Through the scales: Investigation of processes in bank filtration with different systems
Creators: name: Zeeshan, Muhammad
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2023
Subjects: subject: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::628 Sanitär- und Kommunaltechnik; Umwelttechnik
subject: bank filtration
subject: artificial groundwater recharge
subject: persistent and mobile organic micropollutants
subject: inhibitor
subject: bio-transformation
subject: sorption
subject: surface water
subject: dissolved organic matter
subject: fluorescence spectroscopy

description: The occurrence of emerging contaminants, such as polar organic chemicals in the aquatic environment, poses a significant threat to water resources and drinking water suppliers. Bank filtration (BF) is a low-cost water treatment system that efficiently removes several organic micropollutants (OMP) and pathogens from source water, providing high-quality drinking water. Dissolved organic matter (DOM) concentrations and compositions in source waters and oxygen availability can affect the biochemical processes during BF. The current study investigated the variations in DOM concentrations and compositions, as well as the fate (persistency and bio-transformation) of several emerging contaminants in different systems (ranging from lab-scale to mesocosm-scale) that simulate BF. The study found that DOM in a separated research surface water varied throughout the year, with a significant increase (ca. 38%) observed in August compared to November. Fluorescent DOM analyses showed that the degradable fraction was enriched in summer while the non-degradable fraction dominated in winter. DOM removal varied between 4% and 39% and short BF passages with high particulate organic matter are effective for the removal of biodegradable DOM. Several OMP showed elimination in different systems. For example, 1,2,4-triazole was eliminated by 50%, and n-butyl-thiophosphoric acid triamide proved to be highly degradable and was completely eliminated within a hydraulic retention time (HRT) of 24 h. 50% of the mass recovery for nitrification inhibitors (1,2,4-triazole, dicyanodiamide and 3-methylpyrazole) except for 3,4-dimethylpyrazole was observed in 4 days HRT. Less hydrophilic compounds such as carbamazepine and adamantan-1-amine showed sorption. No significant effect of the DOM on the eliminations of OMP was found except for 4-hydroxy-1-(2-hydroxyethyl)-2,2,6,6,-tetramethylpiperidine (HHTMP), 2-methyl-2-propene-1-sulfonic acid (MPSA) and sulfamethoxazole (SMX). The eliminations of HHTMP (Pearson's r &gt; 0.80, p &lt; 0.05), MPSA (Pearson's r &gt; 0.70) and SMX (Pearson's r &gt; 0.80) correlated with the removals of humic substances in the sand columns. Overall, this study reveals the vital role of organic carbon in the sorption of OMP. Furthermore, adaptation time and HRT play a crucial role in the elimination of emerging OMP through BF, yet at the same time several OMP exhibit persistent behavior. In addition, a recirculated mesocosm demonstrated the potential environmental risk of an exemplary OMP for the aquatic environment.
description: Das Auftreten von neuen Schadstoffen, wie beispielsweise polaren organischen Chemikalien, in der aquatischen Umwelt stellt eine erhebliche Bedrohung für Wasserressourcen und die Trinkwasserversorgung dar. Die Uferfiltration ist ein kostengünstiges Wasseraufbereitungsverfahren, das effizient zahlreiche organische Spurenstoffe (OMP) aus dem Rohwasser entfernt und qualitativ hochwertiges Trinkwasser liefert. Die Konzentrationen und Zusammensetzungen von gelöstem organischen Material (DOM) der Rohwässer sowie der Sauerstoffgehalt die biochemischen Prozesse während der Uferfiltration beeinflussen. Die vorliegende Dissertation untersuchte die Variationen der DOM-Konzentrationen und Zusammensetzungen sowie den Verbleib (Persistenz und Biotransformation) mehrerer neuer Schadstoffe in verschiedenen Systemen (vom Labormaßstab bis zu Mesokosmen), die die Uferfiltration simulieren. Die Studie ergab, dass der Gehalt an DOM im Oberflächenwasser im Laufe des Jahres variiert, wobei im August ein signifikanter Anstieg (ca. 38%) im Vergleich zu November festgestellt wurde. Die Fluoreszenz-DOM-Analyse zeigte, dass der abbaubare Anteil im Sommer angereichert war, während der nicht abbaubare Anteil im Winter dominierte. Die Entfernung von DOM variierte zwischen 4% und 39% und kurze Bodenpassagen mit hohem partikulärem organischem Material sind eine effektive Option für die Entfernung von biologisch abbaubarem DOM. Mehrere OMP zeigten Entfernungen in verschiedenen Systemen. Zum Beispiel wurde 1,2,4-Triazol zu 50% entfernt und n-Butyl-thiophosphorsäuretriamid erwies sich als hoch abbaubar und wurde nach einer hydraulischen Verweilzeit (HRT) von 24 Stunden vollständig entfernt. Eine Massenwiederfindung von 50% für Nitrifikationsinhibitoren (1,2,4-Triazol, Dicyanodiamid und 3-Methylpyrazol) mit Ausnahme von 3,4-Dimethylpyrazol wurde nach 4 Tagen HRT beobachtet. Hydrophobe Verbindungen wie Carbamazepin und Adamantan-1-Amin zeigten Sorption. Es wurde kein signifikanter Einfluss des DOM auf die Eliminierung von OMP festgestellt, mit Ausnahme von 4-Hydroxy-1-(2-hydroxyethyl)-2,2,6,6,-tetramethylpiperidin (HHTMP), 2-Methyl-2-propen-1-sulfonsäure (MPSA) und Sulfamethoxazol (SMX). Die Entfernungen von HHTMP (Pearson's r &gt; 0,80, p &lt; 0,05), MPSA (Pearson's r &gt; 0,70) und SMX (Pearson's r &gt; 0,80) korrelierten mit der Entfernung von Huminstoffen in den Sandkolonnen. Insgesamt zeigt diese Studie die wichtige Rolle des organischen Kohlenstoffs bei der Sorption von OMP auf. Darüber hinaus spielen Anpassungszeit und HRT eine entscheidende Rolle bei der Eliminierung aufkommender OMP durch Uferfiltration, während gleichzeitig mehrere OMP ein persistentes Verhalten aufweisen. Darüber hinaus zeigt die Mesokosmos-Uferfiltration mit Rezirkulation das potenzielle Risiko von OMP in der aquatischen Umwelt.