Norrvatten produces and delivers drinking water to approximately 700 000 people in the northern part of the Stockholm region in Sweden. In their water treatment plant Görvälnverket, water from Lake Mälaren is purified. During the purification, sludge is produced. To be able to use the sludge as landfilling material, it must be dewatered. Polyacrylamide is used as a flocculant for this purpose. However, in the reject water leaving the sludge and discharged into Lake Mälaren, acrylamide monomers are often left as a rest product from the manufacturing of polyacrylamide. The problem is that acrylamide is toxic to living organisms.  The aim of this master thesis was to evaluate proposed water treatment techniques to reduce acrylamide in the reject water leaving Görvälnverket and reach Norrvatten´s goal of an acrylamide concentration below 0.10 µg/l. The water treatment techniques evaluated were ozonation, moving bed biofilm reactor and trickling filter. Along with that, oxidative stress and genotoxicity from the ozone were analysed. Also, the ability of Lake Mälaren to degrade acrylamide was evaluated. The ozone tests were performed in a pilot plant in a laboratory at IVL Swedish Environmental Research Institute (IVL Svenska Miljöinstitutet), the moving bed biofilm reactor- and the trickling filter test were performed in pilot plants at Görvälnverket and the degradation tests in water from Lake Mälaren were performed at Görvälnverket as well.  The results showed that ozonation of the reject water could reduce acrylamide in the reject water and fulfil Norrvatten´s goal of below 0.10 µg/l acrylamide. When an ozone dose of 0.70 mg/l was applied to the reject water with an acrylamide concentration of 2.5 µg/l, more than 98 % of the acrylamide was reduced. Furthermore, no oxidative stress or genotoxicity seemed to be generated from the ozonation. The moving bed biofilm reactor and the trickling filter did reduce the acrylamide by 80.77 % and 94.7 % respectively and the results suggested that they could be used to reach Norrvatten´s goal. Finally, the results indicated that water from Lake Mälaren could degrade acrylamide at a temperature of 15 °C in 4 days and in 8 °C in 13 days and reach the goal. / Norrvatten producerar och levererar dricksvatten till cirka 700 000 människor i norra delen av Region Stockholm i Sverige. I deras vattenverk Görvälnverket renas vatten från Mälaren. När sjövattnet renas produceras slam. För att slammet ska kunna användas som landfyllnadsmaterial måste det avvattnas. Polyakrylamid används som flockningsmedel i det syftet. I rejektvattnet som lämnar slammet och släpps ut i Mälaren finns ofta akrylamid monomerer kvar som en restprodukt från framställning av polyakrylamid. Problemet med detta är att akrylamid är toxiskt för levande organismer.  Syftet med detta masterexamensarbete var att evaluera föreslagna vattenreningstekniker för att reducera akrylamid i rejektvattnet som lämnar Görvälnverket och inte överstiga en akrylamidkoncentration på 0,10 µg/l som är Norrvattens mål. Vattenreningsteknikerna som evaluerades var ozonering, biofilmreaktor med rörlig bädd och biobädd. Utöver det var oxidativ stress samt genotoxicitet från ozoneringen analyserad. Dessutom var nedbrytningsförmågan av akrylamid i Mälaren testad. Ozonerings försöken utfördes i en pilotanläggning i ett laboratorium hos IVL Svenska Miljöinstitutet, testerna med biofilmreaktor med rörlig bädd och biofilter utfördes i pilotanläggningar på Görvälnverket och nedbrytningstesterna i Mälarvatten utfördes också på Görvälnverket.  Resultaten visade på att ozonering av rejektvattnet kan reducera akrylamid och uppfylla Norrvattens mål om en akrylamidkoncentration på mindre än 0,10  µg/l. När en ozondos på 0,70 mg/l applicerades i rejektvattnet med en akrylamidkoncentration på 2,5 µg/l reducerades mer än 98 % av akrylamiden. Vidare tycktes inte ozoneringen bidra till oxidativ stress eller genotoxicitet. Biofilmreaktorn med rörlig bädd och biofiltret reducerade akrylamid med 80,77 % respektive 94,7 %.  Resultaten visade att dessa tekniker skulle kunna användas för att nå Norrvattens mål. Utöver detta visade studien att vatten från Mälaren kan bryta ner akrylamid i 15 °C på 4 dagar och i 8 °C på 13 dagar och nå målet.

From the Proceedings of the 1978 Meetings of the Arizona Section - American Water Resources Assn. and the Hydrology Section - Arizona Academy of Science - April 14-15, 1978, Flagstaff, Arizona / This study investigated the potential of a soil-turf filter to renovate secondary effluent applied in excess of consumptive use. Lysimeter plots were filled with a sand and a sand mix, and seeded to winter ryegrass. In spring, plots were scalped and seeded to bermudagrass. Plots were drip irrigated twice a week with secondary effluent at rates of 10, 17, 22, 34, and 43 mm/day. Leachate and effluent were analyzed for NH -N, NO,-N, and organic-N. Grass clippings were oven dried, weighed, and analyzed for organic -N. Percent of leachate available for groundwater recharge was 50% at the lowest rate and 68% at the highest rate when values were averaged for both soils. The amount of nitrogen removed by the soil-turf filter using sand was 42 to 87% and 52 to 90% on the mix, decreasing as application rate increased. The highest nitrogen removal and utilization occurred at the lowest application rate. Turf utilization of nitrogen was 10 to 28% on sand and 18 to 36% on mix, decreasing as rate of application increased. The sand-turf filter renovated 22 mm/day and the mix-turf filter renovated 43 mm/day, yielding leachate averaging less than 10 ppm NO₃-N.

L'objectif principal de ce travail de thèse concerne l'étude de l' élimination de la DCO et de la nitrification dans une nouveau lit bactérien Multi-Section ( MSB ) . Après une caractérisation de l’hydrodynamique et du transfert d’oxygène de ce lit bactérien, les expériences biologiques menées sous des conditions opératoires contrastées (fortes et faibles charges organiques eteaux usées contenant ou pas des matières particulairs) ont été menées. En parallèle, des simulations avec le logiciel Biowin® ont été réalisées. Les principaux résultats sont résumés en suivant :- La rétention de liquide statique est majoritaire par rapport à la rétention dynamique que ce soit en présence ou en absence de biofilm. Le biofilm joue le rôle d’une "éponge" permettant un maintien de l’humidité du lit même à faible débit. Les expériences de DTS ont montré que le biofilm accroit le temps de séjour du liquide et conduit à une diminution de l’épaisseur du film liquide permettant ainsi de promouvoir le transfert de l'oxygène.- Le réacteur MSB montre une élimination efficace de la DCO (> 95 % ) et de la nitrification ( > 60 % de l’azote entrant), mais une accumulation de DCO particulaire a lieu dans le filtre ce qui conduira à un colmatage à terme. La nitrification cohabite avecl’élimination de la DCO même dans la première section et pour une charge organique élevée ce qui implique une bonne capacité d’oxygénation du MSB par l’aération naturelle.- Un modèle dynamique de MSB a été utilisé implémenté sur le simulateur - BioWin , afin d'obtenir la répartition des biomasses au sein du réacteur et d'évaluer le processus limitant dans chaque section. Le modèle partiellement calibré peut aider à estimer les besoins minimum d'oxygène pour la nitrification et peut rendre compte de la compétition entre la croissance hétérotrophe et la nitrification. / The main objective of this PhD work focused on the study of the COD removal and nitrification in a new designed Multi-Section Bioreactor (MSB). Hydrodynamic characterization of the reactor, biological experiments under contrasted conditions and simulations by Biowin® software were carried out:- Firstly, it was found that static liquid retention is the predominant part both without and with the presence of biofilm. Biofilm acts like a "sponge". RTD experiments showed that biofilm can promote liquid residence time, decrease the liquid film andpromote the oxygen transfer consequently.- Secondly, the MSB operated at contrasted organic loading rate (OLRs) and nitrogen loading rate (NLRs) showed that COD can be effectively removed (removal efficiency > 95%) and nitrification (> 60% of the N removal) occurred in this biofilter.Nitrification is efficient even in the first section implying no drastic oxygen limitation though only natural aeration is occurring.- Thirdly, a TF dynamic model has been used from a simulator - BioWin, in order to get more insights on the biomass distribution in the pilot and to assess the limiting process in each section of the bioreactor. Calibration of the model can help us to estimate theminimum oxygen requirement for nitrification for each zone inside the pilot and it can well represent the competition between heterotrophic growth and nitrification.

Die Herstellung hochqualitativer Produkte in der Lebensmittel-, Kosmetik- und Pharmaindustrie erfordert den Einsatz reproduzierbarer Reinigungsprozesse. Häufig wird die nasschemische Reinigung als Cleaning in Place Verfahren angewandt. Diese Arbeit leistet einen Beitrag zur Optimierung von Reinigungsprozessen im nicht immergierten System insbesondere bei der Anwendung gravitationsgetriebener Flüssigkeitsfilme. Inhalte sind Untersuchungen zum Benetzungs- und Strömungsverhalten im Vergleich zur Reinigungswirkung von Flüssigkeitsfilmen. Als Modellverschmutzungen wurden zwei lebensmitteltypische Bestandteile in Kombination mit partikulären Anteilen eingesetzt. Im Ergebnis konnte nachgewiesen werden, dass sich das Reinigungsverhalten der gewählten Verschmutzungen mit der Hydrodynamik am Beispiel von Flüssigkeitsfilmen beschreiben lässt. Zusätzlich wurde ein neuartiger Ansatz zur Optimierung der Reinigungseffizienz durch die Anwendung diskontinuierlicher Flüssigkeitsfilme untersucht. Dadurch konnte gezeigt werden, dass der Ressourceneinsatz gegenüber einer kontinuierlichen Flüssigkeitsfilmströmung signifikant verringert werden kann, wobei die Reinigungszeit nur geringfügig steigt.:Danksagung ... II Inhaltsverzeichnis ... III Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen ... VI Abkürzungsverzeichnis ... XVI 1 Einleitung, Motivation und Gegenstand der Arbeit ... 1 2 Grundlagen der Reinigung ... 3 2.1 Begriffserklärung ... 3 2.2 Industrielle Reinigungsprozesse ... 3 2.2.1 Einordnung ... 3 2.2.2 Reinigungsgeräte für die Nassreinigung im nicht immergierten System ... 8 2.3 Reinigungsvorgänge im nicht immergierten System ... 10 2.3.1 Komponenten des Reinigungssystems ... 10 2.3.2 Schmutzhaftmechanismen ... 20 2.3.3 Reinigungsmechanismen und Wirkzusammenhänge ... 23 2.3.4 Reinigungskinetik ... 28 3 Methoden für Reinigungsuntersuchungen ... 32 3.1 Einordnung ... 32 3.2 Industrielle Methoden ... 33 3.3 Wissenschaftliche Methoden ... 35 4 Gravitationsgetriebene Flüssigkeitsfilmströmungen ... 37 4.1 Einteilung von Filmströmungen und Filmkennzahlen ... 37 4.2 Kennzahlen zur Oberflächenbenetzung ... 40 4.3 Filmdicke und Filmoberflächenwelligkeit ... 47 4.3.1 Modellvorstellungen und Kennzahlen ... 47 4.3.2 Experimentelle Methoden ... 50 4.4 Strömungsgeschwindigkeit ... 54 4.4.1 Modellvorstellungen und Kennzahlen ... 54 4.4.2 Experimentelle Methoden ... 58 5 Zielsetzung und Lösungsweg ... 61 5.1 Problemstellung ... 61 5.2 Arbeitshypothese ... 62 5.3 Vorgehen ... 62 5.4 Zusammenhang mit anderen Arbeiten ... 63 6 Material und Methoden ... 64 6.1 Auswahl Substrate ... 64 6.2 Topografiebestimmung ... 64 6.3 Kontaktwinkelmessung ... 66 6.4 Untersuchungsobjekt ... 68 6.5 Grundaufbau der Versuchsanlage ... 68 6.6 Auswahl der Flüssigkeit ... 70 6.7 Festlegung der Einstellparameter für die Strömungs- und Reinigungsmessungen ... 71 6.8 Charakterisierung des Stoffsystems ... 71 6.8.1 Quellverhalten ... 71 6.8.2 Bindungskräfte ... 77 6.9 Hydrodynamik ... 79 6.9.1 Oberflächenbenetzung ... 79 6.9.2 Filmdicke ... 85 6.9.3 Strömungsgeschwindigkeit ... 102 6.10 Reinigungsuntersuchungen ... 115 6.10.1 Auswahl der Modellverschmutzungen ... 115 6.10.2 Auswahl und Konzeption der Messdatenerfassung ... 117 6.10.3 Versuchsaufbau ... 119 6.10.4 Aufnahmeparameter ... 121 6.10.5 Benetzungseinfluss auf die Phosphoreszenzintensität ... 123 6.10.6 Methode zur reproduzierbaren Verschmutzung ebener Substrate ... 125 6.10.7 Überprüfung der Reproduzierbarkeit und Gleichmäßigkeit der Verschmutzungsmethode ... 128 6.10.8 Versuchsablauf ... 130 6.10.9 Messdatenaufbereitung und -auswertung ... 130 7 Versuchsauswertung und Ergebnisse ... 140 7.1 Charakterisierung der Verschmutzung ... 140 7.1.1 Quellverhalten ... 140 7.1.2 Bindungskräfte ... 144 7.1.3 Zusammenfassung der Verschmutzungscharakterisierung ... 150 7.2 Hydrodynamik gravitationsgetriebener Flüssigkeitsfilme ... 151 7.2.1 Oberflächenbenetzung ... 151 7.2.2 Filmdicke und Filmdickenverteilung ... 163 7.2.3 Strömungsgeschwindigkeit ... 171 7.2.4 Zusammenfassung der Hydrodynamik gravitationsgetriebener Flüssigkeitsfilme ... 180 7.3 Reinigungsverhalten gravitationsgetriebener Flüssigkeitsfilme ... 182 7.3.1 Reinigungskinetik ... 182 7.3.2 Gereinigte Zonen ... 185 7.3.3 Einfluss des Flächenverschmutzungsgewichtes ... 187 7.3.4 Einfluss der Betriebsparameter ... 188 7.3.5 Reinigungseffizienz ... 191 7.3.6 Einfluss der Oberfläche ... 193 7.3.7 Fehlerdiskussion ... 195 7.3.8 Zusammenfassung des Reinigungsverhaltens ... 197 8 Vergleich Reinigungsverhalten und Hydrodynamik gravitationsgetriebener Flüssigkeitsfilme ... 198 8.1 Vorbemerkungen zum Vergleich ... 198 8.2 Einfluss Strömungsparameter auf das Reinigungsverhalten ... 198 8.2.1 Einfluss der Filmdicke und Filmdickenverteilung ... 198 8.2.2 Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit ... 199 8.3 Einfluss abgeleiteter Größen auf das Reinigungsverhalten ... 201 8.3.1 Einfluss der Wandschubspannung ... 201 8.3.2 Einfluss der Grenzschichtdicke ... 202 8.4 Zusammenfassung des Vergleiches zwischen Reinigungsverhalten und Hydrodynamik ... 205 9 Optimierungsansatz: diskontinuierliche Flüssigkeitsfilme ... 207 10 Zusammenfassung und Ausblick ... 211 Literaturverzeichnis ... 214 Anhangverzeichnis ... 229