Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
In den Entwicklungsl\u00e4ndern leben heute ca. 900 Millionen Menschen ohne Zugang zu sauberem Trink- bzw. Brauchwasser. Wasserbedingte Erreger verursachen bei Kindern und immungeschw\u00e4chten Menschen besonders hohe Sterberaten. In diesem Zusammenhang kommt den Helmintheneiern eine besondere Bedeutung zu.<\/p>\n
Eine weit verbreitete Methode zur mechanischen Reinigung des Abwassers ist die Sedimentation. Besonders in den Entwicklungsl\u00e4ndern werden die sogenannten \u0084Waste Stabilization Ponds\u0093 (WSP) eingesetzt, da diese eine kosteng\u00fcnstige M\u00f6glichkeit zur Entfernung von Helmintheneiern durch Sedimentation darstellen. Um das Sedimentationsprinzip effektiv zu nutzen, d. h. die Absatzbecken optimal auslegen zu k\u00f6nnen, muss das Sinkverhalten der zu sedimentierenden Partikel m\u00f6glichst genau bekannt sein. Bei den kleinen Kl\u00e4ranlagen ist die Fragestellung komplexer, da die Aufenthaltszeiten im Vergleich zu WSP geringer sind und die vorhandenen, u. U. turbulenten Str\u00f6mungsfelder eine gr\u00f6\u00dfere Rolle f\u00fcr die Bewegung der Helmintheneier spielen, die Reinigung des Abwassers von Helmintheneiern ist bei kleinen Kl\u00e4ranlagen, die in den Entwicklungsl\u00e4ndern eine breite Verwendung finden, aber genauso wichtig. <\/p>\n
Das Ziel des vorliegenden Vorhabens ist die Entwicklung eines validierten Computer-Simulationsmodells zur Ermittlung des Sinkverhaltens von Helmintheneiern und dessen Anwendung zur Vorhersage der Abscheidecharakteristik einer kleinen Kl\u00e4ranlage mit einer anschlie\u00dfenden Optimierung des Trennverhaltens von Helmintheneiern dieser Anlage.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenI. Voruntersuchung<\/p>\n
Zur Entwicklung und Validierung des Modells werden die Experimente von Sengupta et al. zugrunde gelegt, wobei die Eier von drei Helminthenarten, n\u00e4mlich Ascaris suum, Trichuris suis und Oesophagostomum spp. untersucht werden. Diese Erkenntnisse werden durch eine Studie der aktuellen Literatur erg\u00e4nzt. <\/p>\n
Parallel dazu werden Ersatzstoffe (Surrogate) zur experimentellen Modellierung der Helmintheneier gem\u00e4\u00df unterschiedlicher Faktoren gesucht und \u00fcber eine Entscheidungsmatrix verglichen (Physiologische Eigenschaften, Eigenschaften in Verbindung mit Wasser, Nachhaltige Eigenschaften und Lebenszyklus Betrachtung, Preis).<\/p>\n
Weiterhin wird in der Gr\u00f6\u00dfenordnung der kleinen Kl\u00e4ranlagen in enger Zusammenarbeit mit der Fa. Menk\u0092sche GmbH & Co. KG untersucht, welche Anlagengr\u00f6\u00dfe national und international die gr\u00f6\u00dfte Relevanz hinsichtlich Verbreitung, Marktpotential und Zug\u00e4nglichkeit zu Betroffenen besitzt.<\/p>\n
II. Numerische Ermittlung von Widerstandsgesetzen f\u00fcr die Eier von Helminthen von drei unterschiedlichen Gattungen <\/p>\n
Hinsichtlich der vorliegenden experimentellen Daten aus den Versuchen von Sengupta et al. sollen nun mathematische Formulierungen entwickelt werden, die das Sinkverhalten unter Ber\u00fccksichtigung von Form, Gr\u00f6\u00dfe, Oberfl\u00e4che und Dichte der Teilchen hinreichend genau beschreiben k\u00f6nnen, indem das Stoke’sche Sinkgesetzes durch entsprechende Implementierungen erweitert wird. Die Grundlage f\u00fcr die Simulationen bildet die CFD Software ANSYS Fluent.<\/p>\n
Hierzu werden die einzelnen Helmintheneier mir einer sehr detaillierten Darstellung ihrer Geometrie modelliert und simuliert. Daraus werden Widerstandsgesetze ermittelt. <\/p>\n
Diese Widerstandsgesetze werden in einem Euler-Lagrange-Modell der Zweiphasenstr\u00f6mung implementiert, um das Sinkverhalten einzelner Eier ohne einer genauen Aufl\u00f6sung der Geometrie aber nur anhand des hergeleiteten Widerstandsgesetzes vorhersagen zu k\u00f6nnen.<\/p>\n
Dieses Modell wird wiederum angewendet um das Experiment von Sengupta et al. nachzurechnen. Die Rolle der Brown\u0092schen Bewegung, die von Sengupta et al. als ein m\u00f6glicher Einflussfaktor erw\u00e4hnt wurde, wird dabei auch \u00fcberpr\u00fcft.<\/p>\n
Die Widerstandsgesetze werden ggf. angepasst um die Messungen m\u00f6glichst gut wiedergeben zu k\u00f6nnen.<\/p>\n
III. Entwicklung eines validierten Simulationsmodelles f\u00fcr die Vorhersage von Abscheidungsraten von Ersatz-Helmintheneiern in dem dynamischen Str\u00f6mungsfeld einer realen kleinen Kl\u00e4ranlage <\/p>\n
Das Ziel dieser Phase ist die Entwicklung eines verl\u00e4sslichen Simulationsmodells f\u00fcr die Vorhersage der Zweiphasenstr\u00f6mung in einer kleinen Kl\u00e4ranlage, insbesondere f\u00fcr die Abscheiderate von Helmintheneiern.<\/p>\n
Wenn es um die Berechnung einer inhomogenen, dynamischen, wom\u00f6glich turbulenten Wasserstr\u00f6mung, beladen mit Helmintheneiern geht, stellt das Widerstandsgesetz nur ein Element des Gesamtmodells dar. Lediglich ein genaues Widerstandsmodell w\u00fcrde nicht ausreichen, um mit dem Gesamtmodell gute Ergebnisse zu erzielen. Die sonstigen Modellierungselemente des Gesamtmodells wie z. B. Ans\u00e4tze zur Beschreibung der Zweiphasenstr\u00f6mung, Darstellung der Randbedingungen, Turbulenzmodellierung, Modellierung des Einflusses der Str\u00f6mungsturbulenz auf die Partikelphase, angewandte numerische Ans\u00e4tze und die Gestaltung des numerischen Gitters haben einen entscheidenden Einfluss auf das Ergebnis.<\/p>\n
Das Ziel dieser Phase ist eine Modellentwicklung unter Einbeziehung aller Aspekte des Gesamtmodells bis auf das Widerstandsgesetz. Hier wird an allen anderen Modellierungsaspekten au\u00dfer dem Widerstandsgesetz gearbeitet, unter der Voraussetzung, dass das Widerstandsmodell bekannt ist. <\/p>\n
Zu diesem Zweck, kann das in der vorherigen Phase entwickelte Widerstandsgesetz f\u00fcr Helmintheneier nicht angewendet werden, da es im vorliegenden Rahmen nicht m\u00f6glich ist, Validierungsexperimente mit echten Helmintheneiern durchzuf\u00fchren. F\u00fcr die Experimente wird ein geeignetes, kugelf\u00f6rmiges Surrogat (siehe oben I. Voruntersuchung) angewendet, dessen Widerstandsgesetz (das Stoke\u0092sche Gesetz) sehr genau bekannt ist. Bei der Nachberechnung der Experimente wird nat\u00fcrlich auch mit einer Kugelform gearbeitet, um den Experimenten zu entsprechen.<\/p>\n
Diese Strategie resultiert aus der Tatsache, dass im vorliegenden Rahmen eine Durchf\u00fchrung der Experimente mit echten Helmintheneiern aus mehreren Gr\u00fcnden nicht sinnvoll ist. Zum Einen ist die Beschaffung einer ausreichenden Menge an Helmintheneiern sehr problematisch und der Nachweis der Eier im Ablauf der Anlage gestaltet sich als sehr schwierig, da eine Einf\u00e4rbung der Eier nur sehr schwer m\u00f6glich ist. Zum Anderen ist der Umgang mit diesem gesundheitsgef\u00e4hrdenden Material sehr kritisch und eine experimentelle Arbeit m\u00fcsste sicherstellen, dass das Umfeld vor einer Infektion gesch\u00fctzt ist und ein Austritt aus der experimentellen Umgebung unm\u00f6glich ist. <\/p>\n
Dar\u00fcber hinaus, bietet die Arbeit mit echten Helmintheneiern zu diesem Zeitpunkt keine nennenswerten Vorteile gegen\u00fcber der Arbeit mit kleinen kugelf\u00f6rmigen Partikeln und die Entscheidung aufgrund einer Kosten zu Nutzen Abw\u00e4gung muss zu Gunsten des Surrogats entschieden werden. <\/p>\n
Deshalb ist die Modellentwicklung in zwei Teilen aufgeteilt. Im ersten Teil werden genaue Widerstandsgesetze f\u00fcr echte Helmintheneier entwickelt, wobei die Experimente zur Validierung aus der Literatur stammen. Im zweiten Teil (die vorliegende Projektphase) werden alle anderen Teilmodelle des Gesamtmodells au\u00dfer des Widerstandsgesetzes entwickelt, wobei zur Validierung eigene Experimente mit einem kugelf\u00f6rmigen Surrogat mit bekanntem Widerstandsgesetz durchgef\u00fchrt werden sollen.<\/p>\n
Die Idee ist, dass man das Gesamtmodell durch das Zusammenf\u00fchren beider Teile erhalten kann, und dieses Gesamtmodell als verl\u00e4sslich betrachtet werden kann, da die Modellteile getrennt validiert worden sind. Anders formuliert, gehen wir davon aus, dass das Gesamtsimulationsmodell, welches genaue Ergebnisse f\u00fcr eine kugelf\u00f6rmige Partikelbeladung in einer kleinen Kl\u00e4ranlage liefert, auch genaue Ergebnisse f\u00fcr eine Helminthenier-Beladung liefern wird, wenn die richtigen Widerstandsgesetze f\u00fcr die Helminteneier eingesetzt werden.<\/p>\n
Im oben dargestellten Sinne wird hier eine experimentelle Untersuchung des Trennverhaltens der kugelf\u00f6rmigen Modelleier mit geeigneten Eigenschaften (Projektphase I) vorgenommen. Eine kleine Kl\u00e4ranlage der Firma Menk\u0092sche GmbH & Co. KG mit der in den Voruntersuchungen ermittelten EW-Gr\u00f6\u00dfe (EW: Einwohner) wird zur Untersuchung zugrunde gelegt. Diese Anlage wird in einer entsprechenden Umgebung zu Versuchszwecken vorbereitet und mit einer definierten Menge der Modelleier in Wasser durchstr\u00f6mt. Am Austritt wird das R\u00fcckhalteverhalten ermittelt. <\/p>\n
Der Versuch wird mit reinem Wasser durchgef\u00fchrt. Gemessen wird die Menge der Teilchen am Austritt der Kl\u00e4ranlage. Die Teilchen am Austritt werden mit einer Kaskade feiner werdenden Analysesieben abgefangen. Aus dem Verh\u00e4ltnis der sich am Austritt befindenden und zugegebenen Teilchen wird der Abscheidegrad bestimmt. Dar\u00fcber hinaus kann durch die Verwendung der Kaskade der Analysesiebe am Ausgang ein genaues Bild \u00fcber das Trennverhalten einzelner Korngr\u00f6\u00dfen der Kl\u00e4ranlage gewonnen werden. Um die Genauigkeit der Messung zu erh\u00f6hen, wird das Experiment mit unterschiedlichen Dosierungen wiederholt. <\/p>\n
Diese Versuchsanlage wird ebenso numerisch simuliert. Die Str\u00f6mungssimulation basiert auf einem Zweiphasenmodell nach einer Euler-Lagrange-Darstellung, in dem das Wasser die kontinuierliche Phase (nach Euler), und das Surrogat die disperse Phase (nach Lagrange) darstellen. Die Simulationsergebnisse werden mit den Messungen verglichen. Die Teile des Gesamtmodells (wie z. B. numerische und mathematische Modelle, Randbedingungen, Turbulenzmodellierung, Vernetzung) werden angepasst, um die bestm\u00f6gliche \u00dcbereinstimmung mit den Messdaten zu erhalten.<\/p>\n
IV. Optimierung<\/p>\n
Die in der vorangegangenen Projektphase untersuchte kleine Kl\u00e4ranlage wird hinsichtlich einem gr\u00f6\u00dftm\u00f6glichen Abscheidegrad von echten Helmintheneiern numerisch optimiert, wobei hier aus dem \u0084Leitfaden zur Abwassertechnologie in anderen L\u00e4ndern\u0093 des Verbundforschungsprojekts \u0084Exportorientierte Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Wasserver- und -entsorgung\u0093 das Reinigungsziel f\u00fcr Wasser zur Wiederverwendung von 0,1 – 5 Helmintheneier\/l verfolgt werden soll.
\nUm eine h\u00f6here Genauigkeit bei der Optimierung zu erlangen, werden im Simulationsmodell die Materialeigenschaften des Abwassers realistisch ber\u00fccksichtigt. In Abh\u00e4ngigkeit vom Feststoffgehalt und weiteren Parametern kann das Abwasser vom Wasser abweichendes, nicht-Newtonsches Flie\u00dfverhalten zeigen. Um dies m\u00f6glichst realistisch darstellen zu k\u00f6nnen, wird das Abwasser zuerst experimentell untersucht. Dies beinhaltet die Bestimmung des Feststoffgehalts durch ein Trocknungsverfahren und eine direkte Messung der Flie\u00dfkurve mit Hilfe eines Viskosimeters. Unterst\u00fctzt durch die Literaturempfehlungen wird ein Materialgesetz f\u00fcr das Flie\u00dfverhalten des Abwassers entwickelt und in das Simulationsprogramm implementiert.
\nDie Optimierungsparameter betreffen haupts\u00e4chlich die Geometrie und die Str\u00f6mungsf\u00fchrung, welche in der ersten Projektphase in Zusammenhang mit dem ausgew\u00e4hlten Typ der kleinen Kl\u00e4ranlage genauer spezifiziert worden sind.
\nBei dieser numerischen Optimierung werden die Modellteile aus der vorherigen Projektphasen zusammengef\u00fchrt. Dies bedeutet, dass das numerische Gesamtmodell nach den in der vorherigen Projektphase entwickelten Vorschriften gebildet wird, wobei als Widerstandsgesetz das im Rahmen des vorliegenden Projekts entwickelte Widerstandsmodell eingesetzt wird. Da die Bestandteile des Gesamtmodells, wenn auch getrennt, validiert worden sind, gehen wir davon aus, dass die Vorhersagen des Gesamtmodells und somit die Optimierungsergebnisse verl\u00e4sslich sind.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Abschlie\u00dfend wurden die Ergebnisse untereinander verglichen und jeweils nach 3 h mit maximaler Geschwindigkeit und 10 h mit mittlerer Geschwindigkeit geschaut, wie viele Partikel die jeweiligen Bauformen wieder verlassen haben. Dieses wurde dann in Relation zur Ausgangsbauform gesetzt und sollte eine Verschlechterung eingetreten sein, wurde ein negativer Wert f\u00fcr den jeweiligen Betriebspunkt und Bauform vergeben. Wenn eine Verbesserung aufgetreten ist, wurde jeweils aufsteigend Punkte vergeben nach der Reihenfolge der einzelnen Bauformen. So ergab sich unten gezeigte Tabelle. Hier zeigt sich erstaunlicherweise, dass die Bauform mit dem Brett, das nur 720 mm Eintauchtiefe hatte von allen Varianten mit Brett die beste ist und je tiefer das Brett folgend eingetaucht wird, desto mehr nimmt die Verbesserung ab. Dies geht sogar so weit, dass bei einer Eintauchtiefe von 1600 mm und der mittleren Str\u00f6mungsgeschwindigkeit eine Verschlechterung der Abscheidecharakteristik gegen\u00fcber der Ausgangslage auftritt. Bei den Bauformen, die ein aufgebogenes \u00d6lfass als Grundkonstriktion nutzen, ist dieser Trend so nicht zu beobachten, hier weist die Bauform, die aus zwei 220 l F\u00e4ssern (Standardm\u00e4\u00dfig ist eines 880 mm hoch) gebildet werden w\u00fcrde und eine Eindringtiefe von 1300 mm besitzt ebenfalls eine optimale Abscheidung auf.
\nAus diesen Ergebnissen folgernd empfehlen wir Folgendes:
\n\u0095 Der Einbau letztgenannter Trenneinrichtung, da diese auch am einfachsten zu montieren ist und \u00d6lf\u00e4sser in Afrika h\u00e4ufig vorkommen und so aus dem Schrott eine Art Recycling erfah-ren.
\n\u0095 Weiterhin empfehlen wir den Zulauf wie in den Simulationen bereits erfolgt, unter der Was-seroberfl\u00e4che erfolgen zu lassen, da ein freies Einstr\u00f6men in die Wasseroberfl\u00e4che zu gro\u00dfen Verwirbelungen im gesamten Wasserk\u00f6rper und zu einem gro\u00dfen Lufteintrag, was mit Schaumbildung einhergeht, f\u00fchrt.
\n\u0095 Au\u00dferdem sollte der Zulauf nicht auf einer Ebene mit dem Ablauf liegen, sondern auf der anderen Seite.
\n\u0095 Abschlie\u00dfend k\u00f6nnen und sollten die Kl\u00e4rzeiten, insbesondere zur Sedimentation in der biologischen Kammer verl\u00e4ngert werden, indem hier nicht im Einkammer sondern im Zweikammerbeh\u00e4lter mit alternierend beschickten Kammern gearbeitet wird. Dies bedeutet zwar einen gewissen zus\u00e4tzlichen Investitionsbedarf, da somit noch drei weitere Heber (jeweils einen extra Heber f\u00fcr Zufluss zur Kammer, Klarwasserabzug und Kl\u00e4rschlammabzug) ben\u00f6tigt werden, die Reinigungsleistung kann damit aber voraussichtlich deutlich verbessert werden.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
\u0095 A. C. Benim, “Numerical Calculation of Sink Velocities for Helminth Eggs in Water”, Com-putation (2021) 9(12), 136.
\n\u0095 M. Diederich, F. G\u00fcl, C. \u00d6zman, A. C. Benim, L. Ihringer and D. M\u00f6ller, “Numerical Modelling and Experimental Validation of Mechanical Separation of Helminth Eggs for Wastewater Purification”, 4th International Conference on Frontiers in Industral and Applied Mathematics, Longowal, Punjab, India, December 21-22, 2021 (accepted).
\n\u0095 M. Diederich, F. G\u00fcl, C. \u00d6zman, A. C. Benim, L. Ihringer and D. M\u00f6ller, “Mechanical Helminth Eggs Separation for Wastewater Purification: Analysis of the Fluid Dynamics”, The 9th Interational Conference on Heat Transfer and Fluid Flow, July 31 – August 2, 2022, Prague Czech Republic (accepted).<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Im Forschungsvorhaben wurde einerseits ein Simulationsmodell f\u00fcr das Verhalten von unterschiedlichen Helmintheneiern in einer Str\u00f6mung erfolgreich entwickelt und experimentell validiert. Dieses Modell wurde dann zur Grundlage genommen, um die Funktionsweise einer Kleinkl\u00e4ranlage hinsichtlich der Abscheidecharakterisitk von Helmintheneiern zu optimieren.
\nParallel zu den hier aufgef\u00fchrten Arbeiten, wurden diverse Konzepte zur sicheren und \u00f6kologisch und \u00f6konomisch sinnvollen Behandlung des Kl\u00e4rschlamms aus der optimierten Anlage entwickelt mit einer Untersuchung, wie dieses Konzept optimal und nachhaltig im Rahmen eines lokalen Entrepreneurs realisiert werden k\u00f6nnte. Weiterhin wurden die Kriterien f\u00fcr die optimale Aufstellung der Kleinkl\u00e4ranlagen in einem zentralafrikanischen Land vorgenommen und eine optimierte Logistikplanung zur Abfuhr von konterminiertem Kl\u00e4rschlamm.
\nAbschlie\u00dfend l\u00e4sst sich also sagen, dass durch das gef\u00f6rderte Vorhaben Strukturen vorbereitet worden sind, um die Abwasser- und Hygieneproblematik in vielen zentralafrikanischen L\u00e4ndern zu verbessern und damit auch in Deutschland einen Beitrag zu leisten, um hier Gef\u00e4hrdungen durch m\u00f6gliche verunreinigte Lebensmittel zu reduzieren und eine Fluchtursache aus Zentralafrika zu verringern.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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