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Jul 01, 2023

地表水マンガン管理のための原水生物ろ過

Scientific Reports volume 13、記事番号: 9020 (2023) この記事を引用 594 アクセス 1 Altmetric Metrics の詳細 地表水システムにおけるマンガン (Mn) の管理は、飲料水にとっての課題です

Scientific Reports volume 13、記事番号: 9020 (2023) この記事を引用

594 アクセス

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

地表水システムにおけるマンガン (Mn) の管理は、特に持続可能性の枠組みを通じて、飲料水業界にとっての課題です。 地表水からマンガンを除去する現在の方法は、炭素を埋め込む強力な酸化剤を使用するため、費用がかかり、人間の健康や環境に有害となる可能性があります。 この研究では、従来の地表水の前処理を行わずに、単純なバイオフィルター設計を使用して湖水からマンガンを除去しました。 120 μg/L を超える溶解マンガンを含む流入水を受け取った場合、曝気流入水のバイオフィルターはマンガンを 10 μg/L 未満の濃度まで除去しました。 マンガン除去は、高い鉄負荷や不十分なアンモニア除去によっても阻害されず、除去メカニズムが地下水バイオフィルターとは異なる可能性があることを示唆しています。 実験用バイオフィルターでは、より高いマンガン濃度を受け入れながら、本格的な従来の処理プロセスよりも低い流出マンガン濃度も達成しました。 この生物学的アプローチは、持続可能な開発目標の達成に役立つ可能性があります。

飲料水中のマンガン (Mn) は、粒子状のマンガンが水を変色させ、設備や洗濯物を汚す可能性があるため、通常、水の美観を改善するために除去されます1。 しかし、高濃度のマンガンが幼児の健康と発育に影響を与える可能性があるという懸念が高まっています2、3、4、5。 マンガンが流通システムに蓄積すると、美観と健康への懸念がさらに悪化する可能性があります。 蓄積されたマンガンは、配水システムの水力変化や水質変化により急速に移動し、蛇口でのマンガン濃度の予測が困難な大規模なスパイクを引き起こす可能性があります6。 マンガンの蓄積も鉛の放出を増加させる可能性があります7,8。 したがって、飲料水処理施設でのマンガン除去を最大限に高める必要があります。

カナダ保健省は、美的目標として 20 µg Mn/L を推奨していますが、多くの電力会社は、配電システムでの蓄積による影響を防ぐために、より低い濃度を目標としています 6,9。 地表水処理プラントの場合、これらの目的は通常、強力な酸化剤（二酸化塩素や過マンガン酸塩など）を使用した化学酸化とそれに続く粒子の不安定化、または遊離塩素と酸化マンガンでコーティングされた媒体による接触酸化の組み合わせを使用して達成されます6,10。 ただし、これらの化学ベースの技術は有害な副産物を生成し、化学薬品の需要、投与に必要な機器、およびオペレーターのトレーニングにより処理コストが増加する可能性があります11、12。

マンガン処理に対するこれらの従来のアプローチは持続不可能であり、特殊な設備、トレーニング、および水処理化学物質が利用できない地域では実用的ではありません。 これらの使用は、「すべての人にとって水と衛生の利用可能性と持続可能な管理を確保する」ことを目的とした国連の持続可能な開発目標 6 (SDG6) に抵触します13。 これらの目標を達成するには、マンガンの代替処理技術が必要です。 このような技術は、飲料水処理による環境への影響を軽減しながら、マンガンを 20 µg/L 未満の濃度まで除去できなければなりません。

生物ろ過はマンガン処理に代わる持続可能な技術であり、流入水の質に応じて化学物質の添加をほとんどまたはまったく必要としません。 バイオフィルターは、酸化剤残留物 (塩素など) をほとんどまたはまったく含まずに操作される粒状培地フィルターであり、自然に存在する微生物が増殖し、培地を覆うバイオフィルムを発達させることができます 14。 これらのバイオフィルムは、他の方法では保持されない溶解汚染物質を吸着して分解することにより、フィルターの除去能力を高めることができます。 生物ろ過は地下水の処理に広く使用されており、多くの処理システムは曝気と粒状媒体ろ過のみで構成されています15。 このクリーン技術が使用されれば、地表水処理はより持続可能になる可能性がありますが、マンガンの地表水生物ろ過を考慮した研究は、広く適用可能な設計ガイダンスを提供することができませんでした。 地下水の研究結果は有望ですが、ほとんどの地下水には地表水に比べて主に溶解した汚染物質と低濃度の有機炭素が含まれているため、地表水の処理には直接適用できない可能性があります。 したがって、SDG6 の達成を支援するには、地表水バイオフィルターを研究してマンガン除去能力と設計原則を確立する必要があります。

 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>