Infiltration facilities are source control mechanisms that are implemented in urban developments with reduced natural permeable surfaces. Despite the development of design criteria for infiltration facilities, these systems continue to fail due to headloss development, overflow, or chemical breakthrough. The limited research on the long-term performance of these systems has emphasized the role of physical filtration mechanisms within porous media filters to address concerns surrounding system failure, namely filter clogging. A continuous macroscopic depth filtration model was developed to investigate the clogging potential of the underlying sand filter. This continuous model furthers the understanding of temporal and spatial changes in system performance for the development of more appropriate design criteria and more suitable maintenance regimes. The characterization of long-term system performance by defining three different failure modes and a probabilistic approach comprises a comprehensive methodology by considering several performance criteria rather than assuming that one criterion dictates the overall system performance.

Infiltration facilities are source control mechanisms that are implemented in urban developments with reduced natural permeable surfaces. Despite the development of design criteria for infiltration facilities, these systems continue to fail due to headloss development, overflow, or chemical breakthrough. The limited research on the long-term performance of these systems has emphasized the role of physical filtration mechanisms within porous media filters to address concerns surrounding system failure, namely filter clogging. A continuous macroscopic depth filtration model was developed to investigate the clogging potential of the underlying sand filter. This continuous model furthers the understanding of temporal and spatial changes in system performance for the development of more appropriate design criteria and more suitable maintenance regimes. The characterization of long-term system performance by defining three different failure modes and a probabilistic approach comprises a comprehensive methodology by considering several performance criteria rather than assuming that one criterion dictates the overall system performance.

Activated sludge influent and effluent from five municipal wastewater treatment plants were analyzed to further elucidate the roles of aluminum, iron, and the monovalent to divalent cation ratio (M/D) on the influent and effluent characteristics of the systems. The size distribution of organic nitrogen, organic carbon, protein, humic acid, and polysaccharide was examined with respect to the concentration of cations in the activated sludge influent. It was found that the majority of organic nitrogen, organic carbon, protein and polysaccharides were found in material larger than 0.45μm in activated sludge influent. Humic acids were mostly found in material smaller than 0.45μm. Protein was the largest contributor to organic nitrogen and humic acids were the largest contributor to organic carbon. Using 0.45μm as a division between particulate and soluble material, the ratio of soluble to particulate material in activated sludge influent was found to be negatively correlated with the ratio of iron to aluminum. In activated sludge effluent, the majority of the organic nitrogen and protein was found in material larger than 0.45μm, while the majority of the organic carbon, humic acid, and polysaccharide were found in material smaller than 30kDa. Influent aluminum concentration had no observable effect on the concentration or distribution of organic nitrogen or organic carbon. Influent iron appeared to play a role in the flocculation of organic nitrogen and protein containing material between 0.45μm and 1kDa in size. A high monovalent to divalent cation ratio appeared to play a role in deflocculating organic nitrogen containing material larger than 1.5μm and increased the concentration of TOC smaller than 1kDa and the total polysaccharide concentration. Tertiary depth filtration removed all organic nitrogen and protein in material larger than 0.45μm, but a poor job of removing organic carbon from and an inconsistent job of removing polysaccharide from effluent Eight lab-scale activated sludge reactors were also run, but the data was not consistent enough for analysis and comparison with the municipal wastewater treatment plants. This thesis contains a series of four papers that each deal with a different aspect of the role of cations on activated sludge influent and effluent. The first paper focuses on activated sludge influent characteristics, the second on effluent organic nitrogen and organic carbon, the third on effluent EPS, and the last on the lab-scale reactors. The papers were divided in this way because of the unique analytical obstacles that were encountered with each set of data. / Master of Science

Die eingereichte Arbeit ist ein Beitrag, um das Verständnis der Filtration von metallischen Schmelzen für hochwertige Gussprodukte zu erhöhen. Anhand theoretischer und experimenteller Betrachtungen wird besonders die Benetzung zwischen der kontinuierlichen und der dispersen Phase als Einflussfaktor auf Tiefenfiltrationsprozesse untersucht. Rasterkraftmikroskopische Messungen verdeutlichen die Bedeutung der Benetzung auf die Adhäsionsenergie zwischen zwei Feststoffoberflächen. Durch ein entwickeltes Modellsystem konnte bewiesen werden, dass mit steigendem Kontaktwinkel zwischen disperser und kontinuierlicher Phase die Filtrationseffizienz signifikant ansteigt. Aufgrund der wirkenden Haftmechanismen im getesteten Benetzungssystem können sich dendritische Abscheidestrukturen ausbilden, die zur Redispergierung neigen. Ergänzt um eine numerische Simulation am Einzelkollektor, konnte ein Abscheidemodell entwickelt werden. Dieses berücksichtigt erstmals reale Haftenergieverteilungen, simulierte Aufprallenergieverteilungen und die hydrodynamische Hemmung als relevante Parameter für die Tiefenfiltration.

Die eingereichte Arbeit ist ein Beitrag, um das Verständnis der Filtration von metallischen Schmelzen für hochwertige Gussprodukte zu erhöhen. Anhand theoretischer und experimenteller Betrachtungen wird besonders die Benetzung zwischen der kontinuierlichen und der dispersen Phase als Einflussfaktor auf Tiefenfiltrationsprozesse untersucht. Rasterkraftmikroskopische Messungen verdeutlichen die Bedeutung der Benetzung auf die Adhäsionsenergie zwischen zwei Feststoffoberflächen. Durch ein entwickeltes Modellsystem konnte bewiesen werden, dass mit steigendem Kontaktwinkel zwischen disperser und kontinuierlicher Phase die Filtrationseffizienz signifikant ansteigt. Aufgrund der wirkenden Haftmechanismen im getesteten Benetzungssystem können sich dendritische Abscheidestrukturen ausbilden, die zur Redispergierung neigen. Ergänzt um eine numerische Simulation am Einzelkollektor, konnte ein Abscheidemodell entwickelt werden. Dieses berücksichtigt erstmals reale Haftenergieverteilungen, simulierte Aufprallenergieverteilungen und die hydrodynamische Hemmung als relevante Parameter für die Tiefenfiltration.:Inhaltsverzeichnis III Danksagung VII Eidesstattliche Erklärung IX 1 Einleitung 1 2 Grundlagen 4 2.1 Metallschmelzefiltration 4 2.2 Benetzbarkeit 18 2.3 Wechselwirkungskräfte zwischen Feststoffen 25 2.4 Tiefenfiltration 34 2.4.1 Transportmechanismen 42 2.4.1.1 Sedimentation 43 2.4.1.2 Trägheit 44 2.4.1.3 Sperreffekt 44 2.4.1.4 Strömungseffekte 45 2.4.2 Haftmechanismen 49 2.5 Einzelkollektormodell 53 3 Materialien und Methoden 57 3.1 Charakterisierung verwendeter Feststoffe 57 3.1.1 Aluminiumoxid 59 3.1.2 Polytetrafluorethylen 62 3.1.3 Beschichtung des Aluminiumoxids 64 3.2 Keramische Filterstrukturen 65 3.2.1 Schaumfilter 65 3.2.2 Einzelkollektoren 72 3.3 Eigenschaften der kontinuierlichen Phase 74 3.4 Versuchsanlagen und Analytik 74 3.4.1 Filtrationsanlagen 75 3.4.2 Einzelkollektorversuchsstand 77 3.4.3 Analytik 80 3.5 Versuchsdurchführung 82 3.5.1 Kleine Filtrationsversuchsanlage 83 3.5.2 Einzelkollektorversuchsstand 86 3.5.3 Statistische Versuchsplanung 88 4 Entwicklung eines Abscheidemodells für Partikel in flüssigen Medien mithilfe numerischer Simulationen 93 4.1 Beschreibung der numerischen Strömungssimulation 94 4.2 Einfluss der hydrodynamischen Hemmung auf den Partikelaufprall 98 4.3 Experimentelle Ermittlung der Haftenergie 105 4.4 Berechnung der Haftwahrscheinlichkeit (Hiller-Zahl) 109 5 Modellhafte Untersuchungen mithilfe des Einzelkollektorkonzeptes 114 5.1 Grundlagenuntersuchungen zum Einzelkollektorkonzept 115 5.2 Parameterstudie zum Abscheideverhalten beim Einzelkollektoraufbau 119 6 Ergebnisse der Filtrationsversuche 128 6.1 Einfluss der Benetzung auf die Filtrationseffizienz 128 6.2 Einfluss der Fluidgeschwindigkeit und des Benetzungszustandes auf die Filtrationseffizienz 134 6.3 Redispergierungseffekte in keramischen Schaumfiltern 139 6.4 Einfluss der relativen Dichte auf die Filtrationseffizienz im komplett hydrophoben System 146 6.5 Vergleich der numerisch modellierten und der experimentell ermittelten Filtrationseffizienz 150 7 Zusammenfassung 155 8 Ausblick 159 9 Symbolverzeichnis 161 Lateinische Symbole 161 Symbol 161 Einheit 161 Bedeutung 161 Griechische Symbole 165 Indizes 166 Abkürzungen 167 10 Literaturverzeichnis 168 11 Anhang 189 11.1 Herstellung Polytetrafluorethylen Pulver 189 11.2 Berechnung der vdW-Kräfte und der Kapillarkräfte basierend auf Kapitel 2.3 190 11.3 Rezeptur zur Herstellung der Dynasylan-Beschichtung 192 11.4 Ergebnistabelle der statistischen Versuchsplanung am Einzelkollektorsystem 193