Treatability study of an intermittent biosand filter for reduction of Escherichia coli and Enterococcus

Abstract

According to the United Nations, although access to safe drinking water is improving worldwide, still over 1 billion people lack access to such. The intermittent biosand filter (IBSF), which is an adaptation of a slow sand filter, is an appropriate technology for removal of pathogens and suspended solids from water at the household level in developing communities due to its low cost and operational simplicity. In particular, pathogens are removed through a combination of adsorption, microbial activity, mechanical trapping, and natural death due to deprivation of oxygen and nutrients. However, the details of these mechanisms are not completely understood. This study measured particularly the Escherichia coli, Enterococcus populations and dissolved oxygen (DO) concentration in the water throughout the IBSF sand bed depth over time in order to understand the impact and contribution of the microbial and oxygen deprivation mechanisms in the Escherichia coli and Enterococcus removal by the IBSF. In addition the phosphate removal by the IBSF and a visualization of the biofilm developed over the sand grains over time were accessed. During this study, the E. coli population removal percent by the IBSF was up to 98%. According to the obtained results this high removal percent could not be only an effect of the biolayer, it could be also caused by other mechanisms, such as the lack of DO concentration inside the IBSF. After 30 days of filter use, the removal percent of E. coli increased with time and depth. In terms of the Enterococcus population, the IBSF remove up to 98.7 %, having the higher reduction at the biolayer. It seems that there was no difference between the Enterococcus reductions at the middle and the end of the IBSF sand bed depth and it was not influenced by the lack of DO concentration. Since the first week of the IBSF use, the development of the biofilm over the sand grains was observed until 29.7 cm of the sand bed depth and had a high diversity that increase over time. The results demonstrated the IBSF could remove up to 86.4 % of the phosphate present in the feeding water. One of the possible capture mechanisms for the phosphate removal in the IBSF could be adsorption to the iron particles that were present in the sand bed.

Según un estudio de las Naciones Unidas, a pesar de los esfuerzos concentrados a mejorar el acceso a agua potable a nivel mundial, todavía cerca de un billón de personas carecen de acceso a agua segura para el consumo. El biofiltro intermitente de arena (IBSF), el cual es una adaptación del tradicional filtro lento de arena, es considerado una tecnología apropiada para la reducción de patógenos y solidos suspendidos en el agua cruda a nivel de los hogares en comunidades en desarrollo, debido a su bajo costo y su simple modo de operación. La reducción en la concentración de patógenos puede deberse a una combinación de mecanismos como adsorción, actividad microbiana, atrapamiento mecánico y a la muerte natural debido a la escases de oxígeno disuelto y de nutrientes. Sin embargo, la interacción de estos mecanismos y su impacto en la efectividad del IBSF para mejorar la calidad del agua no han podido ser explicadas con certeza y claridad anteriormente. Este estudio tuvo como objetivo principal monitorear las concentraciones de Escherichia coli, Enterococcus y oxígeno disuelto en el agua a través de la profundidad del lecho de arena del IBSF y a través del tiempo, con el propósito de entender el impacto y contribución de los mecanismos de oxigeno disuelto y actividad microbiana en la remoción de Escherichia coli y Enterococcus. En adición, la remoción de fosfato por el IBSF y una visualización de la biocapa desarrollada sobre los granos de arena a través del tiempo fue estudiado. Durante este estudio, el porcentaje de remoción de E. coli por el IBSF fue de hasta un 98%. De acuerdo a los resultados obtenidos, este alto porciento de remoción puede ser no solo por el efecto de la biocapa, sino también por otros mecanismos de remoción como la disminución en la concentración de oxigeno disuelto dentro del IBSF. Luego de usar el filtro por un periodo de tiempo mayor a 30 días, la remoción de E. coli aumenta a través del tiempo y de la profundidad del lecho de arena del filtro. En términos de la concentración de Enterococcus, durante este estudio se logro obtener un porciento de remoción de hasta 98.7%, ocurriendo la mayor remoción en la capa de arena donde se localiza el mayor desarrollo de la biocapa. Según los resultados, la profundidad del lecho de arena luego de los 29.7 cm y la disminución en la concentración del oxígeno disuelto no parecen influenciar la remoción de Enterococcus. Desde la primera semana de uso del IBSF, el desarrollo de una biocapa sobre los granos de arena fue observado hasta los 29.7 cm de profundidad del lecho de arena del IBSF y su diversidad parecía aumentar con el tiempo. Los resultados demuestran que el IBSF puede remover hasta un 86.4 % del fosfato presente en el agua. Uno de los posibles mecanismos para la remoción de fosfato durante este estudio puede ser su posible adsorción a partículas de hierro que estaban presentes en el lecho de arena.