Use of HTC hydrochar for water treatment in less developed countries
Creators: name: Schönenberger, Thea
Publisher: name: ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften
Year: 2022
Subjects: Hydrothermal carbonisation
Hydrochar
Sand filter
Low-cost reactor
Water treatment
E. coli
SDG
WASH
660: Technische Chemie

description: Safe drinking water supply, safe sanitation, and hygiene (WASH) are recognised as human rights by the UN and anchored as goal number 6 in the SDGs. Nevertheless, there is still a lot of potential for improvement. Deficiencies in these systems often cause diarrhoeal diseases, which too often end in death. Sustainable and innovative technologies are supposed to counteract this difficulty. Ideally, such technologies are multifunctional and can be integrated into local cycles. After all, many people still see waste as filthy and an end product, yet it contains valuable resources and is wasteful to discard. For example, through hydrothermal carbonisation, the residues from on-site sanitation (OSS) can be sanitised and upgraded for several usages. The hydrothermal process converts organic material into hydrochar, process water and gas. Hydrochar, like other types of coal, has diverse applications. This work used a lowcost bench-scale reactor (BLR) to produce hydrochar from human manure mixed with other organic household wastes. Thereby, the methodical parameters of the reactor were tested. The resulting hydrochar was analysed and added to a sand filter in a further step. The aim was to check whether the charcoal is suitable as a filter medium for the removal of Escherichia coli (E. coli) and which parameters are responsible for a high removal rate. 
Carbonisation with the BLR worked satisfactorily if the starting material was blended beforehand. In the case of a touch & down experiment, which employed a very short reaction time, it was required to heat up to 200 °C, whereas a temperature of 180 °C was sufficient with an extended reaction time of at least 30 minutes. After analysing the hydrochar, hydrothermal treatment at temperatures of 180 °C for 30 minutes was found more suitable for the intended application. The removal efficiency of the hydrochar turned out mixed. Collected data indicate that not one particular characteristic of the hydrochar is accountable for the removal of E. coli, but rather an interplay of various parameters leads to the best outcome. Hydrochar, which is obtained from a mixture of faeces and kitchen waste, or faeces and coffee grounds, holds the greatest potential. With 77% efficiency, the result with hydrochar from faeces and kitchen waste was the best. The downside is that the composition of household waste varies greatly depending on the region or diet and therefore is not representative of all situations. In addition, the inorganic content may include unknown constituents in complex mixtures and might influence the water quality. The second-best result, with a 36 % removal rate, was achieved by hydrochar from faeces and coffee grounds. Green waste and faeces, as well as faeces without additives, did not yield any added value compared to the sand filter without carbon additives.
description: Obwohl eine sichere Trinkwasserversorgung, sichere Sanitäre Systeme und Hygiene (WASH) als Menschenrechte von den UN anerkannt werden und sie als Ziel in den SDGs verankert sind, gibt es noch viel Verbesserungspotential. Mängel an diesen Systemen sind oft Ursachen von Durchfallerkrankungen, die zu oft tödlich enden. Mit nachhaltigen und innovativen Technologien soll dieser Problematik entgegengewirkt werden. Im besten Falle sind solche Technologien multifunktional und können in lokale Kreisläufe eingebunden werden. Denn was viele immer noch als Abfall und dreckig beurteilen, enthält wertvolle Ressourcen. Beispielsweise mit der hydrothermalen Karbonisierung können Residuen von Trockentoiletten hygienisiert und aufgewertet werden. Durch den Prozess wird organisches Material in Hydrokohle, Prozesswasser und Gas umgewandelt. Die Hydrokohle hat, wie andere Kohletypen, diverse Anwendungszwecke. In dieser Arbeit wurde mit einem kostengünstig produzierten, kleinskalierten Reaktor (BLR) Hydrokohle aus Fäkalien und beigemischten organischen Abfällen in Haushalten hergestellt. Dabei wurde dessen methodischen Parameter getestet. Die erhaltene Kohle wurde untersucht und in einem nächsten Schritt als zusätzliches Filtermedium einem Sandfilter beigefügt. Dabei wurde getestet, ob sich die Kohle als Filter für Escherichia coli (E. coli) eignet und welche Parameter für eine hohe Entfernungsrate verantwortlich sind. 
Die Karbonisierung mit dem BLR hat gut funktioniert, wenn das Ausgangsmaterial vorher vermischt wurde. Im Falle eines touch & down Experimentes (kurze Reaktionszeit) musste auf 200 °C geheizt werden. Bei einer verlängerten Reaktionsdauer von mind. 30 Minuten waren 180 °C ausreichend. Nach der Charakterisierung der Hydrokohle wurde ein hydrothermaler Prozess bei 180 °C für 30 Minuten als passender für diesen Nutzen eingestuft. Die erhobenen Daten weisen darauf hin, dass nicht ein einzelner Charakterzug der Kohle die Entfernung von E. coli verantwortet, sondern, dass ein Zusammenspiel verschiedener Parameter zum besten Ergebnis führen. Die Filterleistung der Kohlen hat sich als durchmischt herausgestellt. Am meisten Potential hat Kohle aus einer Fäkalien-Küchenabfall und einer Fäkalien-Kaffeesatz Mischung. Mit 77°% Entfernung war das Ergebnis mit Kohle aus Fäkalien und Küchenabfällen das Beste. Nachteilig ist, dass die Zusammensetzung von Haushaltabfällen stark variiert je nach Region oder Ernährungsweise. Darüber hinaus könnte der anorganische Anteil unbekannte Bestandteile in komplexen Mischungen enthalten, die sich auf die Wasserqualität auswirken könnten. Das zweitbeste Resultat mit 36 % wurde von einer Kohle aus Fäkalien und Kaffeesatz erreicht. Grüngut und Fäkalien sowie Fäkalien ohne Zusatz ergaben keinen Mehrwert gegenüber dem Sandfilter ohne Kohlezusatz.