TY - THES A1 - Okofo, Louis Boansi T1 - Hydrogeological assessment for evaluating the feasibility of managed aquifer recharge in Northeastern Ghana T1 - Hydrogeologische Bewertung zur Bewertung der Machbarkeit einer gesteuerten Grundwasserneubildung in Nordost-Ghana N2 - In the Garu-Tempane area and Tamne River basin of north-eastern Ghana, granitic aquifers supply nearly 80% of annually abstracted groundwater. Rapid and diffuse recharge enters the fractured and weathered Tamnean Plutonic Suite aquifers mainly granitoid, which are the dominant rock types in the study area. However, a greater challenge to the water supply in the area is posed by global climatic changes and overexploitation due to population growth. The semi-arid nature of the area together with the factors mentioned earlier has caused water scarcity, particularly in the dry season and these have affected the livelihoods of the farmers who depend mostly on the groundwater for irrigation and domestic purposes. A promising way to balance water resources in the region is using engineering technology such as managed aquifer recharge (MAR). MAR augments water levels in water-scarce areas and represents a key tool in water supply management. For this reason, a comprehensive hydrogeological characterization involving the hydrochemistry of the groundwater, groundwater recharge process and residence time using multi-environmental tracers, and a numerical groundwater flow model was developed. Based on the hydrochemistry results, the water quality index showed that the groundwater is very suitable for drinking. However, about 10.5 % out of the 38 groundwater samples had elevated nitrate concentrations exceeding the permissible WHO drinking water limit. These are mainly agricultural areas, which might have influenced the elevated nitrate concentrations. Groundwater age dating using sulphur hexafluoride (SF6) and chlorofluorocarbons (CFCs) was used to date shallow groundwater in Ghana for the first time. The results proved that the mean residence time of groundwater was around 30 years, an indication of young groundwater and rapid groundwater renewability. The findings also showed different groundwater ages implying diffused flow systems occurring in the fractured granitic aquifer. Investigation of the groundwater recharge using stable isotopes of deuterium and oxygen-18 revealed that the main source of groundwater recharge is of meteoric origin. There were little or no contributions from the stream and ponds as they were subjected to evaporative fractionation during the dry season. The White Volta River samples and samples from two big rivers were depleted in heavy isotopes, which suggested a hydraulic connection between them and the groundwater. The numerical groundwater flow model was used to assess the feasibility of MAR and determine the maximum recharge and abstraction rates. The results showed that the aquifer had enough storage to accommodate enough volumes of floodwater without causing groundwater mounding. This shows that MAR is feasible in augmenting the water levels in the area when irrigation and domestic withdrawals are regulated. N2 - Im Nordosten Ghanas liefern Granitgrundwasserleiter fast 80 % des jährlich aufkommenden Grundwassers. In beiden Gebieten tritt eine schnelle und diffuse Wiederanreicherung des Grundwasserleiters vor allem durch Granitoide als dominierende Gesteinstypen auf. Eine große Herausforderung für die Wasserversorgung in der Region stellen globale klimatische Veränderungen und die Übernutzung des Grundwasserleiters durch das aktuelle Bevölkerungswachstum dar. Hinzu kommt die charakteristische Trockenheit des Gebiets, die die Wasserknappheit insbesondere in der Trockenzeit immens verstärkt. Dies beeinträchtigt wiederum erheblich die Lebensgrundlage der Bauern, die für Bewässerungs- und Haushaltszwecke hauptsächlich vom Grundwasser abhängig sind. Aus diesem Grund wurde für die ausgewählte Region eine umfassende hydrogeologische Charakterisierung unter Einbeziehung der Hydrochemie des Grundwassers, des Grundwasserneubildungsprozesses und der Verweilzeit unter Verwendung von „Multi-Umwelttracern“ sowie ein numerisches Grundwasserströmungsmodell entwickelt. Basierend auf den Daten der Hydrochemie zeigt der sogenannte Wasserqualitätsindex, dass das Grundwasser sehr gut zum Trinken geeignet ist. Allerdings weisen etwa 10,5 % der Grundwassersproben aus insgesamt 38 Messstellen erhöhte Nitratkonzentrationen auf, die den zulässigen WHO-Trinkwassergrenzwert überschreiten. Die erhöhten Nitratwerte werden hauptsächlich durch Landwirtschaft verursacht. Die Datierung des Grundwasseralters mit Multi Umwelt Tracer (SF6, FCKW) wurde erstmals von flachem Grundwasser in Ghana verwendet. Die Ergebnisse belegen, dass die Durchschnittsverweildauer des Grundwassers bei etwa 30 Jahren liegt. Dies ist ein Hinweis auf junges Grundwasser, d.h. der Grundwasserleiter kann „zügig“ mit Grundwasser angereichert werden. Die Ergebnisse zeigen auch unterschiedliche Grundwasseralter, was auf diffuse Strömungssysteme hindeutet, die im zerklüfteten Granitaquifer vorkommen. Die Untersuchung der Grundwasserneubildung mit stabilen Isotopen von Deuterium und Sauerstoff-18 zeigt, dass die Hauptquelle der Grundwasserneubildung meteorischen Ursprungs ist. Es gab nur geringe oder keine Wassereinträge aus den kleineren Oberflächengewässer da keine Isotopen aus diesen Quellen im Grundwasser nachweisbar waren. Aus den größeren Oberflächengewässern wie dem White Volta River konnten hingegen schweren Isotopen im Grundwasser nachgewiesen werden, was wiederum ein Hinweis auf eine hydraulische Verbindung zwischen ihnen ist. Das numerische Grundwasserströmungsmodell wurde verwendet, um die Machbarkeit von MAR zu bewerten und die maximalen Neubildungs- und Entnahmeraten zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Aquifer über genügend Stauraum verfügt, um genügend Hochwassermengen aufzunehmen ohne Grundwasseranhäufungen zu verursachen. MAR ist somit realisierbar, um die Wasserstände in dem Gebiet zu erhöhen, wenn Bewässerung und häusliche Entnahmen reguliert werden. KW - Managed aquifer recharge KW - CFCs KW - SF6 KW - Numerical groundwater flow modelling KW - Northeastern Ghana KW - Schwefelhexafluorid KW - Fluorchlorkohlenwasserstoffe KW - Grundwasserströmungsmodell KW - Nordost-Ghana KW - Ghana (Nordost) KW - Wasserversorgung KW - Grundwasserüberwachung KW - Grundwasserbildung KW - Grundwasseranreicherung KW - Numerische Strömungssimulation Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-62444 ER - TY - THES A1 - Ijioma, Uche T1 - Determination of specific metabolic activities of anammox bacteria and their sensitivity to oxygen T1 - Untersuchungen zu spezifischen metabolischen Aktivitäten und der Sauerstoffempfindlichkeit von Anammoxbakterien N2 - The discovery of Anammox bacteria has bridged our knowledge gap in the nitrogen cycle. This is because it explained the direct conversion of nitrite and ammonium to nitrogen gas in many reducing natural environments. However, it has been found that the presence of oxygen is an important determinat factor for certain biochemical processes and distribution of organisms in the environment. In this work, two methodological approaches were used to investigate the specific metabolic activities of Anammox bacteria and their sensitivity to oxygen using a mixed biomass culture. Two laboratory-scale bioreactors were maintained and the biomass in the reactors served as the inoculum for the investigations. The molecular characterization of the biomass was done using the Fluorescence in situ hybridization (FISH) technique. The specific Anammox activity (SAA) and important inhibition kinetic parameter characterization were estimated while monitoring activities of the biomass using several batch experiments. The results of the biochemical characterization revealed that several microbial activities such as denitrification, nitrification, dissimilatory nitrate reduction to ammonium and Anammox processes were competing in the bioreactors. These were observed in the analysis of effluent recirculation of the feed solutions in the bioreactors, however, the Anammox process was predominant. An optimum sonication time top of eight minutes was established used to determine the average optical density to dry mass (OD: DM) ratio of 0.87 in the biomass. The FISH characterization estimated 60.4 % ± 14.6% (mean ± standard deviation) Anammox bacteria concentration in the biomass of Bioreactor 1. The Anammox bacteria were made up C. Kuenenia Stuttgartiensis (̴ 78%) and the remaining C. Brocadia Fulgida. The maximum SAA of 0.025 mgNH4-N (TSSAnammox-1. d-1) and 5.4 mgNH4–N (1011 CellAnammox-1. d-1) for ammonium, and 0.04 mg N2-N (TSSAnammox-1. d-1) and 9.4 mgN2–N (1011 CellAnammox-1. d-1) for nitrogen gas were found in the biomass. While a binding affinity constant Ki = 0.07 mgO2 /l, maximum half inhibition concentration IC50 ̴ 0.2 mg O2 /l and KM = 50 mg/l were estimated for the inhibition kinetics of oxygen in the biomass. The low Ki value found in this study indicates that oxygen is an efficient inhibitor for Anammox activities and concentrations between 0.4 - 0.64 mg O2 /l can lead to complete inhibition of Anammox activity. However, this process is reversible. Finally, the implication of this inhibition kinetic results might be important in tracing the distribution of Anammox processes in natural environments where fixed nitrogen is present. N2 - Die Entdeckung der Anammox-Bakterien hat unsere Wissenslücke im Stickstoffkreislauf geschlossen. Dies liegt daran, dass es die direkte Umwandlung von Nitrit und Ammonium in Stickstoff in vielen reduzierenden natürlichen Umgebungen erklärt. Es wurde jedoch festgestellt, dass die Anwesenheit von Sauerstoff ein wichtiger bestimmender Faktor für bestimmte biochemische Prozesse und die Verteilung von Organismen in der Umwelt ist. In dieser Arbeit wurden zwei methodische Ansätze verwendet, um die spezifischen metabolischen Aktivitäten von Anammox-Bakterien und ihre Empfindlichkeit gegenüber Sauerstoff mit einer gemischten Biomassenkultur zu untersuchen. Zwei Bioreaktoren im Labormaßstab wurden unterhalten und die Biomasse in den Reaktoren diente als Inokulum für die Untersuchungen. Die molekulare Charakterisierung der Biomasse erfolgte mit der Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierungstechnik (FISH). Die Ergebnisse der biochemischen Charakterisierung zeigten, dass mehrere mikrobielle Aktivitäten wie Denitrifikation, Nitrifikation, dissimilatorische Nitratreduktion zu Ammonium und Anammox-Prozesse in den Bioreaktoren konkurrieren.Diese wurden bei der Analyse der Abwasserrezirkulation der Feedlösungen in den Bioreaktoren beobachtet, jedoch war das Anammox-Verfahren vorherrschend. Eine optimale Beschallungszeit von höchstens acht Minuten wurde festgelegt, um das durchschnittliche Verhältnis von optischer Dichte zu Trockenmasse (OD:DM) von 0,87 in der Biomasse zu bestimmen. Die FISH-Charakterisierung schätzte 60,4 % ± 14,6% (Mittelwert ± Standardabweichung) Anammox-Bakterienkonzentration in der Biomasse von Bioreaktor 1. Die Anammox-Bakterien bestanden aus C. Kuenenia Stuttgartiensis (̴ 78%) und dem restlichen C. Brocadia Fulgida. Die maximale SAA von 0,025 mgNH4-N (TSSAnammox-1.d-1) und 5,4 mg NH4–N (1011 CellAnammox-1. d-1) für Ammonium und 0,04 mg N2-N (TSSAnammox-1. d-1) und 9,4 mgN2-N (1011 CellAnammox-1. d-1) für Stickstoffgas wurden in der Biomasse gefunden. Für die Hemmkinetik von Sauerstoff in der Biomasse wurden eine Bindungsaffinitätskonstante Ki = 0,07 mg O2/l, maximale halbe Hemmkonzentration IC50 ̴ 0,2 mg O2/l und KM = 50 mg/l abgeschätzt. Der in dieser Studie gefundene niedrige Ki-Wert weist darauf hin, dass Sauerstoff ein wirksamer Inhibitor von Anammox-Aktivitäten und Konzentrationen zwischen 0,4 - 0,64 mg O2/l können zu einer vollständigen Hemmung der Anammox-Aktivität führen. Dieser Vorgang ist jedoch reversibel. Schließlich könnte die Implikation dieser kinetischen Ergebnisse der Hemmung wichtig sein, um die Verteilung von Anammox-Prozessen in natürlichen Umgebungen zu verfolgen, in denen fixierter Stickstoff vorhanden ist. KW - Anammox bacteria KW - FISH KW - Specific anammox activities KW - Inhibition kinetics KW - IC50 KW - Anammox-Bakterien KW - FISH KW - Spezifische Anammox-Aktivitäten KW - Hemmungskinetik KW - IC50 KW - Stickstoffkreislauf KW - Anaerobe Bakterien KW - Ammoniumverbindungen KW - Nitrite KW - Oxidation KW - Stickstoff KW - Biomasse Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-55820 ER - TY - THES A1 - Fichtner, Nicole T1 - Untersuchung zur Leistungsfähigkeit von Biofilmverfahren mit frei beweglichen Aufwuchskörpern bei der kommunalen Abwasserbehandlung T1 - Research on productivity of biofilm process with suspended carriers for cleaning process of municipal waste water treatment N2 - In der kommunalen Abwasserreinigung werden unter anderem Biofilmverfahren mit frei beweglichen Aufwuchskörpern mit einer Dichte von ca. 1 kg/m³ (Schwebebett) eingesetzt. Der Betrieb des Biofilmreaktors entspricht einem Mischreaktor. Gegenstand der Arbeit ist, einen Beitrag zur weiteren Aufklärung des komplexen Zusammenhanges von Bemessungsdaten und den Zustandsgrößen des Biofilmverfahrens mit frei beweglichen Aufwuchskörpern zu leisten. Es erfolgen verfahrenstechnische Betrachtungen von Aufwuchskörpern unterschiedlicher Geometrien zur Durchmischung innerhalb kurzer Zeit im Reaktor und des dazu erforderlichen energetischen Aufwandes. Des Weiteren wird der optimale Füllgrad von Aufwuchskörpern in Abhängigkeit von der Reaktorgestaltung bestimmt. Unter definierten Laborbedingungen konnten Erkenntnisse hinsichtlich des Temperatureinflusses sowie der BSB5 - Oberflächenbelastung auf die Abbauleistung gewonnen werden. In halbtechnischen Versuchen auf den Kläranlagen Kaditz und Rochlitz fanden Untersuchungen zum Einfahrverhalten unterschiedlicher Aufwuchskörper zu Biomassebildung und zu Abbauleistung statt. Auf der Kläranlage Lunzenau wurde eine im technischen Maßstab nachempfundene Kleinkläranlage im Hinblick auf den Einfluss der organischen Belastung auf die Biomassebildung und Abbauleistung betrieben. Die Bewertung der beschriebenen Versuchsanlagen sowie im Betrieb befindlicher Kleinkläranlagen erfolgt bezüglich der Abwasserkenngrößen, wie Schlammbelastung, Überschussschlammbildung, Schlammalter und Wachstumsraten. Die Messung von Schichtdicken sowie die Erstellung von Sauerstoffprofilen ermöglicht es, Aussagen zur Effektivität des Stofftransportes im Biofilm zu treffen. Von Interesse sind Aussagen zur Aktivität der Mikroorganismen im Biofilm, welche durch Bestimmung von Enzymaktivitäten (Esteraseaktivität) ermittelt werden konnten. Die simultan ablaufenden Prozesse des Kohlenstoffabbaus, der Nitrifikation und der Denitrifikation durch den Biofilm werden hinsichtlich ihrer Potenziale, Leistungsfähigkeit und Grenzen untersucht, ebenso wie die Elimination von Phosphor. Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse können theoretische Berechnungen zum Sauerstoffbedarf und zur Sauerstoffzufuhr hergeleitet werden. Insbesondere Kleinkläranlagen und kleine Kläranlagen werden durch den Eintrag von Antibiotika und Desinfektionsmitteln aus Haushalten und Kleingewerbe nachhaltig im Betriebsablauf gestört. Dazu konnten in Laborversuchen Aussagen zu Grenzkonzentrationen ermittelt werden. N2 - Biofilm technology with suspended carriers with a density of 1 kg/m³ (moving bed) is one possibility which is used in the municipal waste water treatment. The reactor is a mixed reactor. The aim of this dissertation is to make a contribution to further knowledge about complex connection of determinating basis and state variables of biofilm process with suspended carriers. The dissertation includes process control of carrier of different shapes which are mixed in a reactor within a short time and the necessary energy requirements. Furthermore, the optimal filling degree of carriers is determined depending on the shape of the reactor. Expertises according to influence of temperature as well as BOD – surface loading for treatment efficiency are achieved under define lab-scale circumstances. Investigations into biofilm grow up and its purification rates of different kinds of carriers were made in pilot plant scale tests on municipal waste water treatment plants of Kaditz and Rochlitz. A field-scale test facility in Lunzenau was operated to show the influence of the organically load on the Biofilm grow up and purification rate. The evaluation of the mentioned test plants as well as real existing small sewage treatment plants is made by such characteristics like sludge loading, surplus sludge building, sludge age and rate of increase. The measurement of the biofilm thickness and creation of oxygen profiles make it possible to explain the effectiveness of mass transport in the biofilm. Another important fact is the activity of the microorganism in the biofilm which are determined by measuring the enzyme activity (esterase activity). The simultaneously proceeding processes of elimination rates of carbon, nitrification and denitrification caused by the biofilm are tested according to their potential, capacity and limits just as the elimination of phosphorus. Based on this knowledge it will be possible to make theoretical calculations of oxygen requirement and oxygen transfer. Mainly small sewage treatment plants are disturbed by supply of antibiotics and germicides from household and small companies. The limiting concentration could be ascertained by lab-scale tests. KW - Abwasserreinigung KW - Kommunal KW - Biofilm KW - Nitrifikation KW - WSB KW - Waste water treatment KW - Municipal KW - Biofilm KW - Nitrification KW - WSB KW - Abwasserreinigung KW - Biofilm Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-34765 ER - TY - THES A1 - Mohanty, Ashirbad T1 - Effects of helophyte species and system types in treatment of artificial acid mine drainage under carbon-deficient and sulphate-reducing conditions in laboratory-scale horizontal flow constructed wetlands T1 - Einfluss von Sumpfpflanzenarten und deren Systemtypen bei der Behandlung von künstlichen sauren Grubenwässern unter kohlenstoffarmen und sulfatreduzierenden Bedingungen in einer horizontal durchströmten Pflanzenkläranlage im Labormaßstab N2 - Surface water has been used by mankind as the main source of water for domestic agriculture and industrial use in numerous countries around the world. However, water quality can be affected by mining activities which influences the natural environment, human health and aquatic ecosystem. The major pollutants in acid mine drainage are high amount of dissolved sulphate and heavy/toxic metals. Constructed wetlands are promising in situ water treatment methods which helps in the remediation process by stimulating microbial growth within the rhizospheric zone of the plants. The sulphate in constructed wetlands are removed by dissimilatory sulphate reduction in strict anaerobic conditions which helps in the removal of metals as metal sulphides. The objective of this research is to investigate sulphate and metal removal pathways in constructed wetlands treating acid mine drainage. Therefore, several approaches were applied: (a) various types of model wetlands were used to investigate different removal processes (b) intensification of treatment processes with stimulation of the dissimilatory sulfate reduction in an autotrophic way by the use of hydrogen gas. The application of hydrogen gas (as external electron donor) combined with common physico-chemical and biological parameters helped us to intensify the sulphate reduction process and removal of metals in constructed wetlands. In the model wetland systems, the removal efficiencies varied with the types of constructed wetlands. The removal efficiencies of sulphate and metals were high in planted constructed wetlands as compared to unplanted constructed wetland. The combination of gravel bed and plants (Phragmites australis) resulted in the highest removal rate in horizontal subsurface flow constructed wetland. The metals mostly precipitated to the bottom of the constructed wetland as metal sulphides. Though under carbon limited and anoxic conditions, a high mean removal efficiency of sulphate and heavy metals was observed in the experiments with HSSF CW so it is important to take into consideration the importance of electron donor. With hydrogen gas as electron donor the performance efficiency was increased by almost 12% for sulphate removal and almost 6% increase in aluminium removal efficiency. In conclusion, this research exhibit that the combination of physico-chemical measurements along with hydrogen gas as an electron donor is an efficient tool for investigation of sulphate and metal removal processes in constructed wetlands. Such information is not only beneficial for understanding the processes taking place in these wastewater treatment facilities but also necessary for future technological improvement of constructed wetlands. N2 - In zahlreichen Ländern der Welt wird Oberflächenwasser von der Menschheit als Hauptwasserquelle für die heimische Landwirtschaft und industrielle Nutzung verwendet. Die Wasserqualität kann jedoch durch Bergbauaktivitäten beeinträchtigt werden, die die natürliche Umwelt, die menschliche Gesundheit und das aquatische Ökosystem beeinflussen. Die Hauptschadstoffe in sauren Grubenwässern sind ein hoher Anteil an aufgelöstem Sulfat und Schwermetallen/toxischen Metallen. Pflanzenkläranlagen bieten vielversprechende in situ Wasseraufbereitungsmethoden, die beim Reinigungsprozess helfen, indem sie das mikrobielle Wachstum in der Rizosphäre der Pflanzen stimulieren. Das Sulfat in Pflanzenkläranlagen wird durch dissimilierende Sulfatreduktion unter strengen anaeroben Bedingungen entfernt, was bei der Entfernung von Metallen wie Metallsulfiden hilft. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, Sulfat- und Metallabbauprozesse in Pflanzenkläranlagen zur Aufbereitung der sauren Grubenwässer zu untersuchen. Dazu wurden mehrere Ansätze angewendet: (a) die verschiedenen Arten von Pflanzenkläranlagen wurden verglichen, um unterschiedliche Abbauprozesse zu erforschen (b) die Intensivierung der Aufbereitungsverfahren durch die Stimulation der dissimilatorischen Sulfatreduktion auf autotrophe Weise durch die Verwendung von Wasserstoffgas. Die Anwendung von Wasserstoffgas (als externer Elektronendonator) in Kombination mit gemeinsamen physikalisch-chemischen und biologischen Parametern hat uns geholfen, den Prozess der Sulfatreduktion und der Entfernung von Metallen in Pflanzenkläranlagen zu intensivieren. In den Modell-Pflanzenkläranlagen variierte die Reinigungsleistung je nach Art der Pflanzenkläranlagen. Die Reinigungsleistungen von Sulfat und Metallen waren in bepflanzten Pflanzenkläranlagen im Vergleich zu unbepflanzten Pflanzenkläranlagen hoch. Die Kombination aus Kiesbett und Pflanzen (Phragmites australis) führte zu der höchsten Reinigungsleistung in horizontalen unterirdisch durchströmten Pflanzenkläranlagen. Die Metalle wurden größtenteils als Metallsulfide auf dem Grund der Pflanzenkläranlagen abgelagert. Obwohl unter kohlenstoffbegrenzten und anoxischen Bedingungen eine durchschnittlich hohe Effizienz bei der Entfernung von Sulfat und Schwermetallen in den Experimenten mit HSSF CW beobachtet wurde, ist es wichtig, die Bedeutung des Elektronendonators zu berücksichtigen. Mit Wasserstoffgas als Elektronendonator wurde die Leistungseffizienz bei der Sulfatentfernung um fast 12% und bei der Aluminiumentfernung um fast 6% gesteigert. Abschließend zeigt diese Arbeit, dass die Kombination von physikalisch-chemischen Messungen zusammen mit Wasserstoffgas als Elektronendonator ein effizientes Werkzeug zur Untersuchung von Sulfat- und Metall abtragenden Verfahren in Pflanzenkläranlagen ist. Diese Informationen sind nicht nur für das Verständnis der Prozesse in diesen Kläranlagen von Vorteil, sondern auch für die zukünftige technologische Verbesserung von Pflanzenkläranlagen insgesamt. KW - Acid mine drainage KW - Constructed wetlands KW - Dissimilatory sulphate reduction KW - Metal sulphides KW - Electron donor KW - Saure Grubengewässer KW - Pflanzenkläranlage KW - Dissimilierte Sulfatreduktion KW - Metallsulfide KW - Elektronendonator KW - Grubenwasser KW - Pflanzenkläranlage KW - Sulfate KW - Schwermetall Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-48595 ER - TY - THES A1 - Andolfo, Franco T1 - Energieeffizientes Nährstoffsplitting von flüssigen Wirtschaftsdüngern mittels Membranfiltration T1 - Energy efficient nutrient splitting of liquid farm fertilizers by means of Membrane filtration N2 - Die definierte Selektivität der Membranfiltration kann dazu genutzt werden, einzelne spezifische Gülle-Separationsprobleme in übergeordneten Aufbereitungsklassen zusammenzufassen. Mit dem Ansatz einer gesteuerten Nährstofftrennung bzw. Teilzusammenführung von modifizierten Strömen, und der Zuordnung von spezifischen Aufgaben an die Mischprodukte, werden die Nachteile des Ausgangsrohstoffs reduziert und der Wertstoff Gülle rückstandsfrei nutzbar gemacht. Mit einem Anlagenmodell, bestehend aus einer Hydrotankpresse als Vorfiltration und einer Ultrafiltration als Kernkomponenten, ist es über empirisch ermittelte Betriebsparameter möglich, einen energetisch optimierten und kontinuierlichen Produktionsbetrieb durchzuführen. Als Produkte der dezentralen Aufbereitungsanlage werden ein emissionsreduzierender Flüssigdünger, eine als Brennstoff und als Gärsubstrat geeignete Feststoffphase, sowie das Retentat als aktivierendes Material zur Biogasertragssteigerung gewonnen. Das untersuchte Anlagenmodell ist auf den innerbetrieblichen Einsatz in Milchviehhaltungsbetrieben abgestimmt. Mit der Erarbeitung von stabilen und energetisch günstigen Anlagenbetriebspunkten wird das Anlagenverhalten hydraulisch steuerbar. Durch die Zuordnung von Anlagenzuständen zu differenziertem Spülverhalten, wird die direkte Einflussnahme der Temperatur auf den Permeat-Flux erkennbar. Der Einsatz eines Tauchkühlers, mit voreingestellten Grenztemperaturen, stabilisiert signifikant das Anlagenverhalten im Vergleich zu konventionellen Anlagenkonfigurationen. Die Anwendung einer Hydropresse gestattet höhere TDS-Belastungen im UF-Kreislauf, bietet aber kein Potenzial zur Steigerung der Nährstoffdurchsätze. Dies gilt auch für den Einsatz einer 300 kDa-Variante, im Vergleich zur priorisierten 150 kDa-UF-Membran. Mit der Hydropresse kann eine höhere Feststoffabscheidung wie mit Verstopfungs- bzw. Siebfiltrationen erreicht werden, die TDS-Belastungen sind im Retentat auf 5.000 - 7.000 ppm limitiert, oder müssen durch Verdünnung auf diese Werte eingegrenzt werden. Mit der zusätzlichen Anwendung einer Gasspülung in der Anströmung der UF-Module, können TDS-Belastungen über 10.000 ppm erstmals dauerhaft bewältigt werden. Über die so erweiterte Verfahrenstechnik sind Standzeiten von mehreren Wochen, ohne betrieblich bedingte Unterbrechungen, möglich. Die durch Fluoreszenzmikroskopie nachweisbare Anreicherung von Methanbildnern im Retentat, bestätigt eine mögliche Anwendung des Retentats als Biogassubstratergänzung. Der Biogasertrag wird durch Zusatz von Retentat zu den bisher verfügbaren Substraten generell erhöht. Eine Mischung aus Retentat und dem Feststoff aus der Hydropresse unterstützen die biochemische Stabilisierung in Fermentern. In Kombination mit Anteilen an Feststoff ist das Permeat bei der Bewertung von pflanzenbaulichen Erträgen, als konkurrenzfähig zu Rohgülle und Mineralstoffdünger einzustufen. Das auf landwirtschaftliche Flächen ausgebrachte Permeat ist geruchslos. N2 - The predefined selectivity of Membrane filtration can be used for the junction of manure separating problems in higher-ranking conditioning categories. In particular ambition of controlled Nutrient separation and part-junction of modified flows it is possible to assign specific tasks to conversion products. The disadvantages of the raw material will be reduced and the resource manure can be used residue-free. By means of a plant model, consisting of the core components, a Hydraulic tank press and a multichannel Ultrafiltration, it is possible to perform an energy efficient and uninterrupted line operation with empirical determined operating parameters. The products of the peripheral process plant are an emission reducing Liquid fertilizer, a Solid matter phase which is suitable as fossil burning fuel as well as Fermentation substrate and a Retentate, as activating material to increase the biogas yield. The tested plant model matches an intra-farm use in dairy farming corporations. With the development of stable and energy efficient operating parameters the bearing of the plant becomes hydraulic controllable. Due to the assignment of plant states to distinguished flushing cycles, the direct interference of the temperature on the Permeate-Flux becomes visible for the first time. An installed immersion chiller with predefined boundary temperatures stabilises significantly the bearing of the plant in comparison to conventional plant configurations. With application of a Hydraulic tank press higher TDS-loads in the Ultrafiltration cycle will be granted, but the Nutrient flow ratings cannot be increased. This applies also to the use of a 300 kDa model instead of the 150 kDa Ultrafiltration membrane. With the help of the Hydraulic tank press a higher rate of solid matter deposition will be achieved in comparison to bridging and sieve filtration systems. But the TDS-loads are still limited to values of 5.000 - 7.000 ppm, otherwise a dilution of the Retentate has to be executed to fullfill these values. With an additional use of a Gas flushing system in the upstream flow of the Ultrafiltration module, with an direct impact on the membrane surface layer, TDS-loads higher 10.000 ppm can be handled. Operating life cycles of several weeks without any break are now possible with the so extended Process technology. A concentration of Methane forming bacterias in the Retentate can be detected with the help of Fluorescence microscopy and confirmes the positive effect of the Retentate as additive of substrates. The yield of biogas increases in general with the addition of Retentate to any conventional used substrate. The mixing of Retentate and solid matter out of the Hydraulic tank press supports the biochemical stabilisation in Biogas fermenters. The Permeate in combination with portions of solid matter is competitive to raw manure and mineral nutrient fertilizers, in the evaluation of crop farming yields. The manuring with Permeate is inodorous. KW - Nährstoffsplitting KW - Nutrient splitting KW - Membranfiltration KW - Membrane filtration KW - Wirtschaftsdünger KW - Farm fertilizer KW - Klimaschutz KW - Climate protection KW - Umweltschutz KW - Environment protection KW - Membranfilter KW - Wirtschaftsdünger KW - Technikumsanlage KW - Klimaschutz Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-42805 ER - TY - THES A1 - Abdallat, Ghaida T1 - Optimization of nitrogen removal in various vertical flow constructed wetland designs and application of treated wastewater for reuse in irrigation in Jordan T1 - Optimierung der Stickstoffentfernung in verschiedenen vertikalen Strömungspflanzenkläranlage-Designs und Anwendung von gereinigtem Abwasser zur Wiederverwendung in Bewässerung in Jordanien N2 - In arid countries, reclaimed water in irrigation is a widespread practice. Therefore, robust treatment designs are prerequisite to obtain effluent quality that conforms to the legal requirements for reuse and health standards. Vertical flow constructed wetlands (VFCWs) are attractive decentralized treatment plants in many countries and communities. VFCWs are capable of providing adequate treatment for organic and solids removal, even though there are limitations on nutrient and pathogen removal. Within this study, various VFCW systems were investigated, in Germany and Jordan, to optimize nitrogen removal using sustainable and low cost options to guarantee the safe reuse in Jordan. In Germany at Langenreichenbach research facility, two-stage VFCWs planted (Phragmites australis) and unplanted were evaluated and modified to compare the role of plants over two years. Generally, there was no significant role of plants on the treatment performance. Both systems showed high removal efficiency for TOC, BOD5, and TSS over the study period. During the first year of the study, effluent TN concentrations ranged from 60 - 61 mg/L in both systems as a result of high effluent NO3--N concentrations (50 - 52 mg/L). In the second year, the systems were modified, adopting a saturated layer in the 1st stage to enhance denitrification. Average effluent TN concentrations were reduced to 45 mg/L in both systems. In addition, during modifications, the E.coli removal was enhanced in both systems achieving 4 log reduction instead of 2 log reduction during the first year of the study. In Jordan at the Fuhais research facility, two VFCW systems were studied considering category-A (TN: 45 mg/L and NO3-N: 30 mg/L) in the Jordanian Standards for reuse in irrigation (JS 893/2006). Recirculating (ECO-1) and Multi-stage (ECO-2) VFCW designs have shown high removal efficiency of COD, TSS, and BOD5 over three years of monitoring. ECO-1 system combines simultaneous nitrification and denitrification by recycling portion of nitrified effluent into the recirculation tank. However, effluent TN and NO3--N concentrations were 55 and 44 mg/L, respectively, that the system conformed to the JS category-B (TN: 70 mg/L and NO3-N: 45 mg/L) during monitoring phase. Therefore, ECO-1 was modified by installing plastic media in the recirculation tank that attached growth increases the abundance and activity of microorganisms. TN concentration was reduced effectively of 40 mg/L, conforming to the JS category-A, whereas, NO3--N concentration was reduced to 37 mg/L, conforming to the JS category-B. However, over the study period, E.coli concentrations were conformed to the JS category-C (more than 1000 MPN/100 mL). ECO-2 consists of two unsaturated VFCWs in series; single-pass unplanted filter followed by planted filter (Phragmites australis). E.coli removal was relatively high before modification that the effluent conformed to the JS (category-B: 1000 MPN/100 mL), achieving 4.4 log reduction. The effluent TN and NO3--N concentrations did not conform to the JS of 77 and 76 mg/L, respectively, due to insufficiency of carbon source to promote denitrification (high BOD5 removal) during monitoring phase of the study. Thus, ECO-2 was modified adopting raw wastewater step-feeding strategy that a specific volume of raw wastewater was mixed with 1st stage effluent in the mixing tank. TN and NO3--N concentrations were reduced to 52 and 50 mg/L, respectively; conforming to the JS category-B. Whereas, E.coli removal was influenced by E.coli ingress from raw step-feeding, achieving 3.5 log reduction, conforming to the JS category-C. The short-term impact of irrigation with different water quality and quantity was investigated at the Fuhais site. Soil physicochemical and biological properties in three parallel experimental reuse plots were investigated. The plots were cultivated with lemon trees and were irrigated via a subsurface irrigation system. Moreover, each plot was divided into two subparts (A and B) whereby one part received 11 mm/day of irrigation water and the other received 6 mm/day. Using treated effluent and tap water showed the same trend of increased soli salinity (ECs). Significant difference in ECs, SAR, Mg+2, Ca+2, and Na+ were observed at 0-20 cm as a result of high evaporation and capillary rise that increased salts accumulation in the topsoil. However, using more water reduced the salts accumulation in sub soil layers due to continuous leaching. Whereas, results showed no significant variation in soil texture, structure, moisture, and infiltration rate among reuse plots and subparts. Additionally, results revealed an absence of total coliform, fecal coliform, and E.coli in the irrigated soils, indicating the effectiveness of using subsurface irrigation as a disinfection step for reuse. N2 - In ariden Ländern ist die Verwendung von wiederaufbereitetem Wasser zur Bewässerung eine weit verbreitete Praxis. Daher sind widerstandsfähige Wasseraufbereitungsanlagen Voraussetzung für das Erreichen einer Wasserqualität, die den gesetzlichen Anforderungen für die Wiederverwendung und Gesundheitsnormen entspricht. Vertikal durchströmte Pflanzenkläranlagen (VFCW) stellen für viele Länder und Gemeinden attraktive dezentrale Abwasserreinigungstechnologien dar. VFCWs sind in der Lage, eine ausreichende Entfernung organischer Stoffe und Feststoffe zu gewährleisten, obgleich Einschränkungen bei der Entfernung von Nährstoffen und Krankheitserregern bestehen. Verschiedene VFCW-Systeme in Deutschland und Jordanien wurden hinsichtlich ihres Leistungsvermögens zur Stickstoffentfernung untersucht und optimiert, um nachhaltige und kostengünstige Lösungen für die sichere Wiederverwendung gereinigten Abwassers in Jordanien zu entwickeln. In der Forschungseinrichtung Langenreichenbach (Deutschland) wurden zwei zweistufige VFCWs (einmal mit Phragmites australis bepflanzt und einmal unbepflanzt) beprobt und modifiziert, um die Rolle der Pflanzen in einem Zeitraum von zwei Jahren zu vergleichen. Dabei wurde festgestellt, dass in den untersuchten Systemen die Bepflanzung keine signifikante Rolle bei der Reinigungsleistung spielt. Beide Systeme zeigten im Verlauf der Studie eine hohe Reinigungsleistung für TOC, BSB5 und TSS. Während des ersten Untersuchungsjahres lag die Konzentration an Gesamtstickstoff (TN) im Ablauf der VFCW´s im Bereich von 60 und 61 mg/L, da die NO3--N-Konzentrationen (50 und 52 mg/L) relativ hoch waren. Durch den Einbau einer Staustufe in der ersten Stufe zur Verbesserung der Nitrifikation konnte die Stickstoffkonzentration auf 45 mg/L reduziert werden. Darüber hinaus wurde durch diese Modifikation eine Reduzierung von E.coli von 4 log Stufen erreicht, im Vergleich zu 2 log Stufen im ersten Jahr. In der Forschungseinrichtung Fuhais (Jordanien) wurden zwei VFCW-Systeme untersucht und mit dem Ziel modifiziert Kategorie A (TN: 45 mg/L und NO3-N: 30 mg/L) des jordanischen Standards zur Wiederverwendung von gereinigtem Abwasser zur Bewässerung (JS 893/2006) zu erreichen. Das einstufige VFCW mit Rezirkulation (ECO-1) und das mehrstufige VFCW (ECO-2) zeigten in einem Untersuchungszeitraum von drei Jahren hohe Reinigungsleistungen in Bezug auf COD, TSS und BSB5. Das ECO-1-System kombiniert gleichzeitige Nitrifikation und Denitrifikation durch ein anteiliges Rückführen des nitrifizierten Ablaufs in den Rezirkulationstank. Während der Beobachtungsphase betrugen die TN und NO3--N-Konzentrationen im Ablauf des Systems 55 und 44 mg/L, dh. diese entsprachen der Kategorie-B (TN: 70 mg/L und NO3-N: 45 mg/L) des JS. Um die Menge und Aktivität der Mikroorganismen zu erhöhen, wurden Plastikteile in den Rezirkulationstank von ECO-1 eingebaut. Auf diese Weise wurde die TN-Konzentration effektiv auf 40 mg/L reduziert (entspricht Kategorie-A des JS), während die NO3--N-Konzentration nur auf 37 mg/L (entspricht Kategorie-B der JS) reduziert werden konnte. Im Verlauf der Studie entsprachen die E.coli-Konzentrationen der JS Kategorie-C (mehr als 1000 MPN/100 mL). ECO-2 besteht aus zwei geschalteten ungesättigten VFCWs. Die erste Stufe des Systems besteht aus einem unbepflanzten Filter, die zweite Stufe aus einem mit Phragmites bepflanzten. Im Ablauf der Anlage wurde eine Reduktion der E.coli um 4,4 log Stufen erreicht, was der JS Kategorie-B (1000 MPN/100 mL) entsprach. Die TN und NO3--N-Konzentrationen im Ablauf der Anlage genügten nicht dem JS von 77 und 76 mg/L, da nur unzureichend Kohlenstoffquellen zur Förderung der Denitrifikation in der zweiten Stufe zur Verfügung standen. Durch die Installation eines Mischbehälters im Ablauf der 1. Stufe, dem eine bestimmte Menge an Rohabwasser zugemischt wurde, konnten die Konzentrationen von TN und NO3--N auf 52 mg/L beziehungsweise 50 mg/L reduziert werden (JS-Kategorie B). Wurde durch die Mischung mit Rohwasser die Entfernung von E.coli auf 3,5 log Stufen verschlechtert (JS Kategorie-C). Die kurzfristigen Auswirkungen der Bewässerung mit gereinigtem Abwasser wurden auf dem Forschungsgelände in Fuhais untersucht. Physikalische, chemische und biologische Bodeneigenschaften wurden in drei parallelen Versuchsparzellen untersucht. Die Parzellen wurden mit Zitronenbäumen bepflanzt. Das Bewässerungswasser wurde über ein unterirdisches Bewässerungssystem verteilt. Behandeltem Abwasser und Leitungswasser zeigte sich die gleiche Tendenz einer erhöhten Bodenversalzung (ECs, SAR). Ein signifikanter Unterschied von ECs, SAR, Mg+2, Ca+2, und Na+ wurde bei 0-20 cm auf Grund hoher Verdunstung beobachtet, welche die Salzanreicherung im Oberboden erhöhten. Mehr Wasser bei der Bewässerung die Salzanreicherung durch kontinuierliche Auslaugung reduzieren. Keine E.coli in den bewässerten Böden vorhanden waren. KW - Constructed wetland KW - Nitrogen KW - Nitrification KW - Denitrification KW - Pflanzenkläranlage KW - Stickstoff KW - Nitrifikation KW - Denitrifikation KW - Jordanien KW - Pflanzenkläranlage KW - Abwasserreinigung KW - Denitrifikation KW - Wiederverwendung KW - Bewässerung Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-37987 ER - TY - THES A1 - Bryant, Isaac Mbir T1 - Development of single-stage solar-supported hyper-thermophilic anaerobic reactor for biogas production and disinfection of black water : a pilot case study of Terterkessim slum, Elmina – Ghana T1 - Entwicklung eines einstufigen solar-gestützten hyperthermophilen Anaerobreaktors für die Biogasproduktion und Desinfektion von Schwarzwasser : Pilotstudie im Terterkessim Slum, Elmina – Ghana N2 - Rapid urbanisation in Ghana has resulted in individuals expanding the cities for abodes without considerations of the negative externalities these may have on the environment. One of the major challenges with rapid urbanisation is the formation of urban slums associated with lack of basic sanitation facilities. This has led to recurrent outbreak of cholera and typhoid fever. The use of a single-stage solar-supported hyper-thermophilic anaerobic biogas digester for the treatment of black water has not been investigated, hence this study. The performance of three seeding sludge under three different hyper-thermophilic temperatures (60°C, 65°C and 70°C) were tested in batch tests. The three seeding sludge were sewage sludge, sludge from maize silage and cow manure. The results from the batch tests showed cow manure at 65°C as the preferred seeding sludge and optimal hyper-thermophilic temperature. A 50 L single-stage laboratory-scale hyper-thermophilic continuous stirred tank reactor (HT-CSTR) was operated to treat only black water for 10 weeks using cow manure at 65°C as the seeding sludge and optimal hyper-thermophilic temperature. Afterwards, co-digestion of blended kitchen food waste and black water was also practised for 12 weeks. With a mean hydraulic retention time (HRT) of 23.3 days, a mean total COD removal of 86.3 % was achieved. The reactor had an average COD volumetric loading rate of 6.22 kgCOD/(m3.d) and remained uninhibited. It also had organic loading rate of 0.3 kgVS/(m3.d) and a degradation performance (R) of 5.43 kgCOD/(m3.d). Treatment of only black water produced biogas with less methane content of 34.9 % even though a stable pH of 6.9 was recorded both in the reactor and in the effluent. Co-digestion with kitchen food waste increased the percentage content of methane in the biogas by 77 % from 34.9 % to 61.8 %. The effectiveness of the HT-CSTR to hygienise the effluent for agricultural purpose was assessed by spiking the reactor with 200 ml each of 2 x 109 CFU/ml Salmonella senftenbergensis and 8 x 108 CFU/ml Escherichia coli. The HT-CSTR was able to hygienise all bacteria of Salmonella senftenbergensis and E. coli. A simulation test confirmed that between 30 minutes and 1 hour, all the cells of Salmonella senftenbergensis and E. coli in the treatment system were killed at 65 °C. Eubacteria, Methanosarcina spp., Methanomicrobium spp. and Methanococcus spp. were identified in the seeding sludge at the hyper-thermophilic temperature of 65°C. The design, construction and performance of a pilot-scale reactor in Terterkessim slum in Elmina, Ghana was based on results from the laboratory-scale HT-CSTR. It achieved 97 % removal of influent total COD and could produce about 2.52 Nm³CH₄/(kgCOD.d) which could be burned for at least 8 hours. The effluent cannot be used for cultivation of leafy vegetables such as cabbage since it had some concentrations of pathogens like Salmonella spp. and E. coli but can be used for cotton crop. N2 - Die schnelle und unkontrollierte Urbanisierung führt in vielen Städten Ghanas zur Vergrößerung der Bebauungsfläche für individuelle Unterkünfte ohne Berücksichtigung der negativen Effekte für die Umwelt. Eine der größten Herausforderungen der schnellen Verstädterung ist die Ausbildung von Slums, die nicht über eine grundlegende sanitäre Infrastruktur verfügen. Dies führt zu wiederkehrenden Ausbrüchen von Abwasser- und Fäkalienassoziierten Krankheiten wie Cholera und Typhus Fieber. Eine Möglichkeit der Abwasserbehandlung liegt in der Anwendung von einstufigen solar-geheizten hyperthermophilen anaeroben Bioreaktoren, die bisher jedoch nicht untersucht wurde. Daher liegt der Fokus dieser Arbeit in der Entwicklung eines solchen Reaktors in einem Modellstandort in Ghana, dem Terterkessim Slum, um Schwarzwasser und Gärreste zu desinfizieren und für die Landwirtschaft nutzbar zu machen und gleichzeitig Biogas herzustellen. Die Betriebseigenschaften von drei Inokulationsschlämmen wurden unter drei verschiedenen hyperthermophilen Temperaturen (60°C, 65°C und 70°C) nach der Richtline Verein Deutscher Ingenieure (VDI) 4630 (2006) in Batch-Ansätzen untersucht. Dabei handelt es sich um Belebtschlamm einer Kläranlage, Mais-Silage sowie Kuhdung. In den Batch-Ansätzen erwies sich Kuhdung bei 65°C am besten als Inokulationsschlamm geeignet, wenn optimale hyperthermophile Temperaturen und ein größerer Reaktor in Betracht kommen. In Gegenden ohne verfügbaren Kuhdung kann Klähranlagenschlamm bei 60°C alternativ als Inokulum verwendet werden. KW - Black water KW - Single-stage KW - Solar-supported KW - Hyper-thermophilic temperature KW - Methane yield KW - Schwarzwasser KW - Einstufig KW - Solar-beheizt KW - Hyperthermophil KW - Methanertrag KW - Abwasser KW - Rührreaktor KW - Fermentation KW - Biogas KW - Methanproduktion Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-47814 ER - TY - THES A1 - Muhondwa, Jacob Paul T1 - Hygienization of enteropathogens contaminated biowaste for safer biological treatments T1 - Hygenisierung von mit enterophatogenen Mikroorganismen kontaminierten organischen Abfällen für ungefährliche biologische Verwertungsstrategien N2 - In this study, the aims were to investigate the die-off levels of pathogens attainable under conventional biotreatments, introduce alternative hygienization options and study their performance at eliminating pathogens from biowaste. In addition, the study investigated feasibility of biotreatment of potato peels waste (PPW) as management option for the peels waste generated in Dar es Salaam city. Pathogens inactivation studies using simulated biowaste (moisture ˃77%w/w) composed of PPW spiked with Escherichia coli and Salmonella senftenbergensis at laboratory-scale resulted into low temperature-time patterns of the aerobic In-vessel composting system and turned the process anaerobic thus demonstrated inefficiency at eliminating the spiked bacteria. Likewise, two-phase anaerobic digestion at continuous stirred tank reactor confirmed incapable at effecting complete inactivation of the bacteria unless substrate residence is prolonged above 72hrs. These distasteful confirmations inevitably advocate the importance of applying either pre- and/or post-biotreatment hygienization processes on biowaste for safer biotreatments. Existing hygienization options including acid/lime conditioning and batch pasteurization were applied, their hygienization efficacy investigated and the latter validated. Acetic acid treatment of biowaste at pH value 4 for 5days or lime treatment at pH value 11-12 for 1day brought complete die-off in E. coli and S. senftenbergensis. Temperature-time combination at 65°C for 30min was sufficient at effecting ˃1log cycle die-off of the spiked enteropathogens with z-Value of 11˚C for S. senftenbergensis hence validates the temperature-time regime of 70˚C for 30min and 70˚C for 60min set by U.S-EPA/625/R-92/013 and Regulations (EC) No. 208/2006 respectively. In addition, alternative hygienization options namely UV radiation and passive solar heating (PSH) were proposed, applied and evaluated. Modes of application and achievable bacteria die-off for all hygienization options are given in Chapter 2 to 6 of this document. Owing to its small investment capital (mostly do yourself construction), independence from fuel supplies and low running costs, the study highly recommend PSH as environmental friendly and economic viable pre- and post- biotreatment hygienization option especially for tropical climates and developing countries with adequate sunshine. In vessel co-composting of PPW with yard-waste at 6:1 ratio gave microbiologically safe and good quality compost. Endowed with higher CO2 removal, mesophilic/thermophilic two-phase anaerobic processing of PPW showed comparable results to biogasification from other biowaste. Biogas productivity from PPW was 2.3lNbiogas/l.day with an average CH4 yield of 0.13-0.35m3/kgoTS input having 58% CH4. The digestion resulted into H2S removal from above LoQ to less than 230ppm with 81% VS removal at substrate OLR of 2.4kgoTS/m3.day input without sign of inhibition. It is estimated that 1.0m3biogas with 5hrs burning potential and equivalent to 3.5kg firewood can be produced from 10.2kg of PPW anaerobic digested. The resulting biogas production would complement household energy need thus conserve forest resources which are subjected to high deforestation rate estimated at 4.1kilotons of wood per day as fuelwood. Digestate resulting from the anaerobic reactors would make valuable fertilizer to urban agriculture thus enhance soil fertility and productivity. N2 - Ziel dieser Arbeit war es, die Sterilisationsrate pathogener Mikroorganismen sowohl bei konventioneller Behandlung zu untersuchen als auch alternative Hygienisierungsverfahren zu entwickeln und deren Wirksamkeit hinsichtlich der Eliminierung pathogener Organismen in organischem Abfall zu überprüfen. Darüber hinaus wurde die Tauglichkeit biologischer Verwertungsverfahren am Beispiel von Kartoffelschalen (potato peels waste, PPW), als alternativer Entsorgungsweg für Kartoffelabfälle des Einzugsgebiets der Stadt Dar es Salaam analysiert. Bei Inaktivierungsversuchen mit simuliertem organischem Abfall (PPW angereichert mit enterophatogenen Mikroorganismen: Escherichia coli und Salmonella senftenbergensis, Feuchtigkeit von 77% w/w) in einem aeroben geschlossenem Kompostierungsbehälter wurden Zeiträume mit niedrigen Temperaturen und anaeroben Verhältnissen beobachtet. Folglich ist diese Art der Entsorgung nicht geeignet, die angereicherten pathogenen Bakterien wirkungsvoll zu eliminieren. Ein weiter Versuch mittels Zwei-Phasen-anaerob Faulung in einem kontinuierlich gerührten Tank führte zu gleichen Resultaten. Trotz einer Aufenthaltszeit des Abfalls von über 72 Stunden, konnten auch bei dieser Versuchsanordnung die Konzentration der zugesetzten pathogenen Organismen nicht effektiv gesenkt werden. Diese besorgniserregenden Resultate machen deutlich, dass eine Vor- und/oder Nachbehandlung organischer Abfälle für eine sichere Entsorgung unumgänglich ist. Für die Entwicklung alternativer Hygenisierungsverfahren wurden im Vorfeld herkömmliche Methoden, wie Konditionierung mit Säure bzw. Kalk und Pasteurisierung des Abfalls hinsichtlich ihres Hygenisierungsseffektes analysiert und ausgewertet. Sowohl eine Säurebehandlung (pH 4; 5 Tage) des organischen Abfalls als auch eine Kalkbehandlung (pH 11 – 12; 1 Tag) führte zu einem umfassenden Absterben der zugesetzten pathogenen Keime (E. coli and S. senftenbergensis). Die Hygenisierung bei einer Betriebstemperatur von 65°C für 30 Minuten erbrachten eine effektive Sterilisationsrate von ˃1log Zyklus-Sterberate der zugesetzten Organismen mit einem Z-Wert von 11˚C für S. senftenbergensis. Dieses Ergebnis bestätigt sowohl die Vorgaben der amerikanischen Umweltschutzbehörde (US-EPA/625/R-92/013) als auch der Europäischen Union (Regulations (EC) No. 208/2006), welche ein Temperaturregime von 70°C für 30 Minuten bzw. 70˚C für 60 Minuten vorgeben. Darüber hinaus wurde die Wirksamkeit alternativer Hygenisierungsmethoden, wie UV-Bestrahlung und passiver solarer Erhitzung (PSH) untersucht. Versuchsdurchführung und erhaltene Sterilisationsraten werden in den Kapiteln 2 bis 6 vorgestellt. Hinsichtlich der Gegebenheiten in Entwicklungsländern (kaum vorhandene Sachmittel, geforderten Unabhängigkeit der Energiequelle, niedrige Betriebskosten sowie vorherrschende tropische klimatische Verhältnisse mit hinreichender Sonnenscheindauer) wird PSH als das umweltfreundlichste und nachhaltigste prä-/ und post-Hygenisierungsverfahren empfohlen. Biologische Verwertungsmöglichkeiten von Kartoffelschalen (PPW) wurden mit verschiedenen Kompostierungsverfahren untersucht. Die Kompostierung im geschlossenen Kompostierungsbehälter von PPW mit Gartenabfällen im Verhältnis von 6:1 ergab aus mikrobiologischer Sicht einen sicheren und qualitativ hochwertigen Kompost. Ausgestattet mit erhöhtem CO2-Rücklauf zeigte die mesophile/thermophile Zwei-Phasen Vergärung von PPW vergleichbare Resultate wie eine Faulung mit konventionellen organischem Abfall. Die Biogasproduktion basierend auf PPW betrug 2.3LNbiogas/L*Tag mit einem durchschnittlichen Methanertrag von 58% bei 0,13-0,35m3/kgoTSEingang. Die Faulung hatte zur Folge, dass die H2S Konzentration sank, von jenseits der Bestimmungsgrenze zu weniger als 230ppm mit 81% organischem Feststoffrückhalt bei einer Beschickungsrate von 2,4kg Raumbelastung*m³oTS ohne Anzeichen von Hemmung. 1,0 m³ Biogas entspricht einer potenziellen Brenndauer von 5 Stunden. Dies ist gleichzusetzen mit 3,5 kg Feuerholz und äquivalent zu 10,2 kg PPW aus anaerober Faulung. Das gewonnene Biogas würde zur Deckung des häuslichen Energiebedarfs beitragen und auf diese Weise erheblich die Nutzung der schwindenden Waldreserven eindämmen (4,1kilotonnen Feuerholz/Tag). Zusätzlich stellt der verbleibende Gärrest einen wertvollen Dünger dar und trüge dazu bei, die Landwirtschaft in ländlichen Gebieten entscheidend zu verbessern. KW - Contaminated biowaste KW - Enteropathogens KW - Composting KW - Two-phase biogasification KW - Potato peels waste KW - Kompostierung KW - Hygenisierung KW - Enterophatogene Mikroorganismen KW - Kontaminierter organischer Abfall KW - Zwei-Phasen-Biogasproduktion KW - Organischer Abfall KW - Kontamination KW - Pathogener Mikroorganismus KW - Kompostierung KW - Hygienisierung KW - Biogasgewinnung Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-39529 ER - TY - THES A1 - Engelbrecht, Steffen T1 - Mikrobielle Stickstoffelimination mit kombinierter partieller Nitrifikation/ Anammox (PN/A) in membranbelüfteten hochsalinen und Niedrigtemperatur-Festbettreaktoren T1 - Microbial nitrogen elimination with combined partial nitrification / anammox (PN/A) in membrane aerated highly saline and low temperature fixed bed reactors N2 - Durch anthropogene Aktivität hat sich der Nährstoffeintrag in die Umwelt stark erhöht. Die Hauptquellen sind die Landwirtschaft, kommunales und industrielles Abwasser. Erhöhte Stickstofffrachten haben einen starken Einfluss auf den Stickstoffkreislauf. Das Überangebot an Stickstoff führt zu Eutrophierung in Gewässern und somit zu einem weniger diversen, instabileren Ökosystem. Die Stickstoffeliminierung aus Abwässern ist essentiell für den Schutz der Ökosysteme. Das etablierte System der Nitrifikation/Denitrifikation ist aufgrund des hohen Sauerstoffbedarfs sehr energie- und somit auch kostenintensiv. Der Anammox-Prozess (anaerobe Ammonium Oxidation) ist eine potentielle Alternative zur konventionellen Stickstoffelimination. Anammox-Bakterien nutzen Ammonium und Nitrit als Elektronenakzeptor. Durch Nutzung der partiellen Nitrifikation in Kombination mit Anammox (PN/A) kann bis zu 60 % der Belüftungsenergie eingespart werden. Trotz Erfolgen in der Teilstrombehandlung ist der Prozess noch nicht erfolgreich in der Hauptstrombehandlung eingesetzt worden. Die größten Herausforderungen sind die niedrigen Temperaturen, geringe Zulaufkonzentrationen und hohe Konzentrationen organischen Kohlenstoffs. Die vorliegende Arbeit konnte die Wirksamkeit von membranbelüfteten Biofilm Reaktoren unter Verwendung von synthetischem Abwasser bei niedrigen Temperaturen (18 - 8 °C) belegen. Die Innovation in diesem System ist die räumliche Trennung von nitrifizierenden Bakterien und Anammox Bakterien. Die regelmäßige mechanische Entfernung des Nitrifikanten-Biofilms ermöglichte einen langzeitstabilen Reaktorbetrieb. Diese Reaktorkonfiguration konnte auch erfolgreich für hochsaline Abwässer (5 -30 g NaCl*L-1) bei einer Reaktortemperatur von 30 °C und auch unter Zugabe von TOC (40-100 mg TOC*L-1) genutzt werden. Weiterhin wurden Untersuchungen zur Aktivität von salzadaptierter Anammox-Biomasse und nicht adaptierter Biomasse in einem Bereich von 0 bis 50 g NaCl*L-1 durchgeführt. Bei Konzentrationen unter 30 g NaCl*L-1 konnten keine signifikanten Unterschiede im Abbauverhalten festgestellt werden. Allerdings war adaptierte Biomasse bei höheren Salzkonzentrationen konkurrenzstärker. Außerdem wurden Langzeitlagerungsversuche durchgeführt. Die Lagerungsbedingungen variierten in der Lagerungstemperatur, im Redoxpuffer und der Nährstoffversorgung. Nach 106 Tagen bei 4 °C konnte die Anammox-Biomasse noch 91 % ihrer ursprünglichen Aktivität erhalten. Somit konnte eine einfache und kostengünstige Lagerungsmethode für Anammo-Bakterien entwickelt werden. N2 - Due to anthropogenic activities, the release of nutrients into the environment has dramatically increased. The main sources are agriculture, municipal and industrial waste water. Elevated nutrient loads have strong effects to biochemical cycles. Within limnic ecosystems, an enrichment of nitrogen or phosphorus cause eutrophication, resulting in less diverse and instable ecosystems. An adequate wastewater treatment is one crucial point for relieving the ecosystems and protects them of collapsing. The removal of nitrogen compounds is an essential part in wastewater treatment. Nowadays nitrification/ denitrification is the established treatment process. However, due to high oxygen demand it is a very cost intensive technique. The anammox process (anaerobic ammonium oxidation) is a potential alternative to the conventional nitrogen removal. Anammox bacteria create a short-cut in the nitrogen transformation process. By oxidizing ammonium with nitrite as electron acceptor no further oxygen is needed. The combination of partial nitrification and anammox (PN/A) saves up to 60 % oxygen demand compared to the conventional nitrification/ denitrification process. The PN/A process is often installed as side stream application in wastewater treatment plants. The main stream application was so far mainly hampered by low temperatures, low influent concentrations of nitrogen and high organic carbon concentrations. The current study proofed the suitability of membrane aerated fixed bed biofilm reactors at low temperatures (18 °C - 8 °C) using synthetic wastewater. The distinctive innovation is based on the spatial segregation of the nitrogen metabolizing biofilms of nitrifying bacteria and anammox bacteria. As a result, a stable and reliable degradation rate could be successfully established. Moreover, the developed reactor configuration enabled a facile mechanical removal of nitrifying biofilm for regenerating the reactor capability. In addition, the reactor setup was successfully adapted to high salt concentrations (5 - 20 g NaCl*L-1), using TOC containing synthetic wastewater (40 - 100 mg TOC*L-1), at high temperature (30 °C). Industrial wastewater is often loaded with high salt concentrations. Therefore, the efficiency of salt adapted and non- adapted anammox biomass in presence of different NaCl concentrations (0 - 50 g NaCl*L-1) was also determined. At concentrations below 30 g NaCl*L-1, no significant differences in nitrogen removal rates was measured. However, adapted bacteria were significantly more resistant against higher salt concentrations (>40 g NaCl*L-1). Furthermore, several long-term storage techniques for anammox biomass were examined. Storing conditions differed in terms of temperature, redox buffer and nutrient supplement. As a result, after 106 days at 4 °C the anammox biomass retained 91 % of its specific activity. The established technique provided an economical and simple method suitable for long-term storage of immobilized anammox biomass. KW - PN/A KW - Niedrigtemperatur KW - Anammox KW - Mebranbelüfteter Biofilm-Reaktor KW - Hohe Salinität KW - PN/A KW - Low temperature KW - MABR KW - High salinity KW - Nährstoffeintrag KW - Salzgehalt KW - Abwasser KW - Biofilmreaktor KW - Ammoniumoxidierer Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-48848 ER - TY - THES A1 - Apau, Kwaku Boakye T1 - Developing a conceptual solution for domestic wastewater management in developing countries: Kumasi (Ghana) as a case study T1 - Entwicklung einer konzeptionellen Lösung für das Management von Haushaltsabwässern in Entwicklungsländern: Kumasi (Ghana) als eine Fallstudie N2 - Wastewater treatment systems abound as a result of technological improvements in treatment processes. Therefore in the selection of a wastewater treatment system for a particular wastewater treatment situation there are many alternatives to choose from. Despite this development municipal wastewater treatment in communities in developing countries are not always sustainable due to the application of inappropriate treatment systems. The question is how can an appropriate treatment system be identified for a certain location? The answer to this question is of importance to developing countries where wastewater treatment is usually not sustainable. In this study a framework for assessing wastewater treatment systems was developed. First, a comprehensive set of indicators representing parameters of treatment systems and properties of the study area that impacts on wastewater treatment were identified. Secondly, assessment of these indicators were carried out through expert and community survey to identify a final set of indicators whose composition consist of efficiency, reliability and simplicity of treatment systems and resource constraint, resource recovery and environmental concerns of the study area. Thirdly, four wastewater treatment systems, namely: Waste Stabilization Ponds, Trickling Filter, reed bed and free water surface Constructed Wetlands considered to be feasible for the study area were evaluated by the application of the identified indicators. Finally, a decision matrix produced was processed by multi-attribute decision making methods using two indicator weights to identify the most appropriate treatment system among the four alternatives. Results of the study show that in a scenario where equal indicator weights are assumed, reed bed is identified as the most appropriate with stabilization ponds being ranked as the least appropriate. In a more practical scenario where the weights of the indicators are allocated to reflect conditions of the study area, free water surface is ranked as the most appropriate. This outcome is at variance with stabilization pond technologies currently installed at communities in the study area. The performance of constructed wetlands is at the midpoint as far as most of the high to medium weighted assessment indicators are concern. It therefore represents a compromising solution between waste stabilization pond and trickling filter. The study also shows a change in variants of constructed wetland with a change in indicator weights. An indication that the decision situation determines the appropriateness of a treatment system and not the treatment system itself. The selection framework employed in this study can be said to be reliable and capable of identifying a treatment system that can be appropriate for a particular location. This is because the choice of a constructed wetland for the study area fits the definition of appropriate treatment system defined by the final indicators identified in this study. N2 - Aufgrund der technologischen Entwicklung existiert eine Vielzahl unterschiedlicher Systeme zur Behandlung von Abwasser. Deshalb gibt es bei der Auswahl für ein System zur Behandlung von Abwasser eine große Anzahl von Alternativen. Trotz des vielfältigen Angebotes verschiedener Verfahren zur Behandlung von Abwasser für Kommunen sind wegen der Verwendung ungeeigneter Verfahren nicht alle Verfahren nachhaltig. Deshalb ist es wichtig geeignete Technologien für verschiedene Rahmenbedingungen zu identifizieren und auszuwählen. Dies ist insbesondere für Entwicklungsländer, in denen die Behandlung von Abwasser üblicherweise nicht nachhaltig ist von Bedeutung. Die vorliegende Untersuchung entwickelt Bewertungskriterien für Systeme zur Abwasserbehandlung. Zunächst wird eine umfassende Liste von Indikatoren für die Charakterisierung von Einflußgrößen für Abwassersysteme entwickelt. Danach werden diese Indikatoren und Einflußgrößen durch eine Befragung von Experten und von Kommunen bewertet, um die wichtigsten Einflußgrößen zu ermitteln. Die Bewertung der verschiedenen Abwassersysteme erfolgt unter den Gesichtspunkten der Effizienz, der Zuverlässigkeit und Einfachheit der Anlagen, beschränkter Ressourcen sowie unter dem Gesichtspunkt der Rückgewinnung von Ressourcen. Es werden vier Technologien zur Abwasserreinigung untersucht. Die vier Technologien Abwasserteiche, Sickergruben, Schilfkläranlagen und Pflanzenkläranlagen sind für die untersuchte Region zulässige Technologien und werden mittels der untersuchten Indikatoren bewertet. Schließlich wird eine Entscheidungsmatrix entwickelt und auf der Basis eines multi-attributen Entscheidungsverfahrens mit zwei Gewichtungen von Indikatoren die geeignete Technologie unter vier Möglichkeiten ausgewählt. Die Resultate unserer Untersuchungen zeigen in einem Szenario mit Annahme gleicher Gewichtung der Indikatoren, dass eine Schilfkläranlage die beste Lösung darstellt während sich ein Klärschlammbecken als die schlechteste Lösung erweist. In einem realistischeren Szenario in dem die Wichtung der Indikatoren entsprechend dem Standort gewählt wird stellen sich Pflanzenkläranlagen als beste Lösung heraus. Das Resultat der Untersuchung suggeriert eine Modifikation von Klärschlammbecken wie sie gegenwärtig in den Kommunen der untersuchten Region verwendet wird. Die Leistungsfähigkeit der untersuchten Kläranlagen steht im Mittelpunkt, was die mittlere und hohe Wichtung der wesentlichen Indikatoren angeht. Daher stellt diese Lösung einen Kompromiss zwischen Abwasserbecken und Sickergruben dar. Die Untersuchung zeigt weiterhin eine Veränderung der besten Lösung, wenn die Gewichtung der Indikatoren verändert wird. Dies ist ein Hinweis darauf, dass die Gewichtung dieser bei einer Entscheidung für eine Technologie der Abwasserbehandlung, und nicht nur die Typen verschiedener Anlagen großen Einfluss auf die Entscheidung haben. Die Indikatoren die in der vorliegenden Untersuchung angewandt werden, erweisen sich als zuverlässig für die Auswahl bestimmter Kläranlagen unter gegebenen Standort-faktoren. Der Grund hierfür ist, dass die Wahl des verwendeten Feuchtgebietes für die Untersuchung die Definition geeigneter Abwassersysteme erfüllt, die in der vorliegenden Untersuchung als wichtig identifiziert wurden. KW - Wastewater treatment KW - Treatment efficiency KW - Land requirement KW - Multi-attribute decision making KW - Assessment indicators KW - Behandlungseffizienz KW - Bodenbedarf KW - Abwasserbehandlung KW - Entscheidungsfindung für Mehrfachattribute KW - Bewertungsindikatoren KW - Entwicklungsländer KW - Abwasserreinigung KW - Umweltbewertung Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-41544 ER - TY - THES A1 - Lu, Yanjuan T1 - Optimization of converting food waste to hydrogen and Biogas in double-stage-fermentation T1 - Optimierung der Gewinnung von Wasserstoff und Biogas aus Lebensmittelabfällen mit Hilfe der zweistufigen Vergärung N2 - Aim of this study The aim of this research is to develop batch scale and continuous reactor systems to evaluate technical and practical feasibility of sequential hydrogen and methane from food waste by two step dark fermentation process. Methodology The effects of limiting factors, like pH, temperature, as well as inoculum sources and pretreatment methods on H₂ yields were studies in batch assays. In addition, the feasibility of sequencing producing H₂+CH₄ via two stage dark fermentation process was evaluated in lab-scale tests based on batch assay results. Three kinds of Acid producing reactor, like CSTR, semi-percolator, and ASBR had been tested for bioH₂ production and well inoculated ASBR methane was used for further degradation of volatile organic acids produced in these acid producing reactor which acts as by-products of bioH₂. Different limiting factors on fermentation process have been investigated in each reactor type for optimum energy recovery. Monodigestion of food waste for methane production was also studied and used as reference value for energy recovery from food waste. Main results and technical application from this study Hydrogen production results from food waste were shown to be possible with aerated inoculum in batch assays in thermophilic range, with highest H₂ yields of 19.72L/(kg oTS) from food waste. The inoculated HPB (Hydrogen producing bacterial) sludge taken from ASBR acid producing reactor was proved the optimum H₂ yields with the value of 61.41 L/(kg oTS) in this batch test. Inoculum to substrates ratio at 3 was found the best situ for H₂ yields in batch test. Even H₂ productivity at hyperthermophilic range has been confirmed with faster and higher performance, thermophilic fermentation process was taken in continuously lab-scale investigation due to too high process requirements in hyperthermophilic process. Two-stage sequencing producing H₂+CH₄ was shown the potential in H₂ yields in the first acid producing phase. Methane yields from monodigestion in ASBR methane reactor with OLR of 3.88 kg oTS/(m3.d) and average CH₄ yields at 312.71L/kg oTS were achieved and act as reference value for total energy recovery. In CSTR+ASBRMe system, the max. hydrogen yields of 69.15 L/(kg oTS) and CH₄ yields at 291.77. L/(kg oTS) were achieved; In semi-Percolator+ASBRMe system, the max. hydrogen yields of 77.34 L/kg oTS and average CH₄ yields at 293.87 L/(kg oTS) were achieved; In ASBR+ASBRMe system, the max. hydrogen yields of 196.85L/(kg oTS) and average CH₄ yields at 293.87 L/(kg oTS) were achieved. The max. H₂ concentration in hydrolysis gas was got in ASBR acid producing reactor at 54%. The experimental results indicated that food wastes can be considered as suitable substrates for BioH₂ and CH₄ sequencing production. Moreover, the less production cost for H₂ due to higher OLR and shorting HRT. N2 - Ziel der Studie Das Ziel dieser Studie besteht darin, einen Batch-Scale und kontinuierliche Reaktorsysteme zu entwickeln, um die technische und praktische Durchführbarkeit von sequentiellem H₂ und CH₄ aus Lebensmittelabfällen durch einen zweistufigen Vergärungsprozess zu bewerten. Die Methodologie Die Auswirkungen begrenzender Faktoren wie pH-Wert, Temperatur, Inokulum und Vorbehandlungsmethoden auf die H₂-Ausbeuten wurden in Batch-Assays untersucht. Zudem wurde die Durchführbarkeit der sequentiellen H₂ + CH₄, bei einem zweistufigen Vergärungsprozess hergestellt und in Labortests auf der Basis von Batch-Assay-Ergebnissen bewertet. Drei Arten von Säure produzierenden Reaktoren, wie CSTR, Semi-Perkulator und ASBR, wurden auf BioH₂ Produktion getestet und gut inokuliertes ASBR-Methan für den weiteren Abbau von flüchtigen organischen Säuren verwendet, die in diesem Säure produzierenden Reaktor erzeugt werden und als Nebenprodukte von bioH₂ wirken. Verschiedene limitierende Faktoren im Fermentationsprozess wurden in jedem Reaktor auf eine optimale Energierückgewinnung untersucht. Die Methan Produktion von Speiseabfällen wurde ebenfalls im Monodigestion untersucht und als Referenzwert für die Energierückgewinnung aus Speiseabfällen verwendet. Ergebnisse und technische Anwendung der Studie Es wurde aufgezeigt, dass die Ergebnisse der Wasserstofferzeugung aus Speiseabfällen mit belüftetem Inokulum im Chargen Experiment im thermophilen Bereich die höchsten H₂-Ausbeuten von 19,72 l / (kg oTR) aus Lebensmittelabfällen aufweisen. Der inokulierte HPB (Wasserstoff produzierende bakterielle) Schlamm, der aus dem ASBR-Säureproduktionsreaktor entnommen wurde, zeigte die optimale H₂-Ausbeute mit einem Wert von 61,41 l / (kg oTR). Das Verhältnis von Inokulum zu Substrat wurde bei 3 als besten Wert für H₂-Ausbeuten im Batch-Test ermittelt. Sogar die H₂-Produktivität im hyperthermophilen Bereich wurde mit einer schnelleren und höheren Leistung bestätigt, der thermophile Fermentationsprozess wurde aufgrund zu hoher Prozessanforderungen im hyperthermophilen Prozess kontinuierlich im Labormaßstab durchgeführt. Eine zweistufige Sequenzierung, bei der H₂+CH₄ erzeugt wurde, zeigte das Potential in den H₂ Ausbeuten während der ersten Säureproduktionsphase. Es wurden Methanausbeuten aus Monodigestion in einem ASBR-Methanreaktor mit einer ORB von 3,88 kg oTR / (m3.d) und durchschnittlichen CH₄-Ausbeuten bei 312.71L / Kg oTR erreicht, die als Referenzwert für die Gesamtenergierückgewinnung dienen. Im CSTR+ASBRMe system wurde die max. Wasserstoffausbeute bei 69,15 l / (kg oTR) und CH₄-Ausbeuten bei 291,77. L / (kg oTR) erreicht; Im Semiperkulator + ASBRMe system wurde eine max. Wasserstoffausbeute von 77,34 l / kg oTR und eine durchschnittliche CH₄-Ausbeute von 293,87 l / (kg oTR) erreicht; Bei ASBR+ASBRMe system beträgt die max. Wasserstoffausbeute 196,85 l / (kg oTR) und die durchschnittliche CH₄-Ausbeute liegt bei 293,87 l / (kg oTS). Die max. H₂-Konzentration in dem Hydrolysegas wurde in einem ASBR-Säureproduktionsreaktor bei 54% erzeugt. Die Versuchsergebnisse zeigten, dass Lebensmittelabfälle als geeignete Substrate für die BioH₂ und CH₄ Sequenzierungsproduktion angesehen werden können. Außerdem sind die Produktionskosten für H₂ aufgrund eines höheren ORB und eines Kurzzeit-HRT geringer. KW - CSTR KW - Semi-percolator KW - ASBR KW - Methane KW - Two stage dark fermentation process KW - Biohydrogen KW - Food waste KW - Factor KW - OLR KW - Biogas KW - Biowasser KW - Methan KW - Speiseabfälle KW - Vergärungsprozess KW - Faktor KW - ASBR KW - CSTR KW - Perkulator KW - ORB KW - Biogas KW - Fermentation KW - Gärung KW - Lebensmittelabfall KW - Biogas Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-43209 ER - TY - THES A1 - Coban, Oksana T1 - Microbial nitrogen transformations in constructed wetlands treating contaminated groundwater T1 - Mikrobielle Stickstoffumsetzungen in Pflanzenkläranlagen zur Behandlung von kontaminiertem Grundwasser N2 - Groundwater is the main source for potable water and domestic use in numerous countries around the world. However, water quality can be affected by pollution, which influences the natural environment and human health. One of the widespread pollutants in water is ammonia which is toxic to fish and causes eutrophication of lakes and wetlands. Constructed wetlands are promising in situ water treatment methods thanks to enhanced microbial growth within the plants’ rhizospheres, which creates an effective contaminant degradation zone. The ammonia in constructed wetlands can be removed either via total nitrification with further denitrification or partial nitrification coupled with anaerobic ammonium oxidation (anammox). However, so far, the role of anammox in constructed wetlands as well as its correlation with other nitrogen transformations remains unclear. The quantification of nitrogen turnover processes in constructed wetlands is difficult due to the complexity of the wetland systems. Accordingly, the main aim of this research is to investigate pathways of ammonium removal in constructed wetlands treating contaminated groundwater. For this, several approaches were applied: a) physico-chemical parameters measurements; b) investigations of nitrogen stable isotope fractionation; c) stable isotope labelling approach; d) molecular biological methods. Also, seasonal and spatial variations in nitrogen transformations in several types of constructed wetlands (unplanted horizontal subsurface flow, planted horizontal subsurface flow, and floating plant root mat) were investigated. The application of the stable isotope approach combined with common physico-chemical investigations enabled us to identify key factors influencing efficiency of nitrogen removal in constructed wetlands, which was the plant presence as substrate for attachment and growth of microorganisms. Ammonium removal efficiencies were not different between investigated seasons (spring, summer, and autumn), what could be explained by the fact that throughout all investigated seasons the air temperature remained high (above 10°C). While plant uptake accounted for significant part of ammonium removal during spring and summer in planted constructed wetlands, isotope fractionation patterns revealed that nitrification-denitrification were prevailing processes in planted constructed wetlands throughout the year, occurring in a linear way along the flow path, and not depending on depth in the root zone. The research results also illustrated that in the planted horizontal subsurface flow constructed wetland, the functional genes of the nitrogen cycle were evenly distributed in a linear way along the flow path with prevalence at the superficial points. The same trend was observed for the nitrification and denitrification turnover rates using the isotope labeling techniques. Significant nitrate consumption under aerobic conditions diminishes nitrification rates and should therefore be taken into account when estimating nitrification turnover rates. This nitrate consumption was due to aerobic denitrification, the rate of which was comparable to that for anaerobic denitrification. Consequently, denitrification should not be considered as an exclusively anaerobic process. Phylogenetic analysis of hydrazine synthase (hzsA) gene clones indicated the presence of Brocadia and Kuenenia anammox species in the constructed wetland. Although anammox bacteria were detected by molecular methods, anammox activity could not be measured and hence this process appears to be of low importance in nitrogen transformations in these freshwater ecosystems. In conclusion, this research demonstrated that combination of physico-chemical measurements with stable isotope and molecular biological approaches is an effective tool for investigation of nitrogen transforming processes in constructed wetlands. Such information is not only valuable for understanding of the processes ongoing inside these wastewater treatment facilities but also necessary for further technological improvement of constructed wetlands. N2 - Grundwasser ist die wichtigste Quelle für Trink- und Brauchwasser in zahlreichen Ländern auf der ganzen Welt. Allerdings kann die Wasserqualität durch Verunreinigungen beeinträchtigt sein, die Umwelt und Gesundheit negativ beeinflussen. Ein weit verbreiteter Schadstoff im Wasser ist Ammonium, welches toxisch für Fische ist und die Eutrophierung von Seen und Feuchtgebieten bewirken kann. Pflanzenkläranlagen stellen ein effizientes in situ Wasserreinigungssverfahren dar. Das liegt insbesondere am beschleunigten mikrobiellen Wachstums innerhalb der Rhizosphäre der Pflanzen, die eine effektive Schadstoffabbauzone bildet. Das Ammonium kann in Pflanzenkläranlagen entweder über völlige Nitrifikation mit weiterer Denitrifikation oder teilweise Nitrifikation verbunden mit anaerober Ammoniumoxidation (Anammox) entfernt werden. Bislang ist die Rolle von Anammox in Pflanzenkläranlagen sowie deren Korrelation mit anderen Stickstoffumsetzungen noch nicht umfänglich geklärt. Die Quantifizierung der Stickstoffumsetzungsprozesse in Pflanzenkläranlagen ist eine Herausforderung aufgrund der biogeochemischen und hydrodynamischen Komplexität solcher Systeme. Dementsprechend ist das Hauptziel dieser Arbeit, die Wege der Ammoniumentfernung in Pflanzenkläranlagen zur Behandlung von kontaminiertem Grundwasser zu untersuchen. Hierzu wurden verschiedene Ansätze angewendet: a) Messungen von physikalisch-chemischen Parametern; b) Untersuchungen der Fraktionierung von stabilen N-Isotopen im natürlichen Häufigkeitsbereich; c) Markierungsexperimente mit angereicherten stabilen Isotopensubstanzen; d) molekularbiologische Methoden. Außerdem wurden saisonale und räumliche Variationen der Stickstoffumsetzungen in verschiedenen Typen von Pflanzenkläranlagen (nicht bepflanzte horizontale Untergrundströmung, bepflanzte horizontale Untergrundströmung, und schwimmende Pflanzenwurzelmatte) untersucht. Die Anwendung des stabilen Isotopen-Ansatzes verbunden mit physikalisch-chemischen Untersuchungen gibt uns die Möglichkeit, die wichtigsten Einflussfaktoren für die Effizienz der Stickstoffentfernung in Pflanzenkläranlagen zu identifizieren. Es konnte gezeigt werden, dass der Pflanzenbewuchs und die damit verbundene Wurzelzone der optimaler Lebensraum für die beim Schadstoffabbau aktiven Mikroorganismen war. Ammonium-Abbauraten zeigen keine saisonale Abhängigkeit (Frühling, Sommer, und Herbst), was der Tatsache geschuldet war, dass in allen untersuchten Jahreszeiten die Lufttemperatur über 10°C lag. Im Frühjahr und Sommer entfielen ein erheblicher Teil der Ammoniumentfernung auf die Nährstoffaufnahme durch die Pflanzen in den Pflanzenkläranlagen. Dennoch zeigten Isotopensignaturen, dass die Nitrifikation-Denitrifikation der vorherrschenden Prozess zur Ammoniumentfernung in Pflanzenkläranlagen über das gesamte Jahr ist, wobei ein linearer Zusammenhang zwischen Strömungsweg und Abbau zu beobachten ist. Kein Zusammenhang wurde zwischen Abbau und Tiefe der Wurzelzone gefunden. Die Untersuchungen haben weiterhin gezeigt, dass in bepflanzten horizontalen unterirdischen Strömungspflanzenkläranlagen die funktionellen Gene des Stickstoffkreislaufs gleichmäßig entlang des Strömungspfades verteilt sind. Allerdings lässt sich diesbezüglich eine vertikale Zonierung erkennen mit dem bevorzugten Auftreten an oberflächennahen Messstellen. Der gleiche Trend wurde für die Umsatzraten von Nitrifikation und Denitrifikation mit Hilfe der Isotopenmarkierungstechniken beobachtet. Signifikanter Nitratverbrauch unter aeroben Bedingungen vermindert Nitrifikationsraten und muss daher unbedingt bei der Schätzung von Nitrifikationsraten berücksichtigt werden. Dieser Nitratverbrauch stand im Zusammenhang mit aerober Denitrifikation, deren Rate vergleichbar war mit jener für die anaerobe Denitrifikation. Folglich sollte Denitrifikation nicht als ausschließlich anaerober Prozess betrachtet werden. Die phylogenetische Analyse von Hydrazin-Synthase (hzsA) Gen-Klonen zeigte die Anwesenheit von Brocadia und Kuenenia Anammox-Arten in der Pflanzenkläranlage. Obwohl Anammoxbakterien durch molekulare Methoden nachgewiesen wurden, konnte der eigentliche Anammoxprozess nicht gemessen werden. Das lässt den Schluss zu, dass Anammox von geringer Bedeutung für die Stickstoffumsetzung in diesen Süßwasser-Ökosystemen ist. Insgesamt haben die Untersuchungen gezeigt, dass die Kombination von physikalisch-chemischen Messungen mit stabilen Isotopen und molekularbiologische Ansätzen ein effektives Werkzeug für die Untersuchung der Stickstoffumsetzungsprozesse in Pflanzenkläranlagen ist. Solche Informationen sind nicht nur für das Verständnis der Prozesse wertvoll, die in Abwasserbehandlungsanlagen ablaufen, sondern auch notwendig für die weiteren technologischen Verbesserungen von Pflanzenkläranlagen. KW - Constructed wetlands KW - Nitrogen KW - Nitrification KW - Denitrification KW - Anammox KW - Pflanzenkläranlagen KW - Stickstoff KW - Nitrifikation KW - Denitrifikation KW - Anammox KW - Grundwasser KW - Pflanzenkläranlage KW - Ammonium KW - Nitrifikation KW - Denitrifikation Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-35006 ER - TY - JOUR A1 - Böllmann, Jörg A1 - Martienssen, Marion T1 - Seasonal variability of cultivable nitrate-reducing and denitrifying bacteria and functional gene copy number in fresh water lake T1 - Saisonale Variabilität der kultivierbaren nitratreduzierenden und denitrifizierenden Bakterien und der Anzahl der funktionellen Genkopien in einem Süßwassersee JF - microorganisms N2 - This study describes the seasonal course of denitrifying and nitrate-reducing bacteria in a dimictic mesotrophic lake (Lake Scharmützelsee, Brandenburg, Germany) within a three-year period from 2011 to 2013. The bacterial cell numbers were quantified by the fluorescence microscopy, most probable number (MPN) and PCR-dependent quantification of the chromosomal 16S rDNA and of the nirS and nirK gene copy number. The highest seasonal differences (up to three orders of magnitudes) have been measured usingMPNin the epilimnion. This variation was not reflected by PCR-dependent approaches or direct microscopical enumeration. At adverse conditions (low temperature and/or low nitrate concentrations), the differences between MPN and gene copy numbers increased by up to five orders of magnitudes and decreased to one magnitude at favourable environmental conditions. These results can be explained best by an increasing ratio of viable but not cultivable (VBNC) cells or dead cells at impairing conditions. In the hypolimnion, the courses of MPN and nir gene copy numbers were similar. This can be explained by a higher feeding pressure and therefore smaller amounts of dormant cells. In the pelagial in general, the total cell numbers enumerated by either microscopical or molecular approaches were similar. In the sediment, more than 99% of the DNA was obviously not related to viable bacteria but was rather DNA in dead cells or adsorbed to particle surfaces. N2 - Diese Studie beschreibt den jahreszeitlichen Verlauf von denitrifizierenden und nitratreduzierenden Bakterien in einem dimiktischen mesotrophen See (Scharmützelsee, Brandenburg, Deutschland) innerhalb eines dreijährigen Zeitraums von 2011 bis 2013. Die Bakterienzellzahlen wurden mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie, der höchstwahrscheinlichen Anzahl (MPN) und der PCR-abhängigen Quantifizierung der chromosomalen 16S rDNA und der nirS- und nirK-Gen-Kopienzahl bestimmt. Die größten saisonalen Unterschiede (bis zu drei Größenordnungen) wurden mit der MPN im Epilimnion gemessen. Diese Unterschiede wurden nicht durch PCR-abhängige Ansätze oder direkte mikroskopische Auszählung nicht wider. Unter ungünstigen Bedingungen (niedrige Temperatur und/oder niedrige Nitratkonzentration) stiegen die Unterschiede zwischen der MPN und der Genkopienzahl um bis zu fünf Größenordnungen, während sie unter günstigen Umweltbedingungen auf eine Größenordnung abnahmen. Diese Ergebnisse lassen sich am besten durch einen zunehmenden Anteil lebensfähiger, aber nicht kultivierbarer Zellen (VBNC) oder toter Zellen bei ungünstigen Bedingungen erklären. Im Hypolimnion waren die Verläufe der MPN- und nir-Genkopienzahlen ähnlich. Dies lässt sich durch einen höheren Fütterungsdruck und daher geringere Mengen an ruhenden Zellen erklären. Im Pelagial waren die Gesamtzahl der Zellen, die entweder durch mikroskopische oder molekulare Methoden ermittelt wurden, im Allgemeinen ähnlich. Im Sediment gehörten mehr als 99 % der DNA offensichtlich nicht zu den lebensfähigen Bakterien, sondern waren vielmehr DNA in toten Zellen oder an Partikeloberflächen adsorbiert. KW - Denitrification KW - Nitrite reductase KW - Microscopical cell number KW - Hypolimnion KW - Dimictic lake KW - Denitrifikation KW - Nitrit-Reduktase KW - Mikroskopische Zellzahl KW - Dimiktischer See Y1 - 2024 U6 - https://doi.org/10.3390/microorganisms12030511 SN - 2076-2607 VL - 12 IS - 3 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - THES A1 - Dido, Mann Samuel T1 - Use of close-to-nature surfactants and microbiological degradation for improving the remediation of crude oil contaminated soils in the Nigerian Niger-Delta T1 - Verwendung naturnaher Tenside und mikrobiologischer Abbau zur Verbesserung der Sanierung von mit Rohöl kontaminierten Böden im Nigerianischen Niger-Delta N2 - The existence of large deposit of crude oil in the Nigerian Niger-Delta accords the region a strategic position in the country’s economy. However, activities associated with the oil and gas industry have resulted in extensive and in some instances indelible damages on the ecosystems. The destructive effect of hydrocarbon on bionetwork necessitated this study that aimed at evaluating the potential of adopting microbial and biosurfactant technology as tools for bioremediation. The research involved gas chromatography monitoring of hydrocarbon degradation in polluted soil, microbiological/molecular identification of hydrocarbon degraders and the evaluation of biosurfactant production by indigenous bacteria. The performance of four treatments involving; co-treatment with mixed bacterial consortium and close-to-nature surfactants (Bioversal QF and Bioversal UK), treatments with mixed bacteria culture, single bacteria culture and treatment with close-to-nature surfactants only were evaluated for the mineralization of hydrocarbons contained in 500g of 2% crude oil contaminated soil supplemented with NaH₂PO*₄2HO₂, KHP₂O₄ and NHC₄l as nutrient sources over a period of 20 weeks. Six indigenous biosurfactant producing and/or hydrocarbon degrading bacteria strains were isolated namely: Pseudomonas aeruginosa, Bacillus sp, Achromobacter sp, Stenotrophonas sp, Lysinibacillus sp. and Delftia sp. Molecular characterization of sequenced polymerase chain reaction products of these cultured bacteria using Nucleotide Basic Local Alignment Search Tool confirmed close relationships ranging from 98.83% to 100% with those on the NCBI databank. Co-treatment with mixed bacteria culture and Bioversal UK/Bioversal QF yielded synergetic impact that enhanced 73.35% and 71.52% degradation of total petroleum hydrocarbon respectively. Treatments with close-to-nature surfactants and with mix bacterial culture recorded 53.61% and 54.58%. The use of single bacteria strains resulted in the mineralization of 46% - 62.26% total petroleum hydrocarbon while their use as a consortium yielded 54%. Liquid chromatography-Mass spectrometry assessment of extracellular polymeric substances produced by cultured bacteria strains indicated the presence of rhamnolipids (L-rhamnosyl-3-hydroxydecanoyl-3-hydroxydecanoic acid with a mass of 504.654 Da) and lipopeptides (2-(Hydroxymethyl) phenyl 6-O-palmitoyl-β-D-glucopyranoside with a mass of 524.687 Da). Extracellular polymeric substances produced yielded emulsion index ranging from 70.70% to 75% and 39% to 65% with crude oil and heptane respectively. EPS yields ranging from 1.34 g/ml to 1.5 g/ml were recorded. N2 - Die großen Erdölvorkommen im nigerianischen Niger-Delta verleihen der Region eine strategische Position in der Wirtschaft des Landes. Die mit der Öl- und Gasindustrie verbundenen Aktivitäten haben jedoch zu umfangreichen und in einigen Fällen unauslöschlichen Schäden an den Ökosystemen geführt. Die zerstörerische Wirkung von Kohlenwasserstoffen auf das Bionetzwerk machte diese Studie erforderlich, die darauf abzielte, das Potenzial des Einsatzes von mikrobieller und Biotensid-Technologie als Werkzeuge für die Bioremediation zu bewerten. Die Forschung umfasste die gaschromatographische Überwachung des Kohlenwasserstoffabbaus in verschmutzten Böden, die mikrobiologische/molekulare Identifizierung von Kohlenwasserstoffabbauern und die Bewertung der Produktion von Biotensiden durch einheimische Bakterien. Die Leistung von vier Behandlungen, darunter die gemeinsame Behandlung mit einem gemischten Bakterienkonsortium und naturnahen Tensiden (Bioversal QF und Bioversal UK), die Behandlung mit einer gemischten Bakterienkultur, einer einzelnen Bakterienkultur und die Behandlung nur mit naturnahen Tensiden, wurde im Hinblick auf die Mineralisierung von Kohlenwasserstoffen bewertet, die in 500 g mit 2% Rohöl verunreinigtem Boden enthalten waren, der mit NaH₂PO*₄2HO₂, KHP₂O₄ und NHC₄l als Nährstoffquellen über einen Zeitraum von 20 Wochen ergänzt wurde. Sechs einheimische Biotensid produzierende und/oder Kohlenwasserstoff abbauende Bakterienstämme wurden isoliert, nämlich: Pseudomonas aeruginosa, Bacillus sp., Achromobacter sp., Stenotrophonas sp., Lysinibacillus sp. und Delftia sp. Die molekulare Charakterisierung der sequenzierten Polymerase-Kettenreaktionsprodukte dieser kultivierten Bakterien mit Hilfe des Nucleotide Basic Local Alignment Search Tool bestätigte eine enge Verwandtschaft von 98,83% bis 100% mit denen in der Datenbank des NCBI. Die gemeinsame Behandlung mit gemischten Bakterienkulturen und Bioversal UK/Bioversal QF führte zu einer synergetischen Wirkung, die den Abbau der gesamten Erdölkohlenwasserstoffe um 73,35% bzw. 71,52% verbesserte. Bei Behandlungen mit naturnahen Tensiden und mit einer Bakterienmischkultur wurden 53,61% und 54,58% erreicht. Die Verwendung einzelner Bakterienstämme führte zu einer Mineralisierung von 46% - 62,26% des gesamten Petroleumkohlenwasserstoffs, während ihre Verwendung als Konsortium 54% ergab. Die Flüssigchromatographie-Massenspektrometrie Bewertung der extrazellulären polymeren Substanzen, die von den kultivierten Bakterienstämmen produziert wurden, zeigte das Vorhandensein von Rhamnolipiden (L-Rhamnosyl-3-Hydroxydecanoyl-3-Hydroxydecansäure mit einer Masse von 504,654 Da) und Lipopeptiden (2-(Hydroxymethyl) phenyl 6-O-palmitoyl-β-D-glucopyranosid mit einer Masse von 524,687 Da). Die produzierten extrazellulären polymeren Substanzen ergaben einen Emulsionsindex von 70,70% bis 75% und 39% bis 65% mit Rohöl bzw. Heptan. Es wurden EPS-Ausbeuten zwischen 1,34 g/ml und 1,5 g/ml festgestellt. KW - Environmental pollution KW - Crude oil KW - Biosurfactants KW - Bioremediation KW - Ecology KW - Umweltverschmutzung KW - Erdöl KW - Biotenside KW - Bioremediation KW - Ökologie KW - Nigeria KW - Nigerdelta KW - Bodenverschmutzung KW - Erdölindustrie KW - Bioremediation KW - Biotensid KW - Biologischer Abbau KW - Kohlenwasserstoffe Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-57301 ER -