Cost analysis of recirculating pre-treated backwash water from sand filters into drinking water treatment : trial results

• Autorzy: Wolska Małgorzata , García Bermejo Juan Tomás , Vigueras Rodriguez Antonio , Pérez De La Cruz Francisco , Kabsch-Korbutowicz Małgorzata , Urbańska-Kozłowska Halina , Rosińska Agata

Identyfikatory

DOI

10.24425/aep.2025.156010

Warianty tytułu

PL

Analiza kosztów wdrożenia recyrkulacji popłuczyn do układu oczyszczania wody do picia

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

: Effective water resource management and reduction of water consumption require water utilities to minimize losses during the treatment process. As a result, backwash water produced during filtration is often the subject of research focused on its reuse within the water treatment system. This study was conducted at two large water treatment facilities, each with a capacity of 100,000 m³ /day. The research focused on backwash water produced during the cleaning of sand filters. Before being reintroduced into the treatment process, the backwash water underwent pre-treatment involving UV disinfection followed by ultrafiltration. The effectiveness of various processes, including coagulation with sedimentation, microfiltration, ultrafiltration, and UV disinfection was assessed under optimal conditions, based on their ability to remove organic matter and microorganisms, which pose health risks when backwash water is recirculated. Additionally, the operational and capital costs of selected pre-treatment approaches were evaluated. The findings revealed that pre-treating backwash water with ultrafiltration membranes (UF), followed by UV disinfection, and reusing it in the treatment systems can reduce environmental impacts.

PL

Głównym celem pracy było określenie możliwości wykorzystania podczyszczonych popłuczyn z zakładów oczyszczania wody powierzchniowej i infiltracyjnej do zwiększenia zasobów wody do picia. Dodatkowymi celami badań były: - określenie skutecznej metody podczyszczania popłuczyn, niezależnie od rodzaju oczyszczanej wody; - oszacowanie kosztów wdrożenia w istniejących układach gospodarki wodno-ściekowej zakładów oczyszczania wody. Badania prowadzono w dwóch zakładach oczyszczania wody, powierzchniowej i infiltracyjnej o wydajności około 100 000 m³/d generujących od 70 do 100 tys. popłuczyn miesięcznie. Badania doboru metody podczyszczania obejmowały procesy koagulacji, dezynfekcji fizycznej, separacji membranowej (MF i UF). Ocena skuteczności została dokonana w zakresie eliminacji substancji zawieszonych, materii organicznej oraz mikroorganizmów. Natomiast ocena kosztów wdrożenia została przeprowadzona na podstawie cen zakupu infrastruktury oraz kosztów eksploatacyjnych. Analiza skuteczności procesów jednostkowych wykazała największą skuteczność procesów MF i UF w eliminacji głównych zanieczyszczeń. Jednak procesy te bez wstępnej sedymentacji oraz drugiego stopnia dezynfekcji (lampa UV) nie mogłyby zostać zawrócone do układu oczyszczania wody. Zaproponowany układ zapewnił wystarczającą skuteczność niezależnie od rodzaju oczyszczanej wody. Analiza kosztów wdrożenia rozwiązania wykazała, że ostateczny koszt oczyszczania wody nie ulegnie znacznemu zwiększeniu, a głównym składnikiem generującym ten wzrost jest zużycie energii. Badania wykazały możliwość wykorzystania podczyszczonych popłuczyn jako dodatkowego źródła wody, jednak po wcześniejszym podczyszczeniu. Zastosowanie wstępnej sedymentacji, procesu UF i dezynfekcji przy użyciu lampy UV zapewnia skuteczne podczyszczenie popłuczyn, niezależnie od poziomu ich zanieczyszczenia oraz niezależnie od rodzaju oczyszczanej wody. Zastosowanie tego rozwiązania zwiększy koszty oczyszczania wody o 1,5 lub 4,0 % odpowiednio dla oczyszczania wody powierzchniowej i infiltracyjnej.

Słowa kluczowe

EN

ultrafiltration; water treatment plant; capital cost; UV disinfection; operation cost

PL

dezynfekcja UV; podczyszczanie; koszt oczyszczania; popłuczyny

• Wydawca: Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Environmental Protection
• Rocznik: 2025
• Tom: Vol. 51, no. 3
• Strony: 74--84
• Opis fizyczny: Bibliogr. 44 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Wolska Małgorzata

• Wrocław University of Technology, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-3627-4778

autor

García Bermejo Juan Tomás

• Politecnic University of Cartagena, Spain

autor

Vigueras Rodriguez Antonio

• Politecnic University of Cartagena, Spain

autor

Pérez De La Cruz Francisco

• Politecnic University of Cartagena, Spain

autor

Kabsch-Korbutowicz Małgorzata

• Wrocław University of Technology, Poland

autor

Urbańska-Kozłowska Halina

• Wrocław University of Technology, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-9137-6510

autor

Rosińska Agata

• Czestochowa Technical University, Poland

Bibliografia

• 1. Achilli, A. (2023). Analysis of backwash settings to maximize net water production in an engineering-scale ultrafiltration system for water reuse, J. Water Process Eng., 53, 103761. DOI:10.1016/j.jwpe.2023.103761
• 2. Alhussaini, M.A., Binger, Z.M., Souza-Chaves, B.M., Amusat, O.O., Park, J., Bartholomew, T.V., Anis, S.F., Hashaikeh, R. & Hilal, N. (2019). Microfiltration membrane processes: A review of research trends over the past decade, J. Water Process Eng., 32, 100941. DOI:10.1016/j.jwpe.2019.100941
• 3. Arendze, S. & Sibiya, M. (2014). Filter backwash water treatment options, Journal of Water Reuse and Desalination, 4, 2, pp. 85-91. DOI: /10.2166/wrd.2013.131
• 4. Arévalo, J., Ruiz, L.M., Parada-Albarracín, J.A., González-Pérez, D.M., Pérez, J., Moreno, B. & Gómez, M.A. (2012). Wastewater reuse after treatment by MBR. Microfiltration or ultrafiltration?, Desalination, 299, 22. DOI:10.1016/j.desal.2012.05.008
• 5. Australian Water Association (2023). Water Reuse in Urban Landscaping. https://www.awa.asn.au/ (22.09.2024).
• 6. Cescon, A. & Jiang, J. Q. (2020). Filtration process and alternative filter media material in water treatment, Water, 12, 12, 3377. DOI:10.3390/w12123377
• 7. Chaudhry, R.M., Nelson, K.L. & Drewes, J.E. (2015). Mechanisms of pathogenic virus removal in a full-scale membrane bioreactor, Environmental science & technology, 49, 5, pp. 2815-2822. DOI: 10.1021/es505332n
• 8. Cheng, L.H., Xiong, Z.Z., Cai, S., Li, D.W. & Xu, X.H. (2020). Aeration-manganese sand filter-ultrafiltration to remove iron and manganese from water: Oxidation effect and fouling behavior of manganese sand coated film, Journal of Water Process Engineering, 38, 101621. DOI:10.1016/j.jwpe.2020.101621
• 9. Cuartucci, M. (2020). Ultrafiltration, a cost-effective solution for treating surface water to potable standard, Water Practice & Technology, 15(2), 426-436. DOI:10.2166/wpt.2020.039
• 10. Diwakar, A., Rituja, A., Shubhangi, G., Suvarna, A. & Ansari, Y. (2020). Treatment of Sand Filter Backwash Water from Water Treatment Plant, International Journal of Advanced Science and Technology, 29, 7, pp. 12130-12137.
• 11. Ebrahimi, A., Amin, M.M., Pourzamani, H., Hajizadeh, Y., Mahvi, A.H., Mahdavi, M. & Rad, M.H.R. (2017). Hybrid coagulation-UF processes for spent filter backwash water treatment: a comparison studies for PAFCl and FeCl 3 as a pre-treatment, Environmental monitoring and assessment, 189, pp. 1-15. DOI:10.1007/s10661-017-6091-3.
• 12. Ebrahimi, A., Mahdavi, M., Pirsaheb, M., Alimohammadi, F. & Mahvi, A.H. (2017). Dataset on the cost estimation for spent filter backwash water (SFBW) treatment, Data in Brief, 15, pp. 1043-1047. DOI:10.1016/j.dib.2017.10.040
• 13. Hofs, B., Ogier, J., Vries, D., Beerendonk, E.F. & Cornelissen, E.R. (2011). Comparison of ceramic and polymeric membrane permeability and fouling using surface water, Sep. Purif. Technol., 79, pp. 365-374. DOI:10.1016/j.seppur.2011.03.025
• 14. Israel Water Authority, https://shituf.water.gov.il/#/ (22.09.2024).
• 15. Jerroumi, S., Amarine, M. & Gourich, B. (2023). Technological trends in manganese removal from groundwater: A review, Journal of Water Process Engineering, 56, 104365. DOI:10.1016/j.jwpe.2023.104365
• 16. Jibhakate, M.L., Bhorkar, M.P., Bhole, A.G. & Baitule, P.K. (2017). Reuse & recirculation of filter backwash water of water treatment water, Int. J. Eng. Res. Appl, 7, 4, pp. 60-63. DOI:10,9790/9622-0704016063
• 17. Kang, J., Hao, X., Zhou, H. & Ding, R. (2021). An integrated strategy for improving water use efficiency by understanding physiological mechanisms of crops responding to water deficit: Present and prospect, Agricultural Water Management, 255, 107008. DOI: 10.1016/j.agwat.2021.107008
• 18. Karimanzira, D., Went, J. & Neumann, F. (2021). Cleaning Strategies and Cost Modelling of Experimental Membrane-based Desalination Plants, International Journal, 9, 1, pp. 6-22. DOI:10.12691/ijefm-9-1-2
• 19. Khilchevskyi, V. & Karamushka, V. (2021). Global water resources: distribution and demand, Clean Water and Sanitation, pp. 1-11. Cham: Springer International Publishing.
• 20. Konieczny, K., Wszelaka-Rylik, M. & Macherzyński, B. (2019) Membrane processes innovation in environmental protection: Review, Arch. Environ. Protect., 45, pp. 20-29. DOI:10.24425/aep.2019.130238
• 21. Liang, W. X., Duan, J., Beecham, S. & Mulcahy, D. (2018). Influence of spent filter backwash water recycling on pesticide removal in a conventional drinking water treatment process, Environ. Sci.: Water Res. Technol., 4, pp. 1057-1067. DOI:10.1039/C7EW00530J
• 22. Luo, X., Zhang, B., Lu, Y., Mei, Y. & Shen, L. (2022). Advances in application of ultraviolet irradiation for biofilm control in water and wastewater infrastructure, Journal of Hazardous Materials, 421, 126682. DOI:10.1016/j.jhazmat.2021.126682
• 23. Mahdavi, M., Ebrahimi, A., Azarpira, H., Tashauoei, H.R. & Mahvi, H.A. (2017). Dataset on the spent filter backwash water treatment by sedimentation, coagulation and ultrafiltration, Data in Brief, 15, pp. 916-921. DOI:10.1016/j.dib.2017.10.062
• 24. Masotti, L. (2011). Depurazione Della Acque—Tecniche ed Impianti per il Trattamento Delle Acque di Rifiuto; Ed. Calderini, Milano, Italy 2011.
• 25. Mazari, L. & Abdessemed, D. (2020). Feasibility of Reuse Filter Backwash Water as Primary/Aid Coagulant in Coagulation-Sedimentation Process for Tertiary Wastewater Treatment, Arabian Journal for Science and Engineering, 45, pp. 7409-7417. DOI:10.1007/s13369-020-04597-1
• 26. Meese, A. F., Kim, D. J., Wu, X., Le, L., Napier, C., Hernandez, M. T. & Kim, J. H. (2021). Opportunities and challenges for industrial water treatment and reuse, ACS ES&T Engineering, 2, 3, pp. 465-488. DOI:10.1021/acsestengg.1c00282
• 27. NEWater: Turning Wastewater into Safe, Clean Water 2023, https://www.pub.gov.sg/watersupply/fournationaltaps/newater (22.09.2024).
• 28. Qian, Y., Shi, Y., Guo, J., Chen, Y., Hanigan, D. & An, D. (2023). Molecular characterization of disinfection byproduct precursors in filter backwash water from 10 drinking water treatment plants, Science of the Total Environment, 856, 159027. DOI:10.1016/j.scitotenv.2022.159027
• 29. Qian, Y., Shi, Y., Guo, J., Chen, Y., Hanigan, D. & An, D. (2023). Molecular characterization of disinfection by product precursors in filter backwash water from 10 drinking water treatment plants, Science of The Total Environment, 856, 159027. DOI:10.1016/j.scitotenv.2022.159027
• 30. Rani, C. N. & Karthikeyan, S. (2021). Synergic effects on degradation of a mixture of polycyclic aromatic hydrocarbons in a UV slurry photocatalytic membrane reactor and its cost estimation, Chemical Engineering and Processing-Process Intensification, 159, 108179. DOI:10.1016/j.cep.2020.108179
• 31. Ruiz-Rosa, I., García-Rodríguez, F.J. & Mendoza-Jiménez, J. (2016). Development and application of a cost management model for wastewater treatment and reuse processes, Journal of cleaner production, 113, pp. 299-310. DOI:10.1016/j.jclepro.2015.12.044
• 32. Silva, F. , Geraldes, A.M. & Albuquerque, A. (2022). Water reuse in a municipal sports center, 1st International FibEnTech Congress 10.18502/kms.v7i1.11624 http://hdl.handle.net/10198/26078
• 33. Studziński, W., Poćwiardowski, W. & Osińska, W. (2021). Application of the swimming pool backwash water recovery system with the use of filter tubes, Molecules, 26, 21, 6620. DOI: 10.3390/molecules26216620
• 34. Sukanya, K., Sivarajasekar, N. & Saranya, K. (2022). Spent filter backwash water treatment by coagulation followed by ultrafiltration, Industrial Wastewater Treatment: Emerg-ing Technologies for Sustainability, pp. 27-40. Cham: Springer International Publish-ing. DOI:10.1007/978-3-030-98202-7_2
• 35. Suman, S., Singh, N.P., Sulekh, Ch. (2012). Effect of Filter Backwash Water when blends with Raw Water on Total Organic Carbon and Dissolve Organic Carbon Removal, Research Journal of Chemical Sciences, 10, 38-42.
• 36. Torabi, M.S., Momeni, M., Robati A. & Yazdanpanah, N. (2024). Water quality in the reservoirs of seasonal river dams, Environment Protection Engineering, 50, 5. DOI:10.37190/epe240201
• 37. Turan, M. (2023). Backwashing of granular media filters and membranes for water treatment: a review, AQUA—Water Infrastructure, Ecosystems and Society, 72, 3, pp. 274-298. DOI: 10.2166/aqua.2023.207
• 38. Wolska, M., Kabsch-Korbutowicz, M., Rosińska, A., Solipiwko-Pieścik, A. & Urbańska-Kozłowska, H. (2024). The Use of Microfiltration for the Pretreatment of Backwash Water from Sand Filters, Materials, 17, 2819. DOI:10.3390/ma17122819
• 39. Wolska, M., Kabsch-Korbutowicz, M., Solipiwko-Pieścik, A., Urbańska-Kozłowska, H. & Ferenc, Z. (2024). Assessing the feasibility of using ultrafiltration to recirculatebackwash water in a surface water treatment plant, Archives of Environmental Protection, 50, pp. 3-13. DOI:10.24425/aep.2024.150547
• 40. Wolska, M., Solipiwko-Pieścik, A. & Urbańska-Kozłowska, H. (2024). Disinfection as a stabilization method for backwash water reuse, Desalination and Water Treatment, 317, 100101. DOI:10.1016/j.dwt.2024.100101
• 41. Wolska, M., Urbańska-Kozłowska, H. & Solipiwko-Pieścik, A. (2025). An assessment of coagulation process efficiency as a pre-treatment for reusing filtration backwash in water treatment plants, Archives of civil engineering,71,1, pp.225-240. DOI:10.24425/ace.2025.153331
• 42. Xie, Y., Zeng, L., Wang, P., Wu, X. & Feng, T. (2022). Water cost for water purification: Renewability assessment of a typical wastewater treatment plant in China, Journal of Cleaner Production, 349, 131474. DOI:10.1016/j.jclepro.2022.131474
• 43. Yang, J., Monnot, M., Eljaddi, T., Ercolei, L., Simonian, L. & Moulin, P. (2022). Ultrafiltration as tertiary treatment for municipal wastewater reuse, Separation and Purification Technology, 272, 118921. DOI:10.1016/j.seppur.2021.118921
• 44. Zhou, Z., Yang, Y., Li, X., Su, Z., Liu, Y., Ren, J. & Zhang, Y. (2015). Effect of recycling filter backwash water on characteristic variability of dissolved organic matter in coagulation sedimentation process, Desalination and Water Treatment, 53, pp. 48-56. DOI:10.1080/19443994.2013.836994

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr POPUL/SP/0154/2024/02 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki II" - moduł: Popularyzacja nauki (2025).