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Arsenentfernung mit Ultra-Low-Pressure Ultrafiltration (ULPUF)-Kombinationsverfahren zur Wasseraufbereitung in Entwicklungsländern
Abstract
This dissertation deals with the development of extended ultra-low pressure ultrafiltration (ULPUF) with the aim of providing arsenic-free drinking water in the economically weak regions of the world. To remove arsenic to the WHO guideline value of 10 μg/L, the combination of ULPUF with adsorption on clay (C-ULPUF) and electrocoagulation (EC-ULPUF) were investigated. Firstly, the investigations on the ULPUF without expansion were carried out. An amount of 20 m³ of arsenic-containing water with an average arsenic concentration of 100 μg/L was treated. As a first result, ULPUF without expansion cannot be applied for the selective removal of dissolved arsenic. However, ULPUF allows complete removal of particulate arsenic compounds. In the following investigations of the combined C-ULPUF process, 50.5 m³ of arseniccontaining water (avg. 100 μg/L) were treated. In continuous operation with a clay dosage of 16 g/L, the C-ULPUF pilot plant provides an As(V) removal from drinking water of average 90.7 % and an As(V) effluent concentration of average 9.0 μg/L. In supporting laboratory tests, the arsenic adsorption capacity of different clay mineral based adsorbents was determined and a mathematical model approach was set up, which allows the estimation of arsenic adsorption capacity and clay dosage. In the investigations of the combined EC-ULPUF process, 47 m³ of arsenic-containing water (avg. 100 μg/L) were treated. The performance of the electrocoagulation cell with aluminum electrodes was investigated and a model approach was developed to estimate the required charge dosage for arsenic reduction in drinking water. In continuous operation with a charge dosage of average 125 C/L or an electrical energy demand of about 500 Wh/m³ provides the EC-ULPUF pilot plant an As(V) removal from drinking water of average 96 % and an As(V) effluent concentration of average 6.5 μg/L. The comprehensive studies verified the ability of both C-ULPUF and EC-ULPUF combined processes for selective arsenic removal. Both processes are capable of providing potable water that meets WHO requirements regarding arsenic and bacteria. Cost of the process were found to be in the range of 0.60 €/m³ to 2.20 €/m³ for C-ULPUF and 0.50 €/m³ to 1.60 €/m³ for EC-ULPUF and are within the willingness-to-pay range for households in economically weak regions of the world.
Die vorliegende Dissertation widmet sich der Entwicklung von verfahrenstechnischen Möglichkeiten zur Erweiterung von Ultra-Low-Pressure Ultrafiltration (ULPUF) mit dem Ziel der Bereitstellung von arsenfreiem Trinkwasser in wirtschaftlich schwachen Regionen der Erde. Zur Arsenentfernung auf den WHO-Richtwert von 10 μg/L wurde die Kombination der ULPUF mit der Adsorption an Tonerde (C-ULPUF) und der Elektrokoagulation (EC-ULPUF) untersucht. Im Vorfeld fanden ULPUF-Untersuchungen ohne Erweiterung statt. Insgesamt wurden 20 m³ arsenhaltiges Wasser mit einer mittleren Arsenkonzentration von 100 μg/L behandelt. ULPUF ohne Erweiterung kann nicht zur gezielten Entfernung von gelöstem Arsen angewandt werden. Allerdings ermöglicht ULPUF einen vollständigen Rückhalt der partikulären Arsenverbindungen. In C-ULPUF-Untersuchungen wurden 50,5 m³ arsenhaltiges Rohwasser (i. M. 100 μg/L) behandelt. Die halbtechnische C-ULPUF-Anlage ermöglicht im Dauerbetrieb unter Dosierung einer Tonerdemenge von 16 g/L eine mittlere As(V)-Entfernung aus Trinkwasser von 90,7 % bzw. eine mittlere Arsenablaufkonzentration von 9,0 μg/L. In unterstützenden Laborversuchen wurde die Arsenadsorptionsfähigkeit verschiedener tonmineralhaltiger Adsorbentien untersucht und ein mathematischer Modellansatz aufgestellt, der die Abschätzung ihrer Beladungsfähigkeit bzw. Dosierungsmenge erlaubt. In EC-ULPUF-Untersuchungen wurden 47 m³ arsenhaltiges Rohwasser (i. M. 100 μg/L) behandelt. In zahlreichen Versuchen wurde die Leistungsfähigkeit der Elektrokoagulationszelle mit Aluminiumelektroden untersucht und ein Modellansatz zur Abschätzung der erforderlichen Ladungsdosis entwickelt. Im Dauerbetrieb mit einer Ladungsdosis von i. M. 125 C/L bzw. einem elektrischen Energiebedarf von etwa 500 Wh/m³ ermöglicht die halbtechnische EC-ULPUF-Anlage eine mittlere As(V)-Entfernung aus Trinkwasser von 96 % bzw. eine mittlere Arsenablaufkonzentration von 6,5 μg/L. In den umfangreichen Untersuchungen wurde die Fähigkeit sowohl von C-ULPUF- als auch von EC-ULPUF-Kombinationsverfahren zur gezielten Arsenentfernung bewiesen. Beide Verfahren sind in der Lage, Wasser bereitzustellen, das den WHO-Anforderungen bezüglich Arsen und Bakterien entspricht. Die Verfahrenskosten wurden für C-ULPUF im Bereich von 0,60 €/m³ bis 2,20 €/m³ und für EC-ULPUF von 0,50 €/m³ bis 1,60 €/m³ ermittelt und liegen im Bereich der Zahlungsbereitschaft der Haushalte in wirtschaftlich schwachen Regionen der Erde.
Additional Information
Zugleich: Universität Kassel, Dissertation, 2021Druckausgabe
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Citation
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Firstly, the investigations on the ULPUF without expansion were carried out. An amount of 20 m³ of arsenic-containing water with an average arsenic concentration of 100 μg/L was treated. As a first result, ULPUF without expansion cannot be applied for the selective removal of dissolved arsenic. However, ULPUF allows complete removal of particulate arsenic compounds. In the following investigations of the combined C-ULPUF process, 50.5 m³ of arseniccontaining water (avg. 100 μg/L) were treated. In continuous operation with a clay dosage of 16 g/L, the C-ULPUF pilot plant provides an As(V) removal from drinking water of average 90.7 % and an As(V) effluent concentration of average 9.0 μg/L. In supporting laboratory tests, the arsenic adsorption capacity of different clay mineral based adsorbents was determined and a mathematical model approach was set up, which allows the estimation of arsenic adsorption capacity and clay dosage. In the investigations of the combined EC-ULPUF process, 47 m³ of arsenic-containing water (avg. 100 μg/L) were treated. The performance of the electrocoagulation cell with aluminum electrodes was investigated and a model approach was developed to estimate the required charge dosage for arsenic reduction in drinking water. In continuous operation with a charge dosage of average 125 C/L or an electrical energy demand of about 500 Wh/m³ provides the EC-ULPUF pilot plant an As(V) removal from drinking water of average 96 % and an As(V) effluent concentration of average 6.5 μg/L. The comprehensive studies verified the ability of both C-ULPUF and EC-ULPUF combined processes for selective arsenic removal. Both processes are capable of providing potable water that meets WHO requirements regarding arsenic and bacteria. Cost of the process were found to be in the range of 0.60 €/m³ to 2.20 €/m³ for C-ULPUF and 0.50 €/m³ to 1.60 €/m³ for EC-ULPUF and are within the willingness-to-pay range for households in economically weak regions of the world. Die vorliegende Dissertation widmet sich der Entwicklung von verfahrenstechnischen Möglichkeiten zur Erweiterung von Ultra-Low-Pressure Ultrafiltration (ULPUF) mit dem Ziel der Bereitstellung von arsenfreiem Trinkwasser in wirtschaftlich schwachen Regionen der Erde. Zur Arsenentfernung auf den WHO-Richtwert von 10 μg/L wurde die Kombination der ULPUF mit der Adsorption an Tonerde (C-ULPUF) und der Elektrokoagulation (EC-ULPUF) untersucht. Im Vorfeld fanden ULPUF-Untersuchungen ohne Erweiterung statt. Insgesamt wurden 20 m³ arsenhaltiges Wasser mit einer mittleren Arsenkonzentration von 100 μg/L behandelt. ULPUF ohne Erweiterung kann nicht zur gezielten Entfernung von gelöstem Arsen angewandt werden. Allerdings ermöglicht ULPUF einen vollständigen Rückhalt der partikulären Arsenverbindungen. In C-ULPUF-Untersuchungen wurden 50,5 m³ arsenhaltiges Rohwasser (i. M. 100 μg/L) behandelt. Die halbtechnische C-ULPUF-Anlage ermöglicht im Dauerbetrieb unter Dosierung einer Tonerdemenge von 16 g/L eine mittlere As(V)-Entfernung aus Trinkwasser von 90,7 % bzw. eine mittlere Arsenablaufkonzentration von 9,0 μg/L. In unterstützenden Laborversuchen wurde die Arsenadsorptionsfähigkeit verschiedener tonmineralhaltiger Adsorbentien untersucht und ein mathematischer Modellansatz aufgestellt, der die Abschätzung ihrer Beladungsfähigkeit bzw. Dosierungsmenge erlaubt. In EC-ULPUF-Untersuchungen wurden 47 m³ arsenhaltiges Rohwasser (i. M. 100 μg/L) behandelt. In zahlreichen Versuchen wurde die Leistungsfähigkeit der Elektrokoagulationszelle mit Aluminiumelektroden untersucht und ein Modellansatz zur Abschätzung der erforderlichen Ladungsdosis entwickelt. Im Dauerbetrieb mit einer Ladungsdosis von i. M. 125 C/L bzw. einem elektrischen Energiebedarf von etwa 500 Wh/m³ ermöglicht die halbtechnische EC-ULPUF-Anlage eine mittlere As(V)-Entfernung aus Trinkwasser von 96 % bzw. eine mittlere Arsenablaufkonzentration von 6,5 μg/L. In den umfangreichen Untersuchungen wurde die Fähigkeit sowohl von C-ULPUF- als auch von EC-ULPUF-Kombinationsverfahren zur gezielten Arsenentfernung bewiesen. Beide Verfahren sind in der Lage, Wasser bereitzustellen, das den WHO-Anforderungen bezüglich Arsen und Bakterien entspricht. Die Verfahrenskosten wurden für C-ULPUF im Bereich von 0,60 €/m³ bis 2,20 €/m³ und für EC-ULPUF von 0,50 €/m³ bis 1,60 €/m³ ermittelt und liegen im Bereich der Zahlungsbereitschaft der Haushalte in wirtschaftlich schwachen Regionen der Erde. open access Garbowski, Michael 2021-07-09 xxvii, 361 Seiten Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Bauingenieur- und Umweltingenieurwesen Frechen, Franz-Bernd (Prof. Dr.) Wintgens, Thomas ( Prof. Dr.) Kassel 978-3-7376-0959-3 Trinkwasseraufbereitung Ultrafiltration Adsorption Arsen Entwicklungsländer publishedVersion Wasser - Abwasser - Umwelt Band 44 true https://www.genialokal.de/Produkt/Michael-Garbowski/Arsenentfernung-mit-Ultra-Low-Pressure-Ultrafiltration-ULPUF-Kombinationsverfahren-zur-Wasseraufbereitung-in-Entwicklungslaendern_lid_45907208.html 40,00 Wasser - Abwasser - Umwelt Naturwissenschaft, Technik, Informatik, Medizin Dissertation FB 14 / Bauingenieur- und Umweltingenieurwesen Softcover DIN A 5 true </resource>
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