Dynamic visualization of deposition processes within porous media by means of MRI

Poröse Medien finden sich in technischen oder natürlichen Systemen wieder. Speziell
in der Wasser- und Abwasseraufbereitung sind poröse Medien weit verbreitet. So
werden Festbettfilter gezielt zum Rückhalt von partikulären Stoffen verwendet, dienen
der Adsorption von gelösten Stoffen, oder fungieren als Aufwuchsfläche für
Mikroorganismen, um den biologische Abbau zu verbessern. Während dem Betrieb
kommt es innerhalb der porösen Medien zu Ablagerungen, die einen maßgebenden
Einfluss auf die hydraulischen Eigenschaften und damit einhergehend auf die Leistung
... mehr
dieser Verfahren nehmen können.
Mithilfe bildgebender Verfahren lassen sich detaillierte Aufnahmen der
Ablagerungsvorgänge anfertigen. Diese dienen der qualitativen Prozessaufklärung
realer Systeme und können zu deren Optimierung herangezogen werden. Aufgrund
der 3-dimensionalen Struktur sind poröse Medien nur wenigen bildgebenden
Verfahren zugänglich. In der gegenwärtigen Dissertation wurde die
Magnetresonanztomographie (MRI; engl. Magnetic Resonance Imaging) verwendet,
aufgrund der Möglichkeit Aufnahmen in-situ, zerstörungsfrei und ohne
Tiefenlimitierung anzufertigen. Zudem lassen sich mithilfe der MRI neben strukturellen
Aufnahmen auch Strömungsmessungen durchführen.
In der gegenwärtigen Arbeit wurde sich im Detail mit den folgenden drei Themen
befasst: (I) Dem Aufwuchs von Biofilm auf ein poröses Medium unter alternierender
Wasserverfügbarkeit; (II) Dem Verbleib von Partikeln innerhalb von granulierten
Belebtschlammbecken während dem anaeroben Füllen des Reaktors; (III) der
Abscheidung von Partikeln innerhalb von granulierten Aktivkohlefiltern und der
einhergehenden Veränderung des Strömungsfeldes.
In Kapitel 2 wurde das Wachstum von Biofilm unter zyklischen Entwässerungs- und
Bewässerungsphasen thematisiert. Der Versuch erlaubte die Visualisierung aller vier
Bestandteile (Biofilm, poröses Medium, Wasser und Luft). Es zeigte sich, dass der
Biofilm hauptsächlich an Porenhälsen aufwuchs, die permament Flüssigkeitsbedeckt
blieben. Zu geringerem Ausmaß wurde der Bewuchs von Hohlräumen oder freier
Oberflächen festgestellt. Durch das Biofilmwachstum wurde die Wasserrückhaltung
nach Entwässerung erhöht. Im Gegenzug erhöhte sich ebenfalls der Einschluss von
Luft nach zyklischer Wasserzufuhr. Zusätzlich konnte eine erhöhte Konnektivität der
Wasserphase nachgewiesen werden. Dies deutet darauf hin, dass der Biofilm
Stoffübergangsprozesse in teilgesättigten porösen Medien durch den Rückhalt von
Wasser verbessert.
Kapitel 3 thematisiert den Transport und Rückhaltemechanismen verschiedener
Partikelgruppen innerhalb von porösen Medien aus granuliertem Belebtschlamm. Im
Falle der aeroben Granula wurde gezeigt, dass der Rückhalteprozess von Partikeln
größenabhängig ist. Die Partikel im Nanometerbereich waren in der Lage die aeroben
Granula zu penetrieren. Gleichzeitig fand eine Immobilisation innerhalb des Biofilms
statt, wodurch die Nanopartikel an der Oberfläche des Biofilms immobilisierten und
nicht tiefer als 300 µm eindrangen. Die Partikel im Mikrometerbereich konnten zu
einem Großteil abgefangen werden und sammelten sich in den Hohlräumen zwischen
den aeroben Granula an. Ein Eindringen der Partikel in den Biofilm wurde nicht
festgestellt. Aufgrund der Größe der Anhäufungen wird deutlich, dass diese
überwiegend nicht direkt an den aeroben Granula anhaften, sondern sich vielmehr in
den Hohlräumen ansammeln. In der darauffolgenden Belüftungsphase des
Reaktorbetriebs werden Partikelansammlungen mitsamt den aeroben Granula
aufgewirbelt, wodurch die Partikel der gesamten Biomasse zwecks Anhaftung und
Abbau zur Verfügung stehen.
In Kapitel 4 befasst sich mit der Rückhaltung von partikulären Stoffen (SS; engl.
suspended solids) auf einem granulierten Aktivkohlefilter (GAC; engl. granulated
activated carbon). Bei abwärts gerichteter Durchströmung wurden SS sowohl auf als
auch innerhalb des GAC-Filters zurückgehalten. Durch die schrittweise Zugabe von
SS konnte der Aufbau des Filterkuchens, Umschichtungen im porösen Medium als
auch Änderungen der Einströmwege und Fließgeschwindigkeiten detailliert erfasst
werden. Das Auftreten von bevorzugten Einströmwegen hebt hervor, dass die
Deckschicht nicht die komplette Oberfläche bedeckte, und SS tiefer in das poröse
Medium eingetragen wurden. Neben der Bedeckung des Filters, zeigte eine
zunehmende Blockade von Porenhälsen und Komprimierung von SS mögliche Gründe
für die schnell ansteigenden Druckverluste auf, die in realen oder pilot-Anlagen
beobachtet wurden. Channeling war bereits vor Beginn der Filtration präsent. Hier
zeigt sich das mit einer Äquivalentgeschwindigkeit von 28.8 m/h, der GAC Filter
weitaus schneller durchströmt wird wie erwartet. Die Grundannahme einer mittleren
Fließgeschwindigkeit von 5 m/h bzw. 12.5 m/h (inklusive Porosität), wurde um den
Faktor 2,3 übertroffen. Mit zunehmender Filtrationsdauer wurden die
Channelingeffekte deutlicher. Nach 3.75 h wurde eine Äquivalentgeschwindigkeit von
68.4 m/h gemessen, die nach 7.75 h auf 100.8 m/h anstieg. Insgesamt ist der
Filtrationsprozess aufgrund des rasch zu erwartenden Druckanstiegs nachteilig,
weshalb eine separierte und vorgeschaltete Filtration plausibler für die Prozessführung
erscheint.
Die Ergebnisse verdeutlichen die Eignung der MRI zur Prozessaufklärung von
Ablagerungsprozessen in porösen Medien. Mithilfe der MRI war es möglich,
Multikomponentensysteme durch die Auswahl der Aufnahmeparameter und
weitergehender Bildanalyse zu visualisieren und zeitlich nachzuverfolgen. Weiterhin
stellen die Ergebnisse einzigartige Abbildungen der Ablagerungsvorgänge dynamisch
dar, die das bestehende Wissen erweitern und zur Optimierung großtechnischer
Prozessabläufe beitragen können.

Porous media can be found in many technical as well as natural systems. Especially
in the field of water treatment porous media are used within many purification steps.
Their application ranges from the retention of particulate matter, to the adsorption of
soluble compounds, and the settlement of microorganisms to enhance biodegradation.
In many cases the operation is aligned with accumulations (e.g. biological or particulate
origin) within the porous media, which can have a significant burden on the hydraulic
properties and ultimately, on the process performance. ... mehr
Imaging methods offer the possibility to dynamically resolve accumulation processes
within porous media to gain a better understanding of these processes. However, the
3D-structure of porous media is only accessible to few imaging devices. In the present
dissertation, magnetic resonance imaging (MRI) was used as it is an in-situ, noninvasive
method that is not limited in penetration depth. A benefit of MRI aligns in the
possibility to conduct flow measurements besides of structural images.
By means of MRI accumulation processes within porous media were addressed in
respect to the specific application and current questions. Namely these are: (I) How
does biofilm grow under alternating water level and how does biofilm effect the water
retention? (chapter 2); (II) How is particulate matter retained once water is pumped
into aerobic granular sludge (AGS) systems? (chapter 3); and (III) How is particulate
matter retained by granulated activated carbon (GAC) filters and how does it influence
the local flow field? (chapter 4).
In chapter 2 the biofilm growth under alternating water level was addressed. The
approach allowed to visualize all four fractions (biofilm, porous media, water, air)
dynamically and spatially resolved. Biofilm was found to preferentially grow within
permanently wetted areas, mainly next to the contact points between two spheres or
between sphere and glass column. To a lower extend biofilm was found on the free
surface of spheres or within the void space. The water retention was increased due to
biofilm growth after drainage events. Vice versa, more entrapment of air was found
after the flushing events. Further, the connectivity within the liquid phase increased
during the experiment indicating that biofilm might enhance diffusive transport
processes under partially saturated conditions.
Chapter 3 addressed the transport and retention behavior of particles once they enter
into aerobic granular sludge (AGS) systems. The results indicated that the size of
particles governs their fate within AGS systems. Particles in the nanometer range were
able to penetrate and immobilize within the biofilm. Overall the nanoparticles were
immobilized near the surface and did not penetrate deeper than 300 µm. Particles in
the micrometer range were retained at the surface of aerobic granules and
accumulated within the voids. Due to the size of these accumulations, particles were
to a large extend not in contact with the aerobic granules and thus, not attached. During
the following aeration cycle of AGS systems, those particles will be redistributed
together with the AGS itself and become available for the whole biomass for
attachment and degradation.
Chapter 4 deals with the retention of suspended solids (SS) onto a granulated activated
carbon (GAC) filter and its impact on the local flow field. During the top-down filtration,
SS were retained above and within the GAC filter. The stepwise addition of wastewater
allowed to observe the buildup of a deposit layer, redistribution within the porous media
as well as changing inflow points and the occurrence of higher velocities. The
occurrence of preferential inflow points revealed that the deposit layer did not cover
the entire surface. Further, the ongoing accumulation within pore throats and the
compaction of SS indicated potential ways to increase the pressure loss. Channeling
was observed from the start of the experiment. With an equivalent velocity of 28.8 m/h
the measurement is 2.3 times higher than assumed by applying an average filter
velocity of 5 m/h, even when taking the porosity (40%) into account (12.5 m/h). The
equivalent velocity further increased up to 100.8 m/h at the end of the experiment.
Overall the filtration process remains unfavorable due to the compaction and ongoing
pore blockage, which have the potential to drastically increase the pressure loss.
Overall the results highlight the suitability of MRI to resolve processes dynamically
within porous media. Through individually chosen image analysis, parameter setting
and experimental procedure it was possible to visualize the multi component systems
in each case. Further, the results reveal unique observations of deposition
mechanisms within porous media that extend the current knowledge and may serve
for the optimization of the corresponding real scale applications.