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Hybrid multimedia-filter prototype (HMP) for the degradation of trihalomethanes precursors and pathogens control from raw waters
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Abstract
The need for affordable and resource conserving water purification methods has only increased over the years. Alongside that, the occurrence and discovery of emerging contaminants demand the research and development of new technologies to properly address the destruction/removal of such contaminants. One of those emerging contaminants is trihalomethane. Trihalomethanes (THMs) are disinfection by-products that form when chlorine reacts with naturally occurring organic matter (such as humic acids). With that in mind, a hybrid system was developed, combining two known methods of water purification: filtration and oxidation. The system was comprised of a lab-scale biosand filter (LSBF); as well as a nanocomposite substrate embedded with titanium dioxide (TiO2) nanoparticles. The LSBF was used to eliminate pathogens, while the TiO2 embedded nanocomposites was used to degrade suspended solids. The project also aimed to study the impact of the filterās sand bed depth in the removal of pathogens by reducing it 26.67 cm. The LSBF was operated in batch mode allowing an idle time of 24 hours between filtration to promote the establishment of a biolayer on top of the sand bed. The water source was the āOro Creekā located in Mayaguez, Puerto Rico. The LSBF effluent is then exposed to the TiO2 nanocomposite for 8 hours under UV light. The water is analyzed for pathogen population and organic matter quantified as total organic carbon (TOC) content, in order to observe the reduction of both parameters. Results revealed that a reduction in the sand bed depth showed no significant difference in the removal efficiency in turbidity and pathogen when compared against a standard sand bed depth. This indicated that bio filters can be constructed with fewer materials without losing the pathogen removal quality. Furthermore, the hybrid system showed slightly more pathogen removal to a near complete removal in the water. In terms of organic matter, the LSBF was capable of halving the amount of TOC in the water, while the hybrid system improved the reduction up to 75%. Ultimately, the hybrid system proved effective in eradicating the pathogen content in the water while also removing the vast amount of TOC, reducing the potential formation of THMs.
La necesidad de mĆ©todos de purificaciĆ³n de agua que sean costo efectivo y conservadores de recursos ha aumentado a travĆ©s de los aƱos. AdemĆ”s, la ocurrencia y descubrimiento de contaminantes emergentes demanda la creaciĆ³n de nuevas tecnologĆas para remover esos contaminantes. Uno de estos contaminantes es trihalometano. Trihalometanos (THMs) son productos de desinfecciĆ³n que se forman cuando cloro entra en contacto con materiales orgĆ”nicos (como los Ć”cidos hĆŗmicos). Con esto en mente, se desarrollĆ³ un sistema hĆbrido que combina dos mĆ©todos de purificaciĆ³n de agua anteriormente conocidos; filtraciĆ³n y oxidaciĆ³n. El sistema desarrollado estĆ” compuesto por un filtro biolĆ³gico lento de arena; ademĆ”s de un sustrato nanocompuesto incrustado con nano partĆculas de diĆ³xido de titanio (TiO2). El filtro biolĆ³gico lento de arena fue usado para eliminar patĆ³genos, mientras que el sustrato nanocompuesto se utilizĆ³ para para degradar sĆ³lidos suspendidos. Este proyecto a su vez se pretende estudiar el impacto del filtro de arena en la remociĆ³n de patĆ³genos reduciendo la profundidad del filtro por 26.67 cm. El filtro biolĆ³gico lento de arena se llenaba de agua por tandas permitiendo un tiempo de reposo de 24 horas entre cada filtraciĆ³n para promover el establecimiento de una biocapa encima del lecho de arena. La fuente de agua fue la Quebrada de Oro, ubicada en MayagĆ¼ez, Puerto Rico. Luego, el efluente se expuso al nano compuesto por 8 horas bajo luz ultravioleta. El contenido de patĆ³genos y carbono orgĆ”nico total (COT) del agua fue analizado en todas las etapas, para asĆ observar la reducciĆ³n de ambos parĆ”metros. Las pruebas que involucran las alturas de los biofiltros revelaron que no hubo diferencias significativas en la eficiencia de purificaciĆ³n al reducir la profundidad de los filtros, cuando comparados a la profundidad estĆ”ndar. Esto nos indica que los biofiltros pueden construirse con menos materiales sin perder la calidad de eliminaciĆ³n de patĆ³genos. Por otra parte, el sistema hĆbrido mostrĆ³ una eliminaciĆ³n de patĆ³genos ligeramente mĆ”s cercana a una eliminaciĆ³n casi completa de todos los patĆ³genos en el agua. En tĆ©rminos de materia orgĆ”nica, los biofiltros fueron capaces de reducir a la mitad la cantidad de COT en el agua, mientras que el sistema hĆbrido aumenta esa reducciĆ³n a un 75%. Finalmente, el sistema hĆbrido demostrĆ³ ser eficaz en erradicar el contenido de patĆ³genos en el agua y al mismo tiempo eliminar una gran cantidad del COT, reduciendo la posible formaciĆ³n de trihalometanos.
La necesidad de mĆ©todos de purificaciĆ³n de agua que sean costo efectivo y conservadores de recursos ha aumentado a travĆ©s de los aƱos. AdemĆ”s, la ocurrencia y descubrimiento de contaminantes emergentes demanda la creaciĆ³n de nuevas tecnologĆas para remover esos contaminantes. Uno de estos contaminantes es trihalometano. Trihalometanos (THMs) son productos de desinfecciĆ³n que se forman cuando cloro entra en contacto con materiales orgĆ”nicos (como los Ć”cidos hĆŗmicos). Con esto en mente, se desarrollĆ³ un sistema hĆbrido que combina dos mĆ©todos de purificaciĆ³n de agua anteriormente conocidos; filtraciĆ³n y oxidaciĆ³n. El sistema desarrollado estĆ” compuesto por un filtro biolĆ³gico lento de arena; ademĆ”s de un sustrato nanocompuesto incrustado con nano partĆculas de diĆ³xido de titanio (TiO2). El filtro biolĆ³gico lento de arena fue usado para eliminar patĆ³genos, mientras que el sustrato nanocompuesto se utilizĆ³ para para degradar sĆ³lidos suspendidos. Este proyecto a su vez se pretende estudiar el impacto del filtro de arena en la remociĆ³n de patĆ³genos reduciendo la profundidad del filtro por 26.67 cm. El filtro biolĆ³gico lento de arena se llenaba de agua por tandas permitiendo un tiempo de reposo de 24 horas entre cada filtraciĆ³n para promover el establecimiento de una biocapa encima del lecho de arena. La fuente de agua fue la Quebrada de Oro, ubicada en MayagĆ¼ez, Puerto Rico. Luego, el efluente se expuso al nano compuesto por 8 horas bajo luz ultravioleta. El contenido de patĆ³genos y carbono orgĆ”nico total (COT) del agua fue analizado en todas las etapas, para asĆ observar la reducciĆ³n de ambos parĆ”metros. Las pruebas que involucran las alturas de los biofiltros revelaron que no hubo diferencias significativas en la eficiencia de purificaciĆ³n al reducir la profundidad de los filtros, cuando comparados a la profundidad estĆ”ndar. Esto nos indica que los biofiltros pueden construirse con menos materiales sin perder la calidad de eliminaciĆ³n de patĆ³genos. Por otra parte, el sistema hĆbrido mostrĆ³ una eliminaciĆ³n de patĆ³genos ligeramente mĆ”s cercana a una eliminaciĆ³n casi completa de todos los patĆ³genos en el agua. En tĆ©rminos de materia orgĆ”nica, los biofiltros fueron capaces de reducir a la mitad la cantidad de COT en el agua, mientras que el sistema hĆbrido aumenta esa reducciĆ³n a un 75%. Finalmente, el sistema hĆbrido demostrĆ³ ser eficaz en erradicar el contenido de patĆ³genos en el agua y al mismo tiempo eliminar una gran cantidad del COT, reduciendo la posible formaciĆ³n de trihalometanos.
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Date
2018
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Trihalomethanes