Eine Studie zur Feldleistung und Nachhaltigkeit von Fluorid Nilogon bei der Entfluoridierung im Jemen.

1. Einleitung

Grundwasser stellt eine lebenswichtige, erneuerbare natürliche Ressource dar, die integraler Bestandteil des Wasserkreislaufs ist. Parallel zum Bevölkerungswachstum nimmt die Abhängigkeit vom Grundwasser exponentiell zu, insbesondere in Entwicklungsländern, wo es die primäre Trinkwasserquelle darstellt.Costantini et al., 2023, Xu et al., 2021Mehr als 2.5 Milliarden Menschen sind auf Grundwasser als Trinkwasserquelle angewiesen, davon sind mehr als 0.5 Milliarden in 106 Ländern von Problemen mit der Grundwasserqualität betroffen, darunter Fluoridbelastung (Shaji et al., 2021Fluorid, ein weltweit verbreitetes Anion im Grundwasser, ist für die Zahngesundheit unerlässlich, wenn es in der optimalen Konzentration von 0.5–1.0 mg/L vorliegt.^-1, was auch dazu beiträgt, Karies vorzubeugen. Allerdings stellt es eine erhebliche Herausforderung für die Bereitstellung von sicherem Trinkwasser dar, wenn es in zu hoher Konzentration vorliegt, da es potenziell negative gesundheitliche Auswirkungen wie Skelett- und Zahnfluorose haben kann (Susheela, 2007Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) hat einen oberen Richtwert von 1.5 mg/l festgelegt.^-1 für Fluorid im Trinkwasser (WHO, 2017In zahlreichen Ländern Amerikas, Afrikas und Asiens, einschließlich des Nahen Ostens, wurden Fälle erhöhter Fluoridkonzentrationen dokumentiert, die den Richtwert überschreiten, wodurch das Grundwasser für den menschlichen Verzehr ungeeignet wird (Ahmad et al., 2022, Amini et al., 2008, Shaji et al., 2024).

Der Zugang zu sauberem Trinkwasser bleibt für Millionen Menschen in Konfliktgebieten tragischerweise unerreichbar. Jemen, in einer semiariden bis ariden Zone gelegen, stand bereits vor erheblichen Herausforderungen durch Wasserknappheit. Der andauernde Konflikt hat eine katastrophale humanitäre Krise ausgelöst, in deren Folge der Zugang zu sauberem Trinkwasser drastisch eingeschränkt wurde und bestehende Probleme verschärft wurden. In diesem Kontext ist der Zugang zu sauberem Trinkwasser nicht nur eine Herausforderung, sondern auch ein verzweifelter Kampf ums Überleben, der die ohnehin schon katastrophale humanitäre Lage im Jemen weiter verschlimmert.UNICEF, 2025, Varisco, 2019, Weiss, 2015Darüber hinaus enthalten viele Grundwasserquellen im Jemen Fluoridkonzentrationen, die über den WHO-Richtlinien liegen, was ein zusätzliches Gesundheitsrisiko darstellt (Aqeel et al., 2017, Al-Hmani et al., 2024Im Jemen treten Knochenerkrankungen und Zahnfluorose in vielen Gebieten aufgrund der übermäßigen Fluoridaufnahme auf (Baghel, 2015Berichte der Regierung weisen auf einen hohen Fluoridgehalt im Grundwasser in Gouvernements wie Sana'a, Ibb, Dhamar, Taiz, Lahj, Al Dhale'a und Raimah hin, wobei die Konzentrationen den von der WHO vorgeschriebenen Richtwert weit überschreiten (Al-Amry et al., 2020Obwohl sowohl die jemenitische Regierung als auch der WASH-Sektor (Wasser, Sanitärversorgung und Hygiene) das Vorhandensein und die Risiken von Fluorid im Trinkwasser anerkennen, wurden bisher kaum kosteneffektive Maßnahmen zur Senkung des Fluoridgehalts ergriffen. Dies liegt hauptsächlich am Mangel an kostengünstigen Aufbereitungsmöglichkeiten und an der kurzfristigen humanitären Ausrichtung der Interventionen, die sich auf den Zugang und die Menge der Wasserversorgung konzentrieren, anstatt auf deren Qualität.

Die Bereitstellung von fluoridfreiem Oberflächenwasser wäre zwar die ideale Lösung für dieses Problem, doch die Lieferung dieses Wassers über Pipelines in abgelegene und dünn besiedelte ländliche Gebiete kann aufgrund logistischer und wirtschaftlicher Beschränkungen unpraktisch sein. In jüngster Zeit wurden verschiedene Defluorierungsverfahren entwickelt, die auf Adsorption, Ionenaustausch, Fällung, Umkehrosmose, Elektrokoagulation, Photokatalyse, Membranfiltration und Elektrodialyse basieren.Arab et al., 2024, Gogoi und Dutta, 2016, Gourai et al., 2023; Nath und Dutta, 2010; Pan et al., 2019; Rathi et al., 2024).

Die Auswahl eines geeigneten Defluorierungsverfahrens bleibt eine komplexe Aufgabe, insbesondere in humanitären Krisengebieten wie dem Jemen, wo die hohe Fluoridkonzentration im Grundwasser eine gleichzeitig hocheffiziente, kostengünstige und energiearme Lösung erfordert. Konventionelle Verfahren wie die Adsorption sind im Allgemeinen kostengünstiger und einfacher umzusetzen, weisen jedoch häufig eine geringere Lebensdauer auf und erfordern eine regelmäßige Regeneration. Fortschrittliche Technologien wie Membranfiltration und Elektrokoagulation bieten zwar eine höhere Leistung, verursachen aber höhere Betriebskosten.Crini und Lichtfouse, 2019Umkehrosmose (RO) und Elektrodialyse sind aufgrund ihres hohen Energiebedarfs und der hohen Investitionskosten für den Einsatz in abgelegenen, dezentralen Gemeinden, insbesondere zur Aufbereitung von Wasser mit hohen Fluoridkonzentrationen, ungeeignet. Ein weiterer Nachteil der RO ist die große Menge an Abwasser. Daher besteht Bedarf an einer robusten, einfachen und lokal einsetzbaren Technologie, die die WHO-Standards erfüllt, ohne auf eine zuverlässige Stromversorgung angewiesen zu sein.

Das Verfahren der Phosphorsäure-Kalksteinbehandlung (PACLT), im Volksmund als Fluorid-Nilogon bekannt, ist eine effektive Hybridtechnologie, die auf Adsorption und Fällung basiert und in mehreren fluoridbelasteten Regionen Indiens mit hohen Fluoridkonzentrationen (bis zu 20 mg/l) zunehmend eingesetzt wird.^-1), einschließlich Assam, Chhattisgarh, Odisha, Karnataka und Rajasthan (Gogoi et al., 2015, Gupta et al., 2021, Mohan et al., 2020Die Methode wurde von einer Forschungsgruppe der Tezpur University in Assam, Indien, entwickelt und zunächst in einigen ländlichen Gebieten von Assam angewendet, daher stammt der Name vom assamesischen Wort „Nilogon“ für „Entfernung“. Mehrere Studien haben die ökologische und ökonomische Nachhaltigkeit dieses Ansatzes bestätigt und seine einfache Handhabung, den minimalen Wartungsaufwand, die geringen Implementierungskosten und den bemerkenswerten Vorteil, ohne Strom auszukommen, hervorgehoben.Das et al., 2025, Gogoi und Dutta, 2016, Gogoi et al., 2015, Gupta et al., 2021, Mohan und Dutta, 2020b, Mohan und Dutta, 2020a; Nath und Dutta, 2010Die Effizienz der Fluoridentfernung mittels der PACLT-Methode wird jedoch maßgeblich von verschiedenen Betriebsparametern beeinflusst, darunter die Partikelgröße des gebrochenen Kalksteins, die Kontaktzeit, die pH-Wert-Kontrolle und das stöchiometrische Verhältnis zwischen Phosphorsäure und Kalkstein. Darüber hinaus bestimmen die Qualitätsparameter des Kalksteins, wie Dichte, Porosität, Härte und das Vorhandensein von Eisen- und Aluminiumverunreinigungen, die Eignung des Kalksteins für Fluorid-Nilogon, obwohl fast 60 % der Kalksteinproben aus verschiedenen Minen oder Vorkommen in ganz Indien und dem afrikanischen Grabenbruch als geeignet gelten (Mohan und Dutta, 2020aJüngste Studien haben sein Potenzial für die gleichzeitige Entfernung anderer Schadstoffe, wie beispielsweise sechswertiges Chrom, aufgezeigt und damit die Anwendbarkeit von PACLT über die Fluoridminderung hinaus erweitert (Das et al., 2025).

ZOA („Zuidoost Azië“, niederländisch für „Südasien“), eine internationale Hilfs- und Wiederaufbauorganisation, engagiert sich seit 2012 aktiv in der Bewältigung der Trinkwasserkrise im Jemen. Aufgrund der abgelegenen Gebiete im Jemen, wo ZOA auf Wasserquellen mit hohem Fluoridgehalt stieß, wurden zunächst einfache und kostengünstige Lösungen geprüft. 2021 kooperierte ZOA mit der Universität Tezpur und führte gemeinsam ein Pilotprojekt durch, um den Fluorid-Nilogon-Filter in 300 Haushalten in drei Dörfern im Distrikt Al Musaymir des Gouvernements Lahj einzuführen und zu testen. Nach der erfolgreichen Implementierung, der nachgewiesenen Wirksamkeit und der breiten Akzeptanz des Filters in dieser ersten Phase dehnte ZOA das Projekt in einer zweiten Phase auf das Gouvernement Al Dhale'a aus. Dort wurden 400 Haushaltsfilter und ein Gemeinschaftsfilter in zwei Dörfern in den Distrikten Al Azariq und Al Hussein installiert. Die Interventionsgebiete sind in der Abbildung dargestellt. Abb.. 1.

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Abb.. 1Karte der Interventionsgebiete im Jemen und der Herkunftsorte der in der vorliegenden Studie verwendeten Kalksteinproben: A – aus dem Bezirk Al Melah, B, C & D – aus dem Bezirk Al Musaymir.

Hier berichten wir über eine Eignungsstudie von vier Kalksteinproben, jeweils zwei für Phase I und Phase II. Die Studie umfasst eine detaillierte Charakterisierung des Kalksteins, Labortests zur Eignungsprüfung der Kalksteinproben, um die besten Proben für jede Phase auszuwählen, sowie die Untersuchung der Fluoridentfernungsleistung der Kalksteinproben mit Fluorid-Nilogon in einer Reihe von Laborexperimenten zur Fluoridentfernung. Die Bewertung wichtiger physikalisch-chemischer Eigenschaften wie Porosität, Dichte und chemische Verunreinigungen ist entscheidend für die Bestimmung der Eignung von Kalkstein für die Fluorid-Nilogon-Methode zur Fluoridentfernung, da diese Eigenschaften die Effizienz des Verfahrens voraussichtlich maßgeblich beeinflussen.Mohan und Dutta, 2020b, Mohan und Dutta, 2020aDer resultierende pH-Wert des aufbereiteten Wassers, ein kritischer Parameter für die Wasserqualität, wurde analysiert.

Ergebnisse und Diskussion

4. Schlussfolgerungen

Insgesamt wurden im wasserarmen Jemen 700 Haushalts- (HH) und Gemeinschafts-Fluorid-Nilogon-Filter auf Basis der Phosphorsäure-Kalksteinbehandlung (PACLT) als kostengünstige Maßnahme gegen die starke Fluoridbelastung des Trinkwassers installiert. Die Installation erfolgte durch ZOA, eine internationale Nichtregierungsorganisation, mit Technologie- und technischer Unterstützung der Universität Tezpur (TU). Das Projekt wurde in zwei Phasen umgesetzt. In Phase I wurden 2021 in den Dörfern Farás, Al Lojmah und Al Oqma im Distrikt Al Musaymir des Gouvernements Lahj 300 Haushaltsfilter installiert, um 300 Familien mit sauberem Trinkwasser zu versorgen. Angespornt durch den Erfolg von Phase I wurden in Phase II im Jahr 2024 weitere 325 Haushaltsfilter für die gleiche Anzahl an Familien sowie ein gemeinschaftlicher Fluorid-Nilogon-Filter mit einem Fassungsvermögen von 7000 Litern installiert, um weitere 100 Familien im Dorf Khawber im Distrikt Al Hussein zu versorgen. Zusätzlich wurden in Phase II weitere 75 Haushaltsfilter für 75 Familien im Dorf Habeel Ghadas im Distrikt Al Azariq, alle im Gouvernement Al Dhale'a im Jemen, installiert. Die Eignung von zwei Kalksteinproben aus dem Distrikt Musaymir im Gouvernement Lahj im Jemen wurde für jede Phase an der Technischen Universität (TU) geprüft. Aufgrund der physikalisch-chemischen Eigenschaften des Kalksteins und seiner Fähigkeit zur Fluoridentfernung wurde für jede Phase eine Probe ausgewählt, obwohl sich beide für Phase II untersuchten Proben als nahezu gleich geeignet erwiesen. Die für Phase II untersuchten Kalksteinproben wiesen eine günstigere Porosität und einen geringeren Gehalt an Eisen-Aluminium-Verunreinigungen sowie eine deutlich bessere Fluoridentfernungsfähigkeit auf als die für Phase I.

Die durchschnittlichen anfänglichen Fluoridkonzentrationen betrugen 3.2 mg/L.^-1 und 10.5 mgL^-1 in Phase I bzw. Phase II. Die Fluoridkonzentrationen der aufbereiteten Wasserproben aus allen 700 Haushalten und einer Gemeinde mit Fluorid-Nilogon-Filtern entsprachen dem WHO-Richtwert von 1.5 mg/L.^-1 für Fluorid. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass Fluorid-Nilogon-Filter auch den TDS-Wert, die elektrische Leitfähigkeit und den pH-Wert verbessern und das Wasser somit besser zum Trinken geeignet machen. Das Fluorid-Nilogon-Verfahren erwies sich als technisch machbar und wurde von den Nutzern gut angenommen, da es die Fluoridkonzentrationen von bis zu 11.19 mg/L konstant senkte.^-1 unter den WHO-Richtwert von 1.5 mg/L^-1 Sowohl auf Haushalts- als auch auf Gemeindeebene wurden anfängliche Herausforderungen, wie die Fluoridauswaschung aus dem Sand und gelegentliche Phosphorsäureengpässe, ohne größere Auswirkungen auf die Systemleistung bewältigt. Die hohe tägliche Nutzung und das positive Feedback der Nutzer zeugen von großem Engagement, das durch effektive Schulungs- und Sensibilisierungsprogramme gefördert wird. Dies unterstreicht das Potenzial des Systems für einen breiteren Einsatz in fluoridbelasteten Gebieten Jemens, um einen sicheren und nachhaltigen Zugang zu Trinkwasser zu gewährleisten.

CRediT-Autorenbeitragserklärung

Bereket Godifay Kahsay: Visualisierung, Untersuchung. Saranga Baishya: Formale Analyse, Datenkuratierung. Gerrianne Pennings: Visualisierung, Untersuchung. Tushmita Das: Schreiben – Originalentwurf, Methodik, Untersuchung, Formale Analyse, Datenaufbereitung. Harm Bouta: Untersuchung, Finanzierungsbeschaffung, Konzeptentwicklung. Anwesha Chaliha: Datenpflege. Matthijs T. Wessels: Schreiben – Überprüfung & Bearbeitung, Visualisierung, Projektverwaltung, Recherche. Priya Devi: Datenpflege. Sara Bazarah: Visualisierung, Untersuchung. Dutta Robin Kumar: Schreiben – Überprüfung & Bearbeitung, Validierung, Betreuung, Ressourcen, Finanzierung, Konzeptentwicklung. Amal Hasan: Visualisierung, Untersuchung. Wasim Al Shehab: Visualisierung, Untersuchung. Hammam Mukred: Visualisierung, Untersuchung. Saleh Radhwan Mohammed: Visualisierung, Untersuchung. Melhani Akram Al: Visualisierung, Untersuchung. Mohammed Riad: Visualisierung, Untersuchung.