Extrazelluläre polymere Substanzen (EPS) in vertikal durchströmten Pflanzenkläranlagen
Maciel, Naylson Moreira
Im Mittelpunkt dieser Arbeit stand die Frage, welchen Einfluss die durch Mikroorganismen gebildete EPS auf den Betrieb von und vor allem auf die Kolmationserscheinung einer VPKA hat. Dazu wurden Methoden entwickelt, die die EPS-Beobachtung bzw. -Quantifizierung ermöglicht haben. Es wurden drei Färbemethoden zur EPS- Visualisierung überprüft: Färbung mit Alcian-Blau, Ruthenium-Rot bzw. Tusche. Für die Extraktion von EPS aus dem Biofilm wurden vier Extraktionsmittel getestet: Natriumhydroxid (NaOH), Ethylenglykoltetraessigsäure (EGTA), Formaldehyd-NaOH und Ionenaustauscher. Die besten Ergebnisse wurden mit den Methoden Tusche (EPS-Visualisierung) und Ionenaustauscher (EPS-Extraktion) ermittelt. Der Gehalt an Proteinen, Huminstoff, Kohlenhydraten und DNS wurde in den Probeextrakten gemessen, um einen Vergleich der EPS-Menge zu ermöglichen. Durch die Untersuchung ist nachgewiesen, dass die Kolmation vertikal durchströmter Pflanzenkläranlagen durch das übermäßige Wachstum von Biomasse und vor allem durch EPS-Produktion hervorgerufen wird, und dass durch Unterbrechung der Beschickung und anschließender Austrocknung der Beetoberf auml;che der Biofilm weitgehend zerstört wird und damit die Durchlässigkeit bei erneuter Beschickung erhöht wird. Wird nach dem Verminderung der EPS die Anlage wieder beschickt, setzt erneut eine Biofilmbildung ein. Die Regenerierung der Anlagen durch eine Unterbrechung der Beschickung und Einhaltung einer Ruhephase hat sich auch im praktischen Betrieb bewährt. In der Regel sollen diese Ruhephasen mehrere Wochen dauern, wobei die Dauer auch von klimatischen Verhältnissen, wie Niederschlag und Temperatur, abhängig ist. Insofern kann es keine feste Regel geben. Entscheidend ist, dass der Biofilm durch Austrocknung zerstört wird. Bei den mit Regenwasser beschickten Bodensäulen war ebenfalls die EPS-Produktion die Hauptursache der Kolmation. Allerdings dauerte es wegen der deutlich geringeren organischen Belastung erheblich länger, bis eine Kolmation eintrat und die Säulen überstaut waren. Auch in diesem Fall konnte durch die angewandte Färbe- und Quantifizierungsmethode eine vergleichbare Entwicklung des Biofilms mit EPS nachgewiesen werden.
The main goal of this work was to study the influence of microbial extracellular polymeric substances (EPS) on the operation parameters of planted wetlands with a vertical hydraulic flow, with special focus on the soil clogging issue. Moreover, EPS staining and quantification methods were tested. For the EPS staining three dyes were tested: Ruthenium Red, Alcian Blue and black ink. For the EPS extraction from biofilm, four products were tested: sodium hydroxide (NaOH), ethyleneglycol tetraacetic acid (EGTA), formaldehyde followed by sodium hydroxide, and cation exchange resin (CER). The best results were obtained with the methods drawing ink (for staining) and CER (for extraction). The protein-, humic substances-, carbohydrate- and DNA contents in the extracted EPS samples were analysed for comparison. The results on EPS development showed that soil clogging in wetland is produced by microbial growth, mainly through production of EPS and if effluent flow is interrupted, the surface of the wetland bed dries up and EPS concentration decreases significantly while hydraulic permeability increases. Resumed irrigation leads again to the formation of a biofilm, which in turn leads to soil clogging. The interruption of the wetland operation showed good results on the infiltrative capacity regeneration. Such interruption should last for several weeks. The actual duration depends on weather conditions, like rainfall and temperature. It is of utmost importance to make sure that the biofilm dries out and degrades. EPS production was also the main cause for soil clogging in sand columns sprinkled with rain water, but in this case the clogging was delayed due to the considerably lower organic load. The development of the EPS-rich biofilm (resulting in soil clogging) followed a similar pattern in wetland beds and sand columns. In both procedures, the analytical methods employed were the same.
