Development of single-stage solar-supported hyper-thermophilic anaerobic reactor for biogas production and disinfection of black water : a pilot case study of Terterkessim slum, Elmina – Ghana

Entwicklung eines einstufigen solar-gestützten hyperthermophilen Anaerobreaktors für die Biogasproduktion und Desinfektion von Schwarzwasser : Pilotstudie im Terterkessim Slum, Elmina – Ghana

  • Rapid urbanisation in Ghana has resulted in individuals expanding the cities for abodes without considerations of the negative externalities these may have on the environment. One of the major challenges with rapid urbanisation is the formation of urban slums associated with lack of basic sanitation facilities. This has led to recurrent outbreak of cholera and typhoid fever. The use of a single-stage solar-supported hyper-thermophilic anaerobic biogas digester for the treatment of black water has not been investigated, hence this study. The performance of three seeding sludge under three different hyper-thermophilic temperatures (60°C, 65°C and 70°C) were tested in batch tests. The three seeding sludge were sewage sludge, sludge from maize silage and cow manure. The results from the batch tests showed cow manure at 65°C as the preferred seeding sludge and optimal hyper-thermophilic temperature. A 50 L single-stage laboratory-scale hyper-thermophilic continuous stirred tank reactor (HT-CSTR) was operated to treat only black water forRapid urbanisation in Ghana has resulted in individuals expanding the cities for abodes without considerations of the negative externalities these may have on the environment. One of the major challenges with rapid urbanisation is the formation of urban slums associated with lack of basic sanitation facilities. This has led to recurrent outbreak of cholera and typhoid fever. The use of a single-stage solar-supported hyper-thermophilic anaerobic biogas digester for the treatment of black water has not been investigated, hence this study. The performance of three seeding sludge under three different hyper-thermophilic temperatures (60°C, 65°C and 70°C) were tested in batch tests. The three seeding sludge were sewage sludge, sludge from maize silage and cow manure. The results from the batch tests showed cow manure at 65°C as the preferred seeding sludge and optimal hyper-thermophilic temperature. A 50 L single-stage laboratory-scale hyper-thermophilic continuous stirred tank reactor (HT-CSTR) was operated to treat only black water for 10 weeks using cow manure at 65°C as the seeding sludge and optimal hyper-thermophilic temperature. Afterwards, co-digestion of blended kitchen food waste and black water was also practised for 12 weeks. With a mean hydraulic retention time (HRT) of 23.3 days, a mean total COD removal of 86.3 % was achieved. The reactor had an average COD volumetric loading rate of 6.22 kgCOD/(m3.d) and remained uninhibited. It also had organic loading rate of 0.3 kgVS/(m3.d) and a degradation performance (R) of 5.43 kgCOD/(m3.d). Treatment of only black water produced biogas with less methane content of 34.9 % even though a stable pH of 6.9 was recorded both in the reactor and in the effluent. Co-digestion with kitchen food waste increased the percentage content of methane in the biogas by 77 % from 34.9 % to 61.8 %. The effectiveness of the HT-CSTR to hygienise the effluent for agricultural purpose was assessed by spiking the reactor with 200 ml each of 2 x 109 CFU/ml Salmonella senftenbergensis and 8 x 108 CFU/ml Escherichia coli. The HT-CSTR was able to hygienise all bacteria of Salmonella senftenbergensis and E. coli. A simulation test confirmed that between 30 minutes and 1 hour, all the cells of Salmonella senftenbergensis and E. coli in the treatment system were killed at 65 °C. Eubacteria, Methanosarcina spp., Methanomicrobium spp. and Methanococcus spp. were identified in the seeding sludge at the hyper-thermophilic temperature of 65°C. The design, construction and performance of a pilot-scale reactor in Terterkessim slum in Elmina, Ghana was based on results from the laboratory-scale HT-CSTR. It achieved 97 % removal of influent total COD and could produce about 2.52 Nm³CH₄/(kgCOD.d) which could be burned for at least 8 hours. The effluent cannot be used for cultivation of leafy vegetables such as cabbage since it had some concentrations of pathogens like Salmonella spp. and E. coli but can be used for cotton crop.show moreshow less
  • Die schnelle und unkontrollierte Urbanisierung führt in vielen Städten Ghanas zur Vergrößerung der Bebauungsfläche für individuelle Unterkünfte ohne Berücksichtigung der negativen Effekte für die Umwelt. Eine der größten Herausforderungen der schnellen Verstädterung ist die Ausbildung von Slums, die nicht über eine grundlegende sanitäre Infrastruktur verfügen. Dies führt zu wiederkehrenden Ausbrüchen von Abwasser- und Fäkalienassoziierten Krankheiten wie Cholera und Typhus Fieber. Eine Möglichkeit der Abwasserbehandlung liegt in der Anwendung von einstufigen solar-geheizten hyperthermophilen anaeroben Bioreaktoren, die bisher jedoch nicht untersucht wurde. Daher liegt der Fokus dieser Arbeit in der Entwicklung eines solchen Reaktors in einem Modellstandort in Ghana, dem Terterkessim Slum, um Schwarzwasser und Gärreste zu desinfizieren und für die Landwirtschaft nutzbar zu machen und gleichzeitig Biogas herzustellen. Die Betriebseigenschaften von drei Inokulationsschlämmen wurden unter drei verschiedenen hyperthermophilen TemperaturenDie schnelle und unkontrollierte Urbanisierung führt in vielen Städten Ghanas zur Vergrößerung der Bebauungsfläche für individuelle Unterkünfte ohne Berücksichtigung der negativen Effekte für die Umwelt. Eine der größten Herausforderungen der schnellen Verstädterung ist die Ausbildung von Slums, die nicht über eine grundlegende sanitäre Infrastruktur verfügen. Dies führt zu wiederkehrenden Ausbrüchen von Abwasser- und Fäkalienassoziierten Krankheiten wie Cholera und Typhus Fieber. Eine Möglichkeit der Abwasserbehandlung liegt in der Anwendung von einstufigen solar-geheizten hyperthermophilen anaeroben Bioreaktoren, die bisher jedoch nicht untersucht wurde. Daher liegt der Fokus dieser Arbeit in der Entwicklung eines solchen Reaktors in einem Modellstandort in Ghana, dem Terterkessim Slum, um Schwarzwasser und Gärreste zu desinfizieren und für die Landwirtschaft nutzbar zu machen und gleichzeitig Biogas herzustellen. Die Betriebseigenschaften von drei Inokulationsschlämmen wurden unter drei verschiedenen hyperthermophilen Temperaturen (60°C, 65°C und 70°C) nach der Richtline Verein Deutscher Ingenieure (VDI) 4630 (2006) in Batch-Ansätzen untersucht. Dabei handelt es sich um Belebtschlamm einer Kläranlage, Mais-Silage sowie Kuhdung. In den Batch-Ansätzen erwies sich Kuhdung bei 65°C am besten als Inokulationsschlamm geeignet, wenn optimale hyperthermophile Temperaturen und ein größerer Reaktor in Betracht kommen. In Gegenden ohne verfügbaren Kuhdung kann Klähranlagenschlamm bei 60°C alternativ als Inokulum verwendet werden.show moreshow less

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Metadaten
Author: Isaac Mbir Bryant
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-47814
Referee / Advisor:Prof. Dr. rer. nat. habil. Marion Martienssen
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2019
Date of final exam:2019/03/08
Release Date:2019/03/28
Tag:Einstufig; Hyperthermophil; Methanertrag; Schwarzwasser; Solar-beheizt
Black water; Hyper-thermophilic temperature; Methane yield; Single-stage; Solar-supported
GND Keyword:Abwasser; Rührreaktor; Fermentation; Biogas; Methanproduktion
Institutes:Fakultät 2 Umwelt und Naturwissenschaften / FG Biotechnologie der Wasseraufbereitung
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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