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Combined UV/H2O2 and biochar processes for enhanced removal of contaminants of emerging concern in dry wells
Water Research ( IF 11.4 ) Pub Date : 2025-01-16 , DOI: 10.1016/j.watres.2025.123159
Yiran Li, James Conrad Pritchard, Christopher Wessel, Yoshi Andersen, Yanghua Duan, Yifeng Wang, Richard G. Luthy
Water Research ( IF 11.4 ) Pub Date : 2025-01-16 , DOI: 10.1016/j.watres.2025.123159
Yiran Li, James Conrad Pritchard, Christopher Wessel, Yoshi Andersen, Yanghua Duan, Yifeng Wang, Richard G. Luthy
Dry wells are neighborhood-scale stormwater infiltration systems increasingly used in drought-prone areas for stormwater capture and groundwater recharge. These systems bypass the low permeability surface soil to maximize infiltration rates. However, hydrophilic contaminants of emerging concern (CECs) in urban runoff pose potential groundwater contamination risks. Field monitoring in this study confirmed the presence of CECs and the inability of current dry wells to remove these compounds. To address this, we explored stormwater treatment systems that: (1) can be easily operated in dry wells; (2) effectively remove hydrophilic CECs under realistic infiltration rates; and (3) offer multi-year field lifespan. Batch isotherm and kinetic studies were conducted on a large-grain biochar (d50 = 2.24 mm) to assess removal efficiency for seven hydrophilic CECs (logKow ≤ 4). Two column experiments evaluated biochar filters (5 wt%) with and without UV/H2 O2 pre-treatment under continuous high-throughput conditions. Results showed that biochar filters effectively removed five of seven CECs, with reduced efficiency for anionic compounds. The UV/H2 O2 process with approximately 1500 mJ/cm2 UV dose degraded all CECs by >50 %, except dicamba, with direct photolysis as the dominant mechanism due to strong hydroxyl radical scavenging by dissolved organic carbon (DOC). Combining UV and biochar reduced CEC breakthrough concentration by 4 – 92 %. Based on the results, a contaminant transport model was calibrated and used to estimate the system lifespan in dry wells in Los Angeles. Findings showed that the insecticide, imidacloprid, is the limiting contaminant for the system's lifespan. Without UV/H₂O₂ pre-treatment, the system could last about four years with 10 wt% biochar in the filter. With pre-treatment, the lifespan will be determined by other operational factors rather than CEC removal. This study developed effective stormwater treatment systems for dry wells, supporting future local stormwater capture projects while safeguarding groundwater quality.
中文翻译:
UV/H2O2 和生物炭相结合的工艺,可进一步去除干井中新出现的污染物
干井是社区规模的雨水渗透系统,越来越多地用于干旱易发地区,用于雨水收集和地下水补给。这些系统绕过低渗透性表层土壤,以最大限度地提高渗透率。然而,城市径流中新兴关注的亲水污染物 (CEC) 构成了潜在的地下水污染风险。本研究中的现场监测证实了 CEC 的存在以及目前的干井无法去除这些化合物。为了解决这个问题,我们探索了以下雨水处理系统:(1) 可以在干井中轻松操作;(2) 在实际渗透速率下有效去除亲水性 CEC;(3) 提供多年的田间使用寿命。在大颗粒生物炭 (d50 = 2.24 mm) 上进行批量等温线和动力学研究,以评估 7 种亲水性 CEC 的去除效率 (logKow ≤ 4)。两柱实验评估了在连续高通量条件下有和没有 UV/H2O2 预处理的生物炭过滤器 (5 wt%)。结果表明,生物炭过滤器有效去除了 7 个 CEC 中的 5 个,降低了阴离子化合物的效率。紫外线/H2O2 过程在大约 1500 mJ/cm2 紫外线剂量下将所有 CEC 降解了 >50%,但麦草畏除外,由于溶解有机碳 (DOC) 清除了强羟基自由基,直接光解是主要机制。紫外线和生物炭相结合可将 CEC 穿透浓度降低 4 – 92 %。根据结果,校准了污染物传输模型,并用于估计洛杉矶干井的系统寿命。研究结果表明,杀虫剂吡虫啉是系统使用寿命的限制性污染物。如果不进行 UV/H₂O₂ 预处理,在过滤器中使用 10 wt% 的生物炭时,该系统可以使用大约四年。 通过预处理,使用寿命将由其他操作因素决定,而不是由 CEC 去除决定。这项研究为干井开发了有效的雨水处理系统,支持未来的当地雨水收集项目,同时保护地下水质量。
更新日期:2025-01-16
中文翻译:
UV/H2O2 和生物炭相结合的工艺,可进一步去除干井中新出现的污染物
干井是社区规模的雨水渗透系统,越来越多地用于干旱易发地区,用于雨水收集和地下水补给。这些系统绕过低渗透性表层土壤,以最大限度地提高渗透率。然而,城市径流中新兴关注的亲水污染物 (CEC) 构成了潜在的地下水污染风险。本研究中的现场监测证实了 CEC 的存在以及目前的干井无法去除这些化合物。为了解决这个问题,我们探索了以下雨水处理系统:(1) 可以在干井中轻松操作;(2) 在实际渗透速率下有效去除亲水性 CEC;(3) 提供多年的田间使用寿命。在大颗粒生物炭 (d50 = 2.24 mm) 上进行批量等温线和动力学研究,以评估 7 种亲水性 CEC 的去除效率 (logKow ≤ 4)。两柱实验评估了在连续高通量条件下有和没有 UV/H2O2 预处理的生物炭过滤器 (5 wt%)。结果表明,生物炭过滤器有效去除了 7 个 CEC 中的 5 个,降低了阴离子化合物的效率。紫外线/H2O2 过程在大约 1500 mJ/cm2 紫外线剂量下将所有 CEC 降解了 >50%,但麦草畏除外,由于溶解有机碳 (DOC) 清除了强羟基自由基,直接光解是主要机制。紫外线和生物炭相结合可将 CEC 穿透浓度降低 4 – 92 %。根据结果,校准了污染物传输模型,并用于估计洛杉矶干井的系统寿命。研究结果表明,杀虫剂吡虫啉是系统使用寿命的限制性污染物。如果不进行 UV/H₂O₂ 预处理,在过滤器中使用 10 wt% 的生物炭时,该系统可以使用大约四年。 通过预处理,使用寿命将由其他操作因素决定,而不是由 CEC 去除决定。这项研究为干井开发了有效的雨水处理系统,支持未来的当地雨水收集项目,同时保护地下水质量。