Die Rückspülung beeinflusst die Entfernung von Mikroschadstoffen und die dynamischen Veränderungen in der mikrobiellen Gemeinschaft in Sandfiltern

Dec 13, 2023

26. April 2023

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von Higher Education Press

Sandfilter werden häufig bei der Trinkwasseraufbereitung eingesetzt und können Schwebstoffe, organische Stoffe und Mikroorganismen effizient aus dem Quellwasser entfernen. Während des Prozesses können sich Partikel und Mikroben an Filtersanden festsetzen und sowohl in Schnell- als auch in Langsamsandfiltern einen dicken Biofilm entwickeln. Um ein Verstopfen zu verhindern und die Effizienz der Schadstoffentfernung wiederherzustellen, ist bei Sandfiltern normalerweise eine Rückspülung mit Luft, Wasser oder einer Kombination aus beidem erforderlich.

Allerdings kann die Rückspülung zu einem Verlust an Biomasse führen und somit die Schadstoffentfernungseffizienz von Sandfiltern verringern. Langsame Sandfilter, deren Leerbettkontaktzeiten (EBCTs) typischerweise länger als eine Stunde sind, weisen eine höhere Effizienz bei der Entfernung von Mikroverunreinigungen auf als schnelle Sandfilter, ihre Verstopfungsprobleme sind jedoch schwerwiegender.

Langsame Sandfilter können einen Teil des gelösten organischen Kohlenstoffs, Ammoniums und Mangans durch mikrobielle Umwandlung und Abbau entfernen. Darüber hinaus deuten neuere Erkenntnisse darauf hin, dass einige organische Mikroschadstoffe durch Sandfilter entfernt werden können, was zumindest teilweise auf den im Filtersand gebildeten Biofilm zurückzuführen ist.

Aufgrund der begrenzten Adsorption von Mikroschadstoffen auf Sandmaterial ist der biologische Abbau von Mikroschadstoffen durch einheimische Mikrobenpopulationen der wichtigste Entfernungsmechanismus von Mikroschadstoffen in langsamen Sandfiltern. Bei der Rückspülung können das eingesetzte Wasser und die Luft das Volumen des Filtermediums vergrößern und so den Biofilm vom Filtersand ablösen und entfernen. Daher kommt es im langsamen Sandfilter periodisch zur Bildung von Biofilmen, und die Dynamik der mikrobiellen Gemeinschaft ist entscheidend für die Schadstoffentfernung im Sandfilter nach der Rückspülung. Allerdings haben sich nur wenige Studien auf die Dynamik mikrobieller Biofilmgemeinschaften nach dem Rückspülen konzentriert.

Um dieses Problem zu lösen, haben Dr. Yaohui Bai von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und seine Teammitglieder zusammengearbeitet, um die zeitliche Dynamik sowohl der Konzentration von Mikroschadstoffen als auch der mikrobiellen Gemeinschaft nach der Rückspülung aufzudecken und die optimalen Intervalle für die Rückspülung langsamer Sandfilter anzugeben zur Mikroschadstoffentfernung. Sie führten ein Laborsäulenexperiment durch, um die Dynamik und Widerstandsfähigkeit der mikrobiellen Biofilmgemeinschaft und die entsprechende Entfernung von Mikroschadstoffen nach der Rückspülung mit langsamen Sandfiltern zu verfolgen.

Zwei Arten von Filtermaterialien, Mangan- und Quarzsandfilter, wurden verwendet, um den Einfluss der Rückspülung auf die mikrobielle Gemeinschaft in langsamen Sandfiltern bei zwei verschiedenen Leerbettkontaktzeiten (EBCTs) vollständig zu vergleichen. Die Studie des Forschungsteams mit dem Titel „Auswirkungen der Rückspülung auf die Entfernung von Mikroschadstoffen und damit verbundene mikrobielle Montageprozesse in Sandfiltern“ wird online in Frontiers of Environmental Science & Engineering veröffentlicht.

In dieser Studie wurde die zeitliche Dynamik der Mikroschadstoffentfernung und die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft nach dem Rückspülen verfolgt, und die Entfernungseffizienz von Koffein, Sulfamethoxazol, Sulfadiazin, Trimethoprim und Atrazin erholte sich in beiden Sandfiltern bei zweistündiger EBCT innerhalb von zwei Tagen allmählich Bei der vierstündigen EBCT wurden rückläufige Trends beim Abbau von Sulfadiazin und Trimethoprim festgestellt. Nach der Rückspülung stieg die Entfernungseffizienz von Atenolol im Mangansandfilter schnell an, blieb jedoch im Quarzsandfilter für beide EBCTs auf einem hohen Niveau (nahezu 100 %).

Dementsprechend erholte sich die aktive Biomasse unter allen Bedingungen innerhalb von zwei Tagen. Die Zusammensetzung der Mikrobengemeinschaft erholte sich nach zwei Stunden EBCT allmählich auf das Niveau vor der Rückspülung, und die zurückgewonnenen Mikroben machten nach zwei Stunden EBCT 82,76 % ± 0,43 % bzw. 46,82 % ± 4,34 % in den Mangan- und Quarzsandfiltern aus. Im Gegensatz dazu erholte sich die Gemeinschaftszusammensetzung in Sandfiltern nach vierstündiger EBCT nicht auf das Niveau vor der Rückspülung (R < 0,25) und die abgereicherten Mikroben waren in beiden Arten von Sandfiltern die Hauptgruppe.

Diese Studie untersuchte zum ersten Mal Unterschiede im Mikroverunreinigungsabbau und der zeitlichen Dynamik der mikrobiellen Gemeinschaft nach der Rückspülung. Es wird darauf hingewiesen, dass ein optimales zweitägiges Intervall für die Wiederherstellung der Mikroverunreinigungsentfernung nach der Rückspülung den Betrieb langsamer Sandfilter mit einem kurzen EBCT nicht beeinträchtigen sollte. Es hat unser Verständnis der Wirkung der mikrobiellen Biofilmgemeinschaft auf die Entfernung von Schadstoffen in Sandfiltern vertieft und bietet eine neue Perspektive für die Entfernung von Schadstoffen im Trinkwasser.

Mehr Informationen: Donglin Wang et al., Auswirkungen der Rückspülung auf die Entfernung von Mikroschadstoffen und die damit verbundenen mikrobiellen Aufbauprozesse in Sandfiltern, Frontiers of Environmental Science & Engineering (2022). DOI: 10.1007/s11783-023-1634-z

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