Aktiivihiilisuodatus talousveden tuotannossa
Koppanen, Markus (2018)
2018
Ympäristö- ja energiatekniikka
Teknis-luonnontieteellinen tiedekunta - Faculty of Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2018-08-15
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201808142141
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201808142141
Tiivistelmä
Pintavedenkäsittelyprosessissa rakeinen aktiivihiilisuodatus poistaa veteen hajua ja makua aiheuttavia yhdisteitä, desinfioinnin haitallisia sivutuotteita ja niitä muodostavia yhdisteitä sekä pienimolekyylimassaisia orgaanisia yhdisteitä, jotka voivat aiheuttaa mikrobien kasvua vedenjakeluverkostoissa. Tässä tutkimuksessa vertailtiin Tampereen Veden Ruskon pintavesilaitoksen kahteen aktiivihiilisuodattimeen vaihdettuja uusia kivihiilipohjaisia rakeisia aktiivihiiliä A ja B. Tavoitteena oli selvittää kumpi aktiivihiilistä sopisi paremmin Ruskon pintavesilaitokselle määrittämällä niiden luonnon orgaanisen aineen (NOM) poistotehokkuutta orgaanisen kokonaishiilen pitoisuuden (TOC), UV-absorbanssin (254 nm) ja biohajoavan liukoisen orgaanisen hiilen pitoisuuden (BDOC) avulla. Eri kokoisten NOM-fraktioiden poistotehokkuutta mitattiin korkean erotuskyvyn kokoekskluusiokromatografialla (HPSEC) sekä UV-detektorilla (254 nm) että orgaanisen hiilen detektorilla (LC-OCD). Lisäksi HPSEC-UV254:n hyödyllisyyttä pintavesilaitoksen veden laadun seurannassa tarkasteltiin. Aktiivihiilisuodattimien käyttöönottohuuhtelun optimointia selvitettiin mittaamalla aktiivihiilistä A ja B liukenevan alumiinin ja fosforin pitoisuutta täyden mittakaavan aktiivihiilisuodattimien lisäksi ravistelu- ja kolonnikokeissa.
Aktiivihiili B poisti 256 vuorokauden aikana noin 38 % enemmän TOC:tä kuin aktiivihiili A, mutta toisaalta aktiivihiili B oli noin 48 % kalliimpi kuin aktiivihiili A. TOC-poistotehokkuus oli 256 vuorokauden kuluttua aktiivihiiltä A sisältävässä suodattimessa 7 % ja aktiivihiiltä B sisältävässä suodattimessa 15 %. Aktiivihiilen A läpi suodatetun veden BDOC-pitoisuus vaihteli välillä 0,04–0,17 mg/L, kun taas aktiivihiilen B läpi suodatetun veden BDOC-pitoisuus vaihteli välillä 0,02–0,11 mg/L, joten verkostokasvupotentiaalin minimoimisen kannalta aktiivihiili B oli parempi vaihtoehto. LC-OCD-menetelmällä mitattuna aktiivihiili B poisti humusaineita (~1000 g/mol) ja niiden hajoamistuotteita (300–500 g/mol) vähintään 38 % tehokkaammin ja pienimolekyylisiä neutraaleita yhdisteitä (< 350 g/mol) vähintään 37 % tehokkaammin kuin aktiivihiili A. Ruskon pintavesilaitoksen raakaveden humusaineiden ja niiden hajoamistuotteiden osuus liuenneesta orgaanisesta hiilestä oli jopa 85 %, joten HPSEC-UV254-menetelmää voidaan hyvin soveltaa humuspitoisen veden laadun seurannassa esimerkiksi vedenpuhdistusprosessia muunneltaessa.
Täyden mittakaavan liukoisuuskokeissa aktiivihiilestä A liukeni kaksinkertainen määrä alumiinia ja fosforia verrattuna aktiivihiileen B. Ravistelu- ja kolonnikokeiden tuloksista havaittiin alumiinia liukenevan enemmän aktiivihiilestä, kun veden virtausnopeus oli korkeampi. Fosfori liukeni nopeasti (L/S-suhde < 40 L/kg) kolonnikokeessa ja ravistelukokeissa, mutta sen liukenemiseen virtauksen nopeudella ei havaittu vaikutusta. Käyttöönottohuuhtelun optimointi vaatisi jatkotutkimuksia. Granular activated carbon (GAC) filtration is used in surface water treatment to remove taste and odour compounds, disinfection by-products as well as their precursors and low-molecular weight organic compounds that can cause microbial growth in distribution systems. Two different virgin, coal-based GACs (A and B) were swapped into two full-scale filters at Tampere Waterworks, Rusko Water Treatment Plant. The main goal was to compare the natural organic matter (NOM) removal efficiencies of the GACs using parameters such as total organic carbon (TOC), UV-absorbance (254 nm) and biodegradable dissolved organic carbon (BDOC). The removal efficiency of different NOM fractions was determined by high-performance size exclusion chromatography (HPSEC) with UV-detector (254 nm) and organic carbon detector (LC-OCD). Usefulness of HPSEC-UV254 for monitoring water quality in drinking water production was also studied. The optimization of the GAC prewashing procedure was investigated by aluminum and phosphorous leaching from full-scale filters in addition to batch leaching tests and an up-flow column leaching test.
GAC B removed approximately 38 % more TOC during 256 days of operations compared to GAC A. However, GAC B was approximately 48 % more expensive than GAC A. After 256 days of operation, TOC removal was 7 % for GAC A filter and 15 % for GAC B filter. BDOC concentration varied between 0,04–0,17 mg/L in GAC A effluent and between 0,02–0,11 mg/L in GAC B effluent, thus GAC B was more likely to minimize the microbial growth in distribution systems. Both GACs pores seemed to clog up with high-molecular weight humic substances over time that resulted in poorer removal efficiency of high-molecular weight compounds. Low molecular weight compounds that were possibly biodegradable were removed most efficiently during the study. LC-OCD results showed that GAC B removed humic substances (~1000 g/mol) and building blocks (300–500 g/mol) at least 38 % more efficiently than GAC A and low molecular weight neutrals (< 350 g/mol) at least 37 % more efficiently than GAC A. HPSEC-UV254 seemed to be a useful method in Rusko when altering treatment process because the proportion of humic substances and building blocks was up to 85 % of the dissolved organic carbon in raw water.
Aluminum and phosphorous were leached from full-scale filter GAC A two times more than GAC B. Batch leaching tests and an up-flow column leaching test showed that aluminum was leached more from GAC when the flow rate of water was higher. Phosphorous was leached rapidly (L/S-ratio < 40 L/kg) but the flow rate of water seemed to have no effect on its leaching. The optimization of the GAC prewashing procedure in Rusko needs further studies.
Aktiivihiili B poisti 256 vuorokauden aikana noin 38 % enemmän TOC:tä kuin aktiivihiili A, mutta toisaalta aktiivihiili B oli noin 48 % kalliimpi kuin aktiivihiili A. TOC-poistotehokkuus oli 256 vuorokauden kuluttua aktiivihiiltä A sisältävässä suodattimessa 7 % ja aktiivihiiltä B sisältävässä suodattimessa 15 %. Aktiivihiilen A läpi suodatetun veden BDOC-pitoisuus vaihteli välillä 0,04–0,17 mg/L, kun taas aktiivihiilen B läpi suodatetun veden BDOC-pitoisuus vaihteli välillä 0,02–0,11 mg/L, joten verkostokasvupotentiaalin minimoimisen kannalta aktiivihiili B oli parempi vaihtoehto. LC-OCD-menetelmällä mitattuna aktiivihiili B poisti humusaineita (~1000 g/mol) ja niiden hajoamistuotteita (300–500 g/mol) vähintään 38 % tehokkaammin ja pienimolekyylisiä neutraaleita yhdisteitä (< 350 g/mol) vähintään 37 % tehokkaammin kuin aktiivihiili A. Ruskon pintavesilaitoksen raakaveden humusaineiden ja niiden hajoamistuotteiden osuus liuenneesta orgaanisesta hiilestä oli jopa 85 %, joten HPSEC-UV254-menetelmää voidaan hyvin soveltaa humuspitoisen veden laadun seurannassa esimerkiksi vedenpuhdistusprosessia muunneltaessa.
Täyden mittakaavan liukoisuuskokeissa aktiivihiilestä A liukeni kaksinkertainen määrä alumiinia ja fosforia verrattuna aktiivihiileen B. Ravistelu- ja kolonnikokeiden tuloksista havaittiin alumiinia liukenevan enemmän aktiivihiilestä, kun veden virtausnopeus oli korkeampi. Fosfori liukeni nopeasti (L/S-suhde < 40 L/kg) kolonnikokeessa ja ravistelukokeissa, mutta sen liukenemiseen virtauksen nopeudella ei havaittu vaikutusta. Käyttöönottohuuhtelun optimointi vaatisi jatkotutkimuksia.
GAC B removed approximately 38 % more TOC during 256 days of operations compared to GAC A. However, GAC B was approximately 48 % more expensive than GAC A. After 256 days of operation, TOC removal was 7 % for GAC A filter and 15 % for GAC B filter. BDOC concentration varied between 0,04–0,17 mg/L in GAC A effluent and between 0,02–0,11 mg/L in GAC B effluent, thus GAC B was more likely to minimize the microbial growth in distribution systems. Both GACs pores seemed to clog up with high-molecular weight humic substances over time that resulted in poorer removal efficiency of high-molecular weight compounds. Low molecular weight compounds that were possibly biodegradable were removed most efficiently during the study. LC-OCD results showed that GAC B removed humic substances (~1000 g/mol) and building blocks (300–500 g/mol) at least 38 % more efficiently than GAC A and low molecular weight neutrals (< 350 g/mol) at least 37 % more efficiently than GAC A. HPSEC-UV254 seemed to be a useful method in Rusko when altering treatment process because the proportion of humic substances and building blocks was up to 85 % of the dissolved organic carbon in raw water.
Aluminum and phosphorous were leached from full-scale filter GAC A two times more than GAC B. Batch leaching tests and an up-flow column leaching test showed that aluminum was leached more from GAC when the flow rate of water was higher. Phosphorous was leached rapidly (L/S-ratio < 40 L/kg) but the flow rate of water seemed to have no effect on its leaching. The optimization of the GAC prewashing procedure in Rusko needs further studies.