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 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

Quantification of Evaporation and Drainage Processes in Unsaturated Porous Media Using Magnetic Resonance Imaging

The water loss in packed beds was studied spatially and time‐resolved via magnetic resonance imaging on the pore scale. The packed beds were measured under water‐saturated and unsaturated conditions, while the magnetic resonance method allowed a quantitative differentiation between air, liquid, and solid phases exploring the native contrast of the named phases without additional contrast agents. Beside a qualitative image comparison, subsequent quantitative image processing allowed for a detailed spatially resolved determination of water distribution, the differentiation between water transport processes, and the quantification of liquid clusters in 3‐D. Results are presented for two packed beds that show significant differences in their evaporation and drainage dynamics, which are mainly determined by the physical properties of the packed beds. The water loss of the packed bed of 2–4mmquartz particles reached a level below interpretability after 18.2 hr; meanwhile, a successive decrease of the largest liquid cluster volume from 82.5 to 0.7 mm$^{3}$ was observed. The water content of the packed bed of 2 mm glass spheres was still observable after 70.9 hr. During the experiment, no significant changes in the structure of the liquid clusters were measured. The current work displays the applicability of magnetic resonance imaging for porescale investigations without the addition of contrast agents

Investigation of biofilm growth within a monodisperse porous medium under fluctuating water level assessed by means of mri

Microorganisms settle in diverse partially saturated porous media in the form of biofilms. The alteration of hydraulic properties and diffusive transport processes occurs simultaneously with biofilm growth in porous media. Imaging methods offer the ability to directly visualize and quantify alterations on the pore scale. However, imaging methods have mainly observed biofilm growth in completely saturated porous media. The current study used magnetic resonance imaging (MRI) to dynamically visualize biofilm growth within a porous medium under alternating drainage and flushing events. Prior to the MRI experiments, the sample was cultivated for 6 days within a porous medium consisting of 2 mm glass spheres. Starting from day 6, growth was monitored using MRI over a period of 7 days. The approach allowed for a visualization of all fractions (biofilm, water, air, and porous material) after drainage as well as flushing events. Biofilm was found to preferentially grow within permanently wetted areas situated next to pore throats. Furthermore, an increase in the water retention and connectivity of the liquid phase was found. The largest liquid cluster covered 11% (day 6) and 91% (day 12) of the total retained water, suggesting that biofilm growth might improve diffusive transport processes within partially saturated porous medi

Factores relacionados con el acceso a los servicios de salud de la población de la comunidad de Armenta, departamento de Cortés, Honduras, Noviembre 2014.

Estudio descriptivo de corte transversal. Se recomienda organizar la comunidad a través del Departamento de Vinculación Universidad Sociedad de la UNAH VS, con el fin de que la población esté representada y donde se promueva una mayor participación social para generar mayores servicios de salud, agua potable, alcantarillado. Además de gestionar ante el Ministerio de Salud la ampliación del horario de atención médica de la unidad de salud de lunes a sábado, en un horario de 8 horas laborales. Además hacer énfasis en la medicina preventiva mediante charlas educativas de educación sexual y campañas de fumigación por medio de la Municipalidad de San Pedro Sula y el Patronato de Armenta dirigido a toda la comunidad, para la prevención de las enfermedades más comunes de la aldea y creando conciencia en la personas para mejorar su cultura sanitaria

Selective Blocking of TNF Receptor 1 Attenuates Peritoneal Dialysis Fluid Induced Inflammation of the Peritoneum in Mice

Chronic inflammatory conditions during peritoneal dialysis (PD)-treatment lead to the impairment of peritoneal tissue integrity. The resulting structural and functional reorganization of the peritoneal membrane diminishes ultrafiltration rate and thereby enhances mortality by limiting dialysis effectiveness over time. Tumour necrosis factor (TNF) and its receptors TNFR1 and TNFR2 are key players during inflammatory processes. To date, the role of TNFR1 in peritoneal tissue damage during PD-treatment is completely undefined. In this study, we used an acute PD-mouse model to investigate the role of TNFR1 on structural and morphological changes of the peritoneal membrane. TNFR1-mediated TNF signalling in transgenic mice expressing human TNFR1 was specifically blocked by applying a monoclonal antibody (H398) highly selective for human TNFR1 prior to PD-treatment. Cancer antigen-125 (CA125) plasma concentrations were measured by enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). Western blot analyses were applied to determine TNFR2 protein concentrations. Histological staining of peritoneal tissue sections was performed to assess granulocytes within the peritoneal membrane as well as the content of hyaluronic acid and collagen. We show for the first time that the number of granulocytes within the peritoneal membrane is significantly reduced in mice pre-treated with H398. Moreover, we demonstrate that blocking of TNFR1 not only influences CA125 values but also hyaluronic acid and collagen contents of the peritoneal tissue in these mice. These results strongly suggest that TNFR1 inhibition attenuates peritoneal damage caused by peritoneal dialysis fluid (PDF) and therefore may represent a new therapeutic approach in the treatment of PD-related side effects

The DBCLS BioHackathon: standardization and interoperability for bioinformatics web services and workflows. The DBCLS BioHackathon Consortium*

Web services have become a key technology for bioinformatics, since life science databases are globally decentralized and the exponential increase in the amount of available data demands for efficient systems without the need to transfer entire databases for every step of an analysis. However, various incompatibilities among database resources and analysis services make it difficult to connect and integrate these into interoperable workflows. To resolve this situation, we invited domain specialists from web service providers, client software developers, Open Bio* projects, the BioMoby project and researchers of emerging areas where a standard exchange data format is not well established, for an intensive collaboration entitled the BioHackathon 2008. The meeting was hosted by the Database Center for Life Science (DBCLS) and Computational Biology Research Center (CBRC) and was held in Tokyo from February 11th to 15th, 2008. In this report we highlight the work accomplished and the common issues arisen from this event, including the standardization of data exchange formats and services in the emerging fields of glycoinformatics, biological interaction networks, text mining, and phyloinformatics. In addition, common shared object development based on BioSQL, as well as technical challenges in large data management, asynchronous services, and security are discussed. Consequently, we improved interoperability of web services in several fields, however, further cooperation among major database centers and continued collaborative efforts between service providers and software developers are still necessary for an effective advance in bioinformatics web service technologies

Investigation of Biofilm Growth within a Monodisperse Porous Medium under Fluctuating Water Level Assessed by Means of MRI

Microorganisms settle in diverse partially saturated porous media in the form of biofilms. The alteration of hydraulic properties and diffusive transport processes occurs simultaneously with biofilm growth in porous media. Imaging methods offer the ability to directly visualize and quantify alterations on the pore scale. However, imaging methods have mainly observed biofilm growth in completely saturated porous media. The current study used magnetic resonance imaging (MRI) to dynamically visualize biofilm growth within a porous medium under alternating drainage and flushing events. Prior to the MRI experiments, the sample was cultivated for 6 days within a porous medium consisting of 2 mm glass spheres. Starting from day 6, growth was monitored using MRI over a period of 7 days. The approach allowed for a visualization of all fractions (biofilm, water, air, and porous material) after drainage as well as flushing events. Biofilm was found to preferentially grow within permanently wetted areas situated next to pore throats. Furthermore, an increase in the water retention and connectivity of the liquid phase was found. The largest liquid cluster covered 11% (day 6) and 91% (day 12) of the total retained water, suggesting that biofilm growth might improve diffusive transport processes within partially saturated porous media

Particulate substrate retention in plug-flow and fully-mixed conditions during operation of aerobic granular sludge systems

Particulate substrate (XB) is the major organic substrate fraction in most municipal wastewaters. However, the impact of XB on aerobic granular sludge (AGS) systems is not fully understood. This study evaluated the physical retention of XB in AGS sequencing batch reactor (SBR) during anaerobic plug-flow and then aerobic fully-mixed conditions. The influence of different sludge types and operational variables on the extent and mechanisms of XB retention in AGS SBR were evaluated. XB mass-balancing and magnetic resonance imaging (MRI) were applied. During the anaerobic plug-flow feeding, most XB was retained in the first few cm of the settled sludge bed within the interstitial voids, where XB settled and accumulated ultimately resulting in the formation of a filter-cake. Sedimentation and surface filtration were thus the dominant XB retention mechanisms during plug-flow conditions, indicating that contact and attachment of XB to the biomass was limited. XB retention was variable and influenced by the XB influent concentration, sludge bed composition and upflow feeding velocity (vww). XB retention increased with larger XB influent concentrations and lower vww, which demonstrated the importance of sedimentation on XB retention during plug-flow conditions. Hence, large fractions of influent XB likely re-suspended during aerobic fully-mixed conditions, where XB then preferentially and rapidly attached to the flocs. During fully-mixed conditions, increasing floc fractions, longer mixing times and larger XB concentrations increased XB retention. Elevated XB retention was observed after short mixing times < 60 min when flocs were present, and the contribution of flocs towards XB retention was even more pronounced for short mixing times < 5 min. Overall, our results suggest that flocs occupy an environmental niche that results from the availability of XB during aerobic fully-mixed conditions of AGS SBR. Therefore, a complete wash-out of flocs is not desirable in AGS systems treating municipal wastewater