Biofiltrazione dell'acqua grezza per il controllo del manganese delle acque superficiali

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9020 (2023) Citare questo articolo

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Il controllo del manganese (Mn) nei sistemi idrici superficiali rappresenta una sfida per l’industria dell’acqua potabile, soprattutto attraverso un quadro di sostenibilità. Gli attuali metodi per rimuovere il manganese dalle acque superficiali utilizzano forti ossidanti che incorporano carbonio e possono essere costosi e dannosi per la salute umana e l’ambiente. In questo studio, abbiamo utilizzato un semplice biofiltro per rimuovere il manganese dall’acqua del lago, senza pretrattamenti convenzionali delle acque superficiali. I biofiltri con affluente aerato rimuovevano il manganese a concentrazioni inferiori a 10 µg/L quando ricevevano acqua influente contenente > 120 µg/L di manganese disciolto. La rimozione del manganese non è stata inibita da elevati carichi di ferro o da una scarsa rimozione dell’ammoniaca, suggerendo che i meccanismi di rimozione potrebbero differire dai biofiltri delle acque sotterranee. I biofiltri sperimentali hanno inoltre raggiunto concentrazioni di manganese negli effluenti inferiori rispetto al processo di trattamento convenzionale su vasta scala, ricevendo allo stesso tempo concentrazioni di manganese più elevate. Questo approccio biologico potrebbe aiutare a raggiungere gli obiettivi di sviluppo sostenibile.

Il manganese (Mn) nell'acqua potabile viene generalmente rimosso per migliorare l'estetica dell'acqua, poiché il manganese in particelle può scolorire l'acqua e macchiare gli impianti e il bucato1. Tuttavia, vi sono crescenti preoccupazioni sul fatto che elevate concentrazioni di manganese possano avere un impatto sulla salute e sullo sviluppo dei bambini piccoli2,3,4,5. Sia i problemi estetici che quelli sanitari possono aggravarsi quando il manganese si accumula nei sistemi di distribuzione. Il manganese accumulato può mobilitarsi rapidamente a causa di cambiamenti idraulici o della qualità dell’acqua in un sistema di distribuzione, causando un picco ampio e difficile da prevedere nella concentrazione di manganese al rubinetto6. L'accumulo di manganese può anche aumentare il rilascio di piombo7,8. Pertanto, la rimozione del manganese negli impianti di trattamento dell’acqua potabile deve essere massimizzata.

Health Canada raccomanda un obiettivo estetico di 20 µg Mn/L, ma molti servizi pubblici puntano a concentrazioni più basse per prevenire gli impatti dell'accumulo nei sistemi di distribuzione6,9. Per gli impianti di trattamento delle acque superficiali, questi obiettivi vengono comunemente raggiunti utilizzando una combinazione di ossidazione chimica utilizzando forti ossidanti (ad esempio, biossido di cloro o permanganato) seguita da destabilizzazione delle particelle o ossidazione catalitica con cloro libero e mezzi rivestiti di ossido di manganese6,10. Tuttavia, queste tecniche basate sulle sostanze chimiche possono produrre sottoprodotti dannosi e aumentare i costi di trattamento a causa della domanda di sostanze chimiche, delle attrezzature necessarie per il dosaggio e della formazione degli operatori11,12.

Questi approcci convenzionali al trattamento del manganese sono insostenibili e non sono pratici in aree senza accesso ad attrezzature specializzate, formazione e prodotti chimici per il trattamento delle acque. Il loro utilizzo è in conflitto con l’Obiettivo di sviluppo sostenibile 6 (SDG6) delle Nazioni Unite, che intende “garantire la disponibilità e la gestione sostenibile dell’acqua e dei servizi igienico-sanitari per tutti”13. Per raggiungere questi obiettivi sono necessarie tecnologie di trattamento alternative per il manganese. Tali tecnologie devono essere in grado di rimuovere il manganese a concentrazioni inferiori a 20 µg/L riducendo al tempo stesso l’impatto ambientale del trattamento dell’acqua potabile.

La biofiltrazione è un’alternativa tecnologica sostenibile per il trattamento del manganese che richiede poca o nessuna aggiunta chimica, a seconda della qualità dell’acqua affluente. I biofiltri sono filtri granulari funzionanti con un residuo ossidante basso o assente (ad esempio, cloro), che consente ai microrganismi presenti in natura di crescere e sviluppare biofilm che rivestono il materiale14. Questi biofilm possono aumentare la capacità di rimozione di un filtro adsorbendo e degradando i contaminanti disciolti, che altrimenti non verrebbero trattenuti. La biofiltrazione è ampiamente utilizzata per trattare le acque sotterranee, con molti sistemi di trattamento composti solo da aerazione e filtrazione con mezzi granulari15. Il trattamento delle acque superficiali potrebbe essere più sostenibile se venisse utilizzata questa tecnologia pulita, ma gli studi che prendono in considerazione la biofiltrazione delle acque superficiali per il manganese non sono stati in grado di fornire indicazioni di progettazione ampiamente applicabili. I risultati degli studi sulle acque sotterranee sono promettenti, ma potrebbero non essere direttamente applicabili al trattamento delle acque superficiali perché la maggior parte delle acque sotterranee contengono principalmente contaminanti disciolti e basse concentrazioni di carbonio organico, rispetto alle acque superficiali. Pertanto, per contribuire al raggiungimento dell’SDG6, i biofiltri delle acque superficiali devono essere studiati per stabilirne la capacità di rimozione del manganese e i principi di progettazione.

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>