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Organisationseinheit der BAM
Powdered activated carbon (PAC) for organic micro-pollutant (OMP) removal can be applied effectively on wastewater treatment plant (WWTP) effluents by using re-circulation schemes, accumulating the PAC in the system. This technique is complex because several factors are unknown: (i) the PAC concentration in the system, (ii) specific and average contact times of PAC particles, and (iii) PAC particle loadings with target compounds/competing water constituents. Thus, performance projections (e.g. in the lab) are very challenging. We sampled large-scale PAC plants with PAC sludge re-circulation on eight different WWTPs. The PAC plant-induced OMP removals were notably different, even when considering PAC concentrations in proportion to background organic sum parameters. The variability is likely caused by differing PAC products, varying water composition, differently effective plant/re-circulation operation, and variable biodegradation. Plant PAC samples and parts of the PAC plant influent samples were used in laboratory tests, applying multiples (0.5, 1, 2, 4) of the respective large-scale “fresh” PAC doses, and several fixed contact times (0.5, 1, 2, 4, 48 h). The aimwas to empirically identify suitable combinations of lab PAC dose (as multiples of the plant PAC dose) and contact time, which represent the PAC plant
performances in removing OMPs (for specific OMPs at single locations, and for averages of different OMPs at all locations). E.g., for five well adsorbing, little biodegradable OMPs, plant performances can be projected by using a lab PAC dose of twice the respective full-scale PAC dose and 4 h lab contact time (standard deviation of 13 %-points).
An investigation of microplastic (MP) occurrence in a municipal wastewater treatment plant (WWTP) effluent with tertiary treatment was carried out. Representative sample volumes of 1 m3 were taken by applying a fractionated filtration method (500, 100, and 50 µm mesh sizes). The detection of MP mass fractions by thermal extraction desorption–gas chromatography/mass spectrometry (TED-GC/MS) was achieved without the previously required additional sample pretreatment for the first time. Different types of quantification methods for the evaluation of TED-GC/MS data were tested, and their accuracy and feasibility have been proven for real samples. Polyethylene, polystyrene, and polypropylene were identified in effluent samples. The polymer mass content varied significantly between 5 and 50 mg m−3. A correlation between the MP load and the quantity of suspended matter in the WWTP effluents, particle size distribution, particle type, and operation day (i.e., weekday, season, and capacity) was not found. It can be concluded that a meaningful assessment of WWTPs requires a comprehensive sampling campaign with varying operation conditions.
The occurrence of small particles consisting of organic polymers, so-called microplastic (MP), in aquatic Environments attracts increasing interest in both public and science. Recent sampling campaigns in surface Waters revealed substantial numbers of particles in the size range from a few micrometers to a few millimeters. In order to validate sample preparation, identification and quantification and to investigate the behavior of MP particles and potential toxic effects on organisms, defined MP model particles are needed. Many studies use spherical compounds that probably behave differently compared to irregularly shaped MP found in environmental samples.
However, preparation and handling of MP particles are challenging tasks and have been systematically investigated in the present study. Polystyrene (PS) as a commonly found polymer with a density slightly above that of water was selected as polymer type for milling and fractionation studies. A cryogenic ball mill proved to be practical and effective to produce particles in the size range from 1 to 200 μm. The yield of small particles increased with increasing pre-cooling and milling durations. Depending on the concentration and the size, PS particles do not completely disperse in water and particles partly creep vertically up along glass walls. Stabilized MP suspensions without use of surfactants that might harm organisms are needed for toxicological studies. The stabilization of PS particle suspensions with ozone treatment reduced the wall effect and increased the number of dispersed PS particles but increased the dissolved organic carbon concentration and changed the size Distribution of the particles.
Analysis of microplastic particles (MP) in environmental samples needs sophisticated techniques and is time intensive due to sample preparation and detection. An alternative to the most common (micro ) spectroscopic techniques, FTIR or Raman spectroscopy, are the thermoanalytical methods, where specific decomposition products can be analyzed as marker compounds for different kind of plastics types and mass contents. Thermal extraction desorption gas chromatography mass spectrometry (TED-GC-MS) allows the fast identification and quantification of MP in environmental samples without sample preparation. Whereas up to now only the analysis of thermoplastic polymers was realized, this is the first time that even the analysis of tire wear (TW) content in environmental samples is possible. Various marker compounds for TW were identified. They include characteristic decomposition products of elastomers, antioxidants and vulcanization agents. Advantages and drawbacks of these marker substances were evaluated. Environmental samples from street run off were exemplarily investigated and presented.
Small polymer particles with a diameter of less than 5 mm called microplastics find their way into the environment from polymer debris and industrial production. Therefore a method is needed to identify and quantify microplastics in various environmental samples to generate reliable concentration values. Such concentration values, i.e. quantitative results, are necessary for an assessment of microplastic in environmental media. This was achieved by thermal extraction in thermogravimetric analysis (TGA), connected to a solid-phase adsorber. These adsorbers were subsequently analysed by thermal desorption gas chromatography mass spectrometry (TDS-GC-MS). In comparison to other chromatographic methods, like pyrolyse gas chromatography mass spectrometry (Py-GC-MS), the relatively high sample masses in TGA (about 200 times higher than used in Py-GC-MS) analysed here enable the measurement of complex matrices that are not homogenous on a small scale. Through the characteristic decomposition products known for every kind of polymer it is possible to identify and even to quantify polymer particles in various matrices. Polyethylene (PE), one of the most important representatives for microplastics, was chosen as an example for identification and quantification.
In diesem Beitrag wird der Einfluss des Aktivkohleprodukts auf die Adsorption von Spurenstoffen aus Kläranlagenablauf gezeigt und diskutiert. Im zweiten Teil wird das Material Aktivkohle analytisch charakterisiert und die Eigenschaften systematisiert. Die gewonnenen Erkenntnisse werden mit Bezug zu Praxislösungen zusammengefasst.
In diesem Beitrag wird gezeigt wie mit Thermogravimetrischen Analysen (TGA) Aktivkohleoberflächen charakterisiert werden können. Außerdem wie TGA mit Zersetzungsgasanalyse zur Untersuchung von Adsorbat-Systemen (Carbamazepin an drei verschiedenen Aktivkohlen) zur Aufklärung von Adsorptionszuständen genutzt werden kann.
The adsorption of organic micropollutants onto activated carbon is a favourable solution for the treatment of drinking water and wastewater. However, these adsorption processes are not sufficiently understood to allow for the appropriate prediction of removal processes. In this study, thermogravimetric analysis, alongside evolved gas analysis, is proposed for the characterisation of micropollutants adsorbed on activated carbon. Varying amounts of carbamazepine were adsorbed onto three different activated carbons, which were subsequently dried, and their thermal decomposition mechanisms examined. The discovery of 55 different pyrolysis products allowed differentiations to be made between specific adsorption sites and conditions. However, the same adsorption mechanisms were found for all samples, which were enhanced by inorganic constituents and oxygen containing surface groups. Furthermore, increasing the loadings led to the evolution of more hydrated decomposition products, whilst parts of the carbamazepine molecules were also integrated into the carbon structure. It was also found that the chemical composition, especially the degree of dehydration of the activated carbon, plays an important role in the adsorption of carbamazepine. Hence, it is thought that the adsorption sites may have a higher adsorption energy for specific adsorbates, when the activated carbon can then potentially increase its degree of graphitisation.
Advanced wastewater treatment with powdered activated carbon (PAC) leads to a spread of PAC into different purification stages of wastewater treatment plants (WWTP) due to recirculation and filter back-wash. Currently, no methods for quantification of PAC in activated sludge are available. In this study, PAC containing activated sludge from four WWTP were examined by two-step thermogravimetric analysis (TGA) with heating up to 600°C in N2 and subsequently in synthetic air. Direct quantification of PAC according to temperature specific weight losses was possible for one WWTP. Quantification by combining specific mass losses was found to be an alternative direct method, with a detection limit of 1.2% PAC in dry sample mass.
Additionally, evolved gas analysis (EGA) by infrared-spectroscopy (FTIR) during TGA revealed interaction mechanisms between PAC and activated sludge. Aliphatic compounds from activated sludge were identified as major substances influenced by PAC. In derivative thermogravimetry (DTG), a typical double peak at approximately 300°C was found to be related to carbonylic species with increased evolution of acetic acid in aged activated sludge. TGA and EGA are promising tools to understand, control and optimise the application of PAC in advanced wastewater treatment.
Water treatment with activated carbon (AC) is an established method for the removal of organic micropollutants and natu ral organic matter. However, it is not yet possible to predict the removal of individual pollutants. An appropriate material characterization, matching adsorption processes in water, might be the missing piece in the puzzle. To this end, this study examined 25 diferent commercially available ACs to evaluate their material properties. Frequently reported analyses, including N2 adsorption/desorption, CHNS(O), point of zero charge (PZC) analysis, and X-ray photoelectron spectroscopy, were conducted on a selected subset of powdered ACs. Inorganic elements examined using X-ray fuorescence and X-ray difraction spectroscopy revealed that relative elemental contents were distinctive to the individual AC’s raw material and activation procedure. This study also is the frst to use thermogravimetric analysis (TGA) coupled to Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) to conduct quantitative analyses of functional surface oxygen groups (SOGs: carboxylic acid, anhydride, lactone, phenol, carbonyl, and pyrone groups) on such a large number of ACs. The comparably economical TGA method was found to provide good surrogates for the PZC by pyrolytic mass loss up to 600 ◦C (ML600), for the oxygen content by ML1000 and for the carbon content by oxidation. Mass loss profles depict the AC’s chemistry like fngerprints. Furthermore, we found that SOG contents determined by TGA-FTIR covered a wide individual range and depended on the raw material and production process of the AC. TGA and TGA-FTIR might therefore be used to identify the suitability of a particular AC for a variety of target substances in diferent target waters. This can help practitioners to control AC use in waterworks or wastewater treatment plants.
Kunststoffe sind wichtige Werkstoffe und heutzutage aus Haushalt und Wirtschaft nicht mehr wegzudenken. Seit Anfang der 1970er-Jahre wird das Vorkommen von Kunststoffpartikeln in Küstengewässern beschrieben. Inzwischen ist Mikroplastik nicht nur im marinen Bereich, sondern auch in weiteren Umweltkompartimenten, Biota und technischen Einrichtungen der Wasserwirtschaft nachgewiesen worden, in dieser Arbeit wird ein Überblick über das Vorkommen von Mikroplastik in der aquatischen Umwelt und ersten bekannten Auswirkungen gegeben. Darüber hinaus werden die aktuellen Untersuchungsverfahren von Probenahme, Probenaufbereitung und Analytik betrachtet und offene fragen diskutiert. Zentral erscheint in diesem Zusammenhang die Entwicklung einer harmonisierten medienübergreifenden Untersuchungsmethodik, die eine Auswertung relevanter Stoffströme ermöglicht und auf notwendige Bewertungskonzepte abgestimmt ist.
Im Verbundprojekt RUSEKU wurde die Probenahme von Wasserproben entscheidend weiterentwickelt. Wichtig ist hierbei zu gewährleisten, dass genügend Merkmalsträger in jeder Probe untersucht werden. Es muss daher eine für den Probenahmeort repräsentative Beprobung hinsichtlich des Wasservolumens in Abhängigkeit der Partikelanzahl gewährleistet sein.
Das Hauptaugenmerk lag im vorliegenden Projekt auf einer praxisnahen Beprobungsstrategie. Es wurden verschiedene Konzepte ausprobiert.
• Grundsätzlich hat sich gezeigt, dass eine Stichprobe eine Momentaufnahme des MP-Massengehaltes zeigt. Es wird eine hohe Statistik, also eine Vielzahl an Messungen am gleichen Probenahmeort, benötigt, um eine valide Aussage über den MP-Gehalt zu machen.
• Es zeigt sich, dass eine integrale Probenahme über mehrere Wochen mit dem SK routinemäßig möglich ist. Die erfassten MP-Massen sind reproduzierbar und robust.
• Die DFZ ist für Stichproben geeignet. Partikel < 50 µm werden eventuell unterschätzt
• Die fraktionierte Filtration kann für Stich- und Mischproben direkt im Feld genutzt werden. Fraktionen von 10 und 5 µm werden später im Labor Vakuum filtriert. Es erfolgt eine Fraktionierung der Probe mit Siebmaschenweiten von 1000, 500, 100, 50, 10 und 5 µm.
• Die fraktionierte Filtration kann auch anschließend an die Beprobung mit dem SK zur Anwendung kommen. Wird die mit dem SK gewonnene Wasserprobe fraktioniert filtriert, kann neben einem MP-Gesamtgehalt auch eine Einschätzung über die Partikelgrößen gewonnen werden.
• Für Wässer mit geringen Partikelzahlen wurde ein Messfiltertiegel entwickelt. Dieser hat eine Maschenweite von 6 µm. Seine Anwendung kann mögliche Verluste beim Transferieren vom Probenahmetool zum Messgefäß und mögliche Kontaminationen reduzieren.
Die Optimierung der Probenahmestrategie wurde durch Modellversuche und Simulationen unterstützt. Modellversuche zum Sinkverhalten und Simulationen von MP in realen Gewässern verdeutlichten das komplexe Verhalten der Partikel. Es konnte gezeigt werden, dass Partikel ab einer bestimmten Größe (und kleiner) bei genügend starker Turbulenz sich in der Wassersäule unabhängig von ihrer Dichte verhalten und so auch MP mit kleiner Dichte (z.B. PE) in der gesamten Wassersäule zu finden sind. Es konnte mit dem TEM die Existenz von NP gezeigt werden.
Ein wesentlicher Aspekt des RUSEKU Projektes war die Beprobung realer Kompartimente. Beprobt wurde neben Oberflächengewässern, das urbane Abwassersystem der Stadt Kaiserslautern, Waschmaschinenabwasser und Flaschenwasser.
• In Oberflächengewässern wurde hauptsächlich PE gefunden. Je nach Probe und Gewässer konnten auch PP, PS, PET, PA, SBR und Acrylate nachgewiesen werden.
• Im urbanen Abwassersystem der Stadt Kaiserslautern konnte an allen Probenahmestandorten MP nachgewiesen werden. Es wurde hauptsächlich PE, neben geringeren Mengen an PP, PS und SBR gefunden. Nach einem Regenereignis war der SBR Anteil deutlich erhöht.
• Die Beprobung eines realen Wäschepostens, bestehend aus T-Shirts und Hemden mit PA/CO oder PES/CO Mischgewebe, zeigte einen PA- und PES-Austrag im Waschwasser. Der überwiegende Teil der detektierten Fasern ist aber auf Baumwolle zurückzuführen. Reine gravimetrische Messungen zur Detektion von MP führen zu einer starken Überschätzung.
• In Flaschenwasser (PET-Flaschen) konnte MP detektiert werden. PET wurde nur im stillen Mineralwasser, nicht in Mineralwasser mit Kohlensäure gefunden werden. Teilweise wurde auch das MP-Material des Verschlusses im Wasser detektiert.
• Für Luftproben konnte ein Aufbau zur größenselektiven Beprobung getestet werden.
Neben der Probenahme hat das Projekt auch gezeigt, dass die TED-GC/MS geeignet für die MP-Detektion im Routinebetrieb ist. Die TED-GC/MS konnte weiter optimiert werden. Es wurden MP-Massen bestimmt.
Im Projekt wurden erste realitätsnahe Referenzmaterialien für die MP Detektion hergestellt. Die Herstellung von realitätsnahen Polymeren in ausreichender Homogenität und Menge hat sich als große Herausforderung herausgestellt.