Článek se zabývá odstraňováním vybraných pesticidů z vody přes sorpční materiál aktivní uhlí Filtrasorb F100. Aktivní uhlí Filtrasorb F100 bylo vybráno pro odstraňování pesticidů z vody, protože se v praxi běžně používá pro odstraňování nežádoucích polutantů z vody. Z naměřených výsledků vyplynulo, že aktivní uhlí dokázalo spolehlivě odstranit většinu pesticidů. Pouze během odstraňování pesticidu Metazachlor ESA začalo docházet k desorpci.
Daniela Lukášová, Renata Biela, Martin Gottwald
Abstract
Pesticides are biocidal substances that are used to protect plants in agriculture and forestry, against fungi, weeds and animal pests. The article deals with the removal of selected pesticides from water through the sorption material activated carbon Filtrasorb F100. Filtrasorb F100 activated carbon was chosen for the removal of pesticides from water, as it is commonly used in practice to remove undesirable pollutants from water. The filtration device included of a barrel with raw water, a pump, a flow meter, a pipe with caps and a beaker for the filtrate. The laboratory experiment was performed in a laboratory at the Department of Water Management of the Municipalities of the Faculty of Civil Engineering in Brno. Due to the fact that pesticide concentrations could not be determined in this laboratory due to the complexity of the analysis, the samples taken were submitted for evaluation to an accredited laboratory ALS Czech Republic. PH, temperature and turbidity values were measured during individual sampling. The experimental measurements show that the sorbent Filtrasorb F100 was reliable in most cases in the removal of pesticides from the surface water source. Due to the large specific surface area of the activated carbon, the concentration of almost all pesticides was reduced to the limit of measurability by filtration through this material. Only for the pesticide Metazachlor ESA was the course of desorption indicated during removal. According to the performed experiment, we evaluate the activated carbon Filtrasorb F100 as a suitable sorbent for removing pesticides from water.
Úvod
Mikropolutanty jsou látky, které se do zdrojů pitné vody dostávají antropogenní činností. Mezi časté mikropolutanty vyskytující se ve zdrojích vody patří pesticidy, produkty denní péče, kovy, ale také léčiva. Příspěvek se zabývá vybranou skupinou mikropolutantů, a to pesticidy. Pesticidy jsou biocidní látky, které se používají na ochranu rostlin v zemědělství a lesnictví, proti houbám, plevelům
a živočišným škůdcům. Jde o velmi početnou skupinu látek, které se dělí podle biologické účinnosti
a podle chemického typu účinné látky. Mezi známé skupiny pesticidů patří insekticidy (prostředky k hubení hmyzu), herbicidy (prostředky proti plevelům) a fungicidy (prostředky proti houbám). [1]
Pokud jsou v období aplikací pesticidů časté nebo intenzivní srážky, může docházet ke smyvu
či rychlému vymývání látek z půdy. Povrchovým nebo podpovrchovým odtokem se dostávají do vodních toků, kde se vyskytují ve vyšších koncentracích, ale po relativně kratší dobu. V období suchých let se pesticidní látky vyskytují v menších koncentracích, avšak jejich období výskytu je delší, protože dochází k pozvolnému uvolňování do vodních toků. Přítomnost pesticidů ve vodách může být buď
v rozpuštěné, nebo nerozpuštěné formě. Do podzemních vod pronikají pesticidy jen částečně, protože se silně sorbují v půdě. V podzemní vodě jsou jejich koncentrace prokazatelné až tehdy, když je sorpční kapacita půdy nedostatečná, proto se pesticidy vyskytují zejména v povrchových vodách. [1,2]
Pro odstranění pesticidů z vody se používají úpravárenské technologie, jako jsou filtrace přes granulované aktivní uhlí, membránové filtrace, vysokorychlostní čiření s dávkováním práškového uhlí, oxidace směsi ozonu a peroxidu vodíku a další. Pro laboratorní odstranění pesticidů z vody byla jako úpravárenská technologie zvolena filtrace přes aktivní uhlí Filtrasorb F100. Cílem laboratorního experimentu bylo posoudit aktivní uhlí z hlediska účinnosti odstranění pesticidních látek u vybraného zdroje povrchové vody.
Aktivní uhlí
Aktivní uhlí se vyrábí z černého uhlí, kokosových skořápek a také zuhelňováním dřeva, pilin a rašeliny. Ve vodárenství je výhodnější aktivní uhlí vyrobené z černého uhlí, neboť má vyšší sorpční schopnost,
a tudíž vyšší účinnost a životnost. Adsorpční vlastnosti aktivního uhlí jsou silně závislé na způsobu jeho přípravy. O adsorpčních vlastnostech rozhoduje velikost pórů, měrný povrch a chemická reaktivita povrchu. Podle tvaru a velikosti dělíme aktivní uhlí na práškové, granulované, extrudované a tkaninové. Po vyčerpání sorpčních vlastností je potřeba aktivní uhlí vyměnit za nové nebo ho reaktivovat. Reaktivované aktivní uhlí má téměř stejné sorpční vlastnosti jako nové aktivní uhlí. V současné době jsou na trhu zahraniční, ale i tuzemské firmy, které nabízí širokou škálu aktivního uhlí. [1,2]
Adsorpce na aktivním uhlí se využívá při odstraňování nečistot u velmi znečištěných povrchových vod. V provozech úpravy vody na pitnou se aktivní uhlí může aplikovat dvěma způsoby, a to dávkováním práškového uhlí do upravené vody v průtočném profilu úpravny nebo ve filtru se zrnitým nebo či granulovaným uhlím, přes které upravovaná voda protéká. Práškové uhlí se používá při sezónně zhoršené jakosti vody pro odstranění zápachu z vody. Zatímco filtrace přes zrněné aktivní uhlí se využívá při trvale zhoršené jakosti vody, kdy již nelze dosáhnout vyhovující jakosti vody pouze dvěma separačními stupni. [3,4]
Filtrasorb F100
Granulované aktivní uhlí Filtrasorb F100 bylo vybráno dle svého rozsáhlého využití při úpravě pitné i užitkové vody. Vyrábí se z vybraných druhů černého uhlí aktivací vodní parou podle příslušných norem jakosti. V praxi se používá pro zlepšení organoleptických vlastností pitné vody, pro odstraňování chlordioxidu a ozónu, a také pro odstranění široké škály polutantů. Aktivní uhlí je schopné odolat opotřebení, které je spojené s opakovaným proplachem, hydraulické přepravě a reaktivaci pro opětovné použití. [5]
Tab. 1 Parametry aktivního uhlí Filtrasorb F100
Experimentální odstraňování pesticidů z vody
Pro odběr surové vody byla vybrána řeka Svratka, která protéká Brnem a patří pod správu povodí Moravy. Laboratorní experiment byl proveden v laboratoři na Ústavu vodního hospodářství obcí Fakulty stavební v Brně. Vzhledem k tomu, že koncentrace pesticidů nebylo možné v této laboratoři stanovit z důvodu složitosti analýzy, byly odebrané vzorky předány k vyhodnocení akreditované laboratoři ALS Czech Republic. Celkem bylo zanalyzováno 96 druhů pesticidních látek jak ve vzorku surové vody, tak i ve vzorcích, které byly odebrány postupně v čase při probíhajícím experimentu. Z rozboru surové vody byly vybrány pesticidní látky, které se nacházely nad hranicí detekce.
Obr. 1 Odběrné místo
Filtrace probíhala ve filtrační koloně o vnitřním průměru 4,4 cm. V této filtrační koloně byla vytvořena drenážní vrstva z kamínků o velikosti 1–2 cm, skleněných kuliček o velikosti 4 mm a 2 mm. Tato drenážní vrstva zabránila úniku sypkého sorpčního materiálu z kolony. Výška filtrační náplně v koloně se sorpčním materiálem byla 77 cm. Filtrační zařízení se skládalo z barelu o objemu
30 l, který byl naplněn surovou vodou, čerpadla, průtokoměru, potrubí s uzávěry a kádinek na filtrát. Před zahájením experimentu bylo provedeno zapracování adsorpčního materiálu v koloně dle pokynu výrobce. Adsorpční náplň v koloně byla smáčena a následně vyprána opačným směrem, než probíhala filtrace až do doby, kdy z kolony vytékala čirá voda. Prací voda byla odváděna do kanalizace. Na začátku experimentu byl odebrán vzorek surové vody. V průběhu experimentu byly po filtraci přes sorpční materiál odebírány vzorky vody po 0,5 minutě a dále pak po 1, 2 a 4 minutách. Každý vzorek byl pro potřeby laboratoře ALS rozléván do čtyř malých uzavíratelných lahviček o objemu 40 ml. Během odebírání jednotlivých vzorků byly měřeny hodnoty pH, teploty a zákalu.
Obr. 2 Schéma filtrační kolony
Dalším návrhovým parametrem pro odstraňování pesticidů z vody adsorpcí na aktivním uhlí je hydraulického zatížení kolony. Výpočet tohoto ukazatele byl proveden podle vzorce:
kde q … hydraulické zatížení kolony [m/den],
Q24 ... průtok surové vody na filtrační kolonu za den [m3/den],
A … plocha filtrační kolony [m2].
Tab. 2 Vypočtené hodnoty hydraulického zatížení kolony
Vyhodnocení experimentálního odstraňování pesticidů z vody
Naměřené hodnoty pH, teploty a zákalu
Naměřené hodnoty pH, teploty a zákalu jsou uvedeny v tabulce 2. Měření pH a teploty bylo prováděno pomocí pH metru s teploměrem Adwa AD14. Hodnota pH při filtraci přes sorbent Filtrasorb F100 klesala. Teplota v surové vodě byla nižší než v odebraných vzorcích. Během filtrace se teplota mírně zvyšovala. Zákal byl měřen pomocí přenosného turbidimetru HACH 2100Q. Naměřené hodnoty v surové vodě byly vyšší než limit pro pitnou vodu, který udává Vyhláška 252/2004 Sb., a to 5 ZF. Aktivní uhlí Filtrasorb F100 spolehlivě zákal snížilo pod limitní hodnotu.
Tab. 3 Výsledky naměřených hodnot pH, teploty a zákalu
Účinnost odstranění pesticidů přes sorpční materiál Filtrasorb F100
Výsledné koncentrace pesticidních látek po filtraci přes jednotlivé sorpční materiály jsou uvedeny v tabulce 3. Naměřené hodnoty byly porovnány s limitními hodnotami dle Vyhlášky 252/2004 Sb., kterou se stanoví hygienické požadavky na pitnou a teplou vodu a četnost a rozsah kontroly pitné vody a podle doporučení Ministerstva zdravotnictví ČR. Z naměřených hodnot vyplývá, že sorpční materiál Filtrasorb F100 snížil koncentrace většiny pesticidních látek na mez měřitelnosti (LOQ – limit of quantification), což je koncentrace, která se dá zvolenou analýzou ještě změřit. Pouze u pesticidu metazachlor ESA docházelo v průběhu filtrace k postupnému navýšení koncentrace, což naznačuje proces desorpce.
Z Tab. 4 je patrné, že počáteční koncentrace Metazachloru ESA byla ze všech sledovaných pesticidů nejvyšší (0,133 µg/l) oproti ostatním, které se lépe sorbovaly na materiál, proto nejspíš začalo docházet k desorpci. Metazachlor ESA je metabolit pesticidu Metazachlor, který řadíme do skupiny herbicidů. Tento pesticid se používá k eliminaci široké škály nežádoucích plevelů při pěstování zemědělských plodin, na okrasné dřeviny a keře. Prostřednictvím aplikace pesticidu na plodinu se může dostat do podzemních vod. Do povrchové vody se Metazachlor může dostat pomocí splachů zemědělské půdy, na které byl pesticid aplikován. Metazachlor je pro užívání schválen téměř ve všech zemích evropské unie. [6]
Tab. 4 Rozbory vody po filtraci přes adsorbent Filtrasorb F100
Pro vyhodnocení odstranění pesticidních látek z vody byly z rozboru vybrány pouze pesticidy, které se nacházely nad mezí detekce. Účinnost odstranění byla vypočítána podle vzorce:
ɳ= (CRW - CF) . 100 / CRW [%]
kde ɳ …… účinnosti odstranění [%],
CRW... koncentrace mikropolutantu v surové vodě [µg/l],
CF ….. koncentrace mikropolutantu po filtraci [µg/l].
Obr. 3 Účinnost odstranění pesticidů sorpčním materiálem Filtrasorb F100
Závěr
Z experimentálního měření vyplývá, že sorbent Filtrasorb F100 byl při odstraňování pesticidů z povrchového zdroje vody ve většině případů spolehlivý. Vzhledem k velkému specifickému povrchu aktivního uhlí byla filtrací přes tento materiál koncentrace téměř u všech pesticidních látek snížena na mez měřitelnosti. Pouze u pesticidu Metazachlor ESA při odstraňování byl naznačen průběh desorpce. Desorpce je vlastně uvolňování adsorbované látky zpět do vody, a to z důvodu přesycení materiálu. Pro desorpci je zvláště důležité pH, protože určuje například adsorpční sílu slabých kyselin a bází na aktivních uhlících. [6] Dle provedeného experimentu hodnotíme aktivní uhlí Filtrasorb F100 jako vhodný sorbent pro odstraňování pesticidů z vody.
Literatura/References
1. PITTER, P. Hydrochemie. 5. vydání. Vydavatelství VŠCHT Praha, 2015. ISBN 978-80-7080-928-0.
2. LIŠKA, M., FOREJT, K., KOŽELUH, M., SOUKUPOVÁ, K., TAJČ, V. Problematika výskytu pesticidů v povodích vodárenských zdrojů. SOVAK Časopis oboru vodovodů a kanalizací. 2014, 23(3), 9 - 13. ISSN 1210–3039.
3. MALÝ, J., MALÁ, J. Chemie a technologie vody. Brno: NOEL 2000, 1996. ISBN 80-86020-13-4.
4. HLAVÁČ, J. et al. Vodárenství – Jímání a úprava vody, procesy, výpočty, konstrukce. Multimediální učebnice. 1. vydání. Brno: VAS, a.s., 2003.
5. FILTRASORB®100: Granulated Activated Carbon. Calgon Carbon Corporation, DS-FILTRA10015-EIN-E1, 2015. Propagační materiál výrobce.
6. WORCH, E. Adsorption technology in water treatment: fundamentals, processes and modeling. Boston: De Gruyter, 2012. ISBN 978-3-11-024022-1.
Poděkování/Acknowledgements
Příspěvek byl zpracován v rámci řešení grantového projektu specifického vysokoškolského výzkumu na VUT v Brně s názvem „Vybrané problémy vodního hospodářství měst a obcí“ (FAST-S-20-6314).
Autoři/Autors
Ing. Renata Biela, Ph.D., Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodního hospodářství obcí, Žižkova 17, Brno
Ing. Martin Gottwald, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodního hospodářství obcí, Žižkova 17, Brno
Citace/Citation
Lukášová, D., Biela, R., Gottwald, M. Experimentální odstraňování pesticidů z vody aktivním uhlím. Vodovod.info - vodárenský informační portál [online]. 7. 10. 2020, 10/2020, [cit. 2020-10-07]. Dostupný z WWW: http://vodovod.info. ISSN 1804-7157.
