Role and change of dissolved organic matter during oxidative water treatment: From competition to prediction of micropollutant abatement

Project: Research

Research areas and keywords

UKÄ subject classification

  • Other Chemistry Topics
  • Analytical Chemistry

Keywords

Description

Oxidative water treatment for abatement of micropollutants (e.g. pharmaceuticals) in water and wastewater can reduce the pollutant exposure of drinking water and ecosystems, if controlled and managed properly. Oxidants if applied in water treatment are mainly consumed by dissolved organic matter (DOM), as it is the main competitor for abatement of micropollutants. To better understand the nature of the DOM-oxidant interactions, the oxidant reactivity of DOM will be characterized, combining kinetics and oxidant-demand information for various oxidants such as O3, HOCl, ClO2 and Fe(VI). Reactive DOM moieties will additionally be quantified by methods such as acid-base titration and correlated with potential surrogate parameters, for the redox properties of DOM such as the electron donating capacity and UV-Vis absorption spectra. A kinetic model will be built, which describes the oxidant stability, hence the oxidant exposure. Based on this model, the potential to predict micropollutant abatement will be evaluated. Finally, we will verify the changes of DOM by using advanced LC/MS systems combined with e.g. electrochemical, diode array and charged aerosol detection. This project will provide improved fundamental understanding of the oxidant-reactivity of DOM, to be used for better management and control of oxidative processes. The planned research project will be conducted at the renowned Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology and at Lund University.

Layman's description

Läkemedelsrester, hormonstörande ämnen och andra (antropogena) organiska föroreningar blir allt mer förekommande i våra vattensystem, däribland dricksvatten och avloppsvatten. Tekniker för att avlägsna dessa föroreningar finns, oxidationsprocesser genom ozonering, är ett sådant exempel. Förutom att effektivt avlägsna läkemedelsrester, anses ozon vara ett väldigt effektivt desinfektionsmedel som i tillägg även avlägsnar oönskad färg och lukt på vattnet. Nämnas bör att desinfektionsprocesser för vatten, i och med införandet av klorering, räddade miljontals liv i början på 1900: talet. När det gäller avlägsnande av läkemedel, saknar processerna däremot ett bra och enkelt sätt att mäta processens effektivitet och utförande on-line, när det t.ex. tillämpas i ett tekniskt reningssystem. Att mäta substanserna var och en för sig skulle vara enormt tidskrävande! Vid oxidation i vatten skapas det dessutom biprodukter som ett resultat av att oxidanten reagerar med det lösta organiska materialet (DOM) i vattnet, detta innebär att oxidanten förbrukas på andra komponenter i vattnet istället för på måltavlan: de organiska föroreningarna. Resultatet från denna konkurrens (den mellan oxidanten och DOM), blir att oxidations/desinfektionsbiprodukter bildas (DBPs). Det som avgör hur konkurrensen ser ut är bland annat DOMs reaktivitet. Idag saknas det kunskap om hur DOM ser ut och hur oxidant-reaktiv det är, när det härstammar från olika miljöer. Det saknas också modeller som kan beskriva DOM, till fördel för hantering av vattenkvalitet i olika vattenprocesser såsom ozonering. I detta forskningsprojekt avser vi att karaktärisera och kvantifiera oxidantreaktiva delar av DOM med hjälp av olika typer av vattenprover dels prover från ytvatten, grundvatten och avloppsvatten, både från Sverige och från Schweiz, som representerar hög respektive låg humushalt. Till vår hjälp kommer vi att utnyttja både kända beprövade metoder såsom titrering, samt nya framtagna metoder, t.ex. bestämning av reaktivitet med hjälp av kemiska oxidanter som verkar olika reaktivt för (i) olika funktionella grupper i DOM och (ii) med pH. Kombinationen av de olika metoderna möjliggör skapandet av en empirisk modell som beskriver konsumtionen av oxidanten över tid med avseende på de olika reaktiva grupperna DOM består av. Vi kommer att testa vår DOM-modell med andra underparametrar också, bland annat med hjälp av ultraviolett ljus och genom att studera hur elektroner accepteras av det organiska materialet. Dessa underparametrar har tidigare visat sig vara framgångsrika. Målet är att finna relationer mellan dessa underparametrar och den uppsatta modellen, för att i slutändan förstå hur ozon och DOM reagerar i större framtida system. Finns det några uppenbara mönster eller samband som vi kan dra några lärdomar ifrån? Kan vi på samma sätt förstå hur materialets utseende påverkar viktiga reaktionsmönster? Ett viktigt moment inom projektet är att fastställa modellens begränsningar och möjligheter. Vi vill kunna utvärdera modellen med avseende på ozon, för att fastställa hur stabil ozonexponeringen är med tanke på den föreliggande konkurrensen från DOM. Det är efter detta som den riktiga utmaningen kan börja. Utifrån experiment genomförda i labbmiljö kommer vi därför att testa möjligheten att förutspå avlägsnandet av olika typer av tillsatta läkemedel (både de som är enkla och svåra att bryta ner) med den modell vi har satt upp. Vi frågar oss om det nu är möjligt att förutspå (i) avlägsnandet av läkemedel med hjälp av vår modell. Som ett avslutande moment kommer vi med hjälp av avancerad analytiska metoder, baserade på kromotografi och masspektrometri, verifiera vår modell avseende på hur DOM reagerat i vattnet. Vi kommer därmed att se om våra antaganden verkligen stämmer när det gäller hur DOM ser ut på molekylär nivå efter ozonering. Verktyg som kan pre-diagnostisera hur oxidationsprocesser fortgår, både i designade och naturliga system, som baseras på fundamental kunskap om DOMs reaktivitet, är nödvändiga för att förstå, kontrollera och optimera tekniska och naturliga vattensystem. Detta är vidare en viktig förutsättning för den framtida försörjningen av rent och giftfritt vatten.
StatusActive
Effective start/end date2015/03/012019/12/01

Participants