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Ammoniumrückgewinnung aus Schlammwasser mittels Ionenaustausch an Klinoptilolith
(Stuttgart : Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft der Universität Stuttgart ISWA, 2021) Wasielewski, Stephan; Steinmetz, Heidrun (Prof. Dr.-Ing.)
Da es eine große Gefahr für Gewässer darstellt, wird im Abwasser enthaltenes Ammonium unter hohem Energieaufwand entfernt. In Kläranlagen mit anaerober Schlammstabilisierung wird die biologische Stickstoffelimination durch hochkonzentriertes Schlammwasser, das bei der Entwässerung von Faulschlamm anfällt, zusätzlich belastet. Die Produktion von Ammoniak, der ungeladenen Form des Ammoniums, der für die Düngemittelproduktion benötigt wird, ist sehr energieintensiv. Eine mögliche Lösung sowohl für die sichere Behandlung des ammoniumreichen Schlammwassers als auch für die energieintensive Herstellung (stickstoffbasierter) Düngemittel ist die Rückgewinnung von Ammonium aus dem Schlammwasser. In dieser Arbeit werden verfahrenstechnische Parameter zur Entfernung von Ammonium aus Schlammwasser mittels Ionenaustausch an dem natürlichen Zeolith Klinoptilolith (CLI) und dessen anschließende Regeneration ermittelt, mit dem Ziel eine stöchiometrische Ammoniumsulfatlösung (ASL) zu gewinnen. Die Verwendung des ammoniumhaltigen Eluats als Düngemittellösung im Agrarsektor, etwa durch gezielte Ausbringung auf Ackerflächen oder als flüssige Düngemittellösung in Hydroponik-Kulturen, ist denkbar. CLI war bereits Gegenstand vieler Untersuchungen, da es sehr selektiv gegenüber Ammonium ist und eine hohe Aufnahmekapazität besitzt. Um einen schnellen Sorptionsprozess zu erreichen, wurden daher pulverförmige CLI mit einer Partikelgröße von 0-200 µm verwendet. Es wurden drei aus der Slowakei stammende CLI, EcoZeo 20, Micro 200 und CCP 20, auf ihre Eignung als Sorbens untersucht. Aufgrund seiner Eigenschaften (hohe Kationenaustauschkapazität, hohe Ammoniumaufnahmekapazität, schnelle Sorption) wurde das Sorbens CCP 20 für die weiteren Untersuchungen ausgewählt. Bei isothermen Adsorptionsversuchen von Ammonium an CCP 20 aus zwei Schlammwässern (718-967 mg/L NH4 N) wurde eine um 13 % (16,1 mg/g aus SW1) bzw. 18 % (15,3 mg/g aus SW2) geringere Beladung im Vergleich zu matrixfreier Sorptivlösung (18,8 mg/g aus NH4Cl) erreicht. Nach 30 min Kontaktzeit (bei einer Temperatur von 34 °C) waren zwischen 81 % (SW1), 89 % (SW2) und 91 % (NH4Cl) der maximal möglichen Beladung erreicht. Am besten wurde die Sorptionskinetik für beide Matrices durch das Modell der intrapartikulären Diffusion beschrieben. Zur Regeneration des beladenen Sorbens wurde Na2SO4-Lösung mit unterschiedlichen Stoffmengen an NaOH eingesetzt. Um eine möglichst hohe Ammoniumkonzentration im Eluat zu erreichen wurde ein hoher Massenanteil (ω = 284 g/kg), d. h. der Anteil der Sorbensmasse in der Mischung von Sorbens und der Regenerationslösung, gewählt. Unter Einhaltung einer Kontaktzeit von 10 min konnte aus (bis zu 13,5 mg/g) beladenem Sorbens, mit 0,25 n(Na2SO4)/n(NH4+ads) zusammen mit 0,75 n(NaOH)/n(NH4+ads) eine ASL eluiert werden. Für zehn Zyklen wurde das Sorbens mit Ammonium aus matrixfreier NH4Cl-Lösung bzw. SW2 beladen und anschließend regeneriert. Dabei konnte eine ASL mit einer Ammoniumkonzentration von 1780 mg/L (NH4Cl) bzw. 1500 mg/L (SW2) eluiert werden. Da keine biologischen Vorgänge in dem Verfahren eingebunden sind, ist die Behandlung industrieller Abwässer mit hohen Ammoniumkonzentrationen in Kombination mit hemmenden Stoffen denkbar.
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Application of natural clinoptilolite for ammonium removal from sludge water
(2020) Wasielewski, Stephan; Rott, Eduard; Minke, Ralf; Steinmetz, Heidrun
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Detoxification of pesticide-containing wastewater with FeIII, activated carbon and Fenton reagent and its control using three standardized bacterial inhibition tests
(2017) Rott, Eduard; Pittmann, Timo; Wasielewski, Stephan; Kugele, Amélie; Minke, Ralf
Discharge of toxic industrial wastewaters into biological wastewater treatment plants may result in inhibition of activated sludge bacteria (ASB). In order to find an appropriate method of detoxification, the wastewater of a pesticide-processing plant in Vietnam was treated with three different methods (FeIII, powdered activated carbon (PAC), Fenton (FeII/H2O2)) analyzing the detoxification effect with the nitrification inhibition test (NIT), respiration inhibition test (RIT) and luminescent bacteria test (LBT). The heterotrophic ASB were much more resistant to the wastewater than the autotrophic nitrificants. The NIT turned out to be more suitable than the RIT since the NIT was less time-consuming and more reliable. In addition, the marine Aliivibrio fischeri were more sensitive than the nitrificants indicating that a lack of inhibition in the very practical and time-efficient LBT correlates with a lack of nitrification inhibition. With 95%, the Fenton method showed the highest efficiency regarding the chemical oxygen demand (COD) removal. Although similar COD removal (60–65%) was found for both the FeIII and the PAC method, the inhibitory effect of the wastewater was reduced much more strongly with PAC. Both the NIT and the LBT showed that the PAC and Fenton methods led to a similar reduction in the inhibitory effect.
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Integrated water management solutions in the Lurín Catchment, Lima, Peru : supporting United Nations' Sustainable Development Goal 6 : final report of the joint project TRUST
(2021) Bondy, Jan; Brauer, Friederike; Cardona, Jaime; Chamorro, Johannes; Fischer, Thilo; Hahne, Lucia; Hinz, Stefan; Hügler, Michael; León, Christian D.; Keller, Sina; Kosow, Hannah; Kramer, Hanna; Krauss, Manuel; Minke, Ralf; Minn, Fabienne; Riese, Felix; Schroers, Samuel; Stauder, Stefan; Sturm, Sebastian; Wasielewski, Stephan; Wienhöfer, Jan; Zahumensky, Yvonne; León, Christian D.; Brauer, Friedrike; Hügler, Michael; Keller, Sina; Kosow, Hannah; Krauss, Manuel; Wasielewski, Stephan; Wienhöfer, Jan
With the 2030 Agenda for Sustainable Development, the United Nations have established a catalog of 17 Sustainable Development Goals (SDGs) to achieve a better and more sustainable future for all by 2030. One important aspect, formulated as Goal 6, is ensuring the availability and sustainable management of water and sanitation for all. Achieving SDG6 represents a challenge for planning, governance, and water management, especially in prosperous water-scarce regions, where water demand rises steadily and outgrows sustainable supply. Using the example of the catchment area of the Río Lurín in Lima, Peru, the TRUST project demonstrated how interdisciplinary and transdisciplinary approaches could contribute to meeting the water management challenges that are related to achieving SDG 6 in prosperous regions facing water scarcity. The approaches cover the closely interlinked domains water resources, water use, and water management. For each domain, we set up a comprehensive data base, conducted local analyses, and developed integrated concepts taking the river basin perspective into account. The concepts covered drinking water supply, safe wastewater treatment and disposal, and water reuse. They were developed in close cooperation with local actors and national authorities. The methods and tools can be transferred to other regions of the world with similar challenges. This TRUST Report is intended as a manual to help decision-makers and water management professionals to develop and implement locally adapted solutions for sustainable water management.
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Leitfaden für Konzeption, Aufbau und Betrieb von Schulungs- und Pilotanlagen zur Aufbereitung von Trinkwasser und Reinigung von Abwasser aus einer sozio-technischen Perspektive
(2021) Minn, Fabienne; Hügler, Michael; Kosow, Hannah; Kramer, Hanna; Krauß, Manuel; León, Christian D.; Stauder, Stefan; Wasielewski, Stephan
Dieser Leitfaden soll Hilfestellung bei der Konzeption, dem Aufbau und dem Betrieb von Schulungs- und Pilotanlagen geben, die im öffentlichen Raum implementiert werden. Solche Pilotanlagen erfordern von Beginn an eine soziale Einbettung und sollten daher in einem partizipativen Prozess in enger Kooperation mit den lokalen Akteuren entwickelt und umgesetzt werden. Der Leitfaden folgt den Phasen des Anlagenbaus, wobei Info-Boxen die Inhalte an einem Fallbeispiel aus der Praxis illustrieren. Dabei gibt der Leitfaden praktische Hinweise und Tipps für die partizipative Umsetzung von Pilotanlagen sowie für die Durchführung begleitender Aktivitäten zur Bewusstseinsbildung und dem Aufbau von Kompetenzen. Der vorliegende Leitfaden ist ein Ergebnis des Forschungsprojektes TRUST, das von 2017 bis 2021 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) finanziert wurde. In Zusammenarbeit zwischen dem Zentrum für Interdisziplinäre Risiko- und Innovationsforschung der Universität Stuttgart (ZIRIUS), dem Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft der Universität Stuttgart (ISWA), dem DVGW-Technologiezentrum Wasser (TZW) sowie den peruanischen Nichtregierungsorganisationen Servicios Educativos Rurales (SER) und Horizontes en Medio Ambiente y Salud (HOMAS) wurde in den Jahren 2020/2021 in einem partizipativen Prozess eine Pilotanlage für die Abwasserreinigung in der Gemeinde San Andrés de Tupicocha im Hochland des Einzugsgebiets des Río Lurín, Peru, installiert.
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Recovery of ammonium sulfate solution by regeneration of loaded clinoptilolite
(2022) Wasielewski, Stephan; Rott, Eduard; Minke, Ralf; Steinmetz, Heidrun
The zeolite clinoptilolite (CLI) is known to be a very good ion exchanger, as it consists of a three-dimensional structure formed of AlO4- and SiO4 tetrahedral, which are connected by a common oxygen atom. The micropores formed by this structure (with free diameters in the range of 0.40 nm and 0.72 nm) are fine enough to allow cations and water molecules to enter and be exchanged. CLI is a suitable, inexpensive, and globally available material for removing ammonium from highly-concentrated wastewater and is proven to be selective in ammonium uptake and regeneration since no effect of the provenance of the ammonium (matrix-free NH4Cl solution or sludge water) could be found. However, regeneration of the clinoptilolite is necessary to recover the adsorbed ammonium for further use and restore its capability for ion exchange. Within this work, the method by which clinoptilolite, loaded with ammonium (q = 8.1-16.6 mg/g) from different sludge waters and ammonium chloride solution, can be regenerated to yield a stoichiometric ammonium sulfate solution (ASS), that could be used, e.g., as a fertilizer, was investigated. A regeneration solution containing Na2SO4 (0.25 n(Na2SO4)/n(NH4+ads)) with a varying NaOH ratio (0-2.14 n(NaOH)/n(NH4+ads)) was tested. To obtain a high ammonium concentration in the eluate, a large mass fraction ω of 284 g/kg of CLI in the regeneration solution was applied. The effects of different ammonium loads, different origins of the ammonium, and residual moisture on the necessary components of the regeneration solution, in which an ASS is obtained within a contact time of 10 min at 22 °C, were studied. A stoichiometric ASS from CLI loaded up to a maximum of 13.5 mg/g was obtained with a mixture of 0.25 n(Na2SO4)/n(NH4+ads) together with 0.8-1.0 n(NaOH)/n(NH4+ads) for dry CLI, and 0.75 n(NaOH)/n(NH4+ads) for CLI with residual moisture.