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The Anaerobic Sequencing Batch Reactor (ASBR) operates by sequential batches, has been studied as an alternative treatment for different systems because of their versatility. The ASBR is applicable for the conversion of a wide variety of organic wastewaters to methane and carbon dioxide (biogas). The main factors affecting the overall performance of the ASBR are: agitation, Substrate/Biomass ratio, geometric configuration of the reactor and the feeding strategy. In this research the strategy agitation was carried out by used of a gaslift system coupled to an ASBR. The aim of the research was the creation of bases for the design and process control of an Anaerobic Sequencing Batch Gaslift Reactor on a laboratory scale in order to find the optimal operating regime and optimize the process. The type of gaslift system to be used is an internal loop with a concentric draught tube configuration, which enables the gas may be sparged either the draught tube or the annulus. The simple design of a gas lift reactor permits less expensive operation, requires less maintenance, low investment costs, low interference and low power consumption.
Scientific and technical objectives of the research include the analysis of macro geometric dimensions of the reactor, developing innovative solutions for optimization of mixing process (gaslift mixing), analysis of the hydrodynamics and the homogenization inside of the reactor.
This study also includes the flow determination in the riser, the evaluation of the liquid circulation velocity in the downcomer and the influence of the vertical draft tube and the effect of top and bottom clearance. Also, the goal was to find an adequate mixture to not destroy microorganisms but to allow the sedimented biomass and undigested solids may rise quickly and mixed with the feed substrate.
Water pollution is a major issue in developing countries. 2.2 of the 2.3 billion people who suffer annually from waterborne diseases live in this part of the world. Moreover, it causes the deterioration of aquatic ecosystems the living of billions of poor people depend on. A major source of water pollution is the discharge of untreated municipal wastewater. On average, cities in developing countries discharge 80-90% of their sewage untreated. Though treatment of municipal wastewater remains a huge challenge in developing countries, the situation is not equally adverse all over the place. Treatment rates vary substantially across localities. From this observation, the question arises what drives and what impairs wastewater treatment. No quantitative analysis of this topic has been performed yet at the municipal level in a developing country.
Therefore, this thesis investigates the impact of social factors on municipal wastewater treatment in Mexican municipalities in order to gain insights on what improves wastewater treatment in a developing country. 846 of 2,456 Mexican municipalities treat a share of their municipal wastewater that ranges from single-digit percentages to full coverage while the majority of municipalities treats no wastewater. The study relies on econometric techniques to scrutinize 10 hypotheses on the relationship between social factors and wastewater treatment. More precisely, it applies binary outcome models to estimate the conditional probability wastewater treatment takes place in a municipality for a sample of 2,290 Mexican municipalities. In addition, it applies the Tobit and Fractional logit model to estimate the percentage of treated municipal wastewater depending on social factors for 425 municipalities.
The thesis identifies geographic spillovers, environmental federalism, institutional aspects like the corporatization of municipal water service, urbanization, per capita income and its distribution as significant influencing factors. A significant effect of education, ethnic heterogeneity, female participation in municipal politics and water scarcity is not found. In addition, the involvement of superior government tiers of a developing country in the funding of municipal wastewater treatment infrastructure seems to mitigate the influence of social factors on wastewater treatment. Based on these findings, the thesis develops policy recommendations to improve municipal wastewater treatment in developing countries.
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.
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.
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.
Biologische Kleinkläranlagen finden dort ihren Einsatz, wo eine zentrale Abwasserreinigung nicht wirtschaftlich ist. Auf dem Prüffeld im Rahmen der bauaufsichtlichen Zulassung erreichen die Anlagen deutlich geringere Ablaufwerte als in der Praxis. Die Ursachen für die höheren Ablaufwerte liegen in den vielfältigen Einflussfaktoren auf die Funktionstüchtigkeit einer Kleinkläranlage. In einer Auswertung von über 11.000 Datensätzen wurden die wichtigsten Faktoren, wie zum Beispiel Zulauf- und Ablaufqualität/–quantität, Wartungshäufigkeit, technisch/technologische, betreiberbedingte oder Witterungsfaktoren, auf ihren Einfluss auf die Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit von Kleinkläranlagen bewertet. Die Bestimmung der Funktionstüchtigkeit der Kleinkläranlagen bei der Wartung wird mit der Überprüfung betriebsrelevanter Bedingungen und Parameter sowie der Messung der Ablaufkonzentrationen erleichtert. Die chemische Bestimmung der Ablaufqualität ist vor Ort jedoch aufwendig und daher nicht praktikabel. Zudem sind Kleinkläranlagen überwachungsintensiv. Anlagenausfälle werden aufgrund geringer Wartungshäufigkeiten und mangelhafter Eigenüberwachung durch den Betreiber nicht kurzfristig erkannt und behoben. Daher wurden einfache physikalische Messmethoden, wie die Messung des Gehalts an gelöstem Sauerstoff, der Trübung, der Redoxspannung sowie des spektralen Absorptionskoeffizienten SAK254, auf ihre Eignung als Ersatzparameter für den CSB, BSB5 sowie NH4-N im Ablauf einer Kleinkläranlage untersucht. Die Bewertung erfolgte im Rahmen von Einzel- wie auch Online-Messungen. Auf der Grundlage der analysierten Zusammenhänge konnten praktikable Konzepte zur Vorgehensweise der Ablaufkontrolle vor Ort einerseits und zur Online-Betriebskontrolle andererseits aufgezeigt werden. Wichtige Wartungsmaßnahmen und Lösungsvorschläge für Problembereiche wurden aus den Erfahrungen des Betriebs von Kleinkläranlagen heraus zusammengestellt, um den Einsatz von Kleinkläranlagen zuverlässiger zu gestalten.
Eine weitergehende Abwasserreinigung ist auch in kleinen Kläranlagen notwendig, wenn der Ablauf in ein empfindliches Gewässer eingeleitet oder bei Mangel an Vorflutern in das Grundwasser versickert werden muss. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass die hierbei erforderliche Elimination von Nährstoffen kostengünstig erreicht werden kann. Die Verfahrenschritte sind, die vollständige Nitrifikation, eine vorgeschaltete Denitrifikation, eine nachgeschaltete Denitrifikation des verbleibenden Nitrats und die Elimination von Phosphaten durch Adsorption. Eine möglichst weitgehende Nitrifikation erfolgt in der aeroben Grundreinigung. Soweit das angewandte Behandlungsverfahren es erlaubt wird ein Teil des Nitrats vorgeschaltet denitrifiziert. Das verbleibende Nitrat wird nachgeschaltet mit Stroh als Substart in einem Kiesfilter denitrifiziert. Hierbei kann eine Denitrifikationsrate von 10 g N/(m³·d) erreicht werden. Die Kosten betragen etwa 0,35 € je m³ Abwasser. Durch einen Reaktor zur Phosphatadsorption mit rostenden Eisenspänen konnten bis zu 40 g P/(m³·d) entfernt werden. Es entstehen Kosten von etwa 0,20 € je m³ Abwasser.
Mit der vorliegenden Arbeit zum Abbau von Kohlenstoffverbindungen in bewachsenen Bodenfiltern konnte gezeigt werden, dass eine Abhängigkeit der Reinigungsleistung hauptsächlich von der hydraulischen Filterbelastung und der spezifischen Abbaubarkeit des Abwassers abhängt. Dieser Zusammenhang der Reinigungsleistung konnte empirisch für die Abwasserparameter CSB und BSB5 in eine mathematische Beziehung überführt werden. Mit dem vorliegenden empirischen Berechnungsansatz lassen sich die Reinigungsleistung von Bodenfiltern im Bezug auf organische Verbindungen ohne besondere Kenntnisse des Filteraufbaus und –betriebs vorhersagen. Als Eingangsparameter für den Berechnungsansatz sind das CSB:BSB5-Verhältnis und die hydraulische Filterbelastung notwendig, um die prozentuale Reinigungsleistung angeben zu können. Eine Gütediskussion des entwickelten Modellansatzes mit 35 Langzeitmessungen aus der Literatur ergab eine mittlere Abweichung der Berechungsergebnisse von der Realität von 0,52% für CSB und 0,13% für BSB5 innerhalb eines Vertrauensintervalls von ± 5,0%. In Nomogrammen grafisch aufbereitet, kann dieser Bemessungsansatz zur Diskussion von Belastungsszenarien, zur Anlagenüberwachung und zur Bemessung mehrstufiger Bodenfilter eingesetzt werden und eine belastbare Vorhersage der kohlenstoffbezogenen Reinigungsleistung innerhalb des Vertrauensintervalls geben.