Биофильтрация сырой воды для контроля марганца в поверхностных водах

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 9020 (2023) Цитировать эту статью

109 доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Контроль содержания марганца (Mn) в системах поверхностных вод представляет собой проблему для отрасли питьевого водоснабжения, особенно с точки зрения устойчивого развития. Современные методы удаления марганца из поверхностных вод используют сильные окислители, которые внедряют углерод, и могут быть дорогими и вредными для здоровья человека и окружающей среды. В этом исследовании мы использовали простую конструкцию биофильтра для удаления марганца из озерной воды без традиционной предварительной обработки поверхностных вод. Биофильтры с аэрированным притоком удаляли марганец до концентрации ниже 10 мкг/л при приеме приточной воды, содержащей > 120 мкг/л растворенного марганца. Удаление марганца не подавлялось высоким содержанием железа или плохим удалением аммиака, что позволяет предположить, что механизмы удаления могут отличаться от механизмов удаления биофильтров подземных вод. Экспериментальные биофильтры также позволили добиться более низких концентраций марганца в сточных водах, чем при полномасштабном традиционном процессе очистки, но при этом получили более высокие концентрации марганца. Этот биологический подход может помочь в достижении целей устойчивого развития.

Марганец (Mn) из питьевой воды обычно удаляют для улучшения ее эстетического вида, поскольку частицы марганца могут обесцвечивать воду и оставлять пятна на сантехнике и белье1. Однако растет обеспокоенность тем, что высокие концентрации марганца могут повлиять на здоровье и развитие детей младшего возраста2,3,4,5. Проблемы эстетики и здоровья могут усугубляться, когда марганец накапливается в системах распределения. Накопленный марганец может быстро мобилизоваться из-за гидравлических изменений или изменений качества воды в распределительной системе, вызывая большой и трудно прогнозируемый скачок концентрации марганца в кране6. Накопление марганца также может увеличить выбросы свинца7,8. Поэтому удаление марганца на очистных сооружениях питьевой воды должно быть максимальным.

Министерство здравоохранения Канады рекомендует эстетический целевой уровень 20 мкг Mn/л, но многие коммунальные предприятия ориентируются на более низкие концентрации, чтобы предотвратить воздействие накопления в системах распределения6,9. На станциях очистки поверхностных вод эти цели обычно достигаются с помощью комбинации химического окисления с использованием сильных окислителей (например, диоксида хлора или перманганата) с последующей дестабилизацией частиц или каталитического окисления свободным хлором и средами, покрытыми оксидом марганца6,10. Однако эти химические методы могут производить вредные побочные продукты и увеличивать затраты на обработку из-за спроса на химикаты, оборудования, необходимого для дозирования, и обучения операторов11,12.

Эти традиционные подходы к очистке марганца неустойчивы и непрактичны в районах, где нет доступа к специализированному оборудованию, обучению и химикатам для очистки воды. Их использование противоречит цели ООН в области устойчивого развития 6 (ЦУР6), которая направлена на «обеспечение доступности и устойчивого управления водными ресурсами и санитарией для всех»13. Для достижения этих целей необходимы альтернативные технологии очистки марганца. Такие технологии должны быть способны удалять марганец до концентрации ниже 20 мкг/л, одновременно снижая воздействие очистки питьевой воды на окружающую среду.

Биофильтрация — это устойчивая технологическая альтернатива очистке марганца, которая практически не требует добавления химических веществ, в зависимости от качества поступающей воды. Биофильтры представляют собой фильтры с гранулированными материалами, работающие с низким содержанием окислителей или вообще без них (например, хлора), что позволяет естественным микроорганизмам расти и образовывать биопленки, покрывающие среду14. Эти биопленки могут увеличить удаляющую способность фильтра за счет адсорбции и разложения растворенных загрязнений, которые в противном случае не могли бы задерживаться. Биофильтрация широко используется для очистки грунтовых вод, при этом многие системы очистки состоят только из аэрации и фильтрации с использованием гранулированных сред15. Очистка поверхностных вод могла бы быть более устойчивой, если бы использовалась эта чистая технология, но исследования, посвященные биофильтрации поверхностных вод для марганца, не смогли предоставить широко применимые рекомендации по проектированию. Результаты исследований подземных вод являются многообещающими, но не могут быть напрямую применимы к очистке поверхностных вод, поскольку большинство подземных вод содержат в основном растворенные загрязняющие вещества и низкие концентрации органического углерода по сравнению с поверхностными водами. Поэтому, чтобы помочь в достижении ЦУР 6, необходимо изучить биофильтры поверхностных вод, чтобы определить их способность удаления марганца и принципы проектирования.

80%), proposing that either iron-oxide minerals covered adsorption sites for dissolved manganese on filter media or that dissolved iron competed with dissolved manganese for adsorption sites. The biofilters in this study had extremely high iron loadings, sometimes exceeding 100 kg Fe/m2 per filter run when influent iron concentrations were highest (Supplementary Fig. S6). These high iron loadings did not inhibit dissolved manganese removal, with most filters achieving > 80% manganese removal after the initial acclimation period. This is the opposite of what Bruins et al.15 observed across over 100 groundwater biofilters, which may indicate that the mechanisms of manganese removal across surface water biofilters differ from groundwater biofilters. However, the limited impact of iron loading may also be due to differences in hydraulics and water chemistry in this study. For example, biofilters in this study were backwashed weekly, regardless of head loss, which could allow for the buildup of iron-oxides capable of dissolved manganese adsorption that would have been removed from a full-scale filter15./p> 80% of dissolved manganese after the initial acclimation period. This excellent removal resulted in a typical average effluent dissolved manganese concentration well below the Canadian aesthetic objective of 20 µg/L (Fig. 3), even when filters were supplied manganese concentrations exceeding 120 µg/L. The manganese removal performance of the raw water biofilters surpassed the permanganate driven full-scale process at BLDWTP (Fig. 6), despite the unadjusted influent manganese concentrations dropping to below 50 µg/L after destratification. BLDWTP relies on further removal of manganese by chlorine applied after filtration to achieve treatment goals. These results suggest that a simple raw water biofiltration system could be a viable method for controlling dissolved manganese from surface waters similar to the present study. Such a system could be implemented in regions without access to conventional manganese treatment technologies with minimal chemical inputs./p> 8 mg/L) were critical in achieving low effluent dissolved manganese concentrations. Aeration also reduced the days in operation before manganese was effectively controlled./p>