620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Phosphorus enrichment in the treatment of pig manure in China using anaerobic digestion technology
(2008)
Phosphorus (P) is a key irreplaceable nutrient element in all life forms. Almost all phosphorus used by society is mined from non-renewable phosphate rock. Approximately 80% of global phosphate rock consumption is used for fertilizer production. However, as a finite resource, the world phosphate reserve could be exhausted within the next 100-250 years. The phosphate resource in China is also limited. The exploitable deposits could be exhausted within 70 years. Investigations show that the largest recoverable phosphate resource in China is found in animal manure. It was estimated that the potential phosphate resource in intensive-scale animal plants accounts for 47% of the total consumption of phosphate rock of the country each year. Pig manure contains phosphorus and nitrogen in high concentration. The objective of this study is to investigate forced P-precipitation in pig manure combined with anaerobic digestion; when biogas is generated, an enriched P-containing digested manure sludge can be obtained. Anaerobic digestion experiments indicated that total concentrations of phosphorus (TP) and kjeldahl nitrogen (TKN) remained basically constant before and after anaerobic digestion. However, the composition of nitrogen and phosphorus in digested manure was quite different; 37.7% of phosphorus existed as PO4-P in the raw pig manure, whilst 20.8% of PO4-P was present in the digested pig manure. NH4-N accounted for 50.4% of the total TKN in raw pig manure, while most of the TKN in digested manure (79.3%) was composed of NH4-N. The pH value of pig manure rose by 0.88 units after anaerobic digestion. PO4-P was reduced by 45% during anaerobic digestion. The average molar ratios of Mg/P and Ca/P achieved were 1.3 and 1.7. It was found that solid/liquid separation has little influence on the change in the molar ratios. The optimal position for P-precipitation is after anaerobic digestion. P-precipitation should be conducted in homogeneous digested pig manure. The ideal pH range for P-precipitation is between 8.0 and 9.5. In the pH range of 8.8-9.5, struvite precipitation dominates the precipitation reaction. The existence of calcium ions results in competitive reaction with magnesium ions. In the pH range of 8.0-8.8, calcium phosphate was apt to form. Both MgCl2•6H2O and MgO can be adopted as a magnesium source. MgO is suitable for supplementation in raw manure. Without the addition of other alkali, the pH value rose to 8.5. Nearly 85% of soluble phosphorus (PO4-P) could be removed from liquid portion. MgCl2•6H2O has good solubility. When MgCl2•6H2O was used at a pH value of 9.0, the equilibrium time required was 30 minutes. The appropriate Mg2+/PO4-P molar ratio was 1.3. Under these conditions, whether with raw or digested manure, 90% of PO4-P could be removed. Forced P-precipitation combined with anaerobic digestion is suitable for application in China. More than 90% of the soluble phosphorus could be removed from the liquid portion of pig manure through forced P-precipitation. With the aid of flocculants, 95.7% of the total phosphorus could be precipitated in the final manure solid.
Die Instandhaltung der städtischen Trinkwassernetze ist Aufgabenschwerpunkt der Wasserversorgungsunternehmen bzw. Netzbetreiber. Dazu notwendige Rehabilitationsplanungen stützen sich zurzeit weitgehend auf die Trendprognose von Schadensraten und die Erfahrungen der Mitarbeiter. Der Einfluss wesentlicher Kenngrößen wie Werkstoffeigenschaften oder die Resttragfähigkeit des Rohres bleiben hierbei größtenteils unberücksichtigt. Über materialtechnische Untersuchungen werden die notwendigen Kenngrößen ermittelt, die eine zuverlässige Bewertung des technischen Zustands des Rohrstrangs ermöglichen. So lassen sich die Prognose der technischen Nutzungsdauer und Rehabilitationsplanungen auf eine solide Basis stellen. In dieser Dissertationsschrift wird hierzu ein Untersuchungs- und Bewertungsalgorithmus mit integrierten Prognoseverfahren erarbeitet.
Für die weitgehende Nutzung der enthaltenen Nährstoffe in häuslichem Abwasser und die Realisierung des Kreislaufgedankens auch in kommunalen Abwassersystemen ist eine Trennung der Abwasserströme, wie sie vielfach bereist in der industriellen Produktion eingesetzt wird, Vorrausetzung. Die getrennte Erfassung und Sammlung sowie die Nutzung bzw. Behandlung der einzelnen Teilströme weicht von den üblichen Verfahren der bisher praktizierten end-of-pipe-Systeme ab und es gilt nach alternativen Verfahrensmöglichkeiten zu suchen, um die Ziele eines teilstromorientierten Abwasserkonzeptes zu verwirklichen. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein anaerobes mesophiles Behandlungsverfahren für den Teilstrom Braunwasser untersucht. Zu diesem Zweck wurden verschieden Versuche mit Faeces mit unterschiedlichen Wassergehalten und in unterschiedlichen Mischungen von Einsatz des Rohsubstrates bis hin zur Zugabe von Urin, Wasser und/oder Impfschlamm untersucht. Während der Versuche in temperierten Reaktoren fand eine Aufzeichnung der Gaserträge der einzelnen Ansätze, der pH-Werte in ausgewählten Ansätzen, der Raumtemperatur und der Substrattemperatur im Reaktor statt. Diese verschiedenen Ansätze sind anhand ihrer Zusammensetzung dargestellt und in den gewonnenen Ergebnissen untereinander und mit denen in der Startliteratur angegebenen Werten verglichen und bewertet. Ziel der anaeroben Behandlung war es, ein stabilisiertes Substrat aus der anaeroben Stufe zu erhalten. Aus den gewonnenen Ergebnissen wird ein Verfahrensvorschlag für eine anaerobe Stabilisierung gemacht.
Mit dieser Diplomarbeit werden die wichtigsten limnologischen Wechselwirkungen eines Gewässer- Ökosystems und der beteiligten Organismen ausführlich dargestellt. Dabei ist der „Nährstoffabbau“ speziell des Phosphors durch Plankton, Algen und Wasserpflanzen sowie dessen Einflussfaktoren wesentlich. In diesem Zusammenhang spielt die Phosphordynamik zwischen Gewässer, Sediment und Organismen eine entscheidende Rolle. Anhand ausgewählter Thüringer Badegewässer wird der Zusammenhang zwischen dem Phosphorgehalt und der Cyanobakterien- Dominanz untersucht. Von Bedeutung sind weitere hygienische Parameter der Wasserqualität. Mögliche Aussagen bei der Analyse der oligotrophen, natürlichen Badegewässer werden auf die naturnahen Schwimm- und Badeteiche übertragen. Da Schwimm- und Badeteiche künstlich errichtete Bauwerke sind, sind Aspekte der anthropogenen Nutzung bedeutsam. Hierzu zählen die Bauformen bzw. Größenver-hältnisse und der Technikeinsatz. Es wird geprüft, ob aufgrund vorliegender Daten be-züglich des Eintrages und der Elimination eine Bilanzierung des Phosphors in Schwimm- und Badeteichanlagen möglich ist. Als Ergebnis dieser Diplomarbeit werden Empfehlungen zu Errichtung und Betrieb von Schwimm- und Badeteichen erarbeitet, die den überwachungsbedürftigen Parameter Phosphor betreffen.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit werden die diffusen Phosphoreinträge am Beispiel des Einzugsgebietes der oberen Rur bilanziert . Im theoretischen Teil dieser Diplomarbeit werden die Grundlagen für die Darstellung des Nährstofftransportes erarbeitet. Dabei erfolgt die Beschreibung der Eintragswege von Phosphor in die Gewässer, die Herkunft und Art von Phosphoreinträgen sowie die wichtigen Eintragspfade der diffusen Phosphoreinträge. Mit diesen gewonnenen Erkenntnissen ist es möglich, den Stofftransport einschließlich der ablaufenden Prozesse mittels mathematischer Gleichungen über die Eintragspfade zu simulieren. Somit gelingt es, die Funktionsweise und die Anwendbarkeit, der zum Einsatz kommenden aktuellen Wasser- und Stofftransportmodelle zur Quantifizierung diffuser Phosphoreinträgen zu verstehen. Im praktischen Teil dieser Diplomarbeit werden die diffusen Phosphoreinträge im Einzugsgebiet der oberen Rur unter Hilfenahme der zuvor ermittelten Grundlagen bilanziert. Dabei ist es nötig, das Einzugsgebiet zu beschreiben, abzugrenzen und die enthaltenen Gewässer zu beleuchten. Weiterhin erfolgte eine Recherche der im Einzugsgebiet vorhandenen Flächennutzungen, um die Bilanzierung mit den aus der Literatur ermittelten Gleichungen und Werten durchführen zu können. Das Ergebnis ist eine Phosphorjahresfracht mit der das Einzugsgebiet bewertet werden kann.
In dieser Arbeit wird die Fällung von Magnesium-Ammonium-Phosphaten (MAP) aus Schlachthofabwasser behandelt. Einleitend wird der Schlacht- und Zerlegprozess von Tieren in der Nahrungsmittelindustrie beschrieben und dabei die Stellen des Abwasseranfalls gekennzeichnet. Nachfolgend werden einige chemische Grundlagen zum MAP und dessen Kristallisationsparameter erläutert und ausgewertet. Nach Auswertung eigener Fällungsversuche wird ein Vorschlag für eine technische Lösung gebracht und dessen Kosten abgeschätzt.