Abstract:
Im Jahr 2015 bezogen weltweit etwa 663 Millionen Menschen ihr Trinkwasser aus unzureichend geschützten Quellen. Gleichzeitig haben es sich die Vereinten Nationen zum Ziel gesetzt, bis 2030 das universelle Recht auf sichere und bezahlbare Trinkwasserversorgung für jeden Menschen zu gewährleisten. Dieses Ziel kann durch die Installation von Technologien zur Wasserbehandlung erreicht werden, welche die Wasserqualität verbessern. Unter Berücksichtigung der für Entwicklungsländer relevanten Kriterien könnte Langsamsandfiltration eine geeignete Behandlungstechnologie zur Verbesserung der Wasserqualität sein.
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Verschiedene Autoren geben Empfehlungen zum Bau wirksamer Langsamsandfilter. Als entscheidende Parameter für die Ausführung der Filter wurden die Korngrößenverteilung des Filtersandes sowie die hydraulische Belastungsrate identifiziert. Entsprechend der gängigen Empfehlungen sollte das Filtermedium feinkörnig (d10 0.15-0.35 mm/Cu < 3) und die Belastungsrate niedrig genug (0.04 – 0.40 m/h) sein, um einen hohen Reinigungsgrad zu erreichen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass auch bei diesen Konfigurationen kein bakterien- und virenfreies Filtrat garantiert werden kann. Ein weiterer Behandlungsschritt zu Desinfektion wird immer benötigt, um die übrigen Mikroorganismen zu entfernen und das Filtrat als Trinkwasser nutzbar zu machen. Bei niedrigen Belastungsraten wird allerdings eine große Filterfläche benötigt. Aufgrund dieser Einschränkung sank die Beliebtheit von Langsamsandfiltern Anfang des 20. Jahrhunderts. Deshalb wird eine Optimierung der empfohlenen Auslegungskriterien von Langsamsandfiltern benötigt, wodurch diese Einschränkung aufgehoben werden kann. Es mangelt derzeit weiterhin an einer Beschreibung des grundlegenden Entfernungsmechanismus durch Langsamsandfiltration, was die breitere Anwendung dieser Technologie weiter einschränkt.
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Optimierung der empfohlenen Entwurfskriterien von Langsamsandfiltern als Wasseraufbereitungstechnologie. Im Mittelpunkt stand der Korngrößenverteilung des Filtermediums, ausgedrückt als effektive Größe d10 und Ungleichförmigkeitsgrad Cu, sowie der hydraulischen Belastungsrate auf die Reinigungsleistung von Schwebstoffen. Der hier verfolgte Ansatz liegt in der unabhängigen Betrachtung aller Kenngrößen, die auf den Wirkungsgrad des Filters Einfluss nehmen. Die experimentelle Arbeit wurde in zwei Phasen unterteilt. In der ersten Phase lag der Fokus auf der Identifikation der operativen Kenngrößen, die einen Einfluss auf die Partikelentfernung haben. Dazu wurden 18 Filtersäulen mit verschiedenen Filterkonfigurationen gebaut. In der zweiten Phase lag der Fokus auf dem Einfluss der Parameter auf die Eindringtiefe der Feststoffe in den Filter. Dabei wurde auch der Einfluss einer Schutzschicht auf die Filterlaufzeit evaluiert. Insgesamt wurden in der zweiten Phase 13 Filtersäulen getestet.
Die Ergebnisse zeigen, dass die bisherigen Empfehlungen der Parameter eher konservativ ausgelegt sind. Bei der Verwendung von gröberem Filtersand (d10 0.90 mm und Cu 2.5) wird immer noch eine durchschnittliche Ablauftrübung von unter 1 NTU erreicht. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass der Betrieb der Filter bei höheren Belastungsraten von 0.80 m/h nicht zu einer höheren Trübung im Ablauf führt. Basierend auf diesen Ergebnissen wurden neue Empfehlungen für Entwurfskriterien festgelegt, bei denen die Spanne der verwendbaren Korngrößenverteilungen und der hydraulischen Belastungsrate vergrößert wurde. Diese umfasst eine d10 von 0,25 – 0,50 mm und Cu von 2.5 – 7 mit einer hydraulischen Belastungsrate von 0,20 – 0,60 m/h. Höhere hydraulische Belastungsraten von 0,60 – 0,80 m/h können für feinen Filtersand mit d10 von 0,25 mm und Cu < 3 angewendet werden. Gröberer Filtersand (d10 0,50 – 0,90 mm/Cu < 3) kann als Alternative bei einer hydraulischen Belastungsrate 0,40 m/h verwendet werden. Die Aufbringung einer Schutzschicht aus Kies verlangsamte die Abnahme der Filterkapazität durch die Siebwirkung um bis zu 70 %.
Weitere Empfehlungen wurden für einen Langsamsandfilter in Gunungkidul auf Java, Indonesien getroffen. Wegen der dortigen niedrigen Belastungsraten von 4 m/d und begrenztem Platzangebot konnte eine bereits existierende Pilotanlage nicht den Bedarf von fünf Dörfern mit insgesamt etwa 2800 Einwohnern decken. Unter den hier vorgestellten Richtlinien könnte mit gröberem Filtermaterial die Belastungsrate bei gleicher Reinigungsleistung verdoppelt werden, ohne die Betriebskosten oder die beanspruchte Fläche zu erhöhen. Dies ist ein Beleg dafür, dass Langsamsandfiltration ein großes Potential hat, die Trinkwasserversorgung speziell in Entwicklungsländern zu verbessern.
Abstract (englisch):
In 2015, 663 million of people who mostly live in the developing countries were still consuming unimproved water sources. On the other hand, United Nations set-up a target that by 2030, a universal and equitable access for safe and affordable drinking water for everyone must be achieved. This target can be achieved by implementing a water treatment technology to improve water quality for the community. By considering the terms ‘safe’, ‘affordable’ and ‘developing countries’, slow sand filtration can be the suitable treatment technology to improve water quality.
In order to construct an effective slow sand filter, some recommendations on the design criteria have been proposed by several authors. ... mehrTwo critical parameters for the design criteria are the grain size distribution and the hydraulic loading rate. According to the recommendation, the filter media should be fine i.e. d10 0.15-0.35 mm/Cu < 3 and the rate should be low enough i.e. 0.04 – 0.40 m/h to ensure its removal efficiency. In fact, even though the slow sand filter is constructed using fine media and operated under low hydraulic loading rate, it cannot be guaranteed that the filtrate is bacteria and viruses free. A further step of treatments such as disinfection is always needed to remove the microorganisms left after filtration so that the water can be used for drinking water purposes. As a consequence of these low loading rates, a large filter area is needed. Due to this limitation, in the early 20th century, slow sand filter became less attractive. Therefore, an optimization on the recommended design criteria of slow sand filtration is required to overcome this limit. Unfortunately, a comprehensive description on the fundamental removal mechanism of slow sand filtration is still missing inhibiting the optimization and wider application of this technology.
The main purpose of this work is to optimize the design recommendation of slow sand filtration as a technology to improve the water quality. In order to achieve this purpose, a specific objective is defined i.e. to understand the influence of the grain size distribution of filter media represented by effective size d10 and uniformity coefficient Cu and the hydraulic loading rate on the removal mechanisms of suspended solids. The approach to reach this objective is by investigating each operating variable independently so that its influence on the filter performance can be compared equally. The main experimental work was divided into two phases. In the Phase I, the focus was to identify the influence of operating variables on the suspended solids removal. A total of 18 filter columns with different filter configuration were constructed for the investigation in Phase I. The focus in Phase II was to find out the influence of the operating variables on the solids penetration in filter depth including the evaluation on the method to prolong the filter run time by applying protection layer. For the Phase II, a total of 13 filter columns were tested.
The results of this study showed that the recommended values of operating variables are rather conservative. By using coarse media represented by d10 of 0.90 mm and Cu of 2.5, an average outlet turbidity of less than 1 NTU could still be obtained. In regard to the hydraulic loading rate, it was also found that operating the filter at high rate up to 0.80 m/h did not deteriorate the filter efficiency significantly. Hence, based on these results, a new recommendation of the design criteria, where the usable range of the grain size distributions of the filter media and hydraulic loading rate is expanded, has been proposed. The new range proposed for filter media is d10 0.25 – 0.50 mm/Cu 2.5 – 7 with the hydraulic loading rate of 0.20 – 0.60 m/h. Higher hydraulic loading rate of 0.60 – 0.80 m/h can be applied for fine sand with d10 of around 0.25 mm and Cu < 3. Coarser sand (d10 0.50 – 0.90 mm/Cu <3) can also be alternatives with the hydraulic loading rate of 0.40 m/h. Based on the evaluation of the method to prolong the filter run time, it was found that applying gravel as a protection layer could be a promising method to decelerate the decrease of filter capacity by up to 70 % by acting as strainer.
A recommendation was also given for the slow sand filter constructed in Gunungkidul in Java Island, Indonesia. Due to low loading rate of 4 m/d and limited space, an existing pilot plant was not able to comply with the water demand of five sub-villages (around 2,800 inhabitants). Following the new design recommendations proposed in this study, the hydraulic loading rate of the system could be doubled by using coarser filter material, while maintaining the operating costs, filter area and high suspended solids removal capacity. This shows that slow sand filtration has a great potential to improve drinking water security especially in developing countries.
