Ozonation-biofiltration for the production of drinking water from organic-rich groundwaters
Creators: name: Kämmler, Jakob
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2023
Subjects: subject: Ozonation
subject: Natural organic matter (NOM)
subject: Color
subject: Groundwater
subject: Drinking water
subject: Bromate
classificationCode: 620
subject: Engineering

description: Groundwater resources present a major reservoir for worldwide drinking water production that is used intensively due to its consistent quality and availability. Organic-rich groundwater resources with high concentration of natural organic matter (NOM) are not used to their full potential due to the negative impact of NOM on treatment processes and on water quality, particularly on water coloration. This work examines the ozonation-biofiltration process to enhance NOM removal in drinking water production from organic-rich groundwater. Objects of research regarding the ozonation-biofiltration of organic-rich groundwater were (i) the transformation of groundwater NOM, (ii) by-product formation and its minimization and (iii) applicability and integration potential into groundwater treatment. An experimental approach was chosen to address these objects of research. Experiments included batch ozonation, small-scale pilot ozonation-biofiltration and membrane ozonation using different natural, organic-rich groundwaters. Ozonation of organic-rich groundwater is characterized by rapid ozone (O3) consumption by NOM, normalized to the dissolved organic carbon (DOC) content of groundwater (approxi-mately 0.5 mgO3/mgDOC in the first 30 s of ozonation). This results in significant reduction of ultraviolet absorbance (UV254) and color (SAC436) but in low disintegration of NOM to smaller molecular size and therefore moderate formation of assimilable organic carbon (AOC). The simultaneous formation of bromate, a presumed human carcinogen, may exceed international drinking water limits under these conditions. This is due to high bromide contents of groundwaters and presumably enhanced by hydroxyl radicals formed by ozonation of phenolic NOM. Biofiltration of ozonated groundwater by granular activated carbon and phonolithe results in significant reduction of AOC and minor reduction of UV254, SAC436 and DOC. Overall SAC436 removal potential by small-scale pilot ozonation-biofiltration was 40–50 % at bromate concentrations &lt;&lt; 10 µg L-1, for two different groundwaters. For other groundwaters used in batch ozonation experiments, SAC436 removal potential may be up to 70 %. Decolorization performance of ozonation-biofiltration may be enhanced by the implementation of bromate minimization strategies. Process-oriented strategies (multi-stage ozonation and membrane ozonation) and pH reduction showed the highest potential to improve the trade-off between decolorization and bromate formation. Addition of ammonia or hydrogen peroxide reduced bromate concentration only at high ozone doses or compromised decolorization. Ozonation-biofiltration was performed with different feed water qualities including raw groundwater, aerated groundwater and finished groundwater, indicating high potential for integration into groundwater treatment. Overall, it was shown that ozonation-biofiltration is applicable in different groundwater matrices, for different feed water qualities, at low ozone doses of &lt; 0.5 mgO3/mgDOC. Its potential may be increased by the development of bromate minimization strategies particularly eligible for organic-rich groundwater treatment.
description: Grundwasser ist weltweit eine bedeutende Ressource zur Trinkwassergewinnung, unter anderem wegen seiner beständigen Eigenschaften bezüglich Qualität und Verfügbarkeit. Grund-wässer mit hohem Gehalt an gelösten natürlichen organischen Stoffen (natural organic matter, NOM), werden nicht vollumfänglich genutzt, unter anderem wegen erhöhter Gelbfärbung (spektraler Absorptionskoeffizient bei 436 nm, SAK436) solcher Wässer. In dieser Arbeit wird die Ozonung-Biofiltration als mögliches Verfahren zur Entfernung von NOM und zur Entfärbung organikreicher Grundwässer untersucht. Forschungsfragen zur Ozonung-Biofiltration umfassen (i) die Transformation grundwasserbürtiger NOM, (ii) Nebenproduktbildung und deren Minimierung und (iii) Integationsmöglichkeiten in Anlagen und Prozesse zur Grundwasseraufbereitung. Mit verschiedenen natürlichen, organikreichen Grundwässern wurden wurden Laborversuche zur Becherglas-Ozonung, Pilotversuche zur Ozonung-Biofiltration sowie Laborversuche zur Membranozonung durchgeführt. Die Ozonung organikreicher Grundwässer zeichnet sich durch eine schnelle Zehrung von Ozon (O3) aus, bezogen auf den Gehalt an gelöstem organischem Kohlenstoff (dissolved organic carbon, DOC) etwa 0.5 mgO3/mgDOC innerhalb von 30 s nach Ozondosierung. Dadurch werden der SAK436 und die Absorption von ultraviolettem Licht (UV254) erheblich reduziert, bei geringer bis moderater Entstehung assimilierbaren organischen Kohlenstoffs (assimilable organic carbon, AOC). Die Konzentration von Bromat kann unter diesen Bedingungen nationale und internationale Trinkwasser-Grenzwerte (häufig 10 µg L-1) überschreiten. Als Ursache dafür werden neben hohen Gehalten von Bromid auch hohe Konzentrationen von Hydroxylradikalen vermutet, welche bei der Ozonung phenolischer NOM-Bestandteile entstehen können. Bei der Biofiltration ozonierter Grundwässer mittels Phonolith und granulierter Aktivkohle wird der AOC-Gehalt erheblich reduziert, des Weiteren ergeben sich leichte Verringerungen von UV254, SAK436 und DOC-Gehalt. Insgesamt wurde gezeigt, dass mittels Ozonung-Biofiltration bei geringen Ozonmengen (&lt; 0.5 mgO3/mgDOC) verschiedene Grundwasserqualitäten aufbereitet werden können. In den beiden pilotierten Grundwässern wurde mittels Ozonung-Biofiltration eine Reduktion des SAK436 um 40–50 % bei Bromatkonzentrationen &lt;&lt; 10 µg L-1 erreicht. Bei anderen in Becherglas-Versuchen getesteten Grundwässern scheinen teils höhere SAK436-Reduktionsraten von bis zu 70 % möglich. Durch prozessbasierte Strategien (Mehrfachdosierung von Ozon sowie Membranozonung) sowie durch eine Verringerung des pH-Werts konnte die Bromatbildung leicht verringert werden. Durch Dosierung von Ammonium oder Wasserstoffperoxid konnte die Bromatbildung ebenfalls verringert werden, jedoch nur bei Anwendung hoher Ozonmengen und teils bei negativer Auswirkung auf die Entfärbung. Die Ozonung-Biofiltration wurde mit verschiedenen Wasserqualitäten duchgeführt (Rohwasser, belüftetes Rohwasser sowie Reinwasser), was eine hohe Flexibilität des Verfahrens verdeutlicht.