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Lemna minor test for characterization of paper mills effluent

Aziziyanesfahani, Pegah (2022)
Lemna minor test for characterization of paper mills effluent.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00022161
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Lemna minor test for characterization of paper mills effluent
Language: English
Referees: Schabel, Prof. Dr. Samuel ; Engelhart, Prof. Dr. Markus
Date: 2022
Place of Publication: Darmstadt
Collation: viii, 121 Seiten
Date of oral examination: 3 May 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00022161
Abstract:

The duckweed “Lemna minor” is one of the most commonly used aquatic plants in toxicity testing procedures for testing various inorganic, organic chemicals and their mixtures in aqueous solutions. The already conducted research projects on the suitability of the Lemna minor test for paper mills effluent have reported a poor reproducibility of the test results with the same sample, even in the same laboratory. Moreover, untraceable elevated toxicity values of effluent samples from graphic paper mills with deinking processes resulted within these projects. The aim of this thesis is to investigate the main parameters influencing the result of Lemna minor test. Subsequently, the suitability of the “Lemna minor test” on the phytotoxic effect of paper mills effluent can be evaluated on this basis. For this purpose, the standardized Lemna minor test including sample preparation, conservation conditions and test procedure is defined. Followed by multiple screening in seven paper mills to investigate the influence of the production process, wastewater treatment technique, and wastewater parameters on Lemna minor test results. The repeatability of the test results is investigated by three times repeating the test under standardized conditions for clarified effluent of seven paper mills in the same laboratory. Moreover, the possibility to reduce the Lemna minor test duration is conducted within this study. Based on obtained results within the standardization of the Lemna minor test, the clarified effluent samples from paper mills investigated by Lemna minor test should either be analyzed directly or be frozen after sampling. It is possible to store frozen clarified effluent samples up to two weeks prior to testing. Following the obtained results, the execution of the Lemna minor test using four dilution levels is recommended (D1, D2, D4 and D8). Prior to testing, sample filtration must be conducted via a black ribbon paper filter, and their pH is adjusted to 5.5. As a result of the test, Gw values are calculated, which reflect the first nominal dilution level (highest concentration of effluent sample) at which growth inhibition does not exceed 10 %. The reduction of growth inhibition along the wastewater treatment process could be observed for all investigated paper mills, which corresponds to the effectiveness of current wastewater treatment in paper mills. The untreated and partially treated wastewater samples are both found to have higher COD, AOX, and turbidity values. In correlation with higher contaminations, these samples showed increased growth inhibitions of Lemna minor. In this study, it could not be determined whether one of these factors or an interaction of several factors accounted for the higher growth inhibition. In the course of repeatability investigations, six of seven tested clarified effluent samples showed 1 ≤ Gw ≤ 2 based on the frond area and Gw value of 1 based on frond number. This can prove the harmlessness of the investigated clarified effluent samples and the repeatability of the test results under standardized conditions. Within the investigation of the reduction of the Lemna minor test duration, the same Gw values are obtained after five and seven days of the experiment. Due to the low toxic effect of investigated paper mills clarified effluent on Lemna minor almost the same growth inhibition can result after five days. However, this finding is only valid for clarified effluent samples of the investigated paper mills. The samples with higher toxicity can have different results.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die Wasserlinse "Lemna minor" ist eine der am häufigsten verwendeten Wasserpflanzen bei Toxizitätstestverfahren zur Prüfung verschiedener anorganischer und organischer Chemikalien und deren Mischungen in wässrigen Lösungen. Bei bereits durchgeführten Forschungsprojekten zur Eignung des Lemna minor Tests für Papierfabriksabwässer wurde eine schlechte Reproduzierbarkeit der Testergebnisse mit derselben Probe, sogar im selben Labor, festgestellt. Darüber hinaus wurden im Rahmen dieser Projekte bisher nicht erklärbare erhöhte Toxizitätswerte von Abwasserproben aus grafischen Papierfabriken mit Deinkingverfahren festgestellt. Ziel dieser Arbeit ist die Identifikation von Einflussfaktoren auf das Ergebnis des Lemna minor-Tests und die Bewertung der Eignung des Lemna minor-Tests für die Bestimmung der phytotoxischen Wirkung von Papierfabriksabwässern. Dafür wird ein standardisierter Lemna minor-Test mit Probenvorbereitung, Konservierungsbedingungen und Testverfahren für die Endabläufe der Papierfabriken entwickelt. Anschließend wird ein Mehrfachscreening zur Bestimmung des Einflusses des Produktionsprozesses, der Abwasserbehandlungstechnik und der Abwasserparameter auf das Ergebnis des Lemna minor-Tests in sieben Papierfabriken durchgeführt. Die Wiederholbarkeit der Ergebnisse wird nach dreimaliger Untersuchung der Endabläufe aus sieben Papierfabriken quantifiziert. Außerdem wird im Rahmen dieser Studie die Möglichkeit der Reduzierung der Lemna minor-Testdauer untersucht. Nach Auswertung der erzielten Ergebnisse für die Standardisierung des Lemna minor-Tests müssen die Abwasserproben nach der Entnahme entweder direkt analysiert oder eingefroren werden. Die gefrorene Abwasserprobe kann bis zu zwei Wochen konserviert werden. Die Testdurchführung für die Endabläufe wird mit vier Verdünnungsstufen empfohlen (V1, V2, V4 und V8). Die Proben müssen vor dem Test schwarzbandfiltriert und der pH-Wert der Proben auf 5,5 eingestellt werden. Die Darstellung der Ergebnisse erfolgt als Gw-Wert, der die nominell erste Verdünnungsstufe (höchste Konzentration an Abwasserprobe) beschreibt, bei der eine Wachstumshemmung von 10 % nicht überschritten wird. Für alle untersuchten Papierfabriken konnte eine Reduzierung der Wachstumshemmung im Verlauf der Abwasserbehandlung beobachtet werden. Im Vergleich zu den behandelten Abwasserproben ergeben sich für die unbehandelten und die teilweise behandelten Abwasserproben höhere Werte für den CSB, den AOX und die Trübung. Die höheren Belastungen dieser Abwässer sind mit höheren Wachstumshemmungen verbunden (Gw ≥ 12). In dieser Studie konnte nicht abschließend geklärt werden, ob einer dieser Faktoren oder eine Interaktion mehrerer Faktoren für die erhöhte Wachstumshemmung verantwortlich ist. Im Rahmen der Wiederholbarkeitsuntersuchungen zeigten sechs von sieben untersuchten Endabläufen 1 ≤ Gw ≤ 2 bzgl. der Frondfläche und einen Gw-Wert von 1 bzgl. der Frondanzahl. Damit kann die Unbedenklichkeit der untersuchten Proben und die Wiederholbarkeit der Testergebnisse unter standardisierten Bedingungen bestätigt werden. Aufgrund der geringen toxischen Wirkung der untersuchten Endabläufe aus sieben Papierfabriken werden die gleichen Gw-Werte nach fünf und sieben Tagen erzielt. Allerdings ist diese Erkenntnis nur für die untersuchten Endablaufproben gültig. Bei Proben mit erhöhter Toxizität können unterschiedliche Ergebnisse resultieren.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-221616
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Paper Technology and Mechanical Process Engineering
Date Deposited: 02 Sep 2022 09:39
Last Modified: 05 Sep 2022 06:04
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/22161
PPN: 498897052
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