02 Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
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Item Open Access Entwicklung einer Methodik zur Bewertung von Trinkwassertarifen für Privathaushalte in Deutschland(Stuttgart : Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft der Universität Stuttgart ISWA, 2022) Krauß, Manuel; Steinmetz, Heidrun (Prof. Dr.-Ing.)Kern dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Methodik zur ökonomischen, ökologischen und sozialen Bewertung von Trinkwassertarifen für Privathaushalte mittels öffentlich verfügbarer Daten für eine möglichst große Anzahl an Tariffällen. Trinkwassertarife können eine zielführende Maßnahme zur Unterstützung ökonomischer, ökologischer und sozialer Politikziele darstellen. Wasserversorgungsunternehmen (WVU) sind natürliche Monopolisten, die in Deutschland ein einseitiges Preisbestimmungsrecht besitzen. Der übliche Tarif in Deutschland bezeichnet einen Grundtarif auf Basis des Hausanschlusses oder Wasserzählers in Kombination mit einem Arbeitsentgelt, das pro genutzte Wassermenge abgerechnet wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurde auf Basis öffentlich verfügbarer belastbarer statistischer Daten eine Methodik entwickelt, die zur Analyse und Bewertung von Trinkwassertarifmodellen bzw. -änderungen für Privathaushalte genutzt werden kann.Item Open Access Persistente organische Spurenstoffe in Kompost und Rückständen der Biomassevergärung - Belastungsituation, Abbau und Bewertung(2011) Stäb, Jessica; Metzger, Jörg (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich deshalb mit der Analyse verschiedener ausge- wählter organischer Spurenstoffe, sowohl in Komposten als auch in Gärresten. Die Pro- bennahme erfolgte dabei monatlich über ein Jahr hinweg - Proben wurden sowohl von den fertigen Produkten als auch von den Zwischenstufen genommen. In Laborversuchen wurden kontaminierte Materialien den bei der Kompostierung auftretenden Temperatu- ren ausgesetzt, um das Verhalten der Schadstoffe zu beobachten. Desweiteren wurden Versuche zur Aufnahme der analysierten Schadstoffe in Kompostwürmern (Eisenia feti- da) und Pflanzen (Weizen) durchgeführt, sowie Ausgangsmaterialien der Kompostierung und Vergärung analysiert. Hierbei wurden in allen Kompost- und Gärrestproben die Schadstoffe bzw. Schadstoff- gruppen DEHP, 16-EPA-PAK, PCB7, PBDE9, p,p’-DDE, DBE, BBP sowie Nonylphe- nole in quantitativen Mengen gefunden. In einem GC-MS-Screening konnten außerdem verschiedene Fettsäuren, Terpene, PAK-Derivate, Insektizide und Aromastoffe wie Va- nillin und Limonen nachgewiesen werden. In Gärresten lagen die Schadstoffkonzentratio- nen im Allgemeinen höher als in den Kompostproben. Die geringsten Konzentrationen konnten in den Proben des Grüngutkomposts ermittelt werden. Grenzwerte, soweit sie existieren, wurden hierbei nur im Falle von DEHP für einige norwegische Gärrestproben überschritten. Während der Kompostierung, Vergärung und insbesondere der Gärrest- trocknung konnte ein Rückgang der Konzentrationen der Schadstoffe DEHP und der PAK beobachtet werden, ebenso wie bei den Thermoversuchen im Labor. Zwischen der Belastungssituation der Proben, die aus Anlagen mit unterschiedlicher Prozessführung und aus verschiedenen Ländern genommen wurden, zeigten sich deut- liche Unterschiede. So wurden in den norwegischen Komposten und Gärresten deutlich höhere Konzentrationen an DEHP nachgewiesen. In den deutschen Anlagen hingegen wurden höhere Belastungen an PAK, PCB und PBDE festgestellt. Dies mag mit der unterschiedlichen Verwendung der Stoffe, sowie im Falle der PAK, die im Wesentlichen durch Verbrennungsprozesse entstehen, mit einer unterschiedlichen Besiedlungsdichte der Länder zusammenhängen. Betrachtet man die Hintergrundbelastung von Böden mit den beiden Schadstoffgruppen der PCB und PBDE, so zeigen sich deutlich geringere Konzentrationen in Norwegen als in Deutschland. Auch dies mag neben der früheren Verwendung mit der geringeren Besiedlungsdichte zusammenhängen. Hingegen ist die erhöhte Belastung des norwegischen Gärrestes mit DEHP eher prozessbedingt. Eine deutlich geringere Belastung als für die anderen Probentypen konnte für den Kom- post aus reinem Grünschnitt festgestellt werden. Eine Belastung mit Industriechemikali- en trat hier kaum auf. Der Kompost aus der Containerkompostierung wies eine deutlich geringere PAK-Belastung auf als die anderen untersuchten Komposte. In diesem Fall ist ein Eintrag der PAK über den Luftweg während der Hauptrotte ausgeschlossen. Ein deutlicher Unterschied kann auch zwischen der anaeroben und aeroben Abfallbehand- lung beobachtet werden. In den Gärrestproben wurden deutlich höhere Konzentratio- nen nachgewiesen als in den Kompostproben (siehe Kapitel 4.1.1: Konzentrationen der einzelnen Verbindungen). Die Eliminierung der verschiedenen Schadstoffe während der Kompostierung/Vergärung wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst. So spielen so- wohl Temperatur, Dauer des Prozesses, als auch die beteiligten Mikroorganismen eine entscheidende Rolle. Neben dem Abbau haben weitere Faktoren wie Mineralisierung, nichtkovalente und kovalente Bindung an Partikel (z.B. Humus) und Evaporation einen Einfluss auf die Konzentrationsabnahme der Schadstoffe. Vor allem die Trocknung des Gärrestes nach der Vergärung führt zu einem hohen Konzentrationsverlust an DEHP und den flüchtigeren PAK. Auch die Temperatur während der Vergärung und damit die beteiligten Mikroorganismen scheinen einen Einfluss auf die Schadstoffkonzentra- tion zu haben. Gärrest aus einer mesophilen Vergärung weist deutlich höhere DEHP- Konzentrationen auf als Gärrest aus der thermophilen Vergärung (siehe Kapitel 4.1.2: Abhängigkeit der Konzentration vom Kompostierungsgrad und der Trocknung des Gär- restes ). Experimente zur Untersuchung des Einflusses der Temperatur auf Abbau und Mineralisierung haben ebenfalls gezeigt, dass die Temperatur einen großen Einfluss auf die Schadstoffkonzentration ausübt.Item Open Access Entwicklung eines Systems zum mechanischen Biomasseaustrag bei Biorieselbettreaktoren(2005) Piyaprasit, Chatchaval; Engesser, Karl-Heinrich (Prof. Dr. rer. nat.)In dieser Arbeit wurde eine neue Entwicklung des Biorieselbettreaktors für die Abluftreinigung zur Entfernung von Überschussbiofilmen und zur Vermeidung von Verstopfungen "sog. Clogging" der Schüttung erarbeitet. Die Leistungsfähigkeit und Machbarkeit des Reaktors wurden parallel mit einem konventionellen Rieselbettreaktor (Festbettreaktor, FBR) im halbtechnischen Maßstab (Schüttungsvolumen 144 L) untersucht. Als Modellschadstoff wurde Toluol in der Untersuchung verwendet. Die beiden Reaktoren wurden mit der gleichen angereicherten Kultur aus einer Abwasserprobe der Scheibentauchkörper der Kläranlage der Universität Stuttgart betrieben. In dem Festbettreaktor (FBR) hing der Druckverlust und die Schadstoffabbauleistung von dem Wachstum und der Akkumulation der Biomasse ab, weil die spezifische Biofilmoberfläche mit zunehmender Dicke des Biofilms reduziert wurde und die Stoffübertragung durch die Verstopfung des Biofilms abnahm. Während der Druckverlust stiegt (von 0 bis etwa 1560 Pa m-1), sankt hingegen die Abbauleistung dieses Reaktors mit der Betriebslaufzeit. Die Verstopfung der Schüttung bei der Untersuchung (spez. Volumenbelastung 22 - 33 g C m-3 h-1) trat drei bis vier Monate nach dem Anfahren auf. In dem Mischbettreaktor (MBR) wurde der Biofilm erfolgreich durch mechanische Scherkräfte, die durch das periodische Mischen des entwickelten Mischwerkzeuges gebildet werden, abgelöst und dieser wurde mit der durchgerieselten Flüssigkeit aus der Schüttung ausgetragen. Im Laufe eines Zeitraums von zwei Jahren mit einem Füllkörpergemisch aus "Floating Ball" und "Polyhedral Hollow Ball" und in einer mehrmonatigen Untersuchung mit dem neu hergestellten Füllkörper war es stets erfolgreich zur Entfernung des Überschussbiofilms von der Füllkörperschüttung gekommen. Somit konnten die Druckverluste ständig niedrig gehalten werden (0 - 42 Pa m-1) und eine Verstopfung der Reaktorschüttung hat nicht stattgefunden. Im Vergleich zum FBR wies der MBR deutlich längere störungsfreie Betriebszeiten und geringere Druckverluste auf. Bei der zugeführten spezifischen Volumenbelastung von bis zu ca. 80 g C m-3 h-1 wurde der eingetragene Schadstoff zu fast 100% beim Betrieb mit einer Stromverweilzeit von 35 s und von 96 s in der quasistationären Phase abgebaut. Im gleichen Belastungbereich war die Eliminationkapazität bei einer Verweilzeit von 17 s geringer und die Schadstoff wurde ca. 80 % abgebaut. Die verwendeten Füllkörper spielten dabei eine wichtige Rolle für die Leistungs-fähigkeit des MBRs. Der geeignete Füllkörper für den MBR sollte sowohl die Anforderungen für den konventionellen Biorieselbettreaktor erfüllen als auch geeigneten Eigenschaften für die Mischverfahren besitzen. Eine komplizierte Füllkörperform zum teilweisen Schutz des Biofilms vor Scherkräften und ein hoherer Lückengrad der Füllköperschüttung des Füllkörpergemischs aus „Floating Ball“ und "Polyhedral Hollow Ball" wiesen dabei die höhere Leistungsfähigkeit in Phasen nach dem Mischen und in quasistationären Phasen auf als die Kugelform der neu hergestelleten Füllkörper, die eine höhere Rauheit aufwiesen. Bei MBR hatten Mischzustände Einfluss auf die Akkumulation der Biomasse in der Schüttung und die Akkumulation hatte weiter Effekte auf die Leistungsfähigkeit. Die Abbauleistung des MBRs wies eines deutlichen Unterschied zwischen 10 min und 2 min Mischdauer auf. Beim 2 min Mischdauer blieb viel abgelöste Biomasse in der Schüttung hängen wodurch Biomasseklumpen und anaeroben Zonen entstanden, so dass wärend einer langen Betriebslaufzeit die Abbauleistung geringer und instabiler wurde. Ein Vergleich der Abbauleistung in Abhängigkeit von der Schalthäufigkeit des Mischvorgangs von 1 mal alle 4 Tage bzw. von 1 mal jede Woche zeigt dabei keinen großen Unterschied. Untersuchungen mit dem Füllköpergemisch (aus "Floating Ball" und "Polyhedral Hollow Ball") zeigten, dass der Energiebedarf pro Mischvorgang des MBRs gering war. Bei längerer Betriebslaufzeit war der Energieverbrauch des MBRs durch Druckverluste und Mischen stabil. Im Gegensatz hierzu war der Energieverbrauch des FBRs durch Druckverluste abhängig von der Biomasseakkumulation und stieg mit der Laufzeit. Über einen Teil des Versuchszeitraums hinweg war er höher als der gesammte Energieverbrauch des MBRs (aus Druckverlusten und dem Mischen). Da der Druckverlust ein wichtiger Parameter für die Betriebskosten der biologischen Abluftreinigung ist, können die Betriebskosten für den MBR günstiger als für den FBR sein. Beim dem Konzept des MBRs können die Biomasse, der Druckverlust und die Abbauleistung im Betrieb durch eine Automatisierungssystem gesteuert und online kontrolliert werden.Item Open Access Entwicklung und Validierung eines CSB-basierten und temperatursensitiven Bemessungsansatzes für Tropfkörper : Untersuchungen an technischen und halbtechnischen Tropfkörpern in warmen Klimazonen(Stuttgart : Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft der Universität Stuttgart ISWA, 2020) Seeger, Michael; Steinmetz, Heidrun (Prof.-Dr.-Ing.)Untersuchungen an technischen und halbtechnischen Tropfkörperanlagen in warmen Klimazonen zur Evaluierung des Temperatureinflusses auf die Kohlenstoffelimination und Nitrifikation. Entwicklung, Kalibrierung und Validierung eines CSB-basierten und temperatursensitiven Bemessungsansatzes für Tropfkörper, basierend auf den gewonnenen Betriebsdaten sowie Literaturwerten. Zudem flankierende (halbtechnische) Untersuchungen zum Einfluss konstant erhöhter Salzgehalte (bis 10 g/l NaCl) auf die Kohlenstoffelimination im Tropfkörper.Item Open Access Der mikrobielle Abbau von Etherverbindungen unter besonderer Berücksichtigung von Aralkyl- und Alkylethern(1999) Kim, Yong-Hak; Engesser, K.-H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Die meisten Aralkylether- und Alkylether-abbauenden Stämme gehörten zu Rhodococcus. Die zwei Rhodococcus Stämme DEOB100 und DEOB200 bauten durch eine O-Dealkylierungsreaktion 1,4-Diethoxybenzol, 1,3- und 1,4-Dimethoxybenzole ab. Die Rhodococcus Stämme St127 und DEE5151 bauten jeweils nach der Anzucht mit Anisol oder Phenetol Aralkylether via 1-Hydroxy-2-Alkoxybenzole ab. Der mit Diethylether angezogene Stamm DEE5151 setzte dazu diese Chemikalien durch eine O-Dealkylierungsreaktion zu Phenol um. Der bisher taxonomisch nicht klassifizierte Stamm MOB600, der ein breites Substratspektrum an substituierten Benzolen und Phenolen wie z.B. Benzol, Toluol, Styrol, Anisol, Phenetol, o/m/p-Kresole, 2-Methoxyphenol und 3-Methoxyphenol sowie an Biphenyl besaß, wies eine primäre Dioxygenierungsreaktion zum Abbau von Aralkylethern hin. Der aliphatische Alkylether-abbauende Stamm DEE5151 besaß ein breites Substratspektrum an aliphatischen Alkylethern, Phenetol und Dibenzylether. Während seines Wachstums mit geeignetem Ether (z.B. Diethylether) wurden die O-Dealkylase und die Alkohol-Oxidase induziert. Ethylvinylether und Glutaraldehyd hemmten spezifisch die beiden O-Dealkylase und Alkohol-Oxidase. Aus den Hemmexperimenten damit wurde festgestellt, daß die beiden Enzymsysteme während des Stoffwechsels von Diethylether zusammenwirkend aktiv sind. Aus den vergleichenden Untersuchungen mit den Dibenzylether-abbauenden Sphingomonas Stämmen BZE101 und BZE102 her, wird bestätigt, daß die O-Dealkylase vom Stamm DEE5151 bevorzugt ein O-Methylen-C-Atom attackierte. Im Vergleich dazu ergaben die cyclische Alkylether-abbauenden Stämme THF100 und THF400 ein unterschiedliches Oxidationsmuster mit cyclischen, aliphatischen und halogenierten Alkylethern. Daraus wurde hypothetisch postuliert, daß die THF-Hydroxylase nur cis-Rotationsisomer von Diethylether, das der Struktur von Tetrahydrofuran ähnelt, spezifisch oxidieren kann.Item Open Access Der Abbau von Fluorbenzol und seinen Homologen durch Burkholderia fungorum FLU 100(2007) Strunk, Niko; Engesser, Karl-Heinrich (Prof. Dr.)Der Stamm Burkholderia fungorum FLU 100 besitzt die unter den Bakterien äußerst selten zu findende Eigenschaft, Fluorbenzol als alleinige Kohlenstoff- und Energiequelle nutzen zu können. Außerdem kann der Stamm auch die anderen Monohalogenbenzole sowie Benzol und Toluol - als Reinstoff oder in beliebigen Mischungen - vollständig produktiv verwerten. In dieser Arbeit wurden ein Teil des Abbauweges sowie die Einsatzmöglichkeiten des Stammes im Rahmen der biologischen Abluftreinigung erforscht. Der Stamm FLU 100 kann mit Halogenatomen oder Alkylgruppen di- und höher substituierte Benzole nicht abbauen. 3-Fluorphenol ist hingegen abbaubar, jedoch wird hierzu, abweichend vom Fluorbenzolabbauweg, mindestens ein weiteres Enzym, eine Phenoloxygenase exprimiert. Zur Aufklärung der Aromatenabbauwege wurde Burkholderia fungorum FLU 100 mittels einer Tn5 Variante (pCro2) mutiert. Die Untersuchung der gewonnenen Transposonmutanten lieferte zahlreiche Metabolite des oberen Abbauweges. Das initiale Dioxygenasesystem greift die angebotenen benzoiden Substrate stets in Orthoposition zum Substituenten an. Dadurch wird die Aromatizität aufgehoben, es werden in 3 Position substituierte Cyclohexa 3,5 dien 1,2 diole (Diendiole) gebildet, welche beim Abbau von Monohalogenaromaten das Halogenatom in 3 Position tragen. Diese Metabolite werden zu den entsprechenden, an der 3 Position substituierten Catecholen zyklisiert, welche wiederum zu 2 substituierten Muconaten oxidativ gespalten werden. Aus den Muconaten entstehen in einem weiterem Schritt Muconolactone. Die Catechol-1,2-dioxygenase weist dabei klassische Typ – II Kinetik auf. Der Stamm FLU 100 verfügt über eine bemerkenswert hohe Fluorid – Toleranz. Er stellt das Wachstum erst ab 200 mmol/L im Medium ein. Zwei Biotricklingfilter im Technikumsmaßstab wurden konstruiert und über anderthalb Jahre hinweg betrieben. Als Packungsmaterial kam Blähton zum Einsatz. Es zeigte sich, dass fluorbenzolbelastete Abluft mit einer geringen Eliminationskapazität von ca. 5 g/m3h abgereinigt werden konnte, der Wirkungsgrad lag dabei um die 50 %. Eine äquimolare Mischung aus Fluorbenzol und Chlorbenzol konnte mit einer Eliminationskapazität zwischen 6 und 10 g/m3h behandelt werden. Dabei lag der Wirkungsgrad bezüglich des Fluorbenzols bei ca. 50 %, der des Chlorbenzols bei ca. 90 %. In den Reaktorsümpfen sammelten sich Fluorwasserstoff und Chlorwasserstoff als saure Metabolite an. Diese konnten mit Natriumhydrogencarbonat neutralisiert werden. Weiße, kristalline Ablagerungen traten mit der Zeit in den Reaktorsümpfen auf. Diese enthielten entgegen den Erwartungen nur sehr wenig Calciumfluorid (Fluoranteil 5 %), sondern vor allem Calcium, Sauerstoff, Phosphor und Silizium.Item Open Access Recycling of coffee by-products by composting in context of climate-relevant emissions and products(Stuttgart : FEI e.V. Eigenverlag, 2023) San Martin Ruiz, Macarena; Kranert, Martin (Prof. Dr.-Ing.)Coffee has become one of the most popular beverages and provides a livelihood for millions of people around the world. Coffee is one of Costa Rica's most important and emblematic exports (about one and a half million bags per year) and is closely linked to the country's national identity. However, climate change poses a challenge to the livelihoods of Costa Rican coffee farmers and the long-term viability of the crop. Thus, the environmental impact of coffee production must also be reduced and made more sustainable. Therefore, it is necessary to treat the residues from coffee production as climate-neutral and resource-saving as possible in the sense of a circular economy. This is of particular importance, not least because the consumption of coffee has increased worldwide. Agriculture and waste management are disconnected from each other worldwide. This leads to permanent nutrient depletion of soils and high greenhouse gas (GHG) emissions due to insufficient or excessive use of fertilizers. Coffee by-products, especially coffee pulp, are usually considered waste on coffee plantations and are mostly discarded or disposed of in rivers. In some cases, composting of residues also takes place, which usually results in high emissions due to improper rotting processes. In the context of global warming, inadequate composting and mineral fertilization contribute to greenhouse gas emissions. Composting emits greenhouse gases such as methane from the decomposition of organic material and carbon dioxide from fossil fuels from the equipment required to turn and process the waste. Fertilization of coffee plants, on the other hand, emits greenhouse gases such as nitrous oxide from the soil, especially when nitrogen fertilizers are used. This leads to serious consequences for the climate and the environment. The purpose of the present thesis was to investigate which methane emissions occur with the current treatment method of the residues and how an optimized composting process can significantly reduce these emissions and at the same time produce an organic fertilizer. In addition, nitrous oxide emissions from the use of composts compared to mineral fertilizers on coffee plantations should be investigated. This should contribute to making coffee production more sustainable.Item Open Access Adsorptive removal of phosphonates and orthophosphate from membrane concentrate using granular ferric hydroxide(Stuttgart : Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft der Universität Stuttgart ISWA, 2022) Reinhardt, Tobias David; Schönberger, Harald (PD Dr.-Ing. habil.)Phosphonate werden als Komplexbildner in diversen Industriezweigen, in Kühlwassersystemen und auch in der Trinkwasseraufbereitung eingesetzt. Sie sind Additive mit Thresholdeffekt, d. h. bereits im unterstöchiometrischen Bereich verhindern sie effizient die Bildung von Ausfällungen oder verzögern diese zumindest. Sie sind gut wasserlöslich, aber auch über einen weiten pH- und Temperaturbereich stabil. Durch ihre C-P Bindung sind sie im Vergleich zu Molekülen mit N-P, S-P oder O-P Bindung relativ persistent gegenüber chemischem und biologischem Abbau. Der Verbrauch der als Komplexbildner eingesetzten Phosphonate stieg in den letzten Jahrzehnten weltweit deutlich an; im Zeitraum von 1998 bis 2012 beispielsweise um fast 70 % von 56.000 t auf 94.000 t. In der Regel werden Phosphonate über den Abwasserstrom entsorgt. Eine Bilanzierung für das Jahr 2012 zeigte, dass in Europa etwa 7.800-13.700 Tonnen der in der Industrie eingesetzten Phosphonate durch Direkteinleiter in Gewässer eingetragen wurden. Davon entfielen etwa 65 %-90 % auf Kühlwässer und Membrankonzentrate, für die eine innerbetriebliche Abwasserbehandlung vor der Einleitung oft unüblich ist. In Deutschland ist die Einleitung von Membrankonzentraten aus der Trinkwasseraufbereitung, die häufig Konzentrationen > 1 mg/L P aufweisen, genehmigungsfähig, wohingegen die Anforderungen an die Phosphorelimination in kommunalen Kläranlagen stetig steigen. Phosphonate stehen im Verdacht zur Eutrophierung von Gewässern beizutragen, da sie teilweise in der aquatischen Umwelt durch katalytische Oxidation, Photolyse, Hydrolyse sowie mikrobielle Prozesse langfristig zu ortho-Phosphat abgebaut werden können. Darüber hinaus haben Phosphonate eine hohe Adsorptionsaffinität, welche zu einer starken Akkumulation der Phosphonate in den Gewässersedimenten führt. Das Erreichen der Adsorptionskapazität der Sedimente könnte zukünftig zu einem deutlichen Anstieg der Phosphonatkonzentrationen in Gewässern führen. Infolgedessen sind ökotoxische Effekte mit unbekannten Umweltwirkungen zu erwarten, wie zum Beispiel die Rücklösung von Schwermetallen. Um die Ziele der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie zu erreichen, sollten daher neben Verfahren zur Elimination von ortho-Phosphat auch Behandlungsverfahren für die Gruppe der Phosphonate entwickelt und untersucht werden. Eine Möglichkeit zur Behandlung des Membrankonzentrats aus der Trinkwasseraufbereitung stellt die Adsorption an geeignete Filtermaterialien wie beispielsweise‚ Eisen(hydr)oxid dar, welche die hohe Adsorptionsaffinität der Phosphonate nutzen. In den publizierten Studien zur Adsorption von Phosphonaten an granuliertem Eisenhydroxid (GEH) fehlen u. a. Untersuchungen der Materialstabilität, der Regenerierbarkeit und der Anwendung auf reale Abwässer in Festbettsäulen. Außerdem können die in der (Abwasser-)Matrix vorhandenen Ionen einen großen Einfluss auf die Adsorption von Phosphorverbindungen haben. In einigen Studien zur Adsorption von Phosphat sowie dem Phosphonat Nitrilotris(methylenphosphonsäure) (NTMP) an GEH wurde zwar der Einfluss einzelner Ionen untersucht, in realen Abwässern liegen jedoch verschiedene Ionen zugleich vor und können interagieren. Die publizierten Studien zur Festbettadsorption beschränken sich auf synthetische Lösungen mit dem Phosphonat NTMP und betrachten maximal drei Adsorptions-/Desorptionszyklen, so dass eine Vorhersage über die langfristige Anwendbarkeit von GEH unsicher ist. Ziel dieser Arbeit war es, die Adsorption von ortho-Phosphat und insbesondere Phosphonaten an GEH zu untersuchen. Dies sollte dem übergeordneten Ziel dienen, den Adsorptionsprozess näher zu verstehen, um diesen auf die Behandlung von ortho-Phosphat- und DTPMP-haltigem Membrankonzentrat anzuwenden und somit dazu beizutragen, den Phosphor-Eintrag in die Gewässer zu vermindern. Hierfür wurden zunächst Batchversuche mit Phosphonat-aufgestocktem Reinstwasser durchgeführt, um den Adsorptionsprozess detailliert zu untersuchen und weitergehende Experimente in Festbettsäulen mit dem Membrankonzentrat einer Trinkwasseraufbereitungsanlage vorzubereiten. In den Batchversuchen kamen die hinsichtlich ihrer Verwendungsmenge relevantesten Phosphonate 2-Phosphonobutan-1,2,4-tricarbonsäure (PBTC), 1-Hydroxyethan-(1,1-diphosphonsäure) (HEDP), NTMP, Ethylendiamintetra(methylenphosphonsäure) (EDTMP) und Diethylentriaminpenta(methylenphosphonsäure) (DTPMP) sowie Hydroxy(phosphono)essigsäure (HPAA) zum Einsatz. In dieser Arbeit wurden dazu in einem ersten Schritt vier verschiedene GEH in Batchversuchen eingesetzt, um deren Adsorptionskapazitäten miteinander zu vergleichen. Die maximale Beladung bei einer Ausgangskonzentration von 1 mg/L NTMP-P, einer Kontaktzeit von 7 d und bei Raumtemperatur (20 °C) betrug ~12 mg P/g GEH. Eine Erhöhung der Ausgangskonzentration auf 5 mg/L NTMP-P resultierte in einer maximalen Beladung von ~18 mg P/g. Mit dem GEH mit der größten Adsorptionskapazität wurden daraufhin weitere Untersuchungen zum Einfluss der Temperatur, des pH-Wertes sowie der Phosphonateigenschaften auf die Adsorptionskapazität und zu einer anschließenden Regeneration durchgeführt. Es zeigte sich, dass die maximale Beladung bei einer Ausgangskonzentration von 1 mg/L NTMP-P und bei einer Temperatur von 5 °C im Vergleich zur Beladung bei 20 °C um > 40 % auf lediglich ~7 mg P/g abfiel. Niedrige Abwassertemperaturen sollten daher bei einem Einsatz von GEH zur Phosphonat-Adsorption vermieden werden. Die Adsorptionskapazität des GEH ließ bei allen sechs untersuchten Phosphonaten mit steigendem pH-Wert nach (z. B. 80 % NTMP Elimination bei pH 4 und 25 % bei pH 12). Mit steigender Molekülgröße und Anzahl an Phosphonatgruppen der untersuchten Polyphosphonate sank die Adsorptionskapazität des GEH. In fünf Adsorptions-/Desorptionszyklen konnte nachgewiesen werden, dass eine Regeneration des GEH mit 1 M Natronlauge (NaOH) möglich ist. In weiteren Batchversuchen wurde der Einfluss zusätzlich anwesender Ionen in An- und Abwesenheit von GEH auf die Elimination von Phosphonaten und ortho-Phosphat untersucht. Hierbei lag der Fokus insbesondere auf Calcium (CaII) und der möglichen Ausfällung von Calciumverbindungen. In Untersuchungen mit verschiedenen Calcium-Phosphonat-Verhältnissen (0:1 bis 60:1) wurde festgestellt, dass der Calciumanteil im GEH eine wesentliche Rolle im Adsorptionsprozess einnimmt, da sich dieser rücklösen und dadurch das Calcium-Phosphonat-Verhältnis erhöhen kann. Bei pH > 8 kam es auch in Abwesenheit von GEH zur Elimination von Phosphonaten, wenn bestimmte Calcium-Phosphonat-Verhältnisse überschritten wurden. Dies ist auf die Ausfällung von Calcium-Phosphonat-Komplexen zurückzuführen. Weitere Untersuchungen mit DTPMP-haltigem Membrankonzentrat und dessen synthetischen Replikas zeigten, dass der Einfluss von Nitrat- und Sulfationen auf die Adsorptionsvorgänge vernachlässigbar war, (Hydrogen-)Carbonationen jedoch in Konkurrenz zur Adsorption von Phosphonaten und des ortho-Phosphats standen. Die Gegenwart von CaII hatte bis pH 8 einen positiven Einfluss auf die Adsorption der Phosphonate und ortho-Phosphat, wahrscheinlich durch die Bildung ternärer Komplexe. Unter Anwesenheit von CaII bei pH > 8 und von MgII bei pH > 10 kam es zu Ausfällungen. Die softwaregestützte Modellierung (PHREEQC Interactive 3) zur Berechnung von Speziation und Lösungsgleichgewichten zeigte, dass es sich dabei neben Calcium-DTPMP-Komplexen auch um anorganische Ausfällungen von Calcium, Magnesium und Phosphat handeln kann. Bei zusätzlicher Anwesenheit von (Hydrogen-)Carbonat kann es zu Ausfällungen von Calciumcarbonat und/oder Dolomit (CaMg(CO3)2) kommen. All diese Ausfällungen können die Phosphonat- sowie ortho-Phosphatkonzentrationen entweder durch direkte Fällung oder durch deren Adsorption an den Ausfällungen vermindern. Es ist davon auszugehen, dass sich das Membrankonzentrat aus Trinkwasseraufbereitungsanlagen durch seinen hohen Gehalt an CaII und MgII für die Adsorption an GEH anbietet, sofern potenzielle Ausfällungen den Adsorptions-/Desorptionsprozess nicht stören. In Experimenten mit Festbettsäulen wurde anschließend die Anwendbarkeit des GEH zur Behandlung von Membrankonzentrat aus der Trinkwasseraufbereitung über bis zu 24 Zyklen hinweg untersucht. Hierfür wurden zunächst Untersuchungen mit Phosphonat-aufgestocktem Reinstwasser durchgeführt, bevor in weiteren Experimenten mit Membrankonzentrat der Einfluss des pH-Wertes sowie verschiedener Regenerationsmethoden untersucht wurde. Experimente mit einer synthetischen Lösung bestehend aus Reinstwasser, DTPMP und einem Puffer zeigten, dass das GEH erfolgreich mit 1 M NaOH nahezu vollständig regeneriert werden konnte. Obwohl die Verwendung frischer NaOH in jedem Zyklus eine geringfügig bessere Regenerationseffizienz zeigte, wird aufgrund wirtschaftlicher und ökonomischer Vorteile die Wiederverwendung der NaOH empfohlen. Bei Untersuchungen mit Membrankonzentrat mit seinem Ausgangs-pH-Wert (pH ≅ 8) sank die Adsorptionseffizienz von ≥ 92 % in den ersten beiden Adsorptions-/Desorptionszyklen auf 29 % im achten Zyklus deutlich ab. Dies ist auf Ausfällungen von Calciumverbindungen an der Oberfläche des GEH zurückzuführen, die die Adsorptions-/Desorptionsprozesse stören. Um diese Störungen zu vermeiden, sollten die Ausfällungen entweder vermieden oder wieder entfernt werden. Um die Ausfällungen zu vermeiden, wurde der pH-Wert des Membrankonzentrats auf pH 6 abgesenkt. Hierdurch konnte zwar über 20 Zyklen hinweg stabil eine Adsorptionseffizienz von ≥ 90 % pro Zyklus erreicht werden, aufgrund der hohen Pufferkapazität des Membrankonzentrats ist jedoch von einer derart starken pH-Absenkung abzuraten. Experimente ohne pH-Absenkung, aber mit einem zusätzlichen sauren Regenerationsschritt zur Entfernung von Ausfällungen, zeigten eine kumulative Adsorptionseffizienz von > 95 % über 20 Adsorptions-/Desorptionszyklen. Die verwendete Salzsäure konnte dabei über den gesamten Zeitraum wiederverwendet werden, wenn deren pH-Wert durch eine Regelung stabil bei pH 2,5 gehalten wurde. Die Natronlauge des alkalischen Regenerationsschrittes konnte ebenfalls über alle Zyklen hinweg verwendet werden. Ein Austausch der Natronlauge konnte die Desorptionseffizienz jedoch erhöhen, die elektrische Leitfähigkeit konnte als Parameter für den Zeitpunkt ihres Austausches dienen. Während Calcium nur durch die saure Regeneration entfernt wurde, fanden sich DTPMP und ortho-Phosphat nahezu ausschließlich in der alkalischen Regenerationslösung. Demzufolge handelte es sich bei den Ausfällungen nicht um phosphorhaltige Calciumverbindungen, sondern um Calciumcarbonat. Die Rücklösung von Eisen aus dem GEH während der sauren und alkalischen Regeneration war vernachlässigbar. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass GEH ein geeignetes Adsorbens zur Elimination von Phosphonaten und ortho-Phosphat aus Membrankonzentrat aus der Trinkwasseraufbereitung ist. Durch die gezielte Behandlung von Membrankonzentrat kann der Phosphonateintrag in die Gewässer reduziert werden und somit ein Beitrag zum Umweltschutz und zum Erreichen der Ziele der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie geleistet werden. Ein überschlägiger Kostenvergleich zeigt, dass die Adsorption an GEH in Bezug auf Kosten mit Fällung-/Flockungsprozessen konkurrenzfähig ist, obwohl beim Adsorptionsprozess eine bessere Eliminationsseffizienz erreicht werden kann.Item Open Access 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.Item Open Access Investigations on the applicability of bentonite, dolomite and vermicompost as natural adsorbents for the decolorization of textile wastewater(Stuttgart : Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft der Universität Stuttgart ISWA, 2023) Khalilzadeh Shirazi, Elham; Metzger, Jörg W. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)This thesis focused on the applicability of bentonite, dolomite and vermicompost as natural adsorbents for the removal of cationic and anionic textile dyes from colored wastewater. The application of natural granular bentonite in a fixed-bed column for the treatment of wastewater resulting from the acrylic fiber dyeing process pretreated with the coagulation-flocculation process in the wastewater treatment plant of the Iranian textile company of Acryl Tab was studied. The potential reuse of the treated wastewater in the studied company was investigated. Furthermore, the application of the spent bentonite in the production of lightweight aggregates (LWAs) was studied as possibility to minimize the environmental impacts of the disposal of the produced waste material. Natural granular bentonite and other natural materials were studied in this thesis in terms of their color removal efficiency and the possibility to be applied as adsorbent in a fixed-bed column. Granular bentonite was selected for further detailed studies. Adsorption experiments included batch and fixed-bed column experiments. The evaluation of efficiencies of the studied treatment systems was based on decolorization and COD reduction. A series of pilot-scale fixed-bed column (diameter 5 cm/ height 1 m) tests were conducted to examine the breakthrough curves and to evaluate the efficiency of granular bentonite to remove color and COD under different set-up and operating conditions, including bed height and flow rate. The X-ray diffractogram of the natural granular bentonite showed that it was primarily composed of montmorillonite as the main mineral phase. The textile wastewater which beforehand had been subjected to coagulation-flocculation and sedimentation processes had a yellowish-orange color which corresponded to 20.2 m-1 for SAC436 nm, 6.4 m-1 for SAC525 nm, 3.9 m-1 for SAC620 nm and to 456 mg Pt-Co L-1 (The Pt-Co method was used only for the comparison with the Iranian discharge limit standard). These color parameters of the pretreated wastewater neither comply with Iranian nor with German discharge limits into water bodies for textile wastewaters, which are in Iran: 75 mg Pt-Co L-1, in Germany: 7 m-1 for SAC436 nm, 5 m-1 for SAC525 nm and 3 m-1 for SAC620 nm, nor with water reuse requirements for textile processing, i.e. non-visible color (with reference to the European AquaFit4Use project). The pretreated wastewater was characterized by an alkaline pH of 11.6, a COD value of 890 mg L-1 and a conductivity of 2213 μS m-1. In the batch studies, granular bentonite showed an effective removal for color and COD. 5 g granular bentonite/L was found to be the optimized amount for maximum color and COD reduction. In the batch experiments, the color reduction was 88.1% (SAC436 nm), 70.3% (SAC525 nm) and 71.8% (SAC620 nm), respectively. The Langmuir model efficiently described the adsorption process of color on granular bentonite for all three wavelengths (SAC 436, 525 and 620 nm). This suggests that the removal of color using natural granular bentonite occurred via monolayer adsorption. Moreover, the results showed that the adsorption process followed more satisfactorily a pseudo-second-order model than a pseudo-first-order model indicating that the adsorption process is presumably chemical adsorption. Under optimum conditions, results illustrated that the COD could be lowered from initial 890 mg L-1 to 403 mg L-1 (removal efficiency 54.7%). The Freundlich model can effectively describes the adsorption process of COD on granular bentonite, and the COD removal on granular bentonite followed the pseudo-second-order kinetics. In continuous adsorption experiments using a fixed-bed column packed with granular bentonite, the effect of the different flow rates 5, 10 and 20 ml min-1 and bed heights 5, 10 and 20 cm on the removal efficiency of color and COD was studied. The highest bed height and the lowest influent flow rate were found to be the best condition for color adsorption, i.e. color was effectively removed in a fixed-bed column with 20 cm bed height at a flow rate of 5 ml min-1. The color of the treated effluent was lowered from 20.2 to 3.9 for SAC436 nm, 6.4 to 1.5 for SAC525 nm, and 3.9 to 1.4 for SAC620 nm, respectively. Decolorization efficiencies of 93% (Pt-Co method), 80% (SAC436 nm), 67% (SAC525 nm) and 64% (SAC620 nm) were reached. COD of the treated effluent from the fixed-bed column was lowered from 890 mg L-1 to 382 mg L-1, i.e. 57% of the COD was eliminated. These results show that granular bentonite for the decolorization of the textile wastewater is effective. The treated wastewater at a breakthrough point from the fixed-bed column (20 cm adsorbent height, 5 ml min-1 flow rate) not only fulfils the requirement for reuse in the textile wet processing (“non-visible” color) but also reached the German and Iranian discharge limits in terms of the color of the treated effluent. The results show that the treated wastewater from the fixed-bed adsorption column has 32 mg Pt-Co L-1 which is below the determined limited value in Iran for discharging the treated effluent into the environment. The color parameters of the treated wastewater resulted below 7 m-1 for SAC436 nm, 5 m-1 for SAC525 nm and 3 m-1 for SAC620 nm, which fulfilled German minimum discharge limits into water bodies for textile wastewaters. The COD of the treated effluent from the fixed-bed column (382 mg L-1) can meet the COD range limit of “low-quality water” for reuse purposes (with reference to the European AquaFit4Use project). The conductivity and pH of the wastewater after treatment reached 1565 μS m-1 and 8.15, respectively, fulfilled limits for the “general water reuse” for the conductivity, and “medium- to low-quality water” requirement for pH. Therefore, the treated textile wastewater can be proposed to be reused in the production process of the studied textile industry for rinsing/washing applications (washing down the equipment and washing the floors) as well as for washing the fibers for part of the pretreatment before dyeing. In conclusion, the adsorption using granular bentonite can be applied as a treatment step combined with the other conventional treatment methods in the studied industry to remove color and to reduce COD sufficiently from the wastewater of the acrylic fiber dyeing process to be reused for washing purposes. The reuse of the treated wastewater in the studied company can reduce water consumption. Therefore, the solution of water closed-loop recycling is suggested for achieving sustainability in water consumption in this textile finishing industry. Moreover, the treatment with the natural adsorbent can decrease the contamination of surface and ground waters since the studied industry (Acryl Tab CO.) usually discharges the pretreated textile effluent from its wastewater treatment plant into the municipal wastewater sewer and/or on agricultural lands (rice fields). Based on the scale-up method developed by Forntwalt and Hutchins (1966), the parameters to design and implement a fixed-bed column at an industrial scale were calculated as: area A = 0.84 m2, diameter d = 1.04 m and height between 3.12 and 5.12 m. According to the results from 5 cm, 10 cm and 20 cm bentonite bed heights at pilot-scale, the design column can treat 37.5 m3, 56.25 m3 and 100 m3 of wastewater, respectively in 6 h, 9 h and 16 h (at break through points) using 2287 kg, 4569.6 kg and 9150.4 kg of bentonite which is required for the treatment of wastewater with a flow rate of 150 m3 d-1. As the company works mainly in 2 working shifts, 6098 kg bentonite (5 cm bed height), 8123.73 kg bentonite (10 cm bed height) and 9150.4 kg bentonite (20 cm bed height) is required per day to treat the generated wastewater. As the quality of the treated wastewater at breakthrough points of all bentonite bed heights (5, 10 and 20 cm) fulfilled the requirements for water reuse (low-quality water for washing purposes based on the Aquafit4use project), the amount of bentonite scaled up from the pilot-scale column with 5 cm bed height will be reasonable to be considered in practice for the studied industry from the economic point of view. Accordingly, as the company works mainly in 2 working shifts (16 h), 6098 kg of bentonite is needed to treat the produced wastewater per day. Considering the price of the natural bentonite provided from an Iranian company, only 83 euro should be spent to supply this amount of bentonite per day. However, the amount of bentonite can be a considerable quantity to handle and to process. With reference to the life cycle impact assessment (LCIA) and Monte Carlo analysis results, the ratio of the mean price of wastewater treatment with 86.6 kg bentonite per hour to the mean price of wastewater treatment with 3.8 kg activated carbon per hour concluded 0.06. Therefore, natural bentonite was concluded as a much more environmentally friendly and cheaper alternative compared to activated carbon, a common adsorbent in wastewater treatment, for the treatment of the pretreated acrylic fiber dyeing wastewater in Iran. Another aim of this thesis was to investigate the possibility of using the spent adsorbent as a new raw material source in the production of construction materials. In other words, to convert waste (the used adsorbent) into a usable resource. In this thesis, spent bentonite was applied in the production of LWAs such as LECA (lightweight expanded clay aggregate). This solution can help to avoid producing secondary pollution and to increase the value of the produced waste by converting it into an efficient material. The properties of the generated LWAs from the spent waste were compared to the conventional LWAs, i.e. LECA produced at LECA CO. using natural clay. To produce LWAs using spent bentonite, the mixtures were blended with water and an additive (1% mazut), then shaped into pellets and oven-dried, and finally sintered at 1140 °C for 4 min in a muffle furnace. The main technical features of the aggregates (water absorption after 24 h, density and mechanical strength) were determined. As there is a positive correlation between an increase in organic matter and porosity in the produced LWAs, the organic matters in the effluent contributed to a higher porosity in the sintering process, thereby lowering the density as well as increasing the water absorption of the produced LWAs. It was found that the use of spent adsorbent can yield a reasonably high-performance LWA which can reduce the cost of the waste treatment and the cost of LWAs production leading a more circular economy. In preliminary studies, different low-cost natural materials such as vermicompost (organic), dolomite and bentonite (inorganic) were used as adsorbents in single and binary sorbent systems to remove fabric dyes from single and binary dye solutions. The two dyes selected were the cationic dye basic violet 16 (BV16) and the anionic dye reactive red 195 (RR195), two commonly used dyes in the textile industry in Iran. Groundwater samples were spiked with the two dyes and used in this thesis. Firstly, a series of preliminary bench-scale experiments were performed to study the feasibility of removing BV16 and RR195, from single-component solutions using the inorganic materials Persian charred (i.e. treated at 800 °C) dolomite, Persian natural bentonite, organic material vermicompost (all of them adsorbents locally available in Iran) and commercially available 'standard' bentonite. Batch experiments with single sorbent single dye solutions were carried out to examine and optimize the process parameters, including the effect of the initial dye concentration, contact time, adsorbent amount and stirring speed on the adsorption of the dyes. The effect of the above-mentioned parameters was investigated to adjust the process variables and to determine the adsorption isotherms and kinetics curves as well as using the optimized parameters in a single sorbent binary dye solution system and binary sorbent binary dye system. Groundwater samples containing one or both of these dyes ('single' or 'binary dye solutions') were treated with vermicompost and charred dolomite either alone or mixed, or with bentonite and charred dolomite either alone or mixed. In single sorbent single dye experiments, the maximum adsorption capacity of vermicompost, natural bentonite and standard bentonite for BV16 was found to be 16 mg g-1, 434.78 mg g-1 and 500 mg g-1, respectively, and the adsorption capacity of charred dolomite for RR195 was 7.34 mg g-1. Anionic RR195 was not noticeably adsorbed by vermicompost, natural bentonite and standard bentonite (having a negative surface charge) and cationic BV16, not by charred dolomite (having a positive surface charge) but adsorbed by the oppositely charged adsorbents which indicates a selective electrostatic adsorption mechanism. The equilibrium and kinetic data from single dye experiments showed that the adsorption process satisfactorily fitted to the Langmuir isotherm model and pseudo-second-order kinetics which implies that chemisorption dominates the dye-uptake processes. Secondly, analyzing BV16 and RR195 in binary solutions using zero-order derivative spectrophotometry (λmax adsorption of BV16 and RR195 is at 548 nm and 540 nm, respectively), the severe overlapping of the individual dye absorptions impeded the direct determination of the concentrations of each dye from the total absorbance. Therefore, first-order derivative spectrophotometry was used and developed to quantify the concentration of each of the dyes RR195 and BV16 in binary solutions. Various measurements of first-order derivative absorption spectra of binary solutions of BV16 and RR195 led to the result that BV16 can be quantified in the presence of RR195 at 580 nm, at which the absorbance of RR195 is zero; on the other hand, RR195 can be determined in the presence of BV16 at 308 nm, at which the absorbance of BV16 is zero. For adsorption experiments with dye mixtures in principle, there are three possibilities for the interaction of dyes: antagonism, synergism and non-interaction. In binary dye solution, BV16 adsorption onto charred dolomite increased in the presence of RR195 (synergistic effect), yet RR195 adsorption on charred dolomite was not influenced by BV16. An antagonistic effect of RR195 can be concluded for BV16 adsorption onto vermicompost. The amount of RR195 adsorbed on bentonite remarkably increased in the presence of the cationic dye BV16. Moreover, the adsorption capacity for BV16 doubled (833.33 mg g-1) in the presence of the anionic dye demonstrating synergistic effects due to the possible formation of water-insoluble ion pairs of anionic and cationic dyes. Another series of experiments where commercially available 'standard' bentonite was used instead of natural bentonite led to similar results for both dyes. The adsorption equilibrium data for all adsorbents fitted more acceptable to the Langmuir isotherm model than to the Freundlich model in binary solutions, other than the adsorption of BV16 on vermicompost which followed the Freundlich model. The kinetic data from binary dye experiments concluded that the adsorption process suitably fitted to pseudo-second-order kinetics. In the next step, the potential of a mixed sorbent consisting of vermicompost and Persian charred dolomite, and the adsorption potential of natural bentonite and charred dolomite for simultaneous adsorption of basic violet 16 (BV16) and reactive red 195 (RR195) was investigated. More than half of the removal efficiencies determined for both dyes onto the mixed sorbents (vermicompost and charred dolomite (VC + CD); natural bentonite and charred dolomite (NB + CD)) were >70% which highlights that the mixed sorbents investigated are highly efficacious for simultaneous removal of cationic and anionic dyes from contaminated groundwater. In conclusion, a mixture of bentonite and charred dolomite as well as a mixed sorbent consisting of vermicompost and charred dolomite are highly promising and efficacious natural sorbent systems for the simultaneous removal of cationic and anionic dyes from water.