Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8146
Main Title: Contribution to the optimization of biological greywater treatment by modeling and life cycle assessment
Translated Title: Beitrag der Modellierung und Ökobilanzierung zur Optimierung der biologischen Grauwasserbehandlung
Author(s): Masmoudi Jabri, Khaoula
Advisor(s): Geißen, Sven-Uwe
Bousselmi, Latifa
Referee(s): Denecke, Martin
Dhaoudi, Hatem
Koschikowski, Joachim
Geißen, Sven-Uwe
Bousselmi, Latifa
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Universität von Carthage, Tunis, Tunesien
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: This work was carried out in order to study the performances of biological reactors such as moving bed biofilm reactors (MBBR) and biological membrane reactor (MBR) for greywater treatment and reuse in flushing toilets at laboratory and real scales. It investigated the application of software tools for the optimization of the design of the studied reactors as well as the evaluation of their environmental performances. In this context, the monitoring of the biodegradation of the organic and nitrogen compounds was performed to describe the efficiency of the investigated technologies. The full-scale MBBR plant composed by several reactors (R1 to R10) has shown a high performance for the removal of chemical oxygen demand (COD), dissolved organic carbon (DOC), biological oxygen demand (BOD5), ammonia (NH4-N) and total nitrogen (TN) with removal efficiencies up to 93%, 80.7%, 99%, 89% and 77% respectively. The steady state modeling was applied to this full-scale MBBR plant using the activated sludge model No.3 (ASM3) implemented in Simba software. The results of modeling showed a good correlation between simulated and experimental concentrations of COD issued from the different reactors of the MBBR plant. The results of the simulation related to two reactors (R1 and R5) showed an acceptable correlation with the experimental results except for the TN. However, the adjustment of the stoichiometric parameters led to a satisfactory simulation of TN concentrations. The Modeling of the biodegradation characteristics of greywater in a submerged membrane sequencing batch reactor (SM-SBR) showed also a good correlation between simulated and experimental results. In addition to the biodegradation performance, the environmental performance of the MBBR used for the on-site recycling of treated greywater (TGW) was studied using Simparo software. Life cycle assessment approach (LCA) was applied to compare recycling to no recycling scenarios and to evaluate the environmental impact of the MBBR. The water recycling was not harmful to the environment and the additional processes required for the recycling such as the distribution system didn't affect drastically the environmental performance of the plant. For instance, it contributed with less than 10% to the total environmental impact of the plant for the majority of the impact categories. Moreover, it allowed a reduction ranging between 3.9% and 17% on five impact categories which are ozone layer depletion (ODP), freshwater aquatic ecotoxicity (FAEP), marine aquatic ecotoxicity (MAE), terrestrial ecotoxicity (TE), and eutrophication (EP). A sensitivity analysis was carried out and showed that the use of renewable energy and a lower quantity of Polyvinylchloride (PVC) pipes or another material such as Polyethylene (PET) could enhance the environmental performance of the plant. Consequently, the integration of water recycling approaches in local context should be considered by the decision-makers in water management policies in order to guarantee the sustainability of the wastewater treatment systems.
Diese Arbeit wurde durchgeführt, um die Leistung von biologischen Reaktoren wie Wirbelschichtreaktoren (MBBR) und biologischen Membranreaktoren (MBR) zur Grauwasseraufbereitung und -wiederverwendung bei der Toilettenspülung im Labor- sowie im Realmaßstab zu untersuchen. Der Einsatz von Softwaretools zur Designoptimierung der untersuchten Reaktoren sowie die Bewertung ihrer Umweltleistung wurden untersucht. In diesem Zusammenhang wurde das biologischen Abbaus der organischen und stickstoffhaltigen Verbindungen beobachtet, um der Wirkungsgrad der untersuchten Technologien zu beschreiben. Die MBBR-Anlage, die aus mehreren Reaktoren (R1 bis R10) besteht, hat eine hohe Leistung bei dem Abbau von chemischem Sauerstoffbedarf (CSB), gelöstem organischem Kohlenstoff (DOC), biologischem Sauerstoffbedarf (BSB5), Ammoniak (NH4-N) und Gesamtstickstoff (TN) mit Abbauleistungen von bis zu 93%, 80,7%, 99%, 89% bzw. 77% gezeigt. Die stationäre Modellierung, mit dem in der Simba-Software implementierten Belebtschlamm-Modell Nr. 3 (ASM3), wurde auf die MBBR-Anlage angewendet. Die Ergebnisse der Modellierung zeigten eine gute Korrelation zwischen den, in den verschiedenen Reaktoren der MBBR-Anlage, simulierten und den experimentellen ermittelten CSB-Konzentrationen. Die Ergebnisse der Simulation für die Reaktoren (R1 und R5) zeigten eine akzeptable Korrelation mit den experimentellen Ergebnissen mit Ausnahme der TN-werte. Die Anpassung der stöchiometrischen Parameter führte jedoch zu einer zufriedenstellenden Simulation der TN-Konzentrationen. Die Modellierung der biologischen Abbaumechanismen von Grauwasser in dem SM-SBR zeigte ebenfalls eine gute Korrelation zwischen den simulierten und den experimentellen Ergebnissen. Darüber hinaus wurde die Umweltverträglichkeit des MBBR mit Vor-Ort-Grauwasserwiederverwendung mit der Simparo-Software untersucht. Der Ökobilanzansatz (Life Cycle Assessment Approach, LCA) wurde angewendet, um die Szenarien mit Wiederverwendung und ohne Wiederverwendung zu vergleichen und die Umweltauswirkungen der MBBR zu bewerten. Die Wasserwiederverwendung war nicht umweltbelastend und die für die Wiederverwendung erforderlichen zusätzlichen Prozesse, wie das Verteilungssystem, beeinträchtigten die Umweltleistung der Anlage nicht drastisch. So hat die Wiederverwendung mit weniger als 10% zur gesamten Umweltbelastung der Anlage für die meisten Wirkungskategorien beigetragen. Darüber hinaus konnte eine Verringerung zwischen 3,9 % und 17 % bei fünf Wirkungskategorien erreicht werden, nämlich bei der Ozonschichtausdünnung (ODP), Süßwasser aquatische Ökotoxizität (FAEP), Meeres aquatische Ökotoxizität (MAE), Terrestrische Ökotoxizität (TE) sowie Eutrophierung (EP). Eine Sensitivitätsanalyse wurde durchgeführt und zeigte, dass der Einsatz erneuerbarer Energien und eine geringere Menge an Polyvinylchlorid (PVC)-Rohren oder einem anderen Material wie Polyethylen (PET) die Umweltleistung der Anlage verbessern könnte. Infolgedessen sollte die Integration der Wasserrecyclingansätze in den lokalen Kontext von den Entscheidungsträgern in der Wasserwirtschaftspolitik in Betracht gezogen werden, um die Nachhaltigkeit der Abwasserbehandlungssysteme zu gewährleisten.
Ce travail vise à étudier les performances des réacteurs biologiques, tels que le réacteur à lit mobile (MBBR) et le réacteur à membrane biologique (MBR), utilisés pour le traitement des eaux grises afin de les réutiliser dans les chasses d'eau. De plus, il vise l’application des logiciels spécifiques utilisés pour l'optimisation de la conception des réacteurs étudiés ainsi que l'évaluation de leurs performances environnementales. Dans ce contexte, le suivi de la dégradation des matières organiques et azotés a été réalisé pour décrire l'efficacité des technologies étudiées. Le réacteur à grande échelle, le MBBR à grande échelle composée de plusieurs réacteurs (R1 à R10), a montré une bonne performance concernant l'élimination de la demande chimique en oxygène (DCO), le carbone organique dissous (COD), la demande biologique en oxygène (DBO5), et l'ammonium (NH4-N) et l'azote total (TN) avec des rabattements allant jusqu'à 93% %, 80.7%, 99%, 89% et 77%, respectivement. La simulation en régime permanent a été appliquée au réacteur MBBR à grande échelle en utilisant le modèle de boues activées de type ASM3 implémenté dans le logiciel Simba. Les résultats de la modélisation ont montré une bonne corrélation entre les concentrations simulées et expérimentales de la DCO provenant des différents réacteurs du système MBBR. Les résultats de la simulation relatifs à deux réacteurs (R1 et R5) ont montré une corrélation acceptable avec les résultats expérimentaux, à l'exception du TN. Cependant, l'ajustement des paramètres stœchiométriques a permis une simulation satisfaisante des concentrations de TN. La modélisation des caractéristiques de biodégradation des eaux grises par un réacteur biologique séquentiel à membranes immergées (SM-SBR) a également montré une bonne corrélation entre les résultats simulés et expérimentaux. En outre, les performances environnementales des MBBRs utilisés pour le recyclage direct des eaux grises traitées (EGT) ont également été étudiées à l'aide du logiciel Simparo. L'approche de l'analyse du cycle de vie (ACV) a été appliquée pour comparer les scénarios de recyclage et de non-recyclage de point de vue environnemental et pour évaluer l'impact environnemental du MBBR. Le recyclage de l'eau n'a pas un effet néfaste sur l'environnement et que les processus supplémentaires requis pour le recyclage, tel que le système de distribution, n'ont pas altérer la performance environnementale du système. Par exemple, la contribution du recyclage représente moins de 10% de l’impact environnemental total du réacteur pour la majorité des catégories d’impact. De plus, le recyclage des eaux traitées a permis une réduction comprise entre 3.9% et 17% pour les cinq catégories d'impact suivantes: appauvrissement de la couche d'ozone, écotoxicité aquatique en eau douce, écotoxicité en milieu aquatique marin, écotoxicité terrestre et eutrophisation. Une analyse de sensibilité a été réalisée et a montré que l'utilisation d'énergies renouvelables ainsi qu'une quantité moindre de tubes en polychlorure de vinyle (PVC) ou sa substitution par un autre matériau tel que le polyéthylène (PET) pourraient améliorer la performance environnementale du système. Par conséquent, les décideurs dans les politiques de gestion de l'eau devraient envisager l'intégration des approches de recyclage de l'eau dans le contexte local afin de garantir la durabilité des systèmes de traitement des eaux usées.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9036
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8146
Exam Date: 12-Dec-2018
Issue Date: 2019
Date Available: 24-Apr-2019
DDC Class: Dissertation; DDC 628: Sanitär- und Kommunaltechnik; Umwelttechnik
Subject(s): biological treatment
greywater recycling
MBBR
modeling
LCA
biologische Behandlung
Grauwasserrecycling
Modellierung
Ökobilanz
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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