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
