Biofiltração de água bruta para controle de manganês em águas superficiais

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 9020 (2023) Cite este artigo

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O controle do manganês (Mn) em sistemas de águas superficiais é um desafio para a indústria de água potável, especialmente por meio de uma estrutura de sustentabilidade. Os métodos atuais para remover o manganês das águas superficiais usam oxidantes fortes que incorporam carbono e podem ser caros e prejudiciais à saúde humana e ao meio ambiente. Neste estudo, usamos um projeto de biofiltro simples para remover o manganês da água do lago, sem pré-tratamentos convencionais da água de superfície. Os biofiltros com afluente aerado removeram o manganês em concentrações abaixo de 10 µg/L quando receberam água afluente contendo > 120 µg/L de manganês dissolvido. A remoção de manganês não foi inibida por altas cargas de ferro ou baixa remoção de amônia, sugerindo que os mecanismos de remoção podem diferir dos biofiltros de águas subterrâneas. Os biofiltros experimentais também alcançaram concentrações de manganês no efluente mais baixas do que o processo de tratamento convencional em grande escala, enquanto recebiam concentrações de manganês mais altas. Essa abordagem biológica pode ajudar a alcançar as metas de desenvolvimento sustentável.

O manganês (Mn) na água potável é normalmente removido para melhorar a estética da água, porque o manganês particulado pode descolorir a água e manchar as luminárias e roupas1. No entanto, há preocupações crescentes de que altas concentrações de manganês possam afetar a saúde e o desenvolvimento de crianças pequenas2,3,4,5. As preocupações estéticas e de saúde podem ser agravadas quando o manganês se acumula nos sistemas de distribuição. O manganês acumulado pode se mobilizar rapidamente devido a mudanças hidráulicas ou na qualidade da água em um sistema de distribuição, causando um pico grande e difícil de prever na concentração de manganês na torneira6. O acúmulo de manganês também pode aumentar a liberação de chumbo7,8. Portanto, a remoção de manganês nas estações de tratamento de água potável deve ser maximizada.

A Health Canada recomenda um objetivo estético de 20 µg Mn/L, mas muitas concessionárias visam concentrações mais baixas para evitar os impactos do acúmulo nos sistemas de distribuição6,9. Para estações de tratamento de água de superfície, esses objetivos são comumente alcançados usando uma combinação de oxidação química usando oxidantes fortes (por exemplo, dióxido de cloro ou permanganato) seguida de desestabilização de partículas ou oxidação catalítica com meio revestido de cloro livre e óxido de manganês6,10. No entanto, essas técnicas baseadas em produtos químicos podem produzir subprodutos nocivos e aumentar os custos de tratamento devido à demanda de produtos químicos, equipamentos necessários para dosagem e treinamento do operador11,12.

Essas abordagens convencionais para tratamento de manganês são insustentáveis e não são práticas em áreas sem acesso a equipamentos especializados, treinamento e produtos químicos para tratamento de água. Seu uso conflita com o Objetivo de Desenvolvimento Sustentável 6 (ODS6) das Nações Unidas, que pretende “garantir a disponibilidade e gestão sustentável de água e saneamento para todos”13. Tecnologias alternativas de tratamento para manganês são necessárias para atingir esses objetivos. Tais tecnologias devem ser capazes de remover o manganês em concentrações abaixo de 20 µg/L enquanto reduzem o impacto ambiental do tratamento de água potável.

A biofiltração é uma alternativa de tecnologia sustentável para tratamento de manganês que requer pouca ou nenhuma adição química, dependendo da qualidade da água afluente. Os biofiltros são filtros de mídia granular operados com resíduo de pouco ou nenhum oxidante (isto é, cloro), o que permite que microorganismos de ocorrência natural cresçam e desenvolvam biofilmes que cobrem a mídia14. Esses biofilmes podem aumentar a capacidade de remoção de um filtro adsorvendo e degradando contaminantes dissolvidos, que de outra forma não seriam retidos. A biofiltração é amplamente utilizada para tratar águas subterrâneas, com muitos sistemas de tratamento compostos apenas por aeração e filtração em meio granular15. O tratamento de águas superficiais poderia ser mais sustentável se esta tecnologia limpa fosse usada, mas os estudos que consideram a biofiltração de águas superficiais para o manganês não foram capazes de fornecer orientação de projeto amplamente aplicável. As descobertas dos estudos de águas subterrâneas são promissoras, mas podem não ser diretamente aplicáveis ao tratamento de águas superficiais porque a maioria das águas subterrâneas contém principalmente contaminantes dissolvidos e baixas concentrações de carbono orgânico, em comparação com as águas superficiais. Portanto, para ajudar a alcançar o SDG6, os biofiltros de águas superficiais devem ser estudados para estabelecer sua capacidade de remoção de manganês e princípios de design.

80%), proposing that either iron-oxide minerals covered adsorption sites for dissolved manganese on filter media or that dissolved iron competed with dissolved manganese for adsorption sites. The biofilters in this study had extremely high iron loadings, sometimes exceeding 100 kg Fe/m2 per filter run when influent iron concentrations were highest (Supplementary Fig. S6). These high iron loadings did not inhibit dissolved manganese removal, with most filters achieving > 80% manganese removal after the initial acclimation period. This is the opposite of what Bruins et al.15 observed across over 100 groundwater biofilters, which may indicate that the mechanisms of manganese removal across surface water biofilters differ from groundwater biofilters. However, the limited impact of iron loading may also be due to differences in hydraulics and water chemistry in this study. For example, biofilters in this study were backwashed weekly, regardless of head loss, which could allow for the buildup of iron-oxides capable of dissolved manganese adsorption that would have been removed from a full-scale filter15./p> 80% of dissolved manganese after the initial acclimation period. This excellent removal resulted in a typical average effluent dissolved manganese concentration well below the Canadian aesthetic objective of 20 µg/L (Fig. 3), even when filters were supplied manganese concentrations exceeding 120 µg/L. The manganese removal performance of the raw water biofilters surpassed the permanganate driven full-scale process at BLDWTP (Fig. 6), despite the unadjusted influent manganese concentrations dropping to below 50 µg/L after destratification. BLDWTP relies on further removal of manganese by chlorine applied after filtration to achieve treatment goals. These results suggest that a simple raw water biofiltration system could be a viable method for controlling dissolved manganese from surface waters similar to the present study. Such a system could be implemented in regions without access to conventional manganese treatment technologies with minimal chemical inputs./p> 8 mg/L) were critical in achieving low effluent dissolved manganese concentrations. Aeration also reduced the days in operation before manganese was effectively controlled./p>