Nitrogen Removal in Drinking Water Treatment - A Combination of Zeolite Sorption and the Anammox-Process

Wasserknappheit und verminderte Wasserqualität sind Folgen des Klimawandels und zu-nehmender menschlichen Aktivitäten in der Landwirtschaft. Um den weltweiten Nahrungsmittelbedarf zu decken, ist der Einsatz von Stickstoffdüngern (hauptsächlich in Form von NH4+) notwendig, um die Qualität und den Ertrag von Nutzpflanzen zu steigern. Eine wachsende Weltbevölkerung macht einen verstärkten Einsatz von Stickstoffdüngern in der Landwirtschaft erforderlich, was zu einem erhöhten Eintrag von reaktivem Stickstoff in den Boden und das Grundwasser führt. Zusammen mit Abwassereinleitungen aus Haus-halten und Industrie in die Umwelt ist die Landwirtschaft Schätzungen zufolge der Hauptverschmutzer von Trinkwasserquellen. Neben Vermeidungs- und Verminderungsstrategien ist die Entwicklung innovativer Technologien zur Entfernung von Stickstoffverbindungen aus Trinkwasserquellen ein vielversprechender Ansatz zur Lösung dieses Problems. Diese Arbeit zeigt die Machbarkeit eines kombinierten Zeolith- und Anammox-Verfahrens zur Entfernung von Stickstoffverbindungen in einer grundwasserähnlichen Matrix für die Trinkwasseraufbereitung auf. Unter Verwendung von natürlichen Zeolithe (Klinoptilolith) als Sorbentien (für NH4+) und als Biofilmträger (für Anammox Bakterien) in einem Festbett-Biofilter wurde ein hocheffizienter, kostensparender, kompakter und wartungsarmer Prozess für dezentrale Anwendungen demonstriert. Darüber hinaus wurden in einer technischen und wirtschaftlichen Bewertung die Chancen und Risiken dieses Verfahrens für die Trinkwasseraufbereitung aufgezeigt. Der Einfluss von Schlüsselparametern auf die Sorption von NH4+ an natürlichen Zeolithe ergab eine hohe NH4+-Selektivität (NH4+ > K+ > Na+ > Mg2+ > Ca2+), hohe Sorptionskapazitäten (bis zu 21.3 mg(NH4+)/g) und hohe Entfernungsleistungen (bis zu 99 %). Untersuchungen in Multisorbat- und natürlichen Wassermatrices ergaben, dass die Konzentrationen von K+ und gelöstem organischem Kohlenstoff (DOC) den größten Einfluss auf die Sorption von NH4+ haben. Die Gleichgewichtsbeladung wurde dabei um bis zu 8% verringert. Der Einfluss von Anionen kann in Grundwasser typischen Konzentrationen bei pH-Werten oberhalb des pHPZC (Point of Zero Charge) vernachlässigt werden. Der pHPZC konnte zwischen pH 6.24 und pH 6.47 bestimmt werden. Zwischen pH 5 und pH 7 wurde eine maximale NH4+-Entfernungsleistung festgestellt, wohingegen aufgrund eines erhöhten Anteils an nicht sorbierbarem NH3(aq) ab pH ≥ 8 die Entfernungsleistung stark abnahm. Bei einer NH4+-Konzentration von 12.8 mg/L konnte der zugrundeliegende Sorptionsmechanismus auf den Ionenaustausch zurückgeführt werden (R² = 0,997). NH4+ beladene Zeolithe ließen sich am besten mit einer K+-Salzlösung regenerieren. Experimentell ermittelte Durchbruchskurven und eine zweifaktorielle Varianzanalyse bestätigten einen starken Einfluss der K+- und DOC-Konzentrationen auf den Durchbruch von NH4+ in natürlichen Wassermatrices. Bei einem Durchbruch von 50% wurde mit dem Einsatz von Elbewasser die Anzahl der behandelten Bettvolumina (BVs) um 69% reduziert. Darüber hinaus wurden die NH4+-Durchbruchskurven mit und ohne den Einfluss von K+ in Reinstwasser sowohl mit dem Linear Driving Force (LDF)- als auch mit dem Thomas-Modell erfolgreich modelliert und durch experimentelle Daten validiert. Die Verwendung solcher Modelle ist ein vielversprechendes Instrument, um zeitaufwändige und umfangreiche Untersuchungen im Labor und im Feld zu reduzieren. Um das Anammox-Verfahren erfolgreich etablieren zu können ist ein stabiler Betrieb der partiellen Nitritation (PN) zur Regulierung des erforderlichen stöchiometrischen NO2-/NH4+-Verhältnisses (1.32:1) entscheidend. Vorläufige Untersuchungen mit einem Fest-bett-Biofilter und einem Sequencing-Batch-Reaktor (SBR) zeigten, dass die folgenden Faktoren bei der Anwendung einer PN berücksichtigt werden müssen: (1) komplexe Wechselbeziehungen zwischen mikrobiellen Gemeinschaften mit unterschiedlichen Substratanforderungen, synergetische/kompetitive Wechselwirkungen, inhibierende Prozesse, und Stoffwechselprodukte; und (2) die Notwendigkeit, verschiedene Inhibierungsstrategien zu etablieren, um die Aktivität NO2- oxidierender Bakterien (NOB) zu unterdrücken. Es ist entscheidend, einen geschichteten und stabilen Biofilm zu etablieren, bevor eine PN unter Grundwasserbedingungen mit erhöhten Temperaturen und hohen NH4+-Konzentrationen eingesetzt wird. Das kombinierte Zeolith- und Anammox-Verfahren wurde in einem sequentiellen Zeolith-Anammox-Biofilter untersucht. Trotz weitaus niedrigerer Substratkonzentrationen und einer 8-fach höheren Filtergeschwindigkeit wurden vergleichbare Entfernungsleistungen für NH4+ (86%) und NO2- (76%) wie mit ähnlichen Zeolith- Anammox-Systemen für die Abwasseraufbereitung ermittelt. Die Entfernungsleistungen für NH4+ und NO2- konnten durch einen Vergleich ihrer Halbwertszeiten mit der effektiven hydraulischen Aufenthaltsdauer im Biofilter bestätigt werden. Die Entfernung von NH4+ erfolgte aufgrund der Sorption über Zeolithe und des Anammox-Stoffwechsel wesentlich schneller als für NO2-, deren Entfernung lediglich auf den Anammox-Stoffwechsel zurückführbar ist. Sowohl die ermittelten Halbwertszeiten als auch das von der Filterhöhe abhängige NO2-/NH4+-Verhältnis konnte eine schnellere NH4+-Entfernung bestätigen. Die Grenzwerte für NO2- der Weltgesundheitsorganisation (WHO: 3 mg/L) und der Vereinigten Staaten von Amerika (USA: 3.2 mg/L)) wurden bei Filtergeschwindigkeiten von 0.032 m/h und 0.043 m/h eingehalten. Bei 0.032 m/h und 0.043 m/h wurden die NH4+-Grenzwerte für China (0.6 mg/L) und Deutschland (0.5 mg/L) leicht überschritten. Durch eine Korrelation der NH4+- und NO2--Entfernung mit der elektrischen Leitfähigkeit konnte darüber hinaus bei allen untersuchten Filtergeschwindigkeiten ein vereinfachtes Verfahren zur Prozessüberwachung demonstriert werden. Eine technisch-wirtschaftliche Bewertung ergab die höchste technische Wertigkeit (X) für das Ionenaustauschverfahren mit Zeolithe (X: 0.79), gefolgt vom Nitrifikationsverfahren (X: 0.68) und dem Verfahren der partiellen Nitritation/Anammox (PN/A) (X: 0.52). Das Ionen-austauschverfahren zeichnet sich dabei vor allem durch eine einfache Handhabung und Anpassung hinsichtlich schwankender NH4+-Konzentrationen im Zulauf sowie eine hohe Betriebssicherheit aus. Dagegen sind vergleichsweise lange Etablierungszeiten, eine un-sichere Betriebssicherheit und eine hohe verfahrenstechnische Komplexität für das PN/A-Verfahren zu erwarten. Die Gesamtkosten jedes Verfahrens wurden unter Berücksichtigung der Anlagengröße, lokaler Strompreise und unterschiedlicher NH4+-Konzentrationen im Zulauf über einen Zeitraum von 20 Jahren berechnet. Auf Grundlage dieser Berechnung können die folgenden Empfehlungen für eine dezentrale Trinkwasseraufbereitung ausgesprochen werden: (1) Das Ionenaustauschverfahren kann für NH4+-Konzentrationen bis zu 21 mg/L empfohlen werden; (2) das PN/A-Verfahren wird bei höheren NH4+-Konzentrationen wirtschaftlicher; und (3) das Nitrifikationsverfahren weist ab einer NH4+-Konzentration von ≥ 14 mg/L im Zulauf eine ungünstige Wirtschaftlichkeit auf, da eine zusätzliche Denitrifikationsstufe eingeplant werden muss um den NO3- Grenzwert von 50 mg/L der WHO und von Deutschland einzuhalten. Werden die Berechnungen mit einem niedrigeren KCl-Preis wiederholt, kann das Ionenaustauschverfahren bis zu einer NH4+-Konzentration von 60 mg/L empfohlen werden. Das PN/A-Verfahren stellt bei NH4+-Konzentrationen ≥ 60 mg/L das wirtschaftlichere Verfahren dar. Insgesamt ist das kombinierte Zeolith- und Anammox-Verfahren ein vielversprechendes Verfahren zur Entfernung von Stickstoffverbindungen in dezentralen Anwendungen für die Trinkwasseraufbereitung in Schwellen- und Entwicklungsländern des globalen Südens. Insbesondere dort, wo erhöhte Temperaturen und hohe NH4+-Konzentrationen in Trinkwasserquellen zu finden sind.:1. Introduction ................................................................................................................. 1 2. Topic and Objective of the Thesis ............................................................................. 3 3. Background and Literature Review ........................................................................... 5 3.1 General Aspects about the Global Nitrogen Cycle ............................................ 5 3.1.1 Nitrogen Reservoirs and Anthropogenic Activities ........................................... 5 3.1.2 Nitrogen Cycle in Riverbank Filtration and Groundwater ................................. 7 3.1.3 Ecological Relevance and Physiological Effects of Nitrogen Compounds ..... 10 3.2 Ammonium Removal Processes – Current State of Knowledge .................... 12 3.2.1 Distinction: Drinking Water vs. Wastewater Treatment .................................. 13 3.2.2 Zeolites: Occurrence, Characteristics and Application ................................... 17 3.2.3 Partial Nitritation and Anammox ..................................................................... 20 4. Results and Discussion ............................................................................................ 25 4.1 Publication 1: Granular Natural Zeolites: Cost-Effective Adsorbents for the Removal of Ammonium from Drinking Water ............................................................ 25 4.2 Publication 2: Natural Zeolites for the Sorption of Ammonium: Breakthrough Curve Evaluation and Modeling .................................................................................. 48 4.3 Preliminary Investigations to the Partial Nitritation ........................................ 66 4.3.1 Material and Methods .................................................................................... 66 4.3.2 Results and Discussion .................................................................................. 70 4.3.3 Conclusions ................................................................................................... 77 4.4 Publication 3: A Sequential Anammox Zeolite-Biofilter for the Removal of Nitrogen Compounds from Drinking Water ............................................................... 79 4.5 Technical-Economic Evaluation ........................................................................ 99 4.5.1 Material and Methods .................................................................................... 99 4.5.2 Results and Discussion ................................................................................ 103 4.5.3 Conclusions ................................................................................................. 114 5. Summary and General Conclusions ...................................................................... 116 6. Outlook ..................................................................................................................... 119 References ..................................................................................................................... 122 List of Tables ................................................................................................................. 139 List of Figures ................................................................................................................ 141 List of Abbreviations ..................................................................................................... 144 List of Formular ............................................................................................................. 146 Appendix ........................................................................................................................ 147 A-1 Supporting Information: Section 3 .................................................................. 147 A-2 Supporting Information: Section 4 .................................................................. 149 A-2.1 Publication 1: Granular Natural Zeolite: Cost-Effective Adsorbents for the Removal of Ammonium from Drinking Water ............................................................ 149 A-2.2 Publication 2: Natural Zeolites for the Sorption of Ammonium: Breakthrough Evaluation and its Modeling ...................................................................................... 157 A-2.3 Preliminary Investigations to Partial Nitritation ............................................. 162 A-2.4 Publication 3: A Sequential Anammox Zeolite-Biofilter for the Removal of Nitrogen Compounds from Drinking Water ............................................................... 168 A-2.5 Technical-Economic Evaluation ................................................................... 179 Journal Articles and Conference Contributions ......................................................... 200 Acknowledgements ....................................................................................................... 201 Declaration ..................................................................................................................... 20

Semantik-orientierter rekursiver Transfer in HPSG am Beispiel des Referenzdialogs

Wir machen einen Transfervorschlag für HPSG-Strukturen, der bei der Übersetzung der semantischen Repräsentation die syntaktische Struktur zusammen mit dem HPSG-spezifischen Semantischen Prinzip (Pollard/Sag (1994)) als rekursionssteuerndes Moment benutzt. Der Transfer übernimmt bei dieser Architektur eine Mediatorrolle zwischen dem Analyseergebnis, das eine quellsprachenspezifische semantische Repräsentation enthält, und dem Generatorinput, der eine zielsprachenspezifische semantische Repräsentation enthält. Das heißt u.a., dass die Transferkomponente Übersetzungsschwierigkeiten feststellt, strukturelle Veränderungen vornehmen und, bei Bedarf, zur Auflösung von translation mismatches (Kameyama et al. (1991)) eine vertiefte semantische Analyse der quellsprachlichen Äußerung anstoßen und deren Ergebnisse verwenden kann. Als mittelfristiges Ziel soll die Generierung zur Herstellung von Übersetzungsvarianten den Transferoutput an die Transferkomponente zurückgeben können mit Maßgaben, die es dem Transfer erlauben, gezielt alternative zielsprachspezifische Repräsentationen zu erzeugen. Unter dem Aspekt dieser kommunikativen Kompetenz übernimmt der Transfer die Rolle eines negociators (Kay et al. (1994))

Unsichere Beschäftigung - unsichere Integration? Auswirkungen destandardisierter Beschäftigung auf die Einbindung in Familie und soziale Netzwerke

Die Autoren untersuchen die Auswirkungen unsicherer und diskontinuierlicher Beschäftigung auf die Verfügbarkeit verbindlicher, vertrauensvoller und emotional gehaltvoller oder "starker" Beziehungen. Sie stellen dazu Analysen auf der Basis des Familiensurveys 2000 vor und gehen der Frage nach, ob es sich bei den untersuchten Zusammenhängen zwischen Erwerbsbiographien einerseits und Beziehungsmustern zu Verwandten und Freunden andererseits tatsächlich um Abhängigkeiten zwischen Erfahrungen in zwei unterschiedlichen Lebensbereichen handelt oder aber um die Folge bestimmter Persönlichkeitsmerkmale, die den Lebensverlauf und damit auch das Engagement in beiden Lebensbereichen entsprechend steuern bzw. den Zusammenhang zwischen ihnen moderieren. Obwohl es sich um ein bisher eher vernachlässigtes Forschungsthema handelt, greifen die Autoren die klassische Fragestellung auf, wie das wertvolle Wohlfahrtsgut einer gelungenen sozialen Integration und hilfreicher sozialer Beziehungen mit anderen ungleich verteilten und in Arbeitsgesellschaften wesentlich über den Arbeitsmarkt vermittelten Ressourcen zusammenhängt. (ICI2

Colorado Native Plant Society Newsletter, Vol. 4 No. 3, May-June 1980

https://epublications.regis.edu/aquilegia/1153/thumbnail.jp

Livre universitaire numérique en sciences humaines et sociales : pour un foyer d’expertise et une infrastructure de stature mondiale (Le)

Au moment où le numérique occupe de plus en plus d’espace dans la communication scientifique, il est utile de s’interroger sur la capacité d’implantation (formes organisationnelles et modèles d’affaires) d’un système de publication numérique issu de la communauté universitaire en mesure d’éditer, de mettre en valeur et d’assurer la présence internationale du livre universitaire en sciences humaines et sociales

Cannabinoids reduce melanoma cell viability and do not interfere with commonly used targeted therapy in metastatic melanoma in vivo and in vitro

Background: Cannabinoids are mainly used for recreational purposes, but also made their way into oncology, since these substances can be taken to increase appetite in tumour cachexia. Since there are some hints in the literature that cannabinoids might have some anti-cancerous effects, the aim of this study was to study if and how cannabinoids mediate pro-apoptotic effects in metastatic melanoma in vivo and in vitro and its value besides conventional targeted therapy in vivo. Methods: Several melanoma cell lines were treated with different concentrations of cannabinoids, and anti-cancerous efficacy was assessed by proliferation and apoptosis assays. Subsequent pathway analysis was performed using apoptosis, proliferation, flow cytometry and confocal microscopy data. The efficacy of cannabinoids in combination with trametinib was studied in NSG mice in vivo. Results: Cannabinoids reduced cell viability in multiple melanoma cell lines in a dose-dependent way. The effect was mediated by CB1, TRPV1 and PPARα receptors, whereby pharmacological blockade of all three receptors protected from cannabinoid-induced apoptosis. Cannabinoids initiated apoptosis by mitochondrial cytochrome c release with consecutive activation of different caspases. Essentially, cannabinoids significantly decreased tumour growth in vivo and were as potent as the MEK inhibitor trametinib. Conclusions: We could demonstrate that cannabinoids reduce cell viability in several melanoma cell lines, initiate apoptosis via the intrinsic apoptotic pathway by cytochrome c release and caspase activation and do not interfere with commonly used targeted therapy

Lattice fusion rules and logarithmic operator product expansions

The interest in Logarithmic Conformal Field Theories (LCFTs) has been growing over the last few years thanks to recent developments coming from various approaches. A particularly fruitful point of view consists in considering lattice models as regularizations for such quantum field theories. The indecomposability then encountered in the representation theory of the corresponding finite-dimensional associative algebras exactly mimics the Virasoro indecomposable modules expected to arise in the continuum limit. In this paper, we study in detail the so-called Temperley-Lieb (TL) fusion functor introduced in physics by Read and Saleur [Nucl. Phys. B 777, 316 (2007)]. Using quantum group results, we provide rigorous calculations of the fusion of various TL modules. Our results are illustrated by many explicit examples relevant for physics. We discuss how indecomposability arises in the "lattice" fusion and compare the mechanisms involved with similar observations in the corresponding field theory. We also discuss the physical meaning of our lattice fusion rules in terms of indecomposable operator-product expansions of quantum fields.Comment: 54pp, many comments adde

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