Čištění šedé vody v umělých mokřadech s filtračním materiálem obsahujícím oxidy manganu a železa

Bc. Patrik Mottel

Master's thesis

The treatment of greywater in constructed wetlands with manganese and iron oxides as filtration media additives

Abstract:

Tato práce se zaměřuje na posouzení účinku oxidů manganu a železa jako přísad filtračního média v umělých mokřadech určených pro čištění šedé vody, jež obsahuje anorganické a organické kontaminanty. Šedá voda, vznikající v domácnostech nese potenciální riziko pro životní prostředí a lidské zdraví v důsledku obsahu široké škály nečistot. Problematika šedé vody zahrnuje jak organické látky, tak i anorganické látky, jako jsou těžké kovy. Cílem práce je analyzovat účinnost těchto materiálů při odstraňování kontaminantů a posoudit jejich potenciál v kontextu udržitelného a efektivního čištění šedé vody. Tímto způsobem se přispěje k pochopení vhodnosti a účinnosti technologií pro čištění šedé vody a zvýší se povědomí o možnostech využití umělých mokřadů jako prostředku k ochraně životního prostředí a lidského zdraví. V experimentálním modelu byly použity umělé mokřady, tzv. kolony, jež byly naplněny oxidy manganu nebo hydroxidy železa a byly osázeny rostlinami. Jako kontrola byly použity sloupce s pískem a bez rostlin. V experimentu byla použita umělá šedá voda obohacená 26 organickými mikropolutanty. V experimentu byly použity komerční hydroxidy železa a oxidy manganu. Hydroxidy železa zvýšily celkové odstranění organických mikropolutantů o 28 % a oxidy manganu o 7 %. Přítomnost vegetace neměla žádný vliv na odstranění organických mikropolutantů v kontrolních kolonách s pískem, ale v kolonách s oxidy manganu zvýšila odstranění o 7 %. Na druhou stranu v kolonách s hydroxidy železa bylo odstranění organických mikropolutantů v přítomnosti vegetace sníženo o 9 %. Aditiva měla také pozitivní vliv na odstraňování celkového organického uhlíku (TOC), anorganického uhlíku (IC), fluoridů (F-), fosforečnanů (PO43-), diklofenaku, furosemidu a ibuprofenu. Bor (B), sírany (SO42-), bisfenol S, gemfibrozil, ketoprofen, sulfamethoxazol, cyklamát a sacharinu byly účinně odstraňovány hydroxidem železitým. Na odstranění zinku, niklu a diethyltoluamidu (DEET) měl pozitivní účinek oxid manganu. Proces odstranění znečišťujících látek v kolonách s hydroxidem železitým byl spojen se sorpcí, v případě oxidu manganu mohla hrát roli oxidace a adsorpce. Je otázkou, zda relativně nízké zlepšení odstraňování pomocí oxidu manganu a hydroxidu železitého postačuje k jejich rozsáhlejšímu využití. Proto se jeví jako vhodné provést testování těchto materiálů v plném měřítku. Důležitým zjištěním této studie je, že umělé mokřady vyplněné pouze s pískem mohou také poskytnout vysoké odstranění některých sloučenin, pravděpodobně v důsledku biologického rozkladu. Nicméně některé sloučeniny vyžadují další pozornost kvůli jejich odolnosti vůči odstranění. Mezi tyto látky patří umělá sladidla, flukonazol, diklofenak a hydrochlorthiazid. Obecně by měl být osud a účinek organických mikropolutantů v případě opětovného použití šedé vody pro splachování toalet nebo zavlažování zahrad dále studován a sledován. Tato potřeba vyplývá z poznatku této studie, že ne všechny organické mikropolutanty lze jednoduše odstranit z odpadních vod, jak ukazuje i tato studie

Abstract:

This work focuses on the assessment of the effect of manganese and iron oxides as filter medium additives in artificial wetlands intended for the treatment of gray water containing inorganic and organic contaminants. Gray water generated in households carries a potential risk for the environment and human health due to the content of a wide range of impurities. The issue of gray water includes both organic substances and inorganic substances such as heavy metals. The aim of the work is to analyze the effectiveness of these materials in removing contaminants and to assess their potential in the context of sustainable and efficient gray water treatment. In this way, it will contribute to the understanding of the suitability and effectiveness of gray water treatment technologies and raise awareness of the possibilities of using artificial wetlands as a means of protecting the environment and human health. In the experimental model, artificial wetlands, so-called columns, were used, which were filled with manganese oxides or iron hydroxides and planted with plants. Columns with sand and without plants were used as controls. Artificial gray water enriched with 26 organic micropollutants was used in the experiment. Commercial iron hydroxides and manganese oxides were used in the experiment. Iron hydroxides increased the total removal of organic micropollutants by 28% and manganese oxides by 7%. The presence of vegetation had no effect on organic micropollutant removal in control sand columns, but increased removal by 7% in manganese oxide columns. On the other hand, in the columns with iron hydroxides, the removal of organic micropollutants was reduced by 9% in the presence of vegetation. The additive also had a positive effect on the removal of total organic carbon (TOC), inorganic carbon (IC), fluorides (F-), phosphates (PO43-), diclofenac, furosemide and ibuprofen. Boron (B), sulfates (SO42-), bisphenol S, gemfibrozil, ketoprofen, sulfamethoxazole, cyclamate and saccharin were effectively removed by ferric hydroxide. Manganese oxide had a positive effect on the removal of zinc, nickel and diethyltoluamide (DEET). The process of pollutant removal in ferric hydroxide columns was associated with sorption, in the case of manganese oxide oxidation and adsorption may have played a role. It is questionable whether the relatively low improvement in removal using manganese oxide and ferric hydroxide is sufficient for their wider use. Therefore, it seems appropriate to carry out full-scale testing of these materials. An important finding of this study is that artificial wetlands filled with only sand can also provide high removal of some compounds, probably due to biodegradation. However, some compounds require further attention due to their resistance to removal. These include artificial sweeteners, fluconazole, diclofenac and hydrochlorothiazide. In general, the fate and effect of organic micropollutants in the case of gray water reuse for toilet flushing or garden irrigation should be further studied and monitored. This need arises from this study's finding that not all organic micropollutants can be easily removed from wastewater, as this study also shows.

Keywords

šedá voda, umělé mokřady, organické kontaminanty, anorganické kontaminanty, čištění odpadních vod

Keywords

constructed wetlands, organic contaminants, inorganic contaminants, wastewater treatment, gray water

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 31. 3. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 21. 5. 2024
• Supervisor: Adam Jan Sochacki
• Reader: Martina Vítková, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Environmental Sciences

Master programme:
Regional Environmental Administration