Enhanced transport of microbes in subsurface is a focus in bioaugmentation applications for remediation of groundwater. In this study, the effect of low-concentration monorhamnolipid biosurfactant on transport of Pseudomonas aeruginosa ATCC 9027 in natural porous media (silica sand and a sandy soil) with or without hexadecane as the nonaqueous phase liquids (NAPLs) was studied with miscible-displacement experiments using artificial groundwater as the background solution. Transport of two types of cells was investigated, glucose-grown and hexadecane-grown cells with lower and higher cell surface hydrophobicity (CSH), respectively. A clean-bed colloid deposition model was used to calculate deposition rate coefficients (k) for quantitative assessment on the effect of the rhamnolipid on the transport. In the absence of NAPLs, significant cell retention was observed in the sand (81% and 82% for glucose-grown and hexadecane-grown cells, respectively). Addition of low-concentration rhamnolipid enhanced cell transport, with 40 mg/L of rhamnolipid reducing retention to 50% and 60% for glucose-grown and hexadecane-grown cells, respectively. The k values for both glucose-grown and hexadecane-grown cells correlated linearly with rhamnolipid-dependent CSH quantitatively measured using a bacterial-adhesion-to-hydrocarbon method. Retention of cells by the soil was nearly complete (>99%). Forty milligrams per liter of rhamnolipid reduced the retention to 95%. The presence of NAPLs in the sand enhanced the retention of hexadecane-grown cells with higher CSH. Transport of cells in the presence of NAPLs was enhanced by rhamnolipid at all concentrations tested, and the relative enhancement was greater than in the absence of NAPLs. This study shows the importance of hydrophobic interaction on bacterial transport in natural porous media and the potential of using low-concentration rhamnolipid for facilitating cell transport in subsurface for bioaugmentation efforts.

This dissertation is composed of three parts of major contributions. In Chapter II, we discuss analytical study of contaminant transport from a finite source in a finite-thickness aquifer. This chapter provides analytical solutions of contaminant transport from one-, two-, and three-dimensional finite sources in a finite-thickness aquifer using Green's function method. A library of unpublished analytical solutions with different finite source geometry is provided. A graphically integrated software CTINT is developed to calculate the temporal integrations in the analytical solutions and obtain the final solutions of concentration. In Chapter III, we obtained solutions of groundwater flow to a finite-diameter horizontal well including wellbore storage and skin effect in a three-dimensionally anisotropic leaky aquifer. These solutions improve previous line source solutions by considering realistic well geometry and offer better description of drawdown near the horizontal well. These solutions are derived on the basis of the separation of the source and the geometric functions. The graphically integrated computer program FINHOW is written to generate type curves of groundwater flow to a finite-diameter horizontal well. The influence of the finite-diameter of the well, the wellbore storage, the skin effect, the leakage parameter, and the aquifer anisotropy is thoroughly analyzed. In Chapter IV, a general theory of groundwater flow to a fractured or non-fractured aquifer considering wellbore storage and skin effect is provided. Solutions for both leaky confined and water table aquifers are provided. The fracture model used in this study is the standard double-porosity model. The storage of the aquitard (the leaky confining layer) is included in the formula. A program denoted FINHOW2 is written to facilitate the calculation. Sensitivity of the solution to the confined versus unconfined conditions, fractured versus non-fractured conditions, and wellbore storage and skin effects is analyzed.

Στόχος της μεταπτυχιακής διατριβής αποτέλεσε η πειραματική μελέτη φαινομένων μεταφοράς μάζας από υγρά μη υδατικής φάσης (NAPLs) σε δισδιάστατα πορώδη δοκίμια. Τα υγρά μη υδατικής φάσης αποτελούνται από υδρογονάνθρακες οι οποίοι διαλύονται μερικώς στο νερό. Αποτελούν τη συχνότερα εμφανιζόμενη πηγή μόλυνσης των υπόγειων υδροφορέων και είναι ιδιαίτερα επιβλαβή για τον άνθρωπο. Ο κύριος διαχωρισμός των NAPLs σε κατηγορίες γίνεται με βάση την πυκνότητά τους σε σύγκριση με αυτή του νερού. Έτσι, υπάρχουν τα Light NAPLs (LNAPLs), τα οποία είναι ελαφρύτερα από το νερό με αποτέλεσμα να επιπλέουν στην επιφάνειά του και τα Dense NAPLs (DNAPLs), τα οποία είναι βαρύτερα από το νερό και διαπερνούν τη μάζα του μέχρι να συναντήσουν κάποιο αδιαπέραστο στρώμα. Η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε αποτελούνταν από γυάλινα δισδιάστατα πορώδη δοκίμια που είχαν κατασκευαστεί με τη λιθογραφική μέθοδο. Με τη βοήθεια αντλίας τα δοκίμια τροφοδοτούνταν με σταθερή παροχή και σε κατάλληλη χρονική στιγμή γινόταν η εισαγωγή του ρύπου στο δοκίμιο. Στη συνέχεια με τη βοήθεια φωτογραφικής μηχανής λαμβάνονταν στιγμιότυπα σε καθορισμένες χρονικές στιγμές και με γραφικές μεθόδους υπολογιζόταν η μεταφορά μάζας. Στο πρώτο κεφάλαιο, περιέχονται εισαγωγικά στοιχεία για τη δομή και τη φύση των υγρών μη υδατικής φάσης καθώς και οι επιπτώσεις τους στο περιβάλλον. Επίσης, γίνεται μια σύντομη αναφορά στο φαινόμενο της διαχύσεως και στο πρώτο πείραμα που παρατηρήθηκε η διάχυση από τον Dalton και περιγράφεται με συντομία το πείραμα που διεξήχθη. Στο δεύτερο κεφάλαιο, γίνεται εκτενής περιγραφή όλων των στοιχείων των υγρών μη υδατικής φάσης και αναλύεται η κίνηση των υγρών αυτών σε όλα τα είδη εδάφους. Επίσης, εξηγείται η διαφορετική συμπεριφορά που αυτά εμφανίζουν στα διάφορα μέσα με βάση τις φυσικές τους ιδιότητες και επίσης παρουσιάζονται οι πρώτες μαθηματικές σχέσεις που δικαιολογούν την κίνησή τους αυτή. Στο τέλος του κεφαλαίο αναφέρονται και χημικές διεργασίες που συμβαίνουν στο υπέδαφος και επηρεάζουν την κίνηση των NAPLs. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται το φαινόμενο μεταφοράς μάζας στο νερό αλλά και σε πορώδη μέσα. Αναφέρονται και περιγράφονται οι σημαντικότεροι και απαραίτητοι τύποι που περιγράφουν τη μεταφορά μάζας και αναλύονται όλοι οι όροι που παίρνουν μέρος στη σύνταξη των τύπων αυτών. Τέλος, αναφέρονται κάποια πειράματα στα οποία χρησιμοποιήθηκαν οι τύποι που περιέχονται στη θεωρία. Στο τέταρτο κεφάλαιο, περιγράφεται η προετοιμασία της πειραματικής διαδικασίας και αναφέρεται ο τεχνικός εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε για τη διεξαγωγή της. Περιγράφονται όλα τα στάδια του πειράματος με λεπτομέρειες στις διάφορες μεθόδους που χρησιμοποιήθηκαν για τη κατασκευή και τον υπολογισμό των ιδιότητων των δοκιμίων. Επίσης, γίνεται περιγραφή της λειτουργίας του προγράμματος Comsol που χρησιμοποιήθηκε κατά το σχεδιασμό των δοκιμίων. Στο πέμπτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της πειραματικής διαδικασίας σε μορφή πινάκων και διαγραμμάτων. Τα αποτελέσματα αναλύονται και περιγράφονται με λεπτομέρεια προβλήματα που προέκυψαν κατά τη διεξαγωγή των πειραμάτων. Τέλος εξάγονται συμπεράσματα και γίνονται υποδείξεις για την περαιτέρω διερεύνηση του φαινομένου. / The aim of this Master thesis was the experimental study of mass transfer phenomena of non-aqueous phase liquids (NAPLs) in two-dimensional porous specimens. The liquid non-aqueous phase consisting of hydrocarbons which partially dissolve in the water. Are the most frequently occurring source of contamination of aquifers and is particularly harmful to humans. The main distinction of NAPLs into categories is based on the density compared to that of water. Thus, there are the Light NAPLs (LNAPLs), which is lighter than water so that float on the surface and Dense NAPLs (DNAPLs), which are heavier than water and penetrate the mass of up to meet a impermeable layer . The experimental setup used consisted of two-dimensional porous glass specimens were manufactured with lithographic method. With the pump cores fed with a constant flow and at an appropriate time was the introduction of the pollutant in the essay. Then with the help of camera footage taken at fixed times and graphical methods estimated the mass transfer. In the first chapter, contained introduction to the structure and nature of the non-aqueous phase liquids and their impact on the environment. Also, there is a brief reference to the effect of diffusion in the first experiment observed the diffusion of the Dalton and briefly describes the experiment conducted. The second chapter is a detailed description of all elements of non-aqueous phase liquids and analyzed the movement of fluids across all kinds of terrain. It also explains the different behavior they show in various media based on physical properties and also presents the first mathematical relationships that justify this movement. At the end of the chapter lists and chemical processes occurring in the soil and affect the movement of NAPLs. The third chapter describes the phenomenon of mass transfer in water and in porous media. Listed and described the most important and necessary formulas describing mass transfer and analyze all terms that take part in the preparation of these types. Finally, some experiments indicated that used types contained in the theory. The fourth chapter describes the preparation of the experimental procedure and specifying the equipment used to conduct it. Describes all stages of the experiment in detail the various methods used to construct and calculate the properties of the samples. Also, there is a description of the operation of the program Comsol used in the design of essays. The fifth chapter presents the results of the experimental procedure in the form of tables and diagrams. The results are analyzed and described in detail problems encountered in conducting the experiments. Finally conclusions are drawn and suggestions are made for further investigation of the phenomenon.