Rollfördelning mellan sorption och biologisk nedbrytning

Av: Jörgen Hanaeus

Avskiljningen av åtta riskämnen, CECs, jämfördes mellan ett GAC+sandfilter och ett antracit+sandfilter avsedda för dricksvattenproduktion. Filtren drevs i pilotskala under 15 månader med olika hydraulisk belastning och varierande riskämneskoncentrationer in till filtren. Atenolol, atrazin, carbamazepin, fluoxetin, gemfibrozil, metolaklor, sulfametoxazol och tris(2-kloretyl)fosfat (TCEP) provades.

GAC+sandfiltret gav god avskiljning av CEC, 50 – 94 % av de undersökta ämnena, via en kombination av adsorption och biologisk nedbrytning. Antracit+sandfiltret fungerade sämre med 0 – 66 % för dessa ämnen; bäst för de bionedbrytbara ämnena.

Bakgrund

CECs omfattar ämnen från många kemiska grupper såsom insekticider och herbicider; läkemedel och hygienprodukter; industriella och kommersiella kemikalier. I USA genomfördes 2009 en studie över råvatten till vattenverk, och i nitton (som tillsammans servade 28 miljoner människor) av dessa återfanns åtminstone ett av riskämnena.

Tillförsel kan ske t ex genom lantbruksaktiviteter, dagvattenavrinning, industriavloppsutsläpp eller utsläpp från kommunala avloppsverk.

Biofilter för råvattenbehandling kan byggas med eller utan eller med ringa adsorption. Sand- eller antracit+sandfilter kan åstadkomma 50 – 80 % reduktion av organiskt material via biologisk nedbrytning men erfarenheter pekar på ringa adsorption och måttlig avskiljning av CECs. Idén med föreliggande studie var därför att jämföra CEC-separationen i ett sand-antracitfilter med den i ett GAC+sandfilter, där god adsorption kunde förväntas. Förutom filtersammansättningen undersöktes inverkan av belastning (i EBCT – Empty Bed Contact Time), ingående CEC-koncentrationer och totalt passerad volym.

Material och metod

Ett pilotskalesystem med sex filter konstruerades i Fridley vattenverk i Minnesota (verket levererar 215 000 m³/d). Reningsstegen där är mjukgöring via kalkfällning, koagulanttillsats (Al) och sedimentering, rekarbonatisering med CO₂ och antracit + sand-filtrering. Vatten till pilotanläggningen togs efter rekarbonatiseringen;  pH justerades till 8,5 (HCl) och Fe-klorid (2 mg Fe/L) doserades; sedimentering i ca 2 h varefter vattnet spikades med CECs. Sex biofilter φ 10 cm användes; därtill två referensfilter utan CEC-dosering. Tre filter hade 0,5 m GAC (Calgon F300) + 0,25 m sand; och tre filter hade 0,5 m antracit + 0,25 m sand. Totalhöjd inkl vattenpelare var 3,7 m.

Pilotanläggningen drevs från oktober 2015 till januari 2017 och temperaturen varierade mellan 3 och 28 ºC. Filtren belastades med 5 m/h eller 10 m/h, vilket gav ca 8 resp 4 min EBCT. Backspolning gjordes med luft och vatten (5+10 min, 30 % expansion) när tryckförlusten blivit ca 1,4 m H₂O.

CECs doserades kontinuerligt med pump; 100-200 ng/L. Atenolol, atrazin, carbamazepin, fluoxetin, gemfibrozil, metolaklor, sulfametoxazol och tris(2-kloretyl) provades, då de återfunnits tidigare i behandlat dricksvatten och då de representerade flera verksamhetsområden. Under korta perioder, 4-6 h, chockdoserades CEC med 1000–3000 ng/L för att se om genombrott skulle ske i filtren.

De två nämnda intervallen CEC-dosering gav två alternativ, liksom de två temperaturintervallen: 3-10 ºC och 20-28 ºC och de två filterhastigheterna (5 och 10 m/h). Åtta kombinationer således, och dessa repeterades i 14 perioder under försökstiden.

Satsvisa labförsök genomfördes också för att bestämma kolets (malt till 65 mesh) maximala adsorptionsförmåga. Dels med ultrarent vatten + CECs; dels med Mississippi-vattens NOM tillsatt. Langmuirs adsorptionsisoterm tillämpades för utvärderingen av dessa försök.

Analyser

Vatten in till filtren analyserades vardagligen m a p temperatur och pH. Veckovis togs prov på löst organiskt material (DOC). Filtermediaprov togs månadsvis från det översta lagret och analyserades m a p mikrobiell aktivitet.

Resultat

ATP-koncentrationerna var lika för de båda filterkombinationerna vilket gav slutsatsen att biofiltereffekterna var lika och att skillnaden i CEC-avskiljningen kunde härledas till GAC-adsorption.

En multipel linjär regressionsanalys genomfördes, efter vilken inflytandet av flera föreslagna parametrar kunde ignoreras

GAC+sandfiltret avskiljde  50-94 % av testade CECs. Halten löst organiskt material, in 3-8 mg/L DOC, sjönk initiellt med ca 20 %, men stabiliserades vid 1-5 %.

När filterhastigheten ökade från 5 till 10 m/h sjönk medelreduktionen av CECs med 17 %.

En empirisk formel konstruerades: 

ln (C_effl/C_infl) = 1,270 – 0,482 k_bio * EBCT + 0,28 EBCT + 0,0015 BV/C_infl – 0,537*Z – 0,325 DOC_in

Formeln är skriven utan standardavvikelser. k_bio är bionedbrytningskonstanten för resp CEC (här: min^-1). BV antalet passerade bäddvolymer och Z är resp ämnes ytladdning vid pH 8,5.

(Värden på k_biooch Z presenterades).

Slutsatser

Bidraget från biologisk nedbrytning till separationen av CECs från de båda filtertyperna varierade starkt mellan ämnena och blev större med ökad temperatur. Atrazin, carbamazepin och TCEP var i ringa grad nedbrytbara och <10 % avskiljdes. Fluoxetin hade däremot ett så högt k_bio-värde att ett konventionellt biofilter sannolikt klarar av dess separation. Fluoxetin avskiljdes väl i båda filtertyperna medan för övriga ämnen GAC+sand-filtret (50-94 %) var ungefär dubbelt så effektivt som antracit+sand-filtret (0-66 %).

Hydraulisk belastning, totalt genomströmmad volym och vattentemperatur hade klart inflytande på avskiljningen.

Källa: Ma, Ben, Arnold, William & Hozalski, Raymond* (2018): The relative roles of sorption and biodegradation in the removal of contaminants of emerging concern (CECs) in GAC-sand biofilters. Water Research, 146, pp 67-76.

Hela artikeln från Water Research finns att köpa här.

Författarna från: 

Department of Civil, Environmental and Geo-Engineering, University of Minnesota, 500 Pilsbury Dr. SE, Minneapolis, MN, 9F2C3F19-4E21-4A9D-A08D-58FF9279B26D, United States.

Korresponderande författare (*):

hozalski@umn.edu