Ontwerp van regenwateropvang op dakken en ontwikkeling van lage kosten waterzuiveringstechnologieën voor melkvee en boeren

De kwaliteit van het drinkwater voor dieren is zelden een punt van zorg voor veel melkveehouders, maar toch een essentieel onderdeel van de dagelijkse behoefte aan melkvee. Regenwateropvang kan andere waterbronnen aanvullen en de exploitatie- en onderhoudskosten blijven laag na de initiële investering om aan de toenemende vraag naar zoet water te voldoen. Bovendien verschillen de kwaliteitsnormen voor drinkwater van melkvee van die van mensen, en dit wordt meestal niet benadrukt, vooral in lage-inkomenslanden waar zowel dieren als mensen dezelfde waterbron delen. Water met hoge percentages microben kan leiden tot uitbraken van coliform-gerelateerde ziekten. De consumptie van zware metalen via het drinkwater kan leiden tot bioaccumulatie en negatieve effecten hebben op melkvee. Daarom richt dit doctoraat onderzoek zich op het ontwerp van regenwateropvang op daken en de ontwikkeling van goedkope waterbehandelingstechnologieën voor melkvee en boeren. De specifieke doelstellingen waren onder meer het onderzoeken van de betrouwbaarheid en economische beoordeling van regenwateropvangsystemen voor de zuivelproductie; het bepalen van de ruimtelijke en temporele variabiliteit van de drinkwaterkwaliteit voor melkvee en dit vormde de basis voor het ontwerp en de evaluatie van een grootschalige waterbehandelingstechnologie voor melkvee en het ontwerp en de evaluatie van een goedkope point-of-use waterbehandelingstechnologie voor melkveehouders . Het meest nieuwe onderdeel van dit onderzoek is het multi-level filter voor de behandeling van water voor melkvee, dat in staat bleek om bacteriologische verontreinigingen terug te brengen tot de vereiste norm.

Het onderzoek is uitgevoerd in de regio Rwenzori in Oeganda, met name in de districten Kabarole, Kamwenge en Kyenjojo. Princeton Global Forcing (PGF) gegevens gerasterd op (0.25° x 0.25°) werden gebruikt na vergelijking met waargenomen gegevens. Het waterbalansmodel werd gebruikt om de optimale tankgrootte te bepalen en daarmee de op tijd gebaseerde betrouwbaarheid te beoordelen. De economische levensvatbaarheid van de geoptimaliseerde tankafmetingen werd bepaald aan de hand van de netto contante waarde, de baten-kostenverhouding en de terugverdientijd van de korting. Om de ruimtelijke en temporele variatie van geselecteerde verontreinigingen in drinkwater voor melkvee te bepalen, zijn gedurende een jaar watermonsters genomen op 40 melkveebedrijven. De verschillende verontreinigingen werden geanalyseerd op conformiteit met de drinkwaterkwaliteitsnormen voor vee. Voor de behandeling van drinkwater voor melkvee is een tweetraps meerlagenfiltersysteem (MLF) ontworpen en geëvalueerd. Het filter bestond uit gegradeerd zand, ondersteunend grind en doorlatende filterlagen bestaande uit fijn zand, rijstschillen, houtskool en ijzer gerangschikt in een gemetselde laag. Meerlaagsfilters werden onder veldomstandigheden bedreven langs een vervuilde rivier en een kleine beek met een constant debiet van 750 L/dag en vervolgens geoptimaliseerd door de materiaalsamenstelling te variëren. Ten slotte werden de keramische waterfilters gecoat met nanodeeltjes zinkoxide gebiosynthetiseerd met Moringa oleifera geëvalueerd voor de behandeling van drinkwater voor mensen.

De resultaten toonden aan dat de PGF de neerslag op meetstations in het studiegebied onderschat. PGF was beter in het schatten van de neerslag in het seizoen december, januari en februari. Biascorrectie werd toegepast voordat de gegevens werden gebruikt voor verdere analyse. De optimale grootte van de watertank varieerde op basis van het verzamelgebied en de klimatologische omstandigheden. Volgens de resultaten was de maximale verkregen betrouwbaarheid 99% bij een opvangoppervlak van 500 m2 voor een verbruik van 750 L/dag. De betrouwbaarheid werd onderzocht voor verschillende tankvolumes en een onbeduidende toename in betrouwbaarheid werd waargenomen voor tankgroottes groter dan 50 m3. Een dakopvangoppervlak van minimaal 250 m2 en een tankinhoud van 120 m3 en groter wordt aanbevolen om een betrouwbaarheid van meer dan 50% te kunnen behalen. Installatie van RWH-systemen is haalbaar met een terugverdientijd van minder dan 4 jaar. De terugverdientijd is kort vanwege de gerealiseerde baten uit de melkverkoop die goed waren voor 95% van de baten. Daarom moet het gebruik van alternatieve waterbronnen worden overwogen om RWH aan te vullen wanneer regenwater niet voldoende is.

De waterkwaliteitsbeoordeling van verschillende alternatieve waterbronnen toonde aan dat de aanwezigheid van zware metalen varieerde van laag tot zeer hoog. Voor de meeste bronnen lagen de metaalconcentraties binnen acceptabele bereiken, behalve ijzer, nikkel, chroom, aluminium, lood en koper waar het percentage monsters boven de aanbevolen limiet 82%, 26%, 22%, 9%, 8% en 1% bedroeg, respectievelijk. Het microbiële profiel van het bemonsterde water onthulde dat de isolatie van E. coli de limieten met 54% van de geanalyseerde monsters op de veehouderijen overschreed. Er was een significant ruimtelijk verschil in de concentratie van alle verontreinigende stoffen tussen districten behalve E. coli, lood en nikkel. Alle andere parameters waarvan de limiet werd overschreden (behalve Fe, troebelheid, TDS en E. coli) waren hoger in het droge seizoen in vergelijking met het natte seizoen. Dit zou erop kunnen wijzen dat de meeste verontreinigende stoffen van nature voorkomen in het studiegebied. De waterkwaliteitsindex toonde aan dat de beste waterbron regenwater was en de slechtste water van het nutsbedrijf. Water uit open putten en daldammen werd respectievelijk als slecht en ongeschikt aangegeven. Daarom moet water voor zowel dieren als mensen vóór consumptie worden behandeld.

De ontworpen meertrapsfilters voor de behandeling van water voor melkvee laten zien dat de meeste verontreinigingen in de eerste fase worden verwijderd. De tweede fase toont een verbeterde vermindering van alle verontreinigende stoffen, met name fecale coliformen en totale coliformen. De resultaten toonden aan dat het beste filter de troebelheid, sulfaten en nitraten met 90%, 38% en 27% verminderde, terwijl de elektrische geleidbaarheid en de totale hoeveelheid opgeloste vaste stoffen met respectievelijk 8% en 9% toenam. De gemiddelde reductie-efficiëntie voor het totale filter is 92%, 54%, 47%, 51%, 28% en 93% voor respectievelijk aluminium, koper, chroom, ijzer, fluoride en nikkel voor zware metalen. Voor bacteriële indicatoren zorgde een combinatie van de filters voor logverwijderingen tussen 2,19 en 0,5 log-eenheden. De effectiviteit van de filters werd beïnvloed door de kwaliteit van het influentwater. De kleine stroom had een hogere verontreinigingsconcentratie en vertoonde daarom een hogere verwijderingsefficiëntie in vergelijking met de rivier. Er werd een significante relatie gevonden tussen de concentratie van influentverontreinigingen en de verwijderingsefficiëntie. Het filter was in staat om bacteriologische verontreinigingen te verwijderen tot aan de vereiste norm voor drinkwater voor melkvee. De totale kosten van de filterinstallatie worden geschat op 500 Euro. De toepassing van MLF kan worden beschouwd als een veelbelovende oplossing voor drinkwaterbehandeling op locatie voor melkvee in lage-inkomenslanden. Het wordt aanbevolen om monitoring van deze waterbronnen te overwegen en nationale regulering van de kwaliteit van het drinkwater voor vee in te stellen.

Bovendien laten de resultaten zien dat ZnO NP's werden gebiosynthetiseerd met behulp van Moringa oleifera. De CWF's gecoat met gebiosynthetiseerde zinkoxide nanodeeltjes (CWF-Zn) voor de behandeling van drinkwater voor mensen zijn een veelbelovende oplossing. De CWF-Zn toonde tot een maximum van 3,2 log verwijdering van de totale colibacteriën in vergelijking met CWF gecoat met zilvernitraat (CWF-Ag), die een maximum van 2,5 log verwijdering vertoonde. De gemiddelde logverwijderingsefficiëntie van de filters (respectievelijk 1,07 en 0,95 logverwijdering voor CWF-Zn en CWF-plain) voldeed niet aan de vereiste WHO-normen. De blokverwijderingen waren laag in vergelijking met andere onderzoeken specifiek voor CWF-Ag. Dit kan te wijten zijn aan de beperking van de colibacteriën in het influent, aangezien dit een veldtoepassingsonderzoek was. De filters vertoonden een significant verschil in E. coli verwijderingsefficiëntie met water uit verschillende bronnen, wat aangeeft dat de concentratie van het influent de prestatie van de filters beïnvloedt. Verdere optimalisatie van de CWF-Zn en studie over een lange periode is vereist. CWF-Zn kan worden beschouwd als een duurzamere en milieuvriendelijkere oplossing dan CWF-Ag.