Optimization of activated carbon adsorption for micropollutant removal from drinking water

Granular activated carbon (GAC) adsorption is known to effectively remove many classes of micropollutants affecting drinking waters. However, GAC life-time in the fixed-bed process can strongly depend on the considered target contaminants and the water composition. In presence of a mixture of micropollutants, an optimization of the GAC adsorption phase is often required to improve the treatment process efficiency. The optimization process can be figured out as the completion of three consecutive steps: 1) evaluation of GAC adsorption efficiency towards the target contaminants; 2) process simulation under full-scale conditions; 3) definition of the optimal design and operating criteria. These three different engineering tasks were studied focusing on specific classes of micropollutants considered as target contaminants, namely: heavy metals (namely, Cr(VI)), disinfection by-products (DBPs, specifically N-nitrosamines) and synthetic organic compounds (namely, chlorinated solvents). Regarding heavy metals, the efficiency of GAC adsorption in the removal of Cr(VI) from a real groundwater was investigated and compared with the strong base anion (SBA) exchange process (step 1). Various commercial GACs and SBA resins were tested by equilibrium and kinetic laboratory scale experiments, for the removal of Cr(VI) and other organic and inorganic contaminants. Kinetic and isotherm models were calibrated for the studied materials, estimating their specific throughputs under full-scale conditions. Cr(VI) removal was found to depend on GAC textural properties; however, SBA exchange resulted to be the best solution, providing sorbent usage rates much lower than GAC adsorption. The possibility to control the formation of N-nitrosamines, a group of emerging DBPs, from nitrogenous micropollutants by GAC adsorption was investigated (step 1). Laboratory-scale experiments on model water solutions were carried out. Firstly, the formation of specific and total N-nitrosamines (TONO) from various micropollutants associated to pharmaceuticals and personal care products was studied, observing relevant TONO formation yields, mainly associated to unknown N-nitrosamine species and dependent on the precursor molecular structure. Secondly, the effectiveness of GAC adsorption in reducing the N-nitrosamine formation potential of the precursors was evaluated, testing two possible treatment solutions: adsorption phase before oxidation treatment, to reduce N-nitrosamine precursor concentration, and adsorption phase after oxidation treatment, to remove the formed N-nitrosamines. Pre-adsorption of N-nitrosamine precursors resulted to be an effective option, while post-adsorption efficiency was found to depend on TONO pool composition. Among synthetic organic compounds, the problem of breakthrough prediction (step 2) for chlorinated solvents in a full-scale GAC adsorption system was firstly investigated. Practical criteria for the application of the Homogeneous Surface Diffusion Model (HSDM) to predict tetrachloroethylene and chloroform breakthrough in two full-scale GAC filters were proposed, focusing on the main aspects of the simulation process: i) experimental determination of model parameters for a multi-component groundwater, ii) model adaptation to case-specific conditions and sensitivity analysis, iii) validation with full-scale data. The accurate estimation of model parameters was found to depend on the contaminant characteristics. The importance of introducing time-varying parameters (such as flow rate and contaminant influent concentrations) was also highlighted to best simulate the full-scale process. Secondly, the optimal design parameters and operating strategies for a full-scale GAC system treating groundwater contaminated by chlorinated solvents were investigated (step 3). Five full-scale operating GAC filters, containing different GAC types, were monitored to observe contaminant breakthrough profiles. The observed data were used to calibrate a predictive model, which was then used to simulate a large-scale GAC system under different scenarios, covering GAC configurations, main design and operating parameters, target contaminant and treatment objective. For each simulated scenario, GAC costs (derived from the specific throughput) and management complexity (in terms of GAC replacement strategy and frequency) were evaluated as process performance indicators during a long-term time frame. Results showed that the best configuration is a compromise between conflicting performance indicators.

L’adsorbimento su carbone attivo granulare (Granular Activated Carbon, GAC) è considerata la migliore tecnologia disponibile per la rimozione di diversi microinquinanti presenti nelle fonti d’approvvigionamento potabile. Tuttavia, il tempo di vita dei filtri GAC può variare notevolmente in funzione della composizione dell’acqua da trattare; il processo richiede pertanto un’ottimizzazione con lo scopo di minimizzarne i costi operativi. L’obiettivo della ricerca è stato analizzare diversi aspetti ingegneristici relativi all’ottimizzazione del processo d’adsorbimento: 1) valutazione dell’efficienza di rimozione del GAC nei confronti di contaminanti target; 2) simulazione del processo a piena scala; 3) definizione dei criteri dimensionali e operativi ottimali. Tali aspetti sono stati approfonditi considerando tre classi di microinquinanti: metalli pesanti (nello specifico, cromo esavalente, Cr(VI)), sottoprodotti di disinfezione (nello specifico, N nitrosammine) e composti organici sintetici (nello specifico, solventi clorurati). L’efficienza del GAC nel rimuovere Cr(VI) da acque di falda destinate ad uso potabile è stata studiata e confrontata col processo di scambio anionico su resine anioniche forti (Strong Base Anion exchange, SBA, resins). Diversi materiali commerciali (3 GAC e 2 resine SBA) sono state testate attraverso prove cinetiche e di isoterma a scala laboratorio, valutando la rimozione di Cr(VI) e degli altri contaminati organici e inorganici presenti nei campioni d’acqua. I risultati sperimentali sono stati elaborati per calibrare dei modelli cinetici e di isoterma, successivamente utilizzati per stimare il tasso d’uso dei materiali durante il loro funzionamento a piena scala. La possibilità di controllare la formazione di N nitrosamine in presenza di microinquinanti emergenti (associati a prodotti farmaceutici e per l’igiene personale) tramite adsorbimento su GAC è stata studiata tramite un’attività sperimentale svolta a scala laboratorio su soluzioni modello, sviluppata in 2 fasi: 1) studio della formazione di N nitrosamine specifiche e totali da diversi microinquinanti durante diversi trattamenti d’ossidazione; 2) studio dell’efficacia del GAC nel ridurre la formazione di N nitrosamine, valutando due diverse soluzioni di trattamento: fase di adsorbimento prima e dopo quella di ossidazione, per rimuovere, rispettivamente, i precursori di N nitrosamine e le N nitrosamine formate. Il problema della previsione del profilo di breakthrough in filtri GAC tramite modelli matematici è stato affrontato considerando alcuni solventi clorurati come contaminanti target. Sono stati proposti criteri pratici per l’applicazione del modello Homogeneous Surface Diffusion Model (HSDM) per la simulazione dei profili di breaktrhough di tetracloroetilene e cloroformio in filtri operanti a piena scala, approfondendo diversi aspetti modellistici: 1) determinazione sperimentale dei parametri caso-specifici; 2) adattamento del modello alle condizioni operative caso-specifiche; 3) validazione con dati a piena scala. Considerando il caso di una matrice multi-componente (acqua di falda reale) e due contaminanti target (tetracloroetilene e cloroformio), sono stati definiti i criteri di dimensionamento e gestione ottimali per una fase d’adsorbimento su GAC operante a piena scala. Cinque filtri (contenenti diversi GAC) sono stati monitorati per osservare i profili di breakthrough dei contaminanti target. I dati ottenuti sono stati elaborati per calibrare un modello predittivo, usato poi per simulare una fase GAC a piena scala durante diversi scenari operativi. Le prestazioni di diverse configurazioni di filtri GAC (in parallelo, in serie) e l’influenza dei principali parametri di dimensionamento (numero di filtri e dimensioni) e di gestione (strategie di sostituzione del GAC esausto) sono state valutate in funzione degli obiettivi di trattamento (contaminante target e grado di sfruttamento dei filtri). Per ogni scenario simulato, sono stati valutati i costi legati all’so del GAC e diversi aspetti gestionali (complessità e frequenza delle operazioni di sostituzione del GAC) sul lungo periodo.