Wpływ procesów utleniania i biodegradacji na zmianę struktury substancji organicznych naturalnie występujących w wodzie

W pracy określono i porównano zmiany w rozkładzie mas cząsteczkowych substancji organicznych naturalnie występujących w wodzie pod wpływem silnych utleniaczy stosowanych w oczyszczaniu wody, tj. ozonu, dwutlenku chloru i chloru oraz określono wpływ wstępnego utleniania na efektywność biodegradacji substancji organicznych. Zmiany w rozkładzie mas cząsteczkowych substancji organicznych poddawanych następującym po sobie procesom utleniania i biodegradacji przeanalizowano wykorzystując chromatografię wykluczania (SEC). Przy wykorzystaniu tej samej techniki badano również podatność na utlenianie i biodegradację frakcji substancji organicznych o określonych masach cząsteczkowych. Ponadto, dla analizowanych wód naturalnych i modelowych, określono ilości powstającego w tym procesie biodegradowalnego węgla organicznego (BRWO) przy wykorzystaniu metody Joreta, a także oznaczono ilości powstających w procesach utleniania kwasów karboksylowych będących wskaźnikiem BRWO. Uzyskane rezultaty wykazały, iż reakcji z utleniaczami najłatwiej ulegają substancje organiczne o najwyższych masach cząsteczkowych absorbujące promienie UV zarówno przy 254 nm, jak i 220 nm. Analogiczne tendencje wykazano dla substancji organicznych poddanych w dalszym etapie procesowi biodegradacji. Z kolei dla frakcji substancji organicznych o najniższych masach cząsteczkowych, po procesie utleniania i biodegradacji, zaobserwowano wzrost absorpcji promieniowania UV przy mniej selektywnej długości fali 220 nm. Na podstawie analizy danych obejmujących pomiary OWO, BRWO oraz zawartość kwasów organicznych wykazano brak korelacji pomiędzy wzrostem intensywności pasm związanych z obecnością niskocząsteczkowych frakcji substancji organicznych a pozostałymi badanymi wskaźnikami. Wykazano, że powstające w zintegrowanych procesach utleniania i biodegradacji produkty o niskich masach cząsteczkowych to przede wszystkim produkty metabolizmu bakterii oraz produkty degradacji substancji organicznych, bogate w grupy funkcyjnie silnie absorbujące promieniowanie o długości fali 220 nm.

The primary objective of the study was to analyze the changes in the molecular weight distribution (MWD) of natural organic matter (NOM) promoted by the reaction with strong oxidants commonly used in water treatment technology, i.e. ozone, chlorine dioxide and chlorine. Another major objective was to establish the influence of pre-oxidation on the efficiency of subsequent biodegradation of organic matter. High-pressure size exclusion chromatography (HP-SEC) with UV-254 nm and UV-220 nm detection was used to examine how the MWD of NOM had changed after the pre-oxidation and oxidation/biodegradation processes. The amount of biodegradable dissolved organic carbon (BDOC) was measured using the method described by Joret. The quantity and quality of carboxylic acids were analyzed by ion chromatography. The study has shown that the oxidation of NOM with strong oxidants accounted primarily for the break-up of high-molecular-weight molecules into smaller fragments and for a drop in aromaticity. Similar trends were observed with organic matter after the biodegradation experiments. The high amount of BDOC in the oxidized NOM is an indication that the changes in the NOM structure contributed by the application of the said oxidants enhanced the biodegradability of organic matter, especially after oxidation with ozone and chlorine dioxide. A comprehensive analysis of the TOC, BDOC and carboxylic acids levels before and after biodegradation has confirmed the formation of low-molecular-weight, easily biodegradable by-products of NOM oxidation. The increased biodegradability of the NOM components as a result of oxidation/disinfection with chlorine dioxide and/or chlorine may undesirably affect the biological stability of drinking water at a long residence time in the distribution network.