Die Behandlung menschlicher Ausscheidungen durch anaerobe Vergärung ist eine unglaublich ethische Hygienetechnologie. Die anaerobe Vergärung findet in Biodigester statt und erzeugt einen Brennstoff ( Biogas ), entfernt den biochemischen Sauerstoffbedarf (BSB) aus dem Abwasser, konserviert Nährstoffe (insbesondere Stickstoffverbindungen) und reduziert vor allem Krankheitserreger . Übermäßige Konzentrationen menschlicher Abfälle schädigen die Umwelt, da sie mit BSB, Nährstoffen und anthropozoonotischen Krankheiten belastet sind. Dies kann eine Vielzahl von Umweltproblemen verursachen, die zum Zusammenbruch des Ökosystems führen können, beispielsweise indem ein Gewässer für viele Organismen unbewohnbar wird. Unbehandeltes Abwasser verursacht Algenblüten, Red Tide und sogenannte Totzonen . Auch der Mensch leidet unter unbehandeltem Abwasser (auch Schwarzwasser genannt ). Durch menschliche Exkremente übertragene, durch Wasser übertragene Krankheiten sind weltweit eine der häufigsten Todesursachen, insbesondere in den sogenannten Entwicklungsländern. Einige Krankheiten, die durch unbehandelte menschliche Abwässer verursacht werden, sind Cholera, Typhus, Paratyphus, Salmonellen, Ruhr, Gastroenteritis, Leptospirose, Meningitis, Hepatitis und verschiedene parasitäre Krankheiten.
Die Menge an Biogas, die aus menschlichen Abfällen gewonnen werden kann, ist im Vergleich zu Viehmist und anderen Rohstoffen begrenzt. Unser Magen ist einfach zu leistungsfähig! David House stellt in seinem hervorragenden Buch fest, dass 1000 Pfund menschlicher Abfall etwa 0,6 Kubikmeter Biogas produzieren (genug Kochbrennstoff für etwa 1 bis 2 Personen). Aber dieser Betrag summiert sich schnell. Bitte informieren Sie sich im Internet über Projekte, insbesondere in Ruanda, Indien und Thailand.
Unbehandeltes Abwasser verursacht nicht nur eine Ausbreitung von Krankheiten, sondern entsorgt in Entwicklungsländern auch wertvolle Nährstoffe an Orten, an denen keine Düngemittel verfügbar sind. Biodigester verwandeln Abfall in Biodünger . Es gibt auch einen großen Mangel in den Abwasseraufbereitungssystemen der entwickelten Länder, wo enorme Energiemengen für die Belüftung und Behandlung von Abwässern verbraucht werden; Bei der anaeroben Vergärung wird Abwasser aufbereitet und außerdem Energie erzeugt, anstatt diese zu verbrauchen. In diesem Artikel werden Überlegungen zur Behandlung menschlicher Abfälle erörtert und verschiedene Optionen skizziert.
Inhalt
Wichtige Überlegungen
Bei der Behandlung menschlicher Abfälle müssen einige Überlegungen angestellt werden. Es gibt WICHTIGE krankheitsbedingte Probleme und einige allgemeine körperliche Überlegungen. Das Problem Nummer 1 ist der Umgang mit menschlichen Abfällen. Bediener, die ohne Vorsichtsmaßnahmen mit menschlichem Abfall umgehen, werden unweigerlich krank. Der Abfallhandhabungsprozess muss die Behandler berücksichtigen. Im Idealfall verhindert ein Abfallbehandlungssystem jegliche direkte Handhabung durch Menschen.
Typisches Biodigester-Abwasser ist NICHT steril. Durch die anaerobe Vergärung entsteht ein Wettbewerbsumfeld, in dem Krankheitserreger von nichtinfektiösen Mikroorganismen verdrängt werden und daher hinsichtlich der Populationen verdrängt werden. Dies bedeutet, dass Krankheitserreger REDUZIERT, aber nicht vollständig eliminiert werden. Studien in thermophilen Biodigester (45-55 °C) haben jedoch eine viel stärkere Reduzierung von Krankheitserregern gezeigt als in Biodigester mit Umgebungstemperatur und niedrigerer Temperatur (siehe Abschnitt Biodigester, die Krankheitserreger kontrollieren können). Ein Abfallbehandlungssystem muss das Krankheitsproblem während des Prozesses durch Vor- oder Nachbehandlung angehen oder das Abwasser muss entsprechend entsorgt werden.
Eine häufige Überlegung bei der Gestaltung von Biodigester zur Integration in ein bereits bestehendes System ist, dass menschliche Exkremente normalerweise stark verdünnt werden, um die Bewegung zu erleichtern. Toilettenspülungen verbrauchen große Wassermengen (zwischen 1,3 und 2,5 Gallonen, in den USA jedoch etwa 2 Gallonen), und die Entwicklung eines Biodigesters mit beispielsweise einer hydraulischen Verweilzeit (HRT) von 30 Tagen zur Behandlung gespülter Abfälle erfordert einen Biodigester mit sehr großem Volumen eine Verdünnung von 2 Gallonen pro Spülung. Es gibt jedoch Biodigester-Designs, die eine HRT bzw. die Zeitspanne, in der ein Biodiger einen Abfall zurückhält, von nur wenigen Stunden bewältigen können. Bei diesen Konstruktionen handelt es sich um schlammrückhaltende Reaktoren, wie z. B. Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) und noch leistungsstärkere Festfilmreaktoren . Ein letzter wichtiger zu berücksichtigender Faktor ist die Ammoniaktoxizität , da menschliche Abfälle Berichten zufolge ein niedriges C:N-Verhältnis aufweisen . Dieses Problem kann durch Verdünnung und gemeinsame Verdauung eines kohlenstoffreichen Ausgangsmaterials wie Melasse gelöst werden . Tierische Abfälle sind von Natur aus sicherer zu behandeln als menschliche Abfälle, da sie tendenziell weniger menschliche Krankheitserreger enthalten, obwohl auch einige durch Dung übertragene Krankheitserreger berücksichtigt werden sollten.
Behandlungsmethoden
Wärmevorbehandlung
Bei diesem Prozess würden menschliche Exkremente auf 70 °C pasteurisiert , bevor sie in den Biodigester gelangen. Dies geschieht am besten vor der Verdünnung, um die Energiekosten zu senken. Dies kann mithilfe von Abdampf, passiver Solarheizung oder direkter Verbrennung von Biogas oder einer anderen Brennstoffquelle erfolgen. Der Prozess würde mehr menschliche Exkremente für die anaerobe Vergärung verfügbar machen und wahrscheinlich sogar die Menge an produziertem Biogas erhöhen. Auch eine Wärmevorbehandlung kann die HRT senken. Durch die Sterilisation im Vorfeld werden alle mit Krankheitserregern verbundenen Abwasserprobleme beseitigt und ein Biodünger für essbare (für den menschlichen Verzehr geeignete) Pflanzen erzeugt.
Behandlung durch Retention
Sehr lange Verweilzeiten im Abwasser haben die Fähigkeit, Krankheitserreger nahezu abzutöten. Die Zeitspanne, in der menschliche Exkremente zurückgehalten werden sollten, ist unterschiedlich. In einem sehr warmen Klima möchten Sie den Abfall möglicherweise 60 bis 90 Tage lang aufbewahren. In kalten Klimazonen (20 °C und darunter) wird jedoch eine Aufbewahrung von 150 oder mehr Tagen empfohlen. Die Verweilzeit kann über die HRT des Biodigesters oder durch Halten des Abwassers für einen zusätzlichen Zeitraum gesteuert werden. Die wirtschaftlichste Option sollte ebenso in Betracht gezogen werden wie Sicherheitsfaktoren wie der Zugang zum Vorratstank und alle anderen Probleme, die eine potenzielle Gefährdung von Menschen und Tieren mit sich bringen.
Sicherheitswarnung: Rückhaltemethoden zur Zerstörung von Krankheitserregern sollten vor der Einführung durch Laborergebnisse bestätigt werden.
Nachbehandlung und Sterilisation
Biodigester-Abwasser kann auch in einer sekundären Behandlungsphase wie Ultrafiltration , ultraviolettem Licht (UV) , einer Feuchtgebietsbehandlung , Kompostierung oder aeroben Behandlung behandelt werden . Bei der Ultrafiltration wird das Abwasser durch eine Membran geleitet, die nur lösliche Stoffe passieren lässt. Derzeit ist es wahrscheinlicher, dass diese Technologie in der entwickelten Welt zum Einsatz kommt, es könnten jedoch auch geeignete Lösungen unter Verwendung von Materialien wie Mangroven und anderen Pflanzen zum Einsatz kommen. Die Ultrafiltration eignet sich für konzentrierte Abwässer, bei denen sich die meisten Feststoffe abgesetzt haben. Die UV-Behandlung ist eine gängige Technologie zur Wasseraufbereitung, ist jedoch möglicherweise nur für verdünnte Abwässer sinnvoll, bei denen Trübung kein Problem darstellt. Ein Behandlungsfeuchtgebiet bietet zusätzliche Behandlung und Lebensraum für Wildtiere. Im Wesentlichen wird ein Bewegungsgefälle geschaffen und mit Feuchtpflanzen bepflanzt, die den Nährstoff- und Krankheitserregerabtransport erleichtern. Auf diese Weise werden Abwässer, wie z. B. Sturmabflüsse, in der Umwelt auf natürliche Weise behandelt. Zur Behandlung des Abwassers kann ein Kompostierungsprozess eingesetzt werden, der jedoch zunächst getrocknet werden muss, um die Belüftung zu erleichtern, was flächen- und energieintensiv ist. Es muss darauf geachtet werden, dass bei diesem Vorgang niemand den Staub des frischen Abwassers einatmet. Das Abwasser kann auch einem aeroben Behandlungsprozess unterzogen werden, um das Abwasser zu polieren. Dies ist jedoch teuer, aufwändig und entfernt Nährstoffe aus einem produktiven System. Weitere Optionen zur Abfallbehandlung können Sandfilter und Klärbecken sein .
Biodigester, die Krankheitserreger bekämpfen können
Wie bereits erwähnt, sind einige Biodigesterprozesse in der Lage, praktisch alle im Abwasser vorkommenden Krankheitserreger zu bekämpfen. Dabei handelt es sich um thermophile Biodigester, Phasenbiodigester und Stufenbiodigester . In einem thermophilen Biodigester ist die Umgebung im Biodigester so heiß, dass viele Krankheitserreger nicht überleben können. Auch die Umwelt ist weitaus konkurrenzfähiger als in einem herkömmlichen Biovergärungsofen. Krankheitserreger akklimatisieren sich normalerweise und fühlen sich bei Körpertemperatur am wohlsten. Glücklicherweise sind viele der Organismen, die zur anaeroben Verdauung fähig sind, thermophile oder wärmeliebende Organismen. Bei der zuvor erwähnten Ammoniaktoxizität ist jedoch Vorsicht geboten, da thermophile Biodigester weitaus empfindlicher auf dieses Problem reagieren als Biodigester bei Umgebungstemperatur und bei niedrigeren Temperaturen. Ein Phasenbiodigester trennt die jeweiligen Phasen, die das Material während des anaeroben Vergärungsprozesses durchlaufen muss. Organisches Material unterliegt der Hydrolyse , Acidogenese , Acetogenese und Methanogenese . Im Wesentlichen kann ein Behälter die Umwandlung organischer Stoffe in lösliche Stoffe (Hydrolyse), die Produktion von Säuren (Azidogenese und Acetogenese) oder die Methanproduktion (Methanogenese) erleichtern. Bei der anaeroben Phasenvergärung werden zwei oder mehr Behälter zur Trennung der Phasen verwendet. Dies kann physikalisch (Entfernung organischer Stoffe bei der Hydrolyse), chemisch (Hemmung der Methanproduktion oder Pufferung von Säuren auf einen pH-Wert, bei dem Methanbildung stattfinden kann) oder biologisch (Ansäuerung des/der ersten Reaktors/Reaktoren) erfolgen. Wenn ein Reaktor angesäuert werden kann, um die Methanproduktion zu hemmen, führt der niedrige pH-Wert auch zu einer extremen Umgebung, in der einige Krankheitserreger nicht leben können. Nach einer sauren Umgebung werden sie in eine methanproduzierende Umgebung gebracht, die durch mikrobielle Konkurrenz zusätzlich Krankheitserreger entfernt. Ein zweiphasiger Biodiger, der in der Lage ist, Krankheitserreger zu eliminieren, könnte über einen ersten Tank zur Ansäuerung verfügen, der dann in einen thermophilen, methanproduzierenden zweiten Tank geleitet wird. Stufenbiodigester können auf die gleiche Weise funktionieren, indem sie die Konkurrenzmechanismen in verschiedenen Stufen (Reaktoren) ändern, die Phasen jedoch immer noch nicht vollständig trennen.
Abwasser anwenden
Eine vollständige Eliminierung von Krankheitserregern ist bei entsprechend sorgfältiger Ausbringung des Abwassers nicht erforderlich. Biodigester-Abwässer, die noch Krankheitserreger enthalten, können in unterirdische Laugungsfelder (mit einem Klärbecken) ausgebracht, für nicht essbare Pflanzen und in einigen Fällen Futterpflanzen verwendet und direkt auf das Land ausgebracht werden. All diese Dinge erfordern jedoch Sicherheitsüberlegungen. Das Ausmaß der menschlichen Exposition muss berücksichtigt werden. Die Kontamination von Grundwasser und Gewässern stellt eine potenzielle Gefahr dar, wenn Abwässer, die nicht völlig frei von Krankheitserregern sind, in die Umwelt gelangen. Bei der direkten Landanwendung muss die direkte Exposition, beispielsweise die Landnutzung durch Kinder und Erwachsene, berücksichtigt werden. Nicht essbare Pflanzen sind eine weitere Option und ermöglichen ebenfalls die Nährstoffbindung. Zu den Nutzpflanzen könnten Energiepflanzen, Biomasseproduktion und viele andere gehören. Die Exposition gegenüber Menschen stellt jedoch wiederum ein Risiko dar, das berücksichtigt werden muss. Der einfachste und sicherste Weg, Abwasser zu entsorgen, besteht darin, es einfach in ein bereits bestehendes Abwassersystem einzuleiten.
Abschluss
Biodigester bieten eine Vielzahl von Vorteilen für Personen, die an einer ethischen Behandlung menschlicher Abfälle interessiert sind. Der wichtigste Aspekt, der nicht unbedingt immer wirksam gehandhabt wurde, ist die Gefahr, die Krankheitserreger in menschlichen Ausscheidungen für die Gesundheit darstellen. Diese Systeme sind von der Haushalts- und Gemeindeebene bis hin zu größeren industriellen Anwendungen skalierbar. Erfolgreiche Anwendungen finden sich weltweit und auch in der Geschichte. Das Beste daran: Die anaerobe Vergärung bietet die Möglichkeit, Abfall in eine Ressource umzuwandeln.
Weiterführende Literatur
- Bitton G. Abwassermikrobiologie. 3. Aufl. Wiley-Liss 2005
- van Haandel, AC, Lettinga, G. Anaerobic Sewage Treatment: A Practical Guide for Regions with a Hot Climate J Whiley 1994
- House, D. The Complete Biogas Handbook 3. Auflage 2007 www.completebiogas.com
- Speece, RE Anaerobic Biotechnology for Industrial Wastewaters Archae Press 1996
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