Gomółka E. & Szaynok A. (1997). Chemia wody i powietrza. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław.
• 10. Grzegorczuk-Nowacka M. & Anielak A.M. (2017). Effect of iron and aluminum on adsorption of fulvic acids on Norit ROW 0.8 Supra carbon, Environmental Engineering Science, 34,9, 659-665.
• 11. He X., Xi B., Wei Z., Guo X., Li M., An D., Liu H. (2011). Spectroscopic characterization of water extractable organic matter during composting of municipal solid waste. Chemosphere, 82(4), 541-548.
• 12. Huan L., Youkang L, Chenchen L. (2017). Evolution Of Humic Substances During Anaerobic Sludge Digestion, Environmental Engineering and Management Journal, 16, 7, 1577-1582.
• 13. Huo S., Xi B., Yu H., He L., Fa S., Liu H. (2008). Characteristics of dissolved organic matter (DOM) in leachate with different landfill ages J. Eviron. Sci., (4)20, 492-498.
• 14. Kochany J. & Lipczyńska-Kochany E. (2008). Application of humic substances to enhance leachate treatment, 43rd Central Canadian Symposium on Water Quality Research – conference paper.
• 15. Kuwatsuka S., Watanabe A., Itoh K., Arai S. (1992). Comparison of two methods of preparation of hurnic and fulvic acids, IHSS method and NAGOYA method. Soil Science and Plant Nutrition, 38, 23-30.
• 16. Litvin V.A., Minaev B.F., Baryshnikov M.G. (2015). Synthesis and properties of synthetic fulvic acid derived from hematoxylin. Journal of Molecular Structure, 1(9), 1086, 25-33.
• 17. Łomińska D. & Anielak A. (2017). The Content of Fulvic Acids in the Primary Effluent at the Płaszów WWTP in Kraków. E3S Web of Conferences, 17, 00054.
• 18. Manzak A., Kursun C., Yildiz Y. (2017), Characterization of humic acid extracted from aqueous solutions with polymer inclusion membranes. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 81, 14-20.
• 19. Nissinen T, Miettinen L, Martikainen P, Vartiainen T. (2001). Molecular size distribution of natural organic matter in row and drinking waters, Chemosphere, 45, 865-873.
• 20. Pajączkowska J., Sułkowska A., Sułkowski W.W., Jedrzejczyk M. (2003). Spectroscopic study of the humification process during sewage sludge treatment, Journal of Molecular Structure, 651-653, 141-149.
• 21. Pempkowiak J., Obarska-Pempkowiak, H., Gajewska, M. & Ruta, D. (2008). Treated domestic sewage as a source of humic acids in surface waters, Przemysł Chemiczny. 87(5), 542-545.
• 22. Pena-Mendez EM., Havel J., Patocka J. (2005). Humic substance-compounds of still unknown structure: application in agriculture, industry, environment and biomedicine. Appl Biomed, 3,1, 13-24.
• 23. Polak J., Bartoszek M., Sułkowski W.W. (2009). Comparison of humification processes occuring during sewage purification in tretment plants with different technological process. Water Research, 43, 4167-4176.
• 24. Senesi N., Miano T.M., Brunetti G. (1996). Humic-like substances in organic amendments and effets on native soil humic substances, in: Piccolo A. (Ed.), Humic in terrestrial ecosystems, 531-593.
• 25. Yabing M., Li-Nan H., Fangang M. (2019). Metagenomics Response of Anaerobic Ammonium Oxidation (anammox) Bacteria to Bio-Refractory Humic Substances in Wastewater, Water, 11(2), 365.
• 26. Zhu B. & Ryan D. K. (2016). Characterizing the interaction between uranyl ion and fulvic acid using regional integration analysis (RIA) and fluorescence quenching. J Environ. Radioactive, 153, 97-103.
• 27. Zieliński W. & Rajca A. (2000). Metody spektroskopowe i ich zastosowanie do identyfikacji związków organicznych. Praca zbiorowa, WNT, Warszawa.

Uwagi

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