Sand filtration and chlorination for removal and inactivation of Bacillus subtilis

Abstract

Sustainable water treatment and technology need to be implemented for safe-drinking water. In Puerto Rico, some rural communities do not rely on the central systems operated by the water authority but have their own small treatment systems that do not fully comply with the bacteriological standards. As such, the Río Piedras community, located in San German, Puerto Rico was chosen for the assessment of a sand filtration and chlorination system for the removal of Bacillus subtilis as the surrogate microorganisms of Giardia lamblia and Cryptosporidium parvuum. The Caín Alto River, the source water of the Río Piedras community water treatment system, was monitored for its physicochemical and bacteriological characteristics for over one year. The results from the statistical analyses showed that conductivity and total dissolved solids were highly positively related (Pearson correlation coefficient = 0.953 and P-value = 0.000) and that B. subtilis was highly positively related to turbidity (Pearson correlation coefficient = 0.720 and P-value = 0.001). Three different lab-scale rapid filtration units were evaluated for the possible packing media of the field-scale filters. Units included two sand filters connected in series, one filter with granular activated carbon incorporating sand and one filter with iron oxide coated sand (IOCS) incorporating sand. Outcomes of the comparison between systems yielded that IOCS filter showed more consistency in the removal of B. subtilis, achieving 1.1-log removal. However, IOCS preparation at large scale was neither practical nor economical. The results from the lab-scale system showed that the sand filtration inactivated 1.5-log removal of B. subtilis and disinfection as well. The treatment train achieved 3-log removal of B. subtilis, complying with the USEPA standards of Cryptosporidium and Giardia. However, further modifications were to be done on the field scale to improve the effectiveness of the system. The field-scale SEED unit was assessed for B. subtilis removal for three days at different configurations. The results showed that the SEED unit under the current hydromechanical and technical properties was not capable of removing B. subtilis. Some circumstances could have affected the efficiency of the unit including the initial condition of the system and the actual condition of the community system that made impossible to perform a backwash.

Tratamiento de agua y tecnología sustentable necesitan ser implementadas para tener agua potable. En Puerto Rico, algunas comunidades rurales no confían en los sistemas centrales operados por la autoridad de agua pero, tienen sus propios pequeños sistemas de tratamiento los cuales no cumplen completamente con los estándares bacteriológicos. Como tal, la comunidad Río Piedras, localizada en San German, Puerto Rico fue escogida para la evaluación de un sistema de filtración de arena y cloración para la remoción de Bacillus subtilis como microorganismo sustituto de Giardia lamblia y Cryptosporidium parvuum. La fuente de agua del sistema de tratamiento de agua de la comunidad Río Piedras, el Río Caín Alto, fue monitoreada para las características fisicoquímicas y bacteriológicas por más de un año. Los resultados de los análisis estadísticos mostraron que la conductividad y los sólidos disueltos totales fueron alta y positivamente relacionados (coeficiente de correlación Pearson = 0.953 y valor P = 0.000) y que B. subtilis fue alta y positivamente relacionado a la turbidez (coeficiente de correlación Pearson = 0.720 y valor P = 0.001). Tres diferentes unidades de filtración rápida a escala de laboratorio fueron evaluadas para los posibles medios de empaque a utilizar en los filtros a escala de campo. Las unidades incluyeron dos filtros de arena conectados en serie, un filtro con carbón activado granular incorporando arena y un filtro con arena recubierta de óxido de hierro (IOCS por sus siglas en inglés) incorporando arena. Los resultados de la comparación entre sistemas produjeron que el filtro de IOCS mostrara más consistencia en la remoción de B. subtilis, logrando una remoción de 1.1-log. Sin embargo, la preparación de IOCS en gran escala no era ni práctico ni económico. Los resultados del sistema a escala de laboratorio mostraron que la filtración de arena inactivó 1.5-log de remoción de B. subtilis, así como la desinfección. El tren de tratamiento logró la remoción de 3-log de B. subtilis, cumpliendo con los estándares de la USEPA de Cryptosporidium y Giardia. Sin embargo, otras modificaciones debían ser realizadas a escala de campo para mejorar la eficiencia del sistema. La unidad SEED a tamaño de campo fue evaluada durante tres días en diferentes configuraciones para la remoción de B. subtilis. Los resultados mostraron que la unidad SEED bajo las propiedades hidromecánicas y técnicas actuales, no fue capaz de remover B. subtilis. Algunas circunstancias pudieron haber afectado la eficiencia del sistema incluyendo la condición inicial del sistema y la condición actual del sistema de la comunidad que imposibilitó realizar un lavado contracorriente.