Hybrid multimedia-filter prototype (HMP) for the degradation of trihalomethanes precursors and pathogens control from raw waters

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 filter’s 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 “Oro Creek” 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 métodos de purificación de agua que sean costo efectivo y conservadores de recursos ha aumentado a través de los años. Además, la ocurrencia y descubrimiento de contaminantes emergentes demanda la creación de nuevas tecnologías para remover esos contaminantes. Uno de estos contaminantes es trihalometano. Trihalometanos (THMs) son productos de desinfección que se forman cuando cloro entra en contacto con materiales orgánicos (como los ácidos húmicos). Con esto en mente, se desarrolló un sistema híbrido que combina dos métodos de purificación de agua anteriormente conocidos; filtración y oxidación. El sistema desarrollado está compuesto por un filtro biológico lento de arena; además de un sustrato nanocompuesto incrustado con nano partículas de dióxido de titanio (TiO2). El filtro biológico lento de arena fue usado para eliminar patógenos, mientras que el sustrato nanocompuesto se utilizó para para degradar sólidos suspendidos. Este proyecto a su vez se pretende estudiar el impacto del filtro de arena en la remoción de patógenos reduciendo la profundidad del filtro por 26.67 cm. El filtro biológico lento de arena se llenaba de agua por tandas permitiendo un tiempo de reposo de 24 horas entre cada filtración para promover el establecimiento de una biocapa encima del lecho de arena. La fuente de agua fue la Quebrada de Oro, ubicada en Mayagüez, Puerto Rico. Luego, el efluente se expuso al nano compuesto por 8 horas bajo luz ultravioleta. El contenido de patógenos y carbono orgánico total (COT) del agua fue analizado en todas las etapas, para así observar la reducción de ambos parámetros. Las pruebas que involucran las alturas de los biofiltros revelaron que no hubo diferencias significativas en la eficiencia de purificación al reducir la profundidad de los filtros, cuando comparados a la profundidad estándar. Esto nos indica que los biofiltros pueden construirse con menos materiales sin perder la calidad de eliminación de patógenos. Por otra parte, el sistema híbrido mostró una eliminación de patógenos ligeramente más cercana a una eliminación casi completa de todos los patógenos en el agua. En términos de materia orgánica, los biofiltros fueron capaces de reducir a la mitad la cantidad de COT en el agua, mientras que el sistema híbrido aumenta esa reducción a un 75%. Finalmente, el sistema híbrido demostró ser eficaz en erradicar el contenido de patógenos en el agua y al mismo tiempo eliminar una gran cantidad del COT, reduciendo la posible formación de trihalometanos.