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Biokolmation

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Biokolmation ist die Verringerung der Durchlässigkeit des Bodens durch mikrobielle Biomasse. Die mikrobielle Biomasse blockiert den Wasserweg im Porenraum und bildet eine gewisse Dicke der undurchlässigen Schicht im Boden und sie verringert so die Geschwindigkeit der Infiltration von Wasser. Dieser Vorgang wird auch biologische Kolmation genannt.

Die Biokolmation wird unter kontinuierlicher Infiltration bei verschiedenen Feldbedingungen wie künstliche Aufladungsteiche, Perkolationsgraben, Bewässerungskanal, Abwasserbehandlungssystem und Deponiebarriere beobachtet. Es beeinflusst auch die Grundwasserströmung im Grundwasserleiter, wie eine Reaktive Wand und eine Mikrobielle verbesserte Ölgewinnung eine tertiäre Ölgewinnung. In der Situation, in der die Infiltration von Wasser in geeigneter Geschwindigkeit erforderlich ist, kann die Biokolmation problematisch sein und Gegenmaßnahmen wie die regelmäßige Trocknung des Systems erfolgen. In einigen Fällen kann das Biokolmation verwendet werden, um eine undurchlässige Schicht herzustellen, um die Infiltrationsrate zu minimieren.

Allgemeine Beschreibung

Veränderung der Permeabilität mit der Zeit

Biokolmation wird als Abnahme der Infiltrationsrate beobachtet. Eine Verringerung der Infiltrationsrate unter puded Infiltration wurde in den 1940er Jahren beobachtet, um die Infiltration von künstlichem Aufladungsteich und die Wasserverteilung auf landwirtschaftlichen Böden zu untersuchen.[1] Wenn die Böden kontinuierlich untergetaucht sind, ändert sich die Permeabilität oder die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit in 3 Stufen, was wie folgt erläutert wurde.

  1. Die Permeabilität verringert sich für 10 bis 20 Tage möglicherweise aufgrund von physikalischen Veränderungen der Struktur des Bodens.
  2. Die Permeabilität erhöht sich durch Auflösen der eingeschlossenen Luft im Boden in das Perkolationswasser.
  3. Die Permeabilität verringert sich für 2 bis 4 Wochen aufgrund des Zerfalls von Aggregaten und der biologischen Kolmation von Bodenporen mit mikrobiellen Zellen und deren synthetisierten Produkten, Schlacken oder Polysacchariden.

Verschiedene Arten von Verstopfung

Die Veränderung der Permeabilität mit der Zeit wird in verschiedenen Feldsituationen beobachtet. Je nach Feldbedingung gibt es verschiedene Ursachen für die Änderung der hydraulischen Leitfähigkeit, wie folgt zusammengefasst.[2]

  1. Physikalische Ursachen: Physisches Verstopfen durch Schwebstoffe oder physikalische Veränderungen der Böden wie Zerfall der Aggregatgefüge. Das Auflösen der eingeschlossenen Luft in den Boden in das Perkolationswasser ist eine physikalische Ursache für die Erhöhung der hydraulischen Leitfähigkeit.
  2. Chemische Ursachen: Veränderung der Elektrolytkonzentration oder des SAR in der wässrigen Phase, die eine Dispersion und Quellung von Tonminerale bewirkt.
  3. Biologische Ursachen: In der Regel bedeutet Biokolmation die erste der folgenden, während Biokolmation im weiteren Sinne bedeutet alle der folgenden.
    1. Biokolmation durch mikrobielle Zellkörper (wie Bakterien,[3][4][5][6] Alge[7] und Pilze[8][9]) und deren synthetisierte Nebenprodukte wie EPS,[10] die Biofilm[11][12][13] oder Mikrokolonaggregation[14] auf Bodenpartikel bilden, sind direkte biologische Ursachen für die Abnahme der hydraulischen Leitfähigkeit.
    2. Die Umwandlung von Gasblasen wie Methan,[15] die durch Methanogenese hergestellt werden, verstopft die Bodenporen und trägt zur Verringerung der hydraulischen Leitfähigkeit bei. Da Gas auch mikrobielle Nebenprodukte ist, kann es auch als Biokolmation angesehen werden.
    3. Eisen Bakterien stimuliert Eisenhydroxide Ablagerung, die zu Verstopfung der Boden Poren führen kann.[16] Dies ist eine indirekte biologische Ursache der Abnahme der hydraulischen Leitfähigkeit.

Einzelnachweise

  1. L.E. Allison: Effect of microorganisms on permeability of soil under prolonged submergence. In: Soil Science. 63, Nr. 6, 1947, S. 439–450.
  2. P. Baveye, P. Vandevivere, B.L. Hoyle, P.C. DeLeo, D.S. de Lozada: Environmental impact and mechanisms of the biological clogging of saturated soils and aquifer materials. (PDF) In: Critical Reviews in Environmental Science and Technology. 28, Nr. 2, 2006, S. 123–191. doi:10.1080/10643389891254197.
  3. R.P. Gupta, D. Swartzendruber: Flow-associated reduction in the hydraulic conductivity of quartz sand. In: Soil Science Society of America Journal. 26, Nr. 1, 1962, S. 6–10. doi:10.2136/sssaj1962.03615995002600010003x.
  4. W.T. Frankenberger, F.R. Troeh, L.C. Dumenil: Bacterial effects on hydraulic conductivity of soils. In: Soil Science Society of America Journal. 43, Nr. 2, 1979, S. 333–338. doi:10.2136/sssaj1979.03615995004300020019x.
  5. P. Vandevivere, P. Baveye: Saturated hydraulic conductivity reduction caused by aerobic bacteria in sand columns.. (PDF) In: Soil Science Society of America Journal. 56, Nr. 1, 1992, S. 1–13. doi:10.2136/sssaj1992.03615995005600010001x.
  6. L. Xia, X. Zheng, H. Shao, J. Xin, Z. Sun, L. Wang: Effects of bacterial cells and two types of extracellular polymers on bioclogging of sand columns. In: Journal of Hydrology. 535, 2016, S. 293–300. doi:10.1016/j.jhydrol.2016.01.075.
  7. M. Gette-Bouvarot, F. Mermillod-Blondin, R. Angulo-Jaramillo, C. Delolme, D. Lemoine, L. Lassabatere, S. Loizeau, L. Volatier: Coupling hydraulic and biological measurements highlights the key influence of algal biofilm on infiltration basin performance. (PDF) In: Ecohydrology. 7, Nr. 3, 2014, S. 950–964. doi:10.1002/eco.1421.
  8. K. Seki, T. Miyazaki, M. Nakano: Reduction of hydraulic conductivity due to microbial effects.. (PDF) In: Transactions of Japanese Society of Irrigation, Drainage and Reclamation Engineering. 181, 1996, S. 137–144. doi:10.11408/jsidre1965.1996.137.
  9. K. Seki, T. Miyazaki, M. Nakano: Effect of microorganisms on hydraulic conductivity decrease in infiltration. (PDF) In: European Journal of Soil Science. 49, Nr. 2, 1998, S. 231–236. doi:10.1046/j.1365-2389.1998.00152.x.
  10. Y. Jiang, S. Matsumoto: Change in microstructure of clogged soil in soil wastewater treatment under prolonged submergence. (PDF) In: Soil Science and Plant Nutrition. 41, Nr. 2, 1995, S. 207–213. doi:10.1080/00380768.1995.10419577.
  11. S.W. Taylor, P.C.D. Milly, P.R. Jaffé: Biofilm growth and the related changes in the physical properties of a porous medium: 2. Permeability. In: Water Resources Research. 26, Nr. 9, 1990, S. 2161–2169. doi:10.1029/WR026i009p02161.
  12. L. Zhao, W. Zhu, W. Tong: Clogging processes caused by biofilm growth and organic particle accumulation in lab-scale vertical flow constructed wetlands. (PDF) In: Journal of Environmental Sciences. 21, Nr. 6, 2009, S. 750–757. doi:10.1016/S1001-0742(08)62336-0.
  13. J. Kim, H. Choi, Y.A. Pachepsky: Biofilm morphology as related to the porous media clogging. (PDF) In: Water Research. 44, Nr. 4, 2010, S. 1193–1201. doi:10.1016/j.watres.2009.05.049.
  14. K. Seki, T. Miyazaki: A mathematical model for biological clogging of uniform porous media. (PDF) In: Water Resources Research. 37, Nr. 12, 2001, S. 2995–2999. doi:10.1029/2001WR000395.
  15. W.D. Reynolds, D.A. Brown, S.P. Mathur, R.P. Overend: Effect of in-situ gas accumulation on the hydraulic conductivity of peat. In: Soil Science. 153, Nr. 5, 1992, S. 397–408.
  16. S. Houot, J. Berthelin: Submicroscopic studies of iron deposits occurring in field drains: Formation and evolution. In: Geoderma. 52, Nr. 3–4, 1992, S. 209–222. doi:10.1016/0016-7061(92)90037-8.

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