Loading...
Chitosan dissolved in acidic solutions for drinking water treatment: TOC removal, and chlorination metrics—demand, residual, and breakpoint
Molina Pinna, Josefine
Molina Pinna, Josefine
Citations
Altmetric:
Abstract
Natural organic matter in surface waters represents a critical challenge for drinking water treatment
due to its interaction with chlorinated disinfectants and the subsequent formation of regulated
disinfection by-products by the United States Environmental Protection Agency. This research
addressed this issue by evaluating chitosan, a natural cationic biopolymer, as a sustainable
alternative to conventional coagulants and as a complementary agent to improve disinfection
performance. The purpose of the study was to determine whether acidic chitosan solutions could
enhance organic matter removal, reduce the chlorine dose required to achieve breakpoint
chlorination, and maintain effective microbial control. The research was divided into two
experimental phases. In the first phase, jar tests were conducted using raw water from the Río
Grande de Añasco, Puerto Rico at three turbidity levels (403, 1220, and 5038 nephelometric
turbidity units (NTU). Total organic carbon dissolved organic carbon, and ultraviolet absorbance
at 254 nm were monitored to evaluate the removal of natural organic matter. Total organic carbon
removals ranged from 45.8% to 74.3%, exceeding the minimum levels required by the
Environmental Protection Agency for those raw water conditions. The highest performance was
observed in high-turbidity water treated with chitosan–L-ascorbic acid. Dissolved carbon and
absorbance reductions followed similar trends, reaching up to 76.4% and 76.2%, respectively,
while the estimated trihalomethane formation potential decreased by as much as 81.6%. In the
second phase, chlorine demand and residual chlorine curves were developed for two turbidity
levels (236 and 2556 NTU). The qualitative coliform presence–absence tests was also performed
to assess chitosan effectiveness during chlorination process. All acidic chitosan formulations
advanced the onset of breakpoint chlorination and reduced the chlorine dose required (3.0–4.2
mg/L) compared with the control (5.1 mg/L), while maintaining residual chlorine concentrations
above the regulatory minimum of 0.2 mg/L. Overall, chitosan exhibited performance comparable
to aluminum-based coagulants but offered additional environmental benefits, including
biodegradability, synergy with chlorine, and reduced disinfection by-products formation risk.
Future research should focus on kinetic modelling of chitosan–acid and chlorine interactions. The
pilot-scale continuous filtration studies can be performed to correlate reduced chlorine demand
with residual disinfectant stability and disinfection by-products formation under full-scale
operational conditions.
La materia orgánica natural presente en las aguas superficiales representa un desafío crítico para el tratamiento de agua potable debido a su interacción con los desinfectantes clorados y la subsecuente formación de subproductos de desinfección regulados por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos. Esta investigación abordó dicho problema mediante la evaluación del quitosano, un biopolímero catiónico natural, como alternativa sostenible a los coagulantes convencionales y como agente complementario para mejorar la eficiencia del proceso de desinfección con hipoclorito de sodio. El propósito del estudio fue determinar si las soluciones ácidas de quitosano podían aumentar la remoción de materia orgánica, reducir la dosis de cloro necesaria para alcanzar el punto de ruptura y mantener un control microbiológico efectivo. La investigación se dividió en dos fases experimentales. En la primera fase se realizaron pruebas de jarras utilizando agua cruda del Río Grande de Añasco (Puerto Rico) a tres niveles de turbidez (403, 1220 y 5038 unidades nefelométricas de turbidez, NTU). Se evaluó la remoción de carbono orgánico total, carbono orgánico disuelto y absorbancia ultravioleta a 254 nm. Las remociones de carbón orgánico total oscilaron entre 45.8 % y 74.3 %, superando los niveles mínimos requeridos por la EPA para esas condiciones de agua cruda. El mejor desempeño se observó en el agua de alta turbidez tratada con quitosano–ácido L-ascórbico. Las reducciones de carbono orgánico disuelto y absorbancia siguieron tendencias similares, alcanzando hasta 76.4 % y 76.2 %, respectivamente, mientras que el potencial estimado de formación de trihalometanos se redujo hasta en 81.6 %. En la segunda fase se desarrollaron curvas de demanda y residual de cloro para dos niveles de turbidez (236 y 2556 NTU), junto con ensayos de presencia–ausencia de coliformes para evaluar la efectividad del quitosano en el proceso de desinfección. Todas las formulaciones de quitosano–ácido adelantaron el inicio del punto de ruptura y redujeron la dosis de cloro necesaria (3.0–4.2 mg/L) en comparación con el control (5.1 mg/L), manteniendo concentraciones residuales por encima del mínimo reglamentario de 0.2 mg/L. En conjunto, el quitosano mostró un desempeño comparable al de los coagulantes basados en aluminio, pero con beneficios ambientales adicionales, incluyendo biodegradabilidad, sinergia con el cloro y menor riesgo de formación de subproductos de desinfección. Futuros trabajos deberán enfocarse en el modelado cinético de las interacciones entre los complejos de quitosano–ácido y los oxidantes clorados. Estudios pilotos de filtración continua que correlacionen la reducción de la demanda de cloro con la estabilidad del residual desinfectante y la formación real de subproductos de desinfección en condiciones operacionales a escala de planta.
La materia orgánica natural presente en las aguas superficiales representa un desafío crítico para el tratamiento de agua potable debido a su interacción con los desinfectantes clorados y la subsecuente formación de subproductos de desinfección regulados por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos. Esta investigación abordó dicho problema mediante la evaluación del quitosano, un biopolímero catiónico natural, como alternativa sostenible a los coagulantes convencionales y como agente complementario para mejorar la eficiencia del proceso de desinfección con hipoclorito de sodio. El propósito del estudio fue determinar si las soluciones ácidas de quitosano podían aumentar la remoción de materia orgánica, reducir la dosis de cloro necesaria para alcanzar el punto de ruptura y mantener un control microbiológico efectivo. La investigación se dividió en dos fases experimentales. En la primera fase se realizaron pruebas de jarras utilizando agua cruda del Río Grande de Añasco (Puerto Rico) a tres niveles de turbidez (403, 1220 y 5038 unidades nefelométricas de turbidez, NTU). Se evaluó la remoción de carbono orgánico total, carbono orgánico disuelto y absorbancia ultravioleta a 254 nm. Las remociones de carbón orgánico total oscilaron entre 45.8 % y 74.3 %, superando los niveles mínimos requeridos por la EPA para esas condiciones de agua cruda. El mejor desempeño se observó en el agua de alta turbidez tratada con quitosano–ácido L-ascórbico. Las reducciones de carbono orgánico disuelto y absorbancia siguieron tendencias similares, alcanzando hasta 76.4 % y 76.2 %, respectivamente, mientras que el potencial estimado de formación de trihalometanos se redujo hasta en 81.6 %. En la segunda fase se desarrollaron curvas de demanda y residual de cloro para dos niveles de turbidez (236 y 2556 NTU), junto con ensayos de presencia–ausencia de coliformes para evaluar la efectividad del quitosano en el proceso de desinfección. Todas las formulaciones de quitosano–ácido adelantaron el inicio del punto de ruptura y redujeron la dosis de cloro necesaria (3.0–4.2 mg/L) en comparación con el control (5.1 mg/L), manteniendo concentraciones residuales por encima del mínimo reglamentario de 0.2 mg/L. En conjunto, el quitosano mostró un desempeño comparable al de los coagulantes basados en aluminio, pero con beneficios ambientales adicionales, incluyendo biodegradabilidad, sinergia con el cloro y menor riesgo de formación de subproductos de desinfección. Futuros trabajos deberán enfocarse en el modelado cinético de las interacciones entre los complejos de quitosano–ácido y los oxidantes clorados. Estudios pilotos de filtración continua que correlacionen la reducción de la demanda de cloro con la estabilidad del residual desinfectante y la formación real de subproductos de desinfección en condiciones operacionales a escala de planta.
Description
Date
2025-11-10
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Collections
Keywords
Chitosan, water treatment, TOC, chlorine