Operation of Decentralised Wastewater Treatment Systems (DEWATS) under tropical field conditions

• Main Author: Reynaud, Nicolas
• Other Authors: Technische Universität Dresden, Fakultät Umweltwissenschaften
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Saechsische Landesbibliothek- Staats- und Universitaetsbibliothek Dresden 2015
• Subjects: Kommunale Abwasserreinigung; Entwicklungsländer; anaerober Tauchwandreaktor; Communal wastewater treatment; developing countries; anaerobic baffled reactor; ddc:550; rvk:AR 22550
• Online Access: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-185565; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-185565; http://www.qucosa.de/fileadmin/data/qucosa/documents/18556/Dissertation_Nicolas_Reynaud_Final.pdf

Decentralised Wastewater Treatment Systems (DEWATS) such as disseminated by the Bremen Overseas Research and Development Association (BORDA) are increasingly being recognized by decision makers across the world as an option for service delivery in densely populated low-income areas. However, little practical experience has been gathered methodologically on basic engineering and performance aspects surrounding these systems. This thesis investigates full-scale anaerobic reactors of communal DEWATS implemented in tropical regions in order to consolidate the basis of future design and support monitoring, operation and maintenance procedures. Special focus is laid on the operation of the Anaerobic Baffled Reactor (ABR) as the core technology of DEWATS. Field research has been conducted for over four years at numerous communal systems in Indonesia, India and South Africa in order to (i) verify the generally used parameter values for DEWATS design and operation, (ii) identify factors limiting the treatment efficiency of existing systems in the field and (iii) investigate the performance of DEWATS and DEWATS treatment steps (especially ABRs) under tropical field conditions in terms of effluent concentration, Chemical Oxygen Demand (COD) removal, sludge stabilisation and sludge activity. Field data on average per capita wastewater production in DEWATS implementation areas, long term fluctuations and peak-flow values are presented. General per capita organic load and per capita nutrient load, per capita biogas production in digesters and per capita sludge accumulation in ABRs are estimated. Based on available data and field observations, treatment limiting factors are hypothesised to be rain-water intrusion, general under-loading, organic under-loading and elevated raw-water salinity in coastal areas. Effluent measurements performed at one hundred nine systems in Indonesia indicated guaranteed maximum concentrations of 200 mg CODt l-1 for anaerobic DEWATS treatment effluent if the treated wastewater is non-saline. ABR COD reduction of four case studies was poor in three cases and fair in one case. Sludge accumulation rates indicated good sludge stabilisation and sludge activity in all four systems. Anaerobic Filters (AF) contributed in all three case studies, in which they were part of the plant design, significantly to COD reduction. Nutrient effluent concentrations were comparably high. Large fractions of effluent organics were found to be biodegradable. It is hypothesised that system treatment would improve significantly if maximum hydraulic load was lower, general organic load was higher and therefore both close to design estimation. It is thus proposed to control the amount of storm water intruding the systems, increase feed concentration through partial grey-water exclusion and reduce the nutrient load in system effluent through partial urine diversion. It is further proposed to reduce the HRT of the settler below 10 h in order to increase the organic load to the ABR. It is further hypothesised that systems could be operated at higher hydraulic dry weather load than currently assumed since active anaerobic digestion appears to be capable of establishing itself under extreme hydraulic pressure. This may lead to a considerable reduction of building costs. Anaerobic digestion modelling with the existing ADM-3P model confirmed that observed sludge accumulation rates indicate active hydrolytic systems. The model could however not be used to produce soluble COD effluent concentration benchmarks due to its sensitivity to methanogenic rate constants. The general view held for anaerobic reactors treating wastewater with high solid content is that hydrolysis is the rate-limiting degradation step. It is hypothesised that this does not apply for solid accumulating systems such as the ABR. === Die durch die Bremen Overseas Research and Development Association (BORDA) verbreiteten Decentralised Wastewater Treatment Systems (DEWATS) werden international von Entscheidungsträgern zunehmend als Möglichkeit angesehen, kommunale Abwasserreinigung in dichtbesiedelten, einkommensschwachen Gegenden zu ermöglichen. Allerdings wurden bislang wenig praktische Erfahrungen methodisch über grundlegende Aspekte der Anlagendimensionierung und Anlagenleistungsfähigkeit aufgenommen. Im Rahmen dieser Dissertation wurden anaerobe Reaktoren kommunaler DEWATS unter tropischen Feldbedingungen untersucht, um eine Datengrundlage für zukünftige Dimensionierung, Wartung und Betrieb, als auch Monitoring der Anlagen zu schaffen. Schwerpunkt wurde dabei auf den Anaerobic Baffled Reactor (ABR) als Kerntechnologie von DEWATS gelegt. Felduntersuchungen wurden in der Zeit von mehr als vier Jahren an zahlreichen kommunalen DEWATS in Indonesien, Indien und Südafrika durchgeführt, um (i) die gängig gewählten Parameterwerte für Anlagen-Dimensionierung und -Betrieb zu überprüfen, (ii) leistungslimitierende Faktoren im Feldbetrieb zu identifizieren und um (iii) die Leistungsfähigkeit von DEWATS und DEWATS-Reinigungsstufen (insbesondere des ABRs) unter tropischen Feldbedingungen bezüglich Abflusskonzentrationen, Reduzierung des Chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB), Schlammstabilisierung und Schlammaktivität zu untersuchen. Basierend auf den Untersuchungsergebnissen, wurden durchschnittliche Einwohnergleichwerte, Langzeitvariationen und Faktoren für Zuflussspitzen für kommunale Abwasserproduktion in DEWATS-Zielbevölkerungsgruppen präsentiert. Ferner werden allgemeine Pro-Kopf-CSB-Frachten, -Ammoniumfrachten und -Phosphorfrachten, die Pro-Kopf-Biogasproduktion in kommunalen Biogasanlagen sowie die Pro-Kopf-Schlammakkumulation in ABRs abgeschätzt. Auf Felduntersuchungen basierend, wurden Fremdwassereinfluss, generelle Unterbelastung, organische Unterbelastung und erhöhte Frischwassersalinität in Küstengebieten als leistungslimitierende Faktoren im Feldbetrieb identifiziert. An 109 indonesischen Anlagen durchgeführte Abflusskonzentrationsmessungen ließen auf eine garantierte Abflusskonzentration der anaeroben Reaktoren von 200 mg CSB l-1 schließen, wenn der negative Einfluss von erhöhter Frischwassersalinität ausgeschlossen werden kann. Der CSB-Abbau durch ABRs in vier detailliert untersuchten DEWATS war gering in drei Fällen und befriedigend in einem Fall. Anaerobe Filter (AF) trugen in den drei Fällen, in denen sie Teil der Anlagenkonfigurationen waren, signifikant zur CSB-Reduzierung bei. Ammonium- und Phoshorkonzentrationen in allen Reaktorabläufen waren vergleichsweise hoch. Ein großer Anteil des CSBs in Reaktorabläufen war biologisch abbaubar. Es wird die Hypothese aufgestellt, dass sich die Leistungsfähigkeiten der Anlagen signifikant verbessern würden, wären die Anlagenbelastungen den Auslegungswerten ähnlicher, d.h., wären die maximalen hydraulischen Belastungen geringer und die organischen Belastungen höher. Es wird deshalb geraten, den Fremdwasserzufluss zu minimieren, die Anlagenzulaufkonzentration durch partielle Grauwasserversickerung zu erhöhen und die Ammonium- und Phoshorkonzentration im Zulauf durch partiellen Urinabschlag zu verringern. Es wird außerdem vorgeschlagen, die hydraulische Aufenthaltszeit in Absetzbecken (settlers) auf zehn Stunden zu begrenzen, um so die organische Belastung der ABRs zu erhöhen. Ferner wird die Hypothese aufgestellt, dass Anlagen unter höherer Trockenwetterbelastung als bislang angenommen betrieben werden können, da aktiver anaerober Abbau auch unter extremen hydraulischen Belastungen möglich erscheint. Dies könnte zu einer signifikanten Senkung der Baukosten führen. Die Modellierung anaerober Abbauprozesse mit dem existierenden ADM-3P-Modell bestätigten, dass im Feld beobachtete Schlammakkumulationsraten auf eine aktive Hydrolyse schließen lassen. Das Modell konnte jedoch nicht genutzt werden, um Bezugswerte für den gelösten CSB im Ablauf der Anlagen zu erhalten, da es eine vergleichsweise hohe Sensitivität in Bezug auf die Raten für Methanogenese aufwies. Die allgemein anerkannte Sichtweise ist, dass die Hydrolyse den geschwindigkeitsbestimmenden Abbauschritt bei der anaeroben Behandlung feststoffreicher Abwässer darstellt. Es wird die Hypothese aufgestellt, dass dieses nicht für feststoffakkumulierende Systeme, wie den ABR, zutrifft.