text size

Vliv organických látek produkovaných fytoplanktonem na koagulaci dalších znečišťujících příměsí přítomných v povrchových vodách

Notice: I hereby declare that I am aware that the information acquired from theses published by Charles University may not be used for commercial purposes or may not be published for educational, scientific or other creative activities as activities of person other than the author.
Title:
Vliv organických látek produkovaných fytoplanktonem na koagulaci dalších znečišťujících příměsí přítomných v povrchových vodách
Titile (in english):
The impact of algal organic matter on coagulation of other impurities present in surface waters
Type:
Dissertation
Author:
Mgr. Magdalena Barešová
Supervisor:
RNDr. Martin Pivokonský, Ph.D.
Opponents:
doc. RNDr. Jana Ambrožová, Ph.D.
doc. Ing. Petr Dolejš, CSc.
Thesis Id:
129015
Faculty:
Faculty of Science (PřF)
Department:
Institute for Environmental Studies (31-550)
Study programm:
Environmental Science (P3931)
Study branch:
-
Degree granted:
Ph.D.
Defence date:
13/12/2017
Defence result:
Pass
Language:
Czech
Keywords (in czech):
Koagulace; organické látky produkované fytoplanktonem; úprava pitné vody
Keywords:
Algal organic matter; coagulation; drinking water treatment
Abstract (in czech):
ABSTRAKT Úprava pitné vody se potýká s výskytem fytoplanktonu zejména ve fázi jeho odumírání, kdy dochází k uvolnění značného množství celulárních organických látek (COM – Cellular Organic Matter). Vzhledem k druhové závislosti charakteru COM a tedy i účinnosti jejich odstranění, tato práce srovnává organické látky, tzv. Algal Organic Matter (AOM), produkované čtyřmi běžně se vyskytujícími druhy fytoplanktonu: zelenými řasami Chlamydomonas geitleri, rozsivkami Fragilaria crotonensis a sinicemi Microcystis aeruginosa a Merismopedia tenuissima. Odlišnost extracelulární a celulární frakce byla hodnocena monitoringem růstu a srovnáním AOM získaných v různých fázích rozvoje fytoplanktonu. Vzhledem k tomu, že COM jsou nejen obtížně odstranitelné, ale ztěžují i odstranitelnost dalších znečišťujících příměsí, práce zkoumá vliv souběžné koagulace COM a dalších látek přítomných v povrchových vodách: kaolinu, huminových látek (HL) a buněk M. tenuissima. Průběh koagulace byl studován pomocí sklenicových zkoušek s jednotlivými komponenty i jejich směsi za přítomnosti koagulantu (síran hlinitý či železitý) či bez něj. Důraz byl kladen na proteinovou složku COM M. aeruginosa. S cílem zvýšit odstranitelnost proteinových COM byla zařazena preoxidace. Koagulace odstranila s až 99% účinností zákal jílového i organického původu přibližně při pH 6-8 v případě železitého a 7-8,5 u hlinitého činidla. Naopak u huminových látek a látek řasového původu bylo dosaženo nižší míry odstranění (do 68 % u HL, 60-85 % u proteinových COM M. aeruginosa a 43-53 % u COM M. tenuissima, vyjádřených jako koncentrace rozpuštěného organického uhlíku (DOC – Dissolved Organic Carbon)), a to v mírně kyselém pH (cca 4-6 pro Fe a 5-6,5 pro Al). V případě směsí COM koagulaci podpořily, přestože pozměnily optimální oblast pH a současně i koagulační mechanismy zákalotvorných částic. Zatímco samotné buňky i kaolin interagovaly spíše prostřednictvím adsorpce na hydratovaných oxidech Al/Fe v neutrální oblasti pH, směsi COM a buněk i proteinových COM a kaolinu podlehly nábojové neutralizaci Al/Fe-hydroxypolymery v mírně kyselém pH odpovídajícímu optimu samotných COM. COM rovněž vyvolaly flokulaci sledovaných příměsí přibližně při pH <4,5 i bez přídavku koagulantu. Jako pomocné flokulační činidlo se adsorpčních procesů účastnily pravděpodobně vysokomolekulární látky (>10 kDa), které umožnily agregaci destabilizovaných částic a molekul tvorbou mezičásticových můstků. Naopak vysoký podíl nízkomolekulární frakce (<10 kDa) a převážně hydrofilní povaha patrně odpovídají za relativně nízkou odstranitelnost COM. V úzkém rozsahu pH okolo 6,2 v případě Fe a 6,8 u Al byla koagulace rušena tvorbou organo-kovových komplexů. Tomuto narušení lze však předejít optimalizací reakčních podmínek či preoxidací, která navíc zvýšila míru odstranění proteinových COM v porovnání se samotnou koagulací o 5-12 %.
Abstract:
ABSTRACT Drinking water treatment is facing an adverse impact of algae especially when they extensively decay and release cellular organic matter (COM). As the character and consequently the removal efficacy of COM depends on the individual species, the thesis compares algal organic matter (AOM) derived from four common phytoplankton species: green alga Chlamydomonas geitleri, diatom Fragilaria crotonensis, and cyanobacteria Microcystis aeruginosa and Merismopedia tenuissima. To evaluate the differences between extracellular and cellular organic matter, we monitored the growth of those organisms and compared AOM obtained at different growth phases. As COM is not only difficult to coagulate, but also hinders the coagulation of other substances, the thesis investigates the effect of simultaneous coagulation of COM with other impurities present in surface waters: kaolin, humic substances (HS) or cyanobacterial cells of M. tenuissima. Coagulation behaviour was studied by the jar tests performed with single components and their mixtures with and without a coagulant (ferric or aluminium sulphate). Special emphasis was paid to proteinaceous COM of M. aeruginosa; to enhance the removability of proteinaceous matter we implemented pre-oxidation. Coagulation effectively removed turbidity (up to 99%) either of clay or algae origin at pH approx. 6-8 for ferric and 7-8.5 for aluminium coagulant. On the other hand, both humic and algal organic matter showed lower maximum removals (up to 65% for HS, 60-85% for proteinaceous COM of M. aeruginosa, and 43-53% for M. tenuissima COM, expressed as dissolved organic carbon (DOC)) at pH below neutral (approx. 4-6 for Fe and 5-6.5 for Al). In the case of mixtures, COM favoured coagulation although it modified the pH optimum for turbidity removal and hence the coagulation mechanisms. While both single cells and kaolin adsorbed preferably onto Al/Fe-oxide-hydroxides at about neutral pH, the COM-cell and proteinaceous COM-kaolin mixtures underwent charge neutralisation by Al/Fe- hydroxopolymers within the moderately acidic pH range more or less overlapping with that for single COM. Additionally, COM induced flocculation of those impurities even in the absence of a coagulant at acidic pH (approx. <4.5). It seems plausible that as a flocculant aid particularly high-molecular weights (MWs) (>10 kDa) involved in the adsorption processes and entailed inter-particle bridging of destabilised molecules and particles. In turn, high portions of low-MWs (<10 kDa) and predominantly hydrophilic nature most likely produced relatively low COM removals. Besides, at a narrow pH range about 6.2 for Fe and 6.8 for Al, coagulation was disrupted due to the formation of organo-metal complexes. However, this interference can be prevented by pH optimisation or by pre-oxidation with the benefit of heightened removals of proteinaceous COM by 5-12% compared to coagulation alone.
Documents
Download Document Author Type File size
Download Text of the thesis Mgr. Magdalena Barešová 12.76 MB
Download Abstract in czech Mgr. Magdalena Barešová 270 kB
Download Abstract in english Mgr. Magdalena Barešová 264 kB
Download Autoreferat / doctoral thesis summary Mgr. Magdalena Barešová 748 kB
Download Opponent's review doc. RNDr. Jana Ambrožová, Ph.D. 223 kB
Download Opponent's review doc. Ing. Petr Dolejš, CSc. 211 kB
Download Defence's report 537 kB