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Title: Development of a continuous single chamber vermicomposting toilet with urine diversion for on-site application
Other Titles: Entwicklung einer kontinuierlich arbeitenden Einkammer-Vermi-Kompostierung-Toilette mit Urintrennung für den Vor-Ort-Einsatz
Language: English
Authors: Buzie-Fru, Christopher Azaah
Thesis Advisor: Otterpohl, Ralf Prof. Dr.-Ing.
Keywords: Entsorgungssystem;Vermikompostierung;Trockentoilette;Eisenia Foetida;Sanitärsystem;vermicomposting;sanitation system
Issue Date: 2010
Series/Report no.: Hamburger Berichte zur Siedlungswasserwirtschaft;76
Abstract (german): Menschliche Ausscheidungen stellen in Entwicklungsländern noch immer ein ernstzunehmendes gesundheitliches Risiko dar. In den meisten Ländern ist das Fehlen angepasster technischer Lösungen die Haupteinschränkung für die Implementierung von funktionierenden Entsorgungssystemen. In dieser Arbeit wurde ein Durchfluss-Modellreaktor für die Behandlung von Fäkalien durch Wurmkompostierung untersucht. Der Komposter wurde für Bedingungen konzipiert, wie sie in Systemen mit urinseparierenden Trockentoiletten zu finden sind, und basierte auf vertikaler Beschickung und kontinuierlicher Behandlung mit Regenwürmern der Art Eisenia Foetida. In dem Testsystem bewegte sich das fäkale Material, das zur Bestimmung der Retentionszeit mit unterschiedlich gefärbten, biologisch nicht abbaubaren Glasmarkern versetzt und kontinuierlich in dünnen Schichten auf den oberen Teil des Reaktors aufgebracht wurde, nach unten und kam anschließend in Kontakt mit den nach oben wandernden Regenwürmern. Untersuchungen zum Einfluss des Feuchtigkeitsgehalts sowie zur Hygienisierung wurden allerdings im Chargenbetrieb durchgeführt. Das Ziel dieser Studie war es, die Vermikompostierung als Behandlungsmethode für getrennt von Urin erfasste Fäkalien in einem kontinuierlichen Einkammer-Trockensystem zu untersuchen. Dazu wurden 1) die auptdimensionierungskriterien, 2) die optimalen Umgebungsbedingungen (im Chargenbetrieb) und 3) die chemische und die mikrobielle Kinetik des Prozesses ermittelt. Die Studie zielte darauf ab, die folgende Frage zu beantworten: Wie beeinflussen Dimensionierung und Umgebungseinflüsse den Abbau der organischen Verbindungen und die Dynamik der Nährstoffe? Zwei wichtige Dimensionierungsparameter, nämlich die oberflächenbezogene Beschickung des Komposters und die anfängliche Besatzdichte mit Würmern wurden in den kontinuierlichen Kompostern mit drei unterschiedlichen Beschickungsraten und zwei Besatzdichten untersucht. Der Einfluss des Wassergehalts der Fäkalien wurde im Bereich von 60 bis 80 % im Chargenbetrieb ermittelt. Die Leistung der Vermikompostierung wurde bewertet durch den Abbaugrad des organischen Materials (als Information zur Stabilisierung des Komposts), den Gehalt an löslichen Nährstoffen (organisch gebundener Kohlenstoff, Ammonium, Nitrat und Phosphor), und an Gesamtnährstoffen einschließlich des organischen Gesamtkohlenstoffs, der organischen Feststoffe und des Gesamt-Kjeldahlstickstoffs. Zur Aufklärung der Hygienisierung wurde die Inaktivierung von sechs Indikatorbakterien (Enterococcus spp., E. coli, Salmonella spp., Fäkalcoliforme, Enterobacter spp. und Shigella spp.), die üblicherweise zur Beurteilung der mikrobiologischen Qualität von Abwasser verwendet werden, in einem Batchversuch mit 60-tägiger Kompostierung des Materials in An- und Abwesenheit von Würmern quantifiziert. Unter Berücksichtigung der verschiedenen untersuchten Parameter ergab sich eine optimale Leistung (40 % Reduzierung des organischen Feststoffgehalts bei einer mittleren Aufenthaltszeit von 120 Tagen) für eine Beschickungsrate von 1,2 kg Material pro kg Würmer und Tag bei einer anfänglichen Wurmdichte von 2,2 kg Würmern pro m2. Entgegen der bestehenden Auffassung, dass eine Wurmkompostierung keine Option für trockene Sanitärsysteme sei, bestätigt diese Arbeit die Realisierbarkeit sogar bei kontinuierlicher Betriebsweise. Die Einkammer-Wurmkompostierungstoilette ist für dezentrale Systeme anwendbar und sollte daher auch im Pilotmaßstab untersucht werden.
Abstract (english): Human excreta continue to be a serious health burden in the developing world. Lack of context-relevant technical options is the main restricting factor in implementing viable sanitation schemes in most countries. In this thesis, a laboratory scale flow-through model reactor for the treatment of faecal matter by vermicomposting is presented. The system was setup to investigate conditions likely to be experienced in urine diverting dry (UDD) sanitation systems based on vertical loading, continuous-flow vermicomposting. In the test system, that was designed to utilize the feeding habits and reproductive cycles of the earthworm Eisenia foetida, faecal matter tainted with differently coloured non-biodegradable glass markers and fed continuously in thin layers to the upper part of the reactor flows down and subsequently comes in contact with upwardmigrating earthworms. The aim of the study was to investigate the feasibility of the vermicomposting technology as a treatment method for faecal matter in a continuous single chamber dry sanitation system. The aim was achieved through the objectives of investigating the major design criteria, establishing the optimum environmental requirements and understanding the chemical and microbial kinetics of the process. Thus, the study was designed to provide answers to the questions: How do design parameters and environmental factors affect carbon loss and nutrient dynamics? Two important design criteria: loading rate and initial worm inoculation density, and a process control parameter – moisture content – were investigated. Three loading rates, three stocking densities and five moisture regimes (60, 65, 70, 75 and 80%) were independently studied. The performance of the system was assessed by the rate of organic matter stabilisation and contents of leachable nutrients such as water soluble organic carbon, ammonium, nitrate and phosphorus, and total nutrients including total organic carbon, volatile solids, heavy metals and total Kjeldahl nitrogen. In addition, the system was assessed with respect to pathogen inactivation by monitoring six sanitation indicator bacteria (SIB) during a 60 day period in order to obtain information about the hygienisation effect of the vermicomposting process. The reactors for this experiment were operated in batch mode. Considering the various parameters evaluated a feeding rate of 1.2 kg-feed /kg-worm /day with 40% volatile solids reduction after 120 days solids retention time and an initial inoculation density of 2.20 kg worms/m2, optimized performance. Overall, this thesis says that contrary to existing perception that vermicomposting-based treatment is not an option in dry sanitation systems; that it is feasible, even on a continuousflow basis. Thus the continuous single chamber vermicomposting toilet is a feasible alternative for on-site application, however, depending on further validation at field-level pilot trials.
URI: http://tubdok.tub.tuhh.de/handle/11420/1003
URN: urn:nbn:de:gbv:830-tubdok-10952
DOI: 10.15480/882.1001
ISBN: 978-3-942768-01-6
Institute: Abwasserwirtschaft und Gewässerschutz B-2
Wastewater Management and Water Protection B-2
Faculty: Bauwesen
Document Type: Dissertation
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