Investigation of the fouling driving factors in drip irrigation systems
Creators: name: Qian, Jueying
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2017
Subjects: drip irrigation
biofilm formation
optical coherence tomography
microfluidic devices
daily temperature cycle
inorganic particles
biofilm compressibility

description: 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. Aufgrund 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.