Consultant expert, Dr. Mohamed Taha Optimizing Performance of Ceramic Pot Filters in Northern Ghana and Modeling Flow through Paraboloid-Shaped Filters
On Sale
$0.00
$6.99
Consultant expert, Dr. Mohamed Taha
Optimizing Performance of Ceramic Pot Filters in Northern Ghana
and Modeling Flow through Paraboloid-Shaped Filters
B.S. Environmental Engineering
State University of New York at Buffalo
SUBMITTED TO THE DEPARTMENT OF CIVIL AND ENVIRONMENTAL
ENGINEERING IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS OF THE
DEGREE OF
MASTER OF ENGINEERING IN CIVIL AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING
AT THE
MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY
The author hereby grants to MIT permission to reproduce and to distribute publicly paper and
electronic copies of this thesis document in whole or in part in any medium now known or
hereafter created.
Signature of Author______________________________________________________________
Travis Reed Miller
Department of Civil and Environmental Engineering
Certified by____________________________________________________________________
Susan Murcott
Senior Lecturer of Civil and Environmental Engineering
Thesis Advisor
Certified by____________________________________________________________________
E. Eric Adams
Senior Research Engineer and Lecturer of Civil and Environmental Engineering
Thesis Advisor
Accepted by ___________________________________________________________________
Daniele Veneziano
Chairman, Departmental Committee for Graduate Students
2
3
Optimizing Performance of Ceramic Pot Filters in Northern Ghana
and Modeling Flow through Paraboloid-Shaped Filters
by
Travis Reed Miller
Submitted to the Department of Civil and Environmental Engineering on May 21, 2010
in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering
in Civil and Environmental Engineering
ABSTRACT
This work aimed to inform the design of ceramic pot filters to be manufactured by the
organization Pure Home Water (PHW) in Northern Ghana, and to model the flow through an
innovative paraboloid-shaped ceramic pot filter. PHW is an organization dedicated to improving
the drinking water quality for residents of Northern Ghana, where waterborne diseases harm
many people.
Until 2010, PHW purchased filters manufactured in distant Accra, Ghana for distribution.
Recently, the organization decided to establish a factory closer to the point of distribution in
Tamale, Ghana. Previous research in other parts of the world had demonstrated that filters could
maintain high coliform and turbidity removal performance despite having higher flowrates than
typically recommended. 15 types of filters were designed to test the incorporation of grog, type
of combustible material, method for processing combustible material, combustible to clay ratio,
and shape of the filter. The statistically significant effect of each design variable on E. coli
removal, total coliform removal, turbidity removal and flowrate was tested. Results from a
related durability study were added to make recommendations for PHW. The recommended
filter type incorporates hammermilled, unsieved, rice husk in a 4:11 proportion to clay by mass.
The incorporation of grog and shape of the filter are left up to the factory’s discretion, as they
have do not have significant impact on performance.
Previous research described the flow through flower pot shaped filters as a function of Darcy’s
Law, and this work continued that effort by describing flow through a paraboloid shaped filter.
The geometry of the filter was determined experimentally and modeled. A model was
developed based on Darcy’s Law and the filter geometry which describes flow through the filter.
Additionally, an assumption that the hydraulic conductivity was consistent throughout the height
of the filter was tested. Three different methods were used to determine the hydraulic
conductivity with height of the filter. The hydraulic conductivity was determined to be
consistent throughout its height.
Keywords: ceramic filtration, filter design, coliform removal, paraboloid, hydraulic conductivity
Thesis Supervisor: Susan Murcott, Senior Lecturer of Civil and Environmental Engineering
Thesis Supervisor: E. Eric Adams, Senior Research Engineer and Lecturer of Civil and
Environmental Engineering
4
5
Acknowledgments
This study has been a journey that I would never have been able to complete without the
help of many people. I would like to thank my advisers at MIT, Susan Murcott and E. Eric
Adams, for their guidance, patience, and enthusiasm. I would like to thank the other MIT team
members, Travis Watters, Tom Hay and Leah Nation, for working hard and sharing a wonderful
trip to Ghana with me. I would like to thank Manny Hernandez, for his assistance in building the
factory and incredible capacity to design and build things from scratch. I would also like to
thank Dr. Jack Germaine for his patience and assistance while characterizing the clay in his lab,
as well as Stephen Rudolph for support in his workshop.
I would like to thank our incredible partners in Ghana for their dedicat
الخبير الاستشاري الدكتور محمد طه
تحسين أداء فلاتر الأواني الخزفية في شمال غانا
ونمذجة التدفق من خلال مرشحات على شكل مكافئ
ب. هندسة بيئية
جامعة ولاية نيويورك في بوفالو
مقدم إلى قسم الشؤون المدنية والبيئية
الهندسة في الوفاء الجزئي لمتطلبات
درجة
ماجستير الهندسة في الهندسة المدنية والبيئية
في ال
معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا
يمنح المؤلف بموجبه معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الإذن بإعادة إنتاج وتوزيع أوراق و
نسخ إلكترونية من وثيقة الأطروحة كليًا أو جزئيًا بأي وسيلة معروفة الآن أو
خلق الآخرة.
توقيع المؤلف _______________________________________________________________
ترافيس ريد ميلر
قسم الهندسة المدنية والبيئية
مصدقة من قبل____________________________________________________________________
سوزان موركوت
محاضر أول في الهندسة المدنية والبيئية
مرشد الأطروحة
مصدقة من قبل____________________________________________________________________
إيريك آدامز
مهندس أبحاث أول ومحاضر في الهندسة المدنية والبيئية
مرشد الأطروحة
قبلت من طرف ___________________________________________________________________
دانييل فينيزيانو
رئيس لجنة القسم لطلبة الدراسات العليا
2
3
تحسين أداء فلاتر الأواني الخزفية في شمال غانا
ونمذجة التدفق من خلال مرشحات على شكل مكافئ
بواسطة
ترافيس ريد ميلر
قدمت لقسم الهندسة المدنية والبيئية في 21 مايو 2010
في استيفاء جزئي لمتطلبات درجة الماجستير في الهندسة
في الهندسة المدنية والبيئية
نبذة مختصرة
يهدف هذا العمل إلى إعلام تصميم مرشحات الأواني الخزفية التي سيتم تصنيعها بواسطة
منظمة Pure Home Water (PHW) في شمال غانا ، ونمذجة التدفق من خلال
مرشح وعاء السيراميك على شكل مكافئ مبتكر. PHW هي منظمة مكرسة للتحسين
جودة مياه الشرب لسكان شمال غانا ، حيث تضر الأمراض المنقولة بالمياه
كثير من الناس.
حتى عام 2010 ، اشترت منظمة الصحة العالمية فلاتر مُصنّعة في مدينة أكرا بغانا البعيدة للتوزيع.
في الآونة الأخيرة ، قررت المنظمة إنشاء مصنع أقرب إلى نقطة التوزيع في
تامالي ، غانا. أظهرت الأبحاث السابقة في أجزاء أخرى من العالم أن المرشحات يمكنها ذلك
الحفاظ على أداء عالٍ لإزالة القولون والعكارة على الرغم من وجود معدلات تدفق أعلى من
يوصى عادة. تم تصميم 15 نوعًا من المرشحات لاختبار دمج نوع grog
من المواد القابلة للاحتراق ، طريقة معالجة المواد القابلة للاحتراق ، نسبة الاحتراق إلى الطين ،
وشكل المرشح. التأثير ذو دلالة إحصائية لكل متغير تصميم على E. coli
تم اختبار الإزالة ، وإزالة القولونيات الكلية ، وإزالة العكارة ومعدل التدفق. النتائج من أ
تمت إضافة دراسة المتانة ذات الصلة لتقديم توصيات لـ PHW. وأوصى
يشتمل نوع المرشح على قشر أرز مطحون ، غير منصف ، بنسبة 4:11 إلى الطين بالكتلة.
يتم ترك دمج grog وشكل الفلتر لتقدير المصنع ، كما هو الحال
لم يكن لها تأثير كبير على الأداء.
وصفت الأبحاث السابقة التدفق من خلال المرشحات على شكل أواني الزهور كوظيفة لدارسي
Law ، وهذا العمل واصل هذا الجهد من خلال وصف التدفق من خلال مرشح على شكل مكافئ.
تم تحديد هندسة المرشح بشكل تجريبي ونمذجة. كان النموذج
تم تطويره بناءً على قانون دارسي وهندسة المرشح التي تصف التدفق عبر الفلتر.
بالإضافة إلى ذلك ، افتراض أن الموصلية الهيدروليكية كانت ثابتة طوال الارتفاع
من المرشح تم اختباره. تم استخدام ثلاث طرق مختلفة لتحديد الهيدروليكي
الموصلية مع ارتفاع المرشح. تم تحديد الموصلية الهيدروليكية لتكون
متسقة طوال ارتفاعها.
الكلمات المفتاحية: ترشيح السيراميك ، تصميم الفلتر ، إزالة القولونيات ، مكافئ ، التوصيل الهيدروليكي
مشرف الأطروحة: سوزان موركوت ، محاضر أول في الهندسة المدنية والبيئية
مشرف الأطروحة: E.Eric Adams ، مهندس أبحاث أول ومحاضر في الشؤون المدنية و
هندسة بيئية
4
5
شكر وتقدير
كانت هذه الدراسة رحلة لم أكن لأتمكن من إكمالها بدون
مساعدة الكثير من الناس. أود أن أشكر مستشاري في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، سوزان موركوت وإي إريك
آدامز لتوجيهاتهم وصبرهم وحماسهم. أود أن أشكر فريق MIT الآخر
الأعضاء ، ترافيس واترز ، وتوم هاي وليا نيشن ، على العمل الجاد والمشاركة الرائعة
رحلة معي إلى غانا. أود أن أشكر Manny Hernandez على مساعدته في بناء
مصنع وقدرة لا تصدق على تصميم وبناء الأشياء من الصفر. انا ايضا احب ان
أشكر الدكتور جاك جيرمين على صبره ومساعدته أثناء توصيف الطين في معمله ،
وكذلك ستيفن رودولف للدعم في ورشته.
أود أن أشكر شركائنا الرائعين في غانا على تفانيهم
Optimizing Performance of Ceramic Pot Filters in Northern Ghana
and Modeling Flow through Paraboloid-Shaped Filters
B.S. Environmental Engineering
State University of New York at Buffalo
SUBMITTED TO THE DEPARTMENT OF CIVIL AND ENVIRONMENTAL
ENGINEERING IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS OF THE
DEGREE OF
MASTER OF ENGINEERING IN CIVIL AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING
AT THE
MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY
The author hereby grants to MIT permission to reproduce and to distribute publicly paper and
electronic copies of this thesis document in whole or in part in any medium now known or
hereafter created.
Signature of Author______________________________________________________________
Travis Reed Miller
Department of Civil and Environmental Engineering
Certified by____________________________________________________________________
Susan Murcott
Senior Lecturer of Civil and Environmental Engineering
Thesis Advisor
Certified by____________________________________________________________________
E. Eric Adams
Senior Research Engineer and Lecturer of Civil and Environmental Engineering
Thesis Advisor
Accepted by ___________________________________________________________________
Daniele Veneziano
Chairman, Departmental Committee for Graduate Students
2
3
Optimizing Performance of Ceramic Pot Filters in Northern Ghana
and Modeling Flow through Paraboloid-Shaped Filters
by
Travis Reed Miller
Submitted to the Department of Civil and Environmental Engineering on May 21, 2010
in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering
in Civil and Environmental Engineering
ABSTRACT
This work aimed to inform the design of ceramic pot filters to be manufactured by the
organization Pure Home Water (PHW) in Northern Ghana, and to model the flow through an
innovative paraboloid-shaped ceramic pot filter. PHW is an organization dedicated to improving
the drinking water quality for residents of Northern Ghana, where waterborne diseases harm
many people.
Until 2010, PHW purchased filters manufactured in distant Accra, Ghana for distribution.
Recently, the organization decided to establish a factory closer to the point of distribution in
Tamale, Ghana. Previous research in other parts of the world had demonstrated that filters could
maintain high coliform and turbidity removal performance despite having higher flowrates than
typically recommended. 15 types of filters were designed to test the incorporation of grog, type
of combustible material, method for processing combustible material, combustible to clay ratio,
and shape of the filter. The statistically significant effect of each design variable on E. coli
removal, total coliform removal, turbidity removal and flowrate was tested. Results from a
related durability study were added to make recommendations for PHW. The recommended
filter type incorporates hammermilled, unsieved, rice husk in a 4:11 proportion to clay by mass.
The incorporation of grog and shape of the filter are left up to the factory’s discretion, as they
have do not have significant impact on performance.
Previous research described the flow through flower pot shaped filters as a function of Darcy’s
Law, and this work continued that effort by describing flow through a paraboloid shaped filter.
The geometry of the filter was determined experimentally and modeled. A model was
developed based on Darcy’s Law and the filter geometry which describes flow through the filter.
Additionally, an assumption that the hydraulic conductivity was consistent throughout the height
of the filter was tested. Three different methods were used to determine the hydraulic
conductivity with height of the filter. The hydraulic conductivity was determined to be
consistent throughout its height.
Keywords: ceramic filtration, filter design, coliform removal, paraboloid, hydraulic conductivity
Thesis Supervisor: Susan Murcott, Senior Lecturer of Civil and Environmental Engineering
Thesis Supervisor: E. Eric Adams, Senior Research Engineer and Lecturer of Civil and
Environmental Engineering
4
5
Acknowledgments
This study has been a journey that I would never have been able to complete without the
help of many people. I would like to thank my advisers at MIT, Susan Murcott and E. Eric
Adams, for their guidance, patience, and enthusiasm. I would like to thank the other MIT team
members, Travis Watters, Tom Hay and Leah Nation, for working hard and sharing a wonderful
trip to Ghana with me. I would like to thank Manny Hernandez, for his assistance in building the
factory and incredible capacity to design and build things from scratch. I would also like to
thank Dr. Jack Germaine for his patience and assistance while characterizing the clay in his lab,
as well as Stephen Rudolph for support in his workshop.
I would like to thank our incredible partners in Ghana for their dedicat
الخبير الاستشاري الدكتور محمد طه
تحسين أداء فلاتر الأواني الخزفية في شمال غانا
ونمذجة التدفق من خلال مرشحات على شكل مكافئ
ب. هندسة بيئية
جامعة ولاية نيويورك في بوفالو
مقدم إلى قسم الشؤون المدنية والبيئية
الهندسة في الوفاء الجزئي لمتطلبات
درجة
ماجستير الهندسة في الهندسة المدنية والبيئية
في ال
معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا
يمنح المؤلف بموجبه معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الإذن بإعادة إنتاج وتوزيع أوراق و
نسخ إلكترونية من وثيقة الأطروحة كليًا أو جزئيًا بأي وسيلة معروفة الآن أو
خلق الآخرة.
توقيع المؤلف _______________________________________________________________
ترافيس ريد ميلر
قسم الهندسة المدنية والبيئية
مصدقة من قبل____________________________________________________________________
سوزان موركوت
محاضر أول في الهندسة المدنية والبيئية
مرشد الأطروحة
مصدقة من قبل____________________________________________________________________
إيريك آدامز
مهندس أبحاث أول ومحاضر في الهندسة المدنية والبيئية
مرشد الأطروحة
قبلت من طرف ___________________________________________________________________
دانييل فينيزيانو
رئيس لجنة القسم لطلبة الدراسات العليا
2
3
تحسين أداء فلاتر الأواني الخزفية في شمال غانا
ونمذجة التدفق من خلال مرشحات على شكل مكافئ
بواسطة
ترافيس ريد ميلر
قدمت لقسم الهندسة المدنية والبيئية في 21 مايو 2010
في استيفاء جزئي لمتطلبات درجة الماجستير في الهندسة
في الهندسة المدنية والبيئية
نبذة مختصرة
يهدف هذا العمل إلى إعلام تصميم مرشحات الأواني الخزفية التي سيتم تصنيعها بواسطة
منظمة Pure Home Water (PHW) في شمال غانا ، ونمذجة التدفق من خلال
مرشح وعاء السيراميك على شكل مكافئ مبتكر. PHW هي منظمة مكرسة للتحسين
جودة مياه الشرب لسكان شمال غانا ، حيث تضر الأمراض المنقولة بالمياه
كثير من الناس.
حتى عام 2010 ، اشترت منظمة الصحة العالمية فلاتر مُصنّعة في مدينة أكرا بغانا البعيدة للتوزيع.
في الآونة الأخيرة ، قررت المنظمة إنشاء مصنع أقرب إلى نقطة التوزيع في
تامالي ، غانا. أظهرت الأبحاث السابقة في أجزاء أخرى من العالم أن المرشحات يمكنها ذلك
الحفاظ على أداء عالٍ لإزالة القولون والعكارة على الرغم من وجود معدلات تدفق أعلى من
يوصى عادة. تم تصميم 15 نوعًا من المرشحات لاختبار دمج نوع grog
من المواد القابلة للاحتراق ، طريقة معالجة المواد القابلة للاحتراق ، نسبة الاحتراق إلى الطين ،
وشكل المرشح. التأثير ذو دلالة إحصائية لكل متغير تصميم على E. coli
تم اختبار الإزالة ، وإزالة القولونيات الكلية ، وإزالة العكارة ومعدل التدفق. النتائج من أ
تمت إضافة دراسة المتانة ذات الصلة لتقديم توصيات لـ PHW. وأوصى
يشتمل نوع المرشح على قشر أرز مطحون ، غير منصف ، بنسبة 4:11 إلى الطين بالكتلة.
يتم ترك دمج grog وشكل الفلتر لتقدير المصنع ، كما هو الحال
لم يكن لها تأثير كبير على الأداء.
وصفت الأبحاث السابقة التدفق من خلال المرشحات على شكل أواني الزهور كوظيفة لدارسي
Law ، وهذا العمل واصل هذا الجهد من خلال وصف التدفق من خلال مرشح على شكل مكافئ.
تم تحديد هندسة المرشح بشكل تجريبي ونمذجة. كان النموذج
تم تطويره بناءً على قانون دارسي وهندسة المرشح التي تصف التدفق عبر الفلتر.
بالإضافة إلى ذلك ، افتراض أن الموصلية الهيدروليكية كانت ثابتة طوال الارتفاع
من المرشح تم اختباره. تم استخدام ثلاث طرق مختلفة لتحديد الهيدروليكي
الموصلية مع ارتفاع المرشح. تم تحديد الموصلية الهيدروليكية لتكون
متسقة طوال ارتفاعها.
الكلمات المفتاحية: ترشيح السيراميك ، تصميم الفلتر ، إزالة القولونيات ، مكافئ ، التوصيل الهيدروليكي
مشرف الأطروحة: سوزان موركوت ، محاضر أول في الهندسة المدنية والبيئية
مشرف الأطروحة: E.Eric Adams ، مهندس أبحاث أول ومحاضر في الشؤون المدنية و
هندسة بيئية
4
5
شكر وتقدير
كانت هذه الدراسة رحلة لم أكن لأتمكن من إكمالها بدون
مساعدة الكثير من الناس. أود أن أشكر مستشاري في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، سوزان موركوت وإي إريك
آدامز لتوجيهاتهم وصبرهم وحماسهم. أود أن أشكر فريق MIT الآخر
الأعضاء ، ترافيس واترز ، وتوم هاي وليا نيشن ، على العمل الجاد والمشاركة الرائعة
رحلة معي إلى غانا. أود أن أشكر Manny Hernandez على مساعدته في بناء
مصنع وقدرة لا تصدق على تصميم وبناء الأشياء من الصفر. انا ايضا احب ان
أشكر الدكتور جاك جيرمين على صبره ومساعدته أثناء توصيف الطين في معمله ،
وكذلك ستيفن رودولف للدعم في ورشته.
أود أن أشكر شركائنا الرائعين في غانا على تفانيهم