{"id":4871,"date":"2026-03-03T14:03:29","date_gmt":"2026-03-03T14:03:29","guid":{"rendered":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/portfolio\/ahmad-arslan\/"},"modified":"2026-03-03T14:09:05","modified_gmt":"2026-03-03T14:09:05","slug":"ahmad-arslan","status":"publish","type":"us_portfolio","link":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/portfolio\/ahmad-arslan\/","title":{"rendered":"Ahmad Arslan"},"content":{"rendered":"","protected":false},"excerpt":{"rendered":"","protected":false},"author":8,"featured_media":4873,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","template":"","meta":{"_acf_changed":false,"footnotes":""},"us_portfolio_category":[45],"class_list":["post-4871","us_portfolio","type-us_portfolio","status-publish","has-post-thumbnail","hentry","us_portfolio_category-new-template"],"acf":{"naam_van_het_proefschift":"Arsenic removal by iron based co-precipitation","samenvatting":"Arseen (As) staat bekend als zeer carcinogeen voor mensen, en het wordt dan ook door het International Agency for Research on Cancer (IARC) in Groep 1 geclassificeerd. Verontreiniging van grondwater met As is een probleem dat wereldwijd voorkomt, en de gezondheid van miljoenen mensen over de hele wereld bedreigt. De World Health Organization (WHO) heeft het maximaal toelaatbare gehalte van drinkwater op 10 \u00b5g\/L vastgesteld, maar recente studies suggereren dat As zelfs bij concentraties lager dan deze limiet ernstige schade aan de menselijke gezondheid kan toebrengen. Daarom proberen verschillende drinkwaterbedrijven de As concentraties in drinkwater te verlagen tot heel lage concentraties, lager zelfs dan 1 \u00b5g\/L. Co-precipitatie van As met ijzer(III)(oxyhydr)oxides [Fe(III)(oxyhydr)oxides] wordt op grote schaal toegepast als een verwijderingsmethode voor As in grondwaterzuivering. Fe(III)(oxyhydr)oxides worden gevormd in met As vervuild water, door de oxidatie via beluchting (O2) van van nature voorkomend ferro-ijzer [Fe(II)] in grondwater, en\/of door het doseren van ferri ijzer [Fe(III)] als een vlokmiddel (bijvoorbeeld ferrichloride, FeCl3). Arseen adsorbeert sterk op het oppervlak van vers gevormd Fe(III)-neerslag, en vervolgens kan het met As beladen neerslag worden verwijderd via filtratie, om veilig As-vrij water te produceren. De effectiviteit van de adsorptie van As op Fe(III)-neerslag en de grootte van de met As beladen Fe(III)-deeltjes wordt bepaald door verscheidene onderling afhankelijke factoren, zoals de omstandigheden waaronder Fe(III)(oxyhydr)oxide wordt gevormd in water, de oxidatietoestand van As, de pH van de oplossing en de concentraties van As en andere ionen ten opzichte van ijzer in de oorspronkelijke oplossing. Het doel van deze dissertatie is begrip te krijgen van het mechanisme van As-verwijdering via co-precipitatie met Fe(III)(oxyhydr)oxides onder verschillende redox-omstandigheden, als gevolg van de samenstelling van de aanwezige ionen, en van de filtratie-omstandigheden. Op deze manier zijn verschillende wegen onderzocht om het As-gehalte van drinkwater te kunnen verlagen tot een laag niveau, bij voorkeur lager dan 1 \u00b5g\/L.\n\nWe hebben verschillende monstername-campagnes uitgevoerd bij full-scale drinkwaterprocessen in Nederland, om een gedetailleerd begrip te krijgen van relevante As-verwijderingsmechanismen tijdens de behandeling van grondwater. Het bleek dat snelfiltratie de belangrijkste stap is voor de oxidatie en verwijdering van As hierbij. De verwijdering van As is hierbij sterk gerelateerd aan de verwijdering van ijzer in snelfilters, en wordt vooral toegeschreven aan de co-precipitatie van As met Fe(III)(oxyhydr)oxides, die worden gevormd door de oxidatie en daaropvolgende hydrolyse van Fe(II). De effectiviteit van de As co-precipitatie met deze oxides is veel hoger in snelfilters dan tijdens beluchting en opslag van het supernatant. Dit wordt toegeschreven aan de oxidatie van arseniet [As(III)] naar arsenaat [As(V)] in snelfilterbedden, mogelijk veroorzaakt door mangaanoxides (MnO2) en\/of As(III) oxiderende bacteri\u00ebn, die beiden blijken voor te komen in de coating van de zandkorrels van het filterbed. In het pH-bereik van de meeste grondwateren zal As(V) veel effectiever op Fe(III)(oxyhydr)oxides worden geadsorbeerd dan As(III). Veel voorkomende beluchtingstechnieken bij drinkwaterbedrijven, zoals cascades, zijn niet effectief voor de oxidatie van As(III) naar As(V) v\u00f3\u00f3r snelfilters, wat leidt tot een ineffici\u00ebnte co-precipitatie van As met Fe(III)(oxyhydr)oxides. Door echter een sterke oxidator als kalium permanganaat (KMnO4) toe te voegen, zal de oxidatie van As(III) naar As(V) snel worden voltooid, en verbetert de co-precipitatie met Fe(III)(oxyhydr)oxides significant, waardoor zeer lage concentraties, onder 1 \u00b5g\/L, worden bereikt. Dit gaat niet gepaard met een verlaging van de verwijderingseffici\u00ebntie van de snelfilters voor Fe(II), Mn(II) en ammonium (NH4+), maar de bekende verwijderingsmechanismen voor Fe(II) en Mn(II) worden door de toevoeging van KMnO4 wel veranderd. Hierdoor moet het zand in de snelfilters eerder verwijderd worden. Verder hebben we vastgesteld dat het doseren van een sterke oxidator tijdens grondwaterbehandeling de samenstelling en structuur van de gevormde Fe en Mn bevattende neerslagen verandert. Zo vormt zuurstof bijvoorbeeld in afwezigheid van concurrerende ionen Mn(III)-houdend matig kristallijn lepidocrociet, terwijl natrium hypochloriet (NaOCl) Mn(III)-houdend slecht geordend waterhoudend ijzer(III) oxide vormt, en KMnO4 leidt tot slecht geordende MnO2- en waterhoudende ijzeroxide-fasen. Tijdens de behandeling van grondwater moet met deze verschillen in de gevormde neerslagen als gevolg van andere redoxomstandigheden rekening worden gehouden.\n\nIn deze dissertatie laten we zien dat As-concentraties onder 1 \u00b5g\/L ook kunnen worden bereikt door een kleine hoeveelheid FeCl3 in het effluent van een snelfilters bij grondwaterbehandeling toe te voegen. Het effluent van een snelfilter bevat vooral arsenaat [As(V)], wat veel effectiever op Fe(III)(oxyhydr)oxides geadsorbeerd kan worden dan As(III). Op deze manier kan het gebruik van KMnO4 of andere sterke oxidatoren voorkomen worden bij drinkwaterbedrijven die grondwater gebruiken. Toch bepaalt de samenstelling van de ionen in het water in hoge mate de verwijdering van As(V) via co-precipitatie gebaseerd op ijzer, door de effici\u00ebntie van de adsorptie van As(V) op Fe(III)(oxyhydr)oxides en de grootte van de met As beladen Fe(III) deeltjes te be\u00efnvloeden. We laten zien dat de aanwezigheid van silicaat (SiO4-4) en fosfaat (PO4-3) de As(V)-verwijdering verminderen, vooral door concurrentie met As(V) over adsorptieplekken op Fe(III) neerslag. Hoewel SiO4-4 en PO4-3 oxyanionen erom bekend staan dat ze de groei van Fe(III) neerslag verminderen, laten we zien dat de aanwezigheid van hoge calcium (Ca) concentraties in grondwater (wat in Nederland en veel andere delen van de wereld vaak voorkomt) de negatieve effecten van zowel SiO4-4 en PO4-3 teniet doet, en de coagulatie van Fe(III) neerslag in grote deeltjes, die gemakkelijk uit water verwijderd kunnen worden via bezinking onder invloed van de zwaartekracht en snelfiltratie, bevordert. Ondanks de aanwezigheid van hoge Ca concentraties, vermindert de aanwezigheid van Natuurlijk Organisch Materiaal (NOM) de As(V)-verwijdering significant, wat voornamelijk wordt toegeschreven aan de vorming van oplosbare en collo\u00efdale Fe(III)-NOM complexen, die niet gemakkelijk te verwijderen zijn via conventionele filtratie.\n\nHet in-line doseren van een kleine hoeveelheid FeCl3 in het voedingswater van een ultrafiltratiestap (UF), wat veel wordt toegepast voor een laatste behandelingsstap en desinfectie, blijkt effectief te zijn om de As-concentratie te verlagen tot <1 \u00b5g\/L bij drinkwaterbedrijven die duin-filtraat als bron gebruiken. In dit proces bereikt As(V) co-precipitatie met Fe(III)(oxyhydr)oxides snel een evenwicht, en dus is slechts een korte contacttijd voor de membranen nodig. Bovendien blijkt dat als As-beladen Fe(III) neerslag grotere deeltjes vormt dan de poriegrootte van UF-membranen (zoals verwacht voor het meeste Ca-houdende grondwater), de Fe(III)-deeltjes de membranen vooral vervuilen door een koeklaag op het oppervlak te vormen, die effectief kan worden verwijderd via hydraulisch terugspoelen. Daarom concluderen we dat een duurzame langdurige toepassing van UF-membranen met in-line FeCl3-dosering erg rendabel is voor As-verwijdering.\n\nOp basis van de huidige studie hebben in Nederland drie drinkwaterbedrijven die grondwater gebruiken een upgrade gekregen met een KMnO4-dosering om de As-concentratie tot onder 1 \u00b5g\/L te verlagen. Een ander proces, dat gebruik maakt van bodemfiltraat, zal een upgrade krijgen met FeCl3-dosering voor de laatste UF-stap.","summary":"Arsenic (As) is a well-known human carcinogen, classified in Group 1 by the International Agency for Research on Cancer (IARC). Contamination of groundwater with As is a wide-scale problem affecting health of millions of people around the world. The World Health Organization (WHO) guideline for As in drinking water is currently set at 10 \u00b5g\/L, however recent studies suggest that As can cause a considerable damage to human health even at concentrations lower than the WHO guideline. As a result, several drinking water companies are making efforts to reduce As concentrations in drinking water to very low concentrations, below 1 \u00b5g\/L.\n\nCo-precipitation of As with iron(III)(oxyhydr)oxides [Fe(III)(oxyhydr)oxides] is a widely used As removal method in groundwater treatment. Fe(III)(oxyhydr)oxides are produced in an As contaminated water, typically by oxidation of naturally occurring ferrous iron [Fe(II)] in groundwater using oxygen (O2) and\/or dosing a ferric iron [Fe(III)] coagulant such as Ferric Chloride (FeCl3). Arsenic strongly adsorbs to the surface of freshly formed Fe(III) precipitates and subsequently the As bearing Fe(III) precipitates are removed by filtration to produce As-safe water. The adsorption efficiency of As onto Fe(III) precipitates and the size of As bearing Fe(III) particles is governed by several interdependent factors such as the conditions of Fe(III)(oxyhydr)oxide generation in water, oxidation state of As, solution pH and the concentration of As and co-occurring ions with respect to Fe in the initial solution. The overall objective of this thesis is to discern mechanistic understanding of As removal by co-precipitation with Fe(III)(oxyhydr)oxides under different redox, ion composition and filtration conditions and to investigate routes to reduce As in drinking water to very low levels, below 1 \u00b5g\/L.\n\nWe carried out sampling campaigns at full-scale water treatment plants in the Netherlands to develop detailed understanding of the pertinent As removal mechanisms during groundwater treatment. It was found that rapid sand filtration is the most important treatment step for the oxidation and removal of As during groundwater treatment. The removal of As is tightly coupled to Fe removal in rapid sand filters and mainly attributed to co-precipitation of As with Fe(III)(oxyhydr)oxides, which are generated by oxidation and subsequent hydrolysis of Fe(II). The As co-precipitation efficiency with Fe(III)(oxyhydr)oxides is much higher in rapid sand filter beds compared to aeration and supernatant storage. This is ascribed to oxidation of arsenite [As(III)] to arsenate [As(V)] in the rapid sand filter beds, potentially executed by manganese oxides (MnO2) and\/or As(III) oxidizing bacteria, as both are observed in the coating of rapid sand filter media grains. In the pH range of most groundwaters, As(V) adsorbs to Fe(III)(oxyhydr)oxides much more effectively than As(III).\n\nTypical aeration techniques such as cascades are inefficient in oxidizing As(III) to As(V) before rapid sand filters at water treatment plants, resulting in inefficient As co-precipitation with Fe(III)(oxyhydr)oxides. Nevertheless, dosing a strong oxidant such as potassium permanganate (KMnO4) rapidly accomplishes As(III) oxidation to As(V) and drastically improves As co-precipitation efficiency with Fe(III)(oxyhydr)oxides, resulting in As reduction to very low levels, below 1 \u00b5g\/L. While no negative effect on the removal efficiency of Fe(II), Mn(II) and ammonium (NH4+) in rapid sand filters is observed due to KMnO4 dosing, the pre-established Fe(II) and Mn(II) removal mechanisms in rapid sand filters are altered due to KMnO4 dosing, generating a need for rapid sand filter media replacement.\n\nWe also found that dosing of strong oxidants during groundwater treatment impacts the composition and structure of the formed Fe and Mn bearing precipitates. For example, in the absence of competing ions, O2 produces Mn(III)-incorporated moderately crystalline lepidocrocite, sodium hypochlorite (NaOCl) produces Mn(III)-incorporated poorly-ordered hydrous ferric oxide, and KMnO4 produces poorly-ordered MnO2 and poorly-ordered hydrous ferric oxide phases. This diversity of formed precipitates under different redox conditions should be considered in As removal during groundwater treatment.\n\nIn this thesis we show that As levels below 1 \u00b5g\/L can alternatively be achieved by dosing a small amount of FeCl3 in the effluent of rapid sand filter at groundwater treatment plants. The effluent of rapid sand filter predominantly contains arsenate [As(V)] which is much more effectively adsorbed to Fe(III)(oxyhydr)oxides than As(III). In this way use of KMnO4 or other strong oxidants can be avoided at groundwater treatment plants. Nevertheless, the ionic composition of water strongly controls As(V) removal by iron based co-precipitation, by affecting the adsorption efficiency of As(V) with Fe(III)(oxyhydr)oxides and the size of As bearing Fe(III) particles. We show that silicate (SiO4 4-) and phosphate (PO4 3-) reduce As(V) removal, mainly due to competition with As(V) adsorption to Fe(III) precipitates. Though SiO4 4- and PO4 3- oxyanions are known to strongly reduce Fe(III) precipitate growth, we show that presence of high calcium (Ca) concentrations in groundwater (common in the Netherlands and several other parts of the world) counteracts the negative effects of both SiO4 4- and PO4 3- and promote coagulation of Fe(III) precipitates to form large particles which are easily separated from water by gravitation settling and rapid sand filtration. Despite presence of high Ca concentrations, Natural Organic Matter (NOM) reduces As(V) removal quite drastically, attributed largely to the formation of soluble and colloidal Fe(III)\u2013NOM complexes which are not easily separated by conventional filtration.\n\nIn-line dosing of a small amount of FeCl3 in the feed water of ultrafiltration (UF) step (typically used for final polishing and disinfection) is shown to be effective for As reduction to <1 \u00b5g\/L at water treatment plants which use artificially recharged water as source. In this process, As(V) co-precipitation with Fe(III)(oxyhydr)oxides rapidly reaches equilibrium, thus little contact time before the membranes is required. Moreover, when As bearing Fe(III) precipitates grow to sizes larger than the pore size of UF membranes (expected for most Ca bearing groundwaters) the Fe(III) particles foul the membranes mainly by forming a cake-layer on the surface which is effectively removed with a hydraulic backwash. Thus, we conclude that sustainable long term operation of UF membranes with in-line FeCl3 dosing for As removal is highly viable.\n\nBased on the present work, three groundwater treatment plants in the Netherlands have received an upgrade with KMnO4 dosing for reducing As to below 1 \u00b5g\/L. Another treatment plant, which makes use of artificially recharged groundwater, will receive an upgrade with FeCl3 dosing before the polishing UF step.","auteur":"Ahmad Arslan","auteur_slug":"ahmad-arslan","publicatiedatum":"5 juni 2020","taal":"EN","url_flipbook":"https:\/\/ebook.proefschriftmaken.nl\/ebook\/ahmadarslan?iframe=true","url_download_pdf":"https:\/\/ebook.proefschriftmaken.nl\/download\/7003b53a-2ea0-4a0e-89d3-2fa73316b04d\/optimized","url_epub":"","ordernummer":"FTP-202603021615","isbn":"978-94-6395-374-0","doi_nummer":"","naam_universiteit":"","afbeeldingen":4873,"naam_student:":"","binnenwerk":"","universiteit":"Wageningen University","cover":"","afwerking":"","cover_afwerking":"","design":""},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/4871","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/types\/us_portfolio"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/users\/8"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=4871"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/4871\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":4874,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/4871\/revisions\/4874"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media\/4873"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=4871"}],"wp:term":[{"taxonomy":"us_portfolio_category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio_category?post=4871"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}