Manganese removal from groundwater in non-bioaugmented pumice biofilters under tropical conditions

Abstract

La presencia de manganeso (Mn) en los sistemas de distribución de agua potable puede causar problemas operativos, de aceptabilidad y riesgos a la salud. La biofiltración es una tecnología costo-efectiva, fácil de operar y no requiere del uso de reactivos químicos. Sin embargo, su principal limitación es el tiempo de maduración requerido por el medio virgen para alcanzar una remoción efectiva de Mn. Además, la remoción biológica de Mn aún no ha sido implementada en el trópico y poco se sabe de la ocurrencia de las bacterias oxidantes de Mn (BOM) en estas zonas. Tampoco hay estudios previos que hayan evaluado el uso de la piedra pómez como medio filtrante en biofiltros de Mn. La piedra pómez tiene un gran potencial para la biofiltración ya que es un medio filtrante de bajo costo, poroso y de baja densidad. En este contexto, esta tesis tuvo como objetivo obtener nuevo conocimiento en la eficacia de la puesta en marcha de biofiltros de piedra pómez no-bioaumentados para la remoción de Mn utilizando aguas subterráneas tropicales. Para ello, se realizó un estudio exploratorio para investigar la presencia de BOM en pozos de agua subterránea con concentraciones elevadas de Mn (> 0,3 mg/L). Se realizó un estudio comparativo a escala de laboratorio utilizando piedra pómez virgen, arena sílice y antracita para evaluar el uso de piedra pómez virgen como medio filtrante alternativo para la remoción de Mn. Además, se realizaron experimentos a escala piloto para evaluar el efecto del régimen de flujo (flujo continuo y recirculación) en la puesta en marcha de columnas de filtración utilizando piedra pómez. Se encontró que las BOM aisladas en el agua cruda son filogenéticamente diversas, no obstante, se detectó un claro dominio del filo Proteobacteria (alfa y gamma) en los medios filtrantes. A nivel de género, la comunidad bacteriana no se vio significativamente influenciada por el medio filtrante; sin embargo, distintas especies colonizaron selectivamente el medio filtrante. Pseudoxanthomonas sp., no reportada anteriormente en biofiltración de Mn, mostró una alta capacidad de oxidación de Mn y se encontró de forma abundante en todos los medios filtrantes evaluados, siendo así una buena candidata como inóculo. Los óxidos de Mn identificados en los filtros maduros mostraron características típicas de la birnessita de origen biológico, mostrando así que las BOM desempeñaron un rol importante en la puesta en marcha de los biofiltros no-bioaumentados. El periodo de maduración de las columnas de filtración a escala de laboratorio se completó en aproximadamente 80 días. La piedra pómez mostró un desempeño similar a la arena y la antracita. Posteriormente, el periodo de maduración de las columnas de filtración a escala piloto se logró reducir a 8 y 23 días en flujo continuo y recirculado, respectivamente. Estos tiempos de maduración excepcionales se pudieron conseguir debido a las características favorables en la calidad de agua de entrada a los filtros (temperaturas 22-24 °C, pH > 7.5, oxígeno disuelto > 6 mg/L y un potencial redox 300- 400 mV). Además, se aplicaron las siguientes estrategias operativas: se adoptó una velocidad de filtración inicial de 2 m/h con un tiempo de contacto de 21 min; una vez la eficiencia de remoción de Mn alcanzó el 90%, se aplicaron incrementos de velocidad de aproximadamente 1 m/h hasta alcanzar una velocidad de filtración final de 5 m/h (tiempo de contacto de 8.4 min). La carga de hierro (Fe) se evitó mediante un prefiltro (concentraciones de Fe en el afluente < 0.10 mg/L). La estrategia de recirculación se consideró adecuada ya que consumió un 50% menos de agua comparada con el sistema continuo. Ambos regímenes requirieron una carga de Mn similar de aproximadamente 0.11 kgꞏMnꞏm-2, considerada como un factor limitante. Aparentemente, la carga intermitente de Mn durante la recirculación influenció las concentraciones de BOM que colonizaron la parte superior de los filtros (106 CFUg-1 vs 103 CFUg-1 en flujo continuo y recirculado, respectivamente). Además, se investigó el desempeño en un largo periodo de tiempo, de filtros biológicos a escala real para la remoción de Mn en una planta ubicada en Argentina, la cual, antiguamente operó con procesos fisicoquímicos y fue convertida a proceso biológico. Durante 10 años de operación, el sistema registró eficiencias de remoción total de Mn cercanas al 88%; además, el 95% de las concentraciones de Mn en el agua tratada estuvieron por debajo del límite máximo permitido por la regulación local (Mn<0.10 mg/L), sin utilizar productos químicos. Por lo tanto, la conversión a biofiltración es una estrategia adecuada y se demostró que puede resultar en un esquema de tratamiento estable y eficiente a lo largo de los años. Los resultados presentados en esta tesis muestran que los biofiltros no-bioaumentados de piedra pómez constituyen una solución de tratamiento adecuada y eficaz para la eliminación de Mn de agua subterránea en condiciones tropicales. La temperatura del agua subterránea, la etapa de aceleración de la velocidad, el pretratamiento de Fe y el régimen de flujo recirculante parecen ser apropiados para reducir el tiempo de maduración de la piedra pómez virgen, con un menor consumo de agua durante el proceso. Esta conclusión resalta la contribución potencial de la biofiltración de Mn a los objetivos de desarrollo sostenible (ODS) para la adopción de una gestión sostenible del agua. Además, esta investigación puede ayudar a desarrollar el interés de las empresas de suministro de agua en países tropicales y en desarrollo que trabajan principalmente con tratamientos químicos para la eliminación de Mn.

The presence of manganese (Mn) in drinking water systems causes aesthetic, operational, and health problems. Biofiltration is a cost-effective technology, that does not require the use of chemical reagents and is easy to operate. However, an important drawback is the long ripening time required for virgin media to reach effective Mn removal. Besides, Mnbiofiltration has not been proven in the tropics and little is known about the occurrence of Mn-oxidizing bacteria (MOB) in these zones. No previous studies have also evaluated the use of pumice for Mn removal in biofilters. Pumice has great potential for Mn-biofiltration because it is a low-cost, porous and low-density medium. In this context, this thesis aimed to obtain new insight into the efficacy of the start-up of non-bioaugmented pumice biofilters for Mn removal using tropical groundwater. For this purpose, an exploratory study was conducted to investigate the presence of MOB in groundwater wells with elevated concentrations of Mn (> 0.3 mg/L). A comparative study using virgin pumice, silica sand, and anthracite filter media was performed at the bench scale to evaluate the use of virgin pumice as an alternative filter medium for Mn removal. In addition, pilot-scale experiments were performed to assess the effect of the regimen flow (flow-through and recirculating) on the start-up of pumice filter columns. It was found that culturable MOB isolated from raw water samples belong to several bacterial phyla, but a clear domain of Proteobacteria phylum (Alpha- and Gammaproteobacteria) was detected in the biofilter media. At the genus level, the bacterial community was not significantly influenced by the filter material; however, different closest related species colonized selectively the filter media. Pseudoxanthomonas sp., not reported in Mn biofiltration before, showed high Mn oxidation activities and was abundant in all the filter media evaluated, being good candidates for inoculums. The Mn oxides (MnOx(s)) coated in the ripened media exhibited characteristics typical for birnessite of biological origin, confirming that MOB played an important role in the start-up of nonbioaugmented biofilters. The start-up in bench-scale columns was completed in approximately 80 days. Pumice stone exhibited a similar performance compared to sand and anthracite. Afterward, the start-up in non-bioaugmented pilot-scale pumice biofilters was reduced to only 8 and 23 days in the flow-through and recirculating regime,respectively. These exceptional rapid start-up were reached due to favorable feed water characteristics (temperatures 22-24 °C, pH > 7.5, dissolved oxygen (DO) > 6 mg/L and redox potential (Eh) 300- 400 mV). Moreover, the following appropriate operational strategies were applied: initial filtration velocity of 2 m/h and an empty bed contact time (EBCT) of 21 min; once the Mn removal reached 90% the velocity was increased in steps of about 1 m/h until reaching a final filtration velocity of 5 m/h ( EBCT of 8.4 min). Feloading was prevented using a prefilter (Fe concentrations in the influent <0.10 mg/L). Recirculating regime consumed less feed water during the start-up (50%) than using a flow-through regime, making it a suitable strategy. Besides, both the flow-through and the recirculating flow regime, required a similar total Mn-loading of 0.11 kgꞏMnꞏm-2 which was considered a limiting factor. It seems that the intermittent Mn-loading in the recirculation regime influenced the MOB population established at the top of biofilters during the startup (106 CFUg-1 vs 103 CFUg-1 in the flow-through and recirculating regime, respectively). In addition, the long-term performance of full-scale biofilters for Mn removal was investigated in a converted physicochemical plant located in Argentina. The system effectively removed up to 88% of Mn; besides, 95% of Mn concentrations in treated water reached compliance with the local drinking water criterion (Mn<0.10 mg/L) during 10 years of operation without the use of chemical reagents. Hence, conversion to biofiltration is a suitable strategy, and was proven that it can result in a stable and efficient treatment through the years. The results presented in this thesis show that non-bioaugmented pumice biofilters are a suitable and effective treatment solution for Mn removal from groundwater under tropical conditions. Groundwater temperature, a speed-up stage, Fe-pretreatment, and a recirculating flow regime, seem to be appropriate to shorten the ripening time of virgin pumice with less consumption of feed water. This conclusion underlines the potential contribution of Mn-biofiltration to the sustainable development goals (SDG) for the adoption of sustainable water management. Furthermore, this research can help to develop the interest of water supply companies in tropical and developing countries that mainly work with chemical treatments for Mn removal.