Optimalizace funkce zařízení pro filtraci odpadní vody přes vrstvu vermikompostu za účelem odstranění vybraných mikropolutantů

Bc. Bára Hanzlová

Master's thesis

Optimizaton of the wastewater treatment process based on filtraton through vermicompost layer with the aim to remove selected micro-pollutants

Abstract:

Čistírny odpadních vod fungují jako primární bariéry proti šíření mikropolutantů, ovšem i přes různé systémy čištění používané na čistírně, nejsou všechny chemické látky těmito procesy dokonale odstranitelné. Velké množství sloučenin a jejich degradačních produktů se tak vymyká kontrole a dochází k jejich přítomnosti v životním prostředí, kde mohou mít negativní dopady. Mezi mikropolutanty bývají zahrnovány různé typy látek, které jsou produkty lidské činnosti. Ve výzkumné části této práce bylo vybráno sedm mikropolutantů, které byly součástí syntetického roztoku. Tento roztok simuloval odpadní vodu a protékal filtračními reaktory. Reaktory obsahovaly anorganickou filtrační vrstvu, 1 kg vermikompostu a některé z nich také určitý počet žížal. Vzorky vody, které prošly jednotlivými filtračními reaktory, byly odebrány a zanalyzovány pomocí kapalinové chromatografie v Mikrobiologickém ústavu AV ČR. Experiment byl rozdělen na dvě série. V první procházel syntetický roztok reaktory (R1-R4) v průtočném množství 3120 ml/den. Cílem této série bylo zjistit, do jaké míry se na eliminaci testovaných mikropolutantů podílí aktivita žížal. V první sérii byly žížaly z R1 ručně vybrány, v R2 bylo obsaženo původní množství žížal (16 ks), v R3 bylo množství žížal doplněno na 516 ks a v R4 na 1016 ks. Během druhé série založené za účelem optimalizace funkce zařízení, byl průtok testovaného roztoku v reaktorech (R2-R4) snížen na 720 ml/den. Účelem druhé série bylo zjistit, zda snížení rychlosti průtoku syntetického roztoku spojené se snížením zatížení systému mikropolutanty povede k navýšení účinnosti eliminace mikropolutantů. V druhé sérii byl v R2 obsažen sterilizovaný vermikompost, z R3 byly žížaly ručně vybrány a v R4 bylo obsaženo 200 ks žížal. Z výsledků vyplývá, že filtrace přes vrstvu vermikopostu má potenciál odstranit bisfenol A, ibuprofen a triklosan, jejichž účinnost eliminace dosáhla až 100 %. Po optimalizaci filtračního zařízení ve druhé sérii byla testovaná metoda dobře účinná také pro diklofenak, s účinností 91 % a sulfapyridin s účinností 97 %. Naopak, jako nepříliš vhodná se metoda jeví pro karbamazepin, u kterého byla v první sérii maximální účinnost odstranění 28 % a v druhé sérii 66 % a hydrochlorothiazid, u kterého byla nejvyšší dosažená účinnost v první sérii 26 % a v druhé 43 %. Z výsledků je patrné, že metoda filtrace odpadní vody přes vrstvu vermikompostu není vhodná pro všechny mikropolutanty, také účinnost není v čase vždy stabilní, proto ji v čištění odpadní vody obsahující širokou škálu látek nelze považovat za spolehlivou. Testovaná metoda by mohla být uplatněna pro předčištění farmaceutických vod se známým složením, s cílem minimalizovat koncentrace konkrétních látek.

Abstract:

Wastewater treatment plants act as primary barriers against the spread of micropollutants, but despite the various treatment systems used at the plant, not all chemicals are perfectly removable by these processes. Thus, large quantities of compounds and their degradation products are out of control and end up in the environment where they can have negative impacts. Micropollutants include various types of substances that are the product of human activity. In the research part of this work, seven micropollutants were selected which were contained in the synthetic solution used for the experiment. This solution simulated wastewater and flowed through filtration reactors. The reactors contained an inorganic filter bed, 1 kg of vermicompost and in some cases also contained certain number of earthworms. Samples of the water that passed through each filtration system were collected and analysed by liquid chromatography at the Institute of Microbiology of the CAS. The experiment was divided into two series. In the first series, the synthetic solution was passed through four reactors (R1-R4) at a flow rate of 3120 ml/day, the aim of this series was to determine the extent to which earthworms activity contributes to the elimination of the micropollutants tested. Earthworms were manually removed from R1, the original quantity (16 earthworms) was contained in R2, the quantity was replenished to 516 in R3 and 1016 in R4. During the second batch established to optimize the operation of the device, the flow rate of the test solution in the three reactors tested (R2-R4) was reduced to 720 ml/day. The purpose of the second series was to determine if the reduction in synthetic solution flow rate, coupled with the reduction in micropollutants loading rate of the system, would result in an increase in micropollutants elimination efficiency. R2 contained sterilized vermicompost, R3 was hand-picked and R4 contained 200 earthworms. The results show that filtration through the vermicompost layer has the potential to remove bisphenol A, ibuprofen and triclosan, with elimination efficiencies of up to 100%. After optimization of the filtration device, the tested method was also well effective for diclofenac, with 91% removal efficiency, and sulfapyridine, with 97% efficiency. On the other hand, the method appears to be not very suitable for carbamazepine, for which the maximum removal efficiency was 28% in the first run and 66% in the second run, and for hydrochlorothiazide, for which the highest efficiency achieved was 26% in the first run and 43% in the second run. The results show that the method of filtration of wastewater through a vermicompost layer is not suitable for all types of micropollutants, also the removal efficiency is not always stable over time, therefore it cannot be considered reliable for the treatment of wastewater containing a wide range of substances. The tested method could be applied for the pre-treatment of pharmaceutical waters where the composition is known in order to minimise the concentrations of these particular substances.

Keywords

mikropolutanty, filtrace, odpadní vody, vermikompost, zatížení systému, počet žížal

Keywords

micropollutants, wastewater, vermicompost, system load, number of earthworms, filtration

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 28. 4. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 20. 5. 2024
• Supervisor: Ing. Pavel Švehla, Ph.D.
• Reader: Iva Dvořáková, externi

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Master programme:
Waste Technology