Advanced treatment of municipal wastewater by ozonation and activated carbon adsorption

Abstract

Organische Spurenstoffe (OS) sind potenziell toxische, niedermolekulare Verbindungen, die in der aquatischen Umwelt ubiquitär sind. Die Einleitung von Abwasser in Oberflächengewässer gilt als wesentlicher Faktor für ihre Allgegenwart. Begründet wird dies damit, dass die herkömmliche Abwasserreinigung viele dieser Verbindungen nicht entfernen kann. Zwecks ihrer Minderung hat sich in zahlreichen Studien die Einführung einer weitergehenden Behandlungsstufe als effizient erwiesen.In dieser Diplomarbeit wird die Anwendung von Ozonung und Aktivkohle (AK) Adsorption auf Ablaufproben untersucht. Hierfür wurden im Labormaßstab Ozon- und Aktivkohle Batch Tests durchgeführt. Der Fokus liegt auf der Minderung von neun OS, bestehend aus sieben Arzneimitteln, einem Korrosionsinhibitor und einem Herbizid. Zusätzlich wurden nach der Ozonung die Parameter Bromat und BSB5 gemessen. Aufgrund der Anwendbarkeit des Surrogatparameters für Online Monitoring wurde eine Korrelation von ΔSAC254 mit der spezifischen Ozon- und AK Dosis, und damit mit OS-Minderung, untersucht. Zur Untersuchung der Entfernungsleistung der Ozonung wurden drei verschiedene spezifische Ozondosen im Bereich von 0,40-0,88 g O3 g 1 DOC in Proben aus der Kläranlage A eingesetzt. Um die Entfernungsleistung der kommerziell erhältlichen Pulveraktivkohle (PAK) Epibon A zu testen, wurde eine kombinierte Behandlung, bestehend aus Ozonung und einem anschließenden PAK Adsorptionsschritt, mit den Dosen 1,0 2,0 g AK g 1 DOC, auf ozonierten Ablaufproben aus der Kläranlage A angewendet. Darüber hinaus wurde die Entfernungsleistung eines neuartigen Produkts beim AK Dosisbereich 0,8 2,3 g AK g 1 DOC in den Kläranlagen A, B und C untersucht. Bei den Adsorptionsexperimenten wurde die Korrelation der linearisierten Adsorptionsisothermen an den Langmuir- und Freundlich Modellen analysiert.Es war ersichtlich, dass Verbindungen mit höheren Reaktionskonstanten kO3 bereits bei niedrigeren spezifischen Ozondosen effiziententfernt werden konnten. Obwohl Sulfamethoxazol (SMX) eine hohe Reaktionskonstante aufweist, zeigte es überraschenderweise bei niedriger und mittlerer spezifischen Ozondosis nur eine mittlere Entfernung. Bei 0,88 g O3 g 1 DOC wurde Bromat mit einer Konzentration von 18.4 ± 1.2 μg L 1 gebildet, welche den Trinkwasser Grenzwert von 10 μg L 1 überschritt. Der Einfluss der Ozonung auf den Summenparameter BSB5 zeigte keine eindeutigen Ergebnisse, sodass weitere Untersuchungen erforderlich wären. Als Ozonung und PAK Adsorption kombiniert wurden, hatten die Verbindungen Carbamazepin (CBZ), Diclofenac (DCF) und Bezafibrat (BZF) bereits bei der niedrigsten angewendeten spezifischen AK Dosis hohe Entfernungen von über 80 %. Ein Vergleich von Ozonung, PAK Adsorption und einer Kombination davon führte zu unterschiedlichen Entfernungen, wobei die Letztgenannte eine bessere Leistung für die meisten Verbindungen aufwies. In den ozonierten, PAK behandelten Proben zeigte nur die linearisierte Adsorptionsisotherme von BZF eine hohe Korrelation (R2 = 0,89) mit dem Langmuir Modell. Bezüglich der Entfernungsleistung des Produkts war eine spezifische AK Dosis von 1,5 g AK g 1 DOC für eine hohe Entfernung über 80 % in Probe C erforderlich, während 2,25 g AK g 1 DOC für die Entfernung der meisten Verbindungen in Probe B nicht ausreichte. Ein Vergleich mit dem PAK CARBOPAL® zeigte eine schlechtere Leistung des Produkts. Bei Anwendung des Produkts wies die linearisierte Adsorptionsisotherme von CBZ eine hohe Korrelation (R2 = 0,92) mit dem Langmuir Adsorptionsmodell auf. Für eine genauere Untersuchung der Adsorptionsmodelle wären jedoch mehr Datenpunkte notwendig. Für die Kläranlage A wurde eine hohe lineare Korrelation (R2 = 0,94) zwischen dem Surrogatparameter ΔSAC254 und der spezifischen Ozondosis festgestellt. Eine lineare Korrelation zwischen ΔSAC254 und der spezifischen AK Dosis zeigte unterschiedliche Resultate, wenn das Produkt angewendet wurde.

Organic micropollutants (OMPs) are potentially toxic, low molecular compounds that are ubiquitous in the aquatic environment. The discharge of wastewater effluents to surface waters is considered a major contributing factor to their omnipresence. This lies in the fact that the typical wastewater treatment train is incapable to remove many of these compounds. The introduction of an enhanced treatment stage for the abatement of OMPs has been proven efficient by numerous studies.In this thesis, the application of ozonation and activated carbon (AC) adsorption to wastewater effluent samples is explored. For this purpose, lab-scale ozone and activated carbon batch tests were carried out. The focus lies on the abatement of nine OMPs, consisting of seven pharmaceuticals, a corrosion inhibitor, and a herbicide. In addition, the parameters bromate and BOD5 were measured following ozonation. A correlation of ΔSAC254 with the specific ozone and AC dose was performed due to the applicability of the surrogate parameter for online monitoring. To investigate the removal performance of ozonation, three different specific ozone doses at the range of 0.40-0.88 g O3 g-1DOC were applied on samples from wastewater treatment plant A. To test the removal performance of the commercially available PAC Epibon A, a combined treatment of ozonation and a subsequent powdered activated carbon (PAC) adsorption step, consisting of 1.0-2.0 g AC g-1DOC, was applied on ozonated effluent samples from WWTP A. Moreover, the removal performance of a novel product was analyzed at the specific AC dose range of 0.8-2.3 g AC g-1DOC in three different WWTPs, A, B, and C. Concerning the adsorption experiments, the fit of the linearized adsorption isotherms to the Langmuir and Freundlich models was analyzed.Consistent with compound reactivity, it could be shown that compounds with a higher second-order rate constant are efficiently removed already at a lower specific ozone dose. Surprisingly, although sulfamethoxazole (SMX) has a high second-order rate constant, it exhibited only intermediate removal at the low and intermediate specific ozone dose. Bromate formation could be observed only at the highest specific ozone dose of 0.88 g O3 g-1DOC, which exceeded the drinking water threshold of 10 μg L-1. The effect of ozonation on the sum parameter BOD5 showed inconclusive results, thereby requiring further investigations. When ozonation and PAC adsorption were combined, the compounds carbamazepine (CBZ), diclofenac (DCF) and bezafibrate (BZF) had high removal percentages above 80% already at the lowest specific AC applied. A comparison of ozonation, PAC adsorption, and a combination thereof resulted in different removals among the compounds, whereas the latter had a superior performance for most compounds. A correlation of the ozonated, AC-treated samples to the adsorption isotherms showed a high fit (R2= 0.89) of bezafibrate to the Langmuir model. Concerning the product performance, a specific AC dose of 1.5 g AC g-1DOC was required for a high removal above 80% in sample C, whereas 2.25 g AC g-1DOC was not sufficient for the removal of most compounds in sample B. A comparison of the product with the PAC CARBOPAL® showed an inferior performance of the product. CBZ had a high fit (R2= 0.92) to the Langmuir adsorption model. However, further investigations are necessary. A high linear correlation of R2= 0.94 between the surrogate parameter ΔSAC254 and the specific ozone dose was obtained for WWTP A. A linear correlation between ΔSAC254 and the specific AC dose showed different results for the product in different WWTPs.