Abstract:
Zur Verringerung des Wasserverbrauchs wird Tröpfchenbewässerung in der Landwirtschaft weltweit eingesetzt. Wasser und Nährstoffe werden durch Rohre mit konstanter und definierter Ausflussrate direkt zu der Wurzelzone der Pflanzen transportiert. Dies geschieht durch die Einarbeitung von sogenannten Tropfern in die Rohre. Die Tropfer bestehen aus einer Labyrinthstruktur gefolgt von einer Beckenstruktur. Dadurch wird der Wasserdruck reguliert und eine gleichmäßige Ausflussrate sicherstellt. In wasserarmen Regionen wird teilweise behandeltes Abwasser zur Tröpfchenbewässerung verwendet. ... mehrAufgrund der im Abwasser vorhanden gelösten Nährstoffe und Partikel tritt in den Tropfern Fouling auf, was zu Verstopfungen und damit einer Reduktion der Ausflussrate führt. Obwohl die Tröpfchenbewässerungssysteme seit 1959 in Israel in Betrieb sind, ist das Verständnis der Foulingmechanismen innerhalb der Tropfer begrenzt. Dies liegt daran, dass Tropfer aus nicht transparenten Kunststoffen hergestellt werden und in die Tropfrohre integriert sind. Dadurch kann Fouling nicht zerstörungsfrei verfolgt werden. Ziel dieser Arbeit war es daher mit Hilfe nicht invasiver Visualisierung der Biofilmbildung innerhalb der Tropfergeometrie, das Foulingpotential von behandeltem Abwasser und den Einfluss von anorganischen Partikeln auf die Biofilmbildung zu untersuchen.
Dazu wurde neben einem Laborsystem auch eine Pilotanlage mit künstlichem bzw. tertiär behandeltem Abwasser betrieben. Im Laborsystem lag die mittlere Ausflussrate bei nur 35 % des Zielwertes, wenn sich im Rohr 0,04 - 1 g/m² Trockenmasse befand. Obwohl in den Rohren der Pilotanlage mit tertiär behandeltem Abwasser mehr Foulingmaterial stattfand (4 - 14 g / m²), war die mittlere Ausflussrate der gewünschte Wert (100 % des Zielwertes). Der hohe anorganische Anteil in dem Foulingmaterial der Pilotanlage deutet darauf hin, dass die anorganischen Partikel im tertiär behandelten Abwasser dazu beitrugen, die Blockade der Tropfer zu verringern. Die Zugabe von Phosphat in der Pilotanlage förderte den Anteil des organischen Foulingmaterials im Rohr und verstärkte das Fouling, was darauf hindeutet, dass organisches Foulingmaterial eine stärkere Blockade als anorganisches Foulingmaterial verursacht hat.
Mikrofluidische Kanäle (microfluidic devices, MFDs), die die Strukturen der Tropfer nachahmen, wurden verwendet um die Biofilmbildung innerhalb der Tropfergeometrie zu visualisieren und bewerten. Die Biofilmbildung wurde in-situ und nicht invasiv mittels optischer Kohärenztomographie (optical coherence tomography, OCT) 3-dimensional beobachtet. Um die Temperaturbedingungen in (halb-) ariden Bereichen nachzustellen wurden Versuche in einer Temperaturbox durchgeführt, die einen täglichen Temperaturzyklus von 20 - 50 °C über 30 Tage simulierte. In den MFDs wurde die Biomasse entweder mit tertiär behandeltem Abwasser, sekundär behandeltem Abwasser oder mit Nährstoffen zugeführtem tertiär behandelten Abwasser kultiviert. OCT-Datensätze zeigen, dass die Etablierung und Entwicklung von Biofilmen durch die Fluiddynamik beeinflusst wurde. MFDs bestehen aus einer Labyrinth- und einer Beckenstruktur. Die gesamte volumetrische Bedeckung (Labyrinth- und Beckenstruktur) mit Biofilm zeigte, dass die Bildungsrate des Biofilms am höchsten war (1,4 %/d), wenn tertiär behandelndes Abwasser mit Nährstoffen (CSB = 18 mg/L) als Medium eingesetzt wurde. Am niedrigsten war die Bedeckung bei tertiär behandeltem Abwasser mit 6 mg/L BSB5 (0,1 %/d). Die Blockade der Tropfer ist vor allem auf die Biofilmbildung in der Labyrinthstruktur zurückzuführen. Eine Bedeckung in der Labyrinthstruktur mit Biofilmen von bis zu 60% verringerte die Ausflussrate nicht, wohingegen eine weitere Zunahme der Bedeckung auf 80%, die Ausflussrate in dieser Studie um 50 % verringerte. Darüber hinaus gab es eine deutliche Auswirkung des täglichen Temperaturzyklus auf die Biofilmbildung. Die Bildungsrate wurde auf 0,1 - 0,2 %/d im täglichen Temperaturzyklus für alle drei Kultivierungsmedien reduziert.
Zuletzt wurde der Einfluss von anorganischen Partikeln auf die Biofilmbildung untersucht. Biofilme wurden entweder in MFDs oder in Fließzellen mit künstlichem Abwasser kultiviert. Diatomeenerde (DE) und/oder Montmorillonit (MMT) wurden zu künstlichem Abwasser zugegeben. Die Biofilmbildung wurde erneut mittels OCT über 30 Tage beobachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einbau von anorganischen Partikeln in die Biofilm-Struktur, mit Feststoffkonzentrationen von 30 und 60 mg/L im Zulauf, mehr Ablöseereignisse verursachte als Biofilme, die ohne Partikeln kultiviert wurden. Zusätzlich wurde die Biofilmkompressibilität bestimmt und eine positive Korrelation zwischen DE-Konzentration und Biofilmkompressibilität beobachtet. Biofilme werden kompressibler, wenn sie mit 30 und 60 mg/L DE kultiviert werden. Die Biofilmstruktur soll stabilisiert werden, wenn sie bei zunehmenden Schubspannungen komprimiert wird. Daher war die Ablösung bei hoher Schubspannungen am niedrigsten, wenn die Biofilme mit 60 mg/L DE kultiviert wurde, im Vergleich zu Biofilmen, die mit weniger oder keinen anorganischen Partikeln kultiviert wurden.
Abstract (englisch):
Drip irrigation is a water efficient technology which is used worldwide in agriculture. Water and nutrients are transported directly to the root zone of the plants at a uniform and designed discharge rate. This is achieved due to the design of drippers which are integrated in the drip pipes. Drippers are devices of a few centimeters in length consisting of a labyrinth and basin compartment. Constant discharge rate within a certain water pressure range is assured by the labyrinth compartment, in which the hydraulic energy dissipates along the zigzag-like flow path. In water scarce regions, treated wastewater (TWW) is used for drip irrigation. ... mehrAs consequences of nutrients and particles in the TWW, drippers are progressively blocked by fouling process. Although the first drip irrigation systems have been established since 1959 in Israel, there is still a significant knowledge gap surrounding the fouling mechanisms inside the drippers. This is due to the reason that drippers are made from non-transparent plastics, and integrated in the drip pipes. In this work, non-invasive visualization of biofilm formation inside the drippers, fouling potential of TWW and the influence of inorganic particles on biofilm formation in dripper geometry are specially targeted in this work.
A lab-scale and pilot-scale drip irrigation experiments were conducted using synthetic wastewater (SynWW) and real tertiary treated wastewater (T-TWW), respectively. The mean discharge rate was only 35 % of the nominal discharge rate, when there was 0.04 – 1 g/m² dry matter in the pipe of the lab-scale experiment using SynWW. Although there was more deposition (4 – 14 g/m²) in the pipe of pilot-scale system using T-TWW, the mean discharge rate was the nominal value (100 %). The high inorganic fraction in the fouling material of pilot-scale system implies that the inorganic particles from T-TWW helped to mitigate the dripper blockage. Addition of phosphate in pilot-scale experiment increased the portion of organic fouling in the pipe and aggravated the blockage problem, which suggests that organic fouling material causes more severe blockage than inorganic fouling material.
With the aim of visualizing the biofilm formation and assessing the fouling conditions inside the drippers, 3D printed microfluidic devices (MFDs) mimicking dripper structures were used to monitor the biofilm formation in-situ and non-invasively by means of optical coherence tomography (OCT). To mimic the temperature conditions in (semi-) arid areas, experiments were conducted in a temperature box simulating a daily temperature cycle between 20 – 50 °C for 30 days. MFDs were either fed with T-TWW, secondary treated wastewater (S-TWW) or T-TWW doped with nutrients. OCT data sets (3D) illustrated that biofilm establishment and development was influenced by fluid dynamics. MFDs consist of a labyrinth and a basin compartment. Total biofilm volumetric coverage (in both labyrinth and basin compartment) showed the formation rate is highest with T-TWW doped with nutrients containing 18 mg/L COD (1.4 % MFD volume/d), and lowest with T-TWW containing 6 mg/L BOD5 (0.1 % MFD volume/d). The malfunction of drippers is mainly due to the biofouling in the labyrinth compartment, although a labyrinth coverage with biofilm of up to 60 % did not reduce the drip rate, whereas further increasing coverage to 80 % reduced the discharge rate by 50 % in this study. Moreover, there was a clear effect of the daily temperature cycle on biofilm accumulation. Biofilm accumulation rate was inhibited to 0.1 – 0.2 % MFD volume/d in daily temperature cycle for all three cultivation media.
Finally, the influence of inorganic particles on biofilm formation was investigated. Biofilms were cultivated in either MFDs or flow cells, using SynWW doped with diatomaceous earth (DE) and/or montmorillonite (MMT). The biofilm development was again monitored over time by means of OCT. Results showed that incorporation of inorganic particles into the biofilm structure with total suspended solids (TSS) of 30 and 60 mg/L caused more detachment events during normal biofilm cultivation in the MFDs than without particles. Biofilm compressibility was determined and a positive correlation between the DE concentration and biofilm compressibility was observed. This is one of the most important findings from this work. Biofilms become more compressible when cultivated with 30 and 60 mg/L DE. The biofilm structure is supposed to be stabilized when it gets compressed at increasing shear stresses. Therefore, detachment at high shear stresses was the lowest when biofilms were cultivated with 60 mg/L DE, compared to biofilms cultivated with less or no inorganic particles.
