The agricultural sector is one of the largest consumers of fresh water. With the ever-increasing problem of water scarcity, urbanization, over-population, and climate change, fresh water resources used by agriculture could be put to better use by redirecting it for drinking water purposes. In this context, many countries reuse treated urban waste water for irrigation, to overcome this problem. While this is a sustainable practice, the reuse of urban wastewater could facilitate the spread of pathogenic bacteria (or antibiotic resistant bacteria) in the subsoil region and consequently the groundwater. Since groundwater is one of the main sources of drinking water, the contaminants could pose a risk to human health. Furthermore, obtaining scientific data for emerging contaminants during water reuse is the need of the hour.
The objective of this work is to build a mechanistic model that can aid in the development of large-scale risk assessment models; thus facilitating the setup of water reuse regulations for the relevant pathogenic organisms. In the present study, process based models were developed and evaluated using lab scale results. Then, the relative time scales of the processes are compared, and the relative importance of the various process studies are assessed. When assessing time scales of the processes, it is kept in mind that processes with relatively fast time scales can be approximated using equilibrium models, relatively slow processes can be neglected, and only the rate limiting processes can neither be neglected or further simplified in further model development. Therefore, an idea of the rate limiting processes assessed in lab scale can serve as important tools facilitating model simplification when evaluating larger scale models.
A combined experimental and modelling approach has been used to study relevant transport and reactive processes during bacteria transport through sandy sediments. The mechanistic model contained transport processes which were implemented using the advective dispersive equation. An additional straining process was added using non-linear rate law. The biological processes of decay, respiration, attachment, and growth were expressed using linear rate laws. This mechanistic model was verified using data from fully water saturated, sediment packed lab-scale column experiments. Continuous injection of tracer, microspheres, and Enterococci (in water environments with and without dissolved oxygen and nutrients) was performed. The experiment was verified for three flow velocities (0.13, 0.08 and 0.02 cm/min), and the parameter values were compared for these flow velocities using dimensionless numbers. The linear rate coefficients were converted to a dimensionless form (Peclet and Damkoehler numbers respectively) to facilitate the comparison of processes across the various flow velocities.
The results indicate that the processes of attachment and growth are flow dependent. Furthermore, in the presence of dissolved oxygen, attachment of bacteria to sediment was the most influential process. Sensitivity analysis showed that the parameters representing growth and respiration were influential, and care must be taken when using the results for field-scale experiments or models.
These processes and parameters add new knowledge on the impact of urban wastewater reuse on the spread of pathogenic bacteria (especially resilient species like Enterococci), and emphasizes the importance of research in this area. Future work could focus on obtaining data from culture independent methods and extension of the model framework, and include (where necessary) non-linear rate laws. This will provide a critical pathway to developing a decision support framework for use by regulatory frameworks, policy makers, stakeholders, local and global environmental agencies, World Health Organization, or the United Nations.:List of Figures vii
List of Tables xi
List of Abbreviations xiii
List of Symbols xv
Summary xvii
Zussamenfassung xix
1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Broad Scope. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Hypotheses and Research objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Outline of the work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Concepts, terminologies, and methodology 7
2.1 Concepts and terminologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.2 The vadose zone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.3 Porosity and pore models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.4 Darcy’s law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Bacteria strain used and Processes Studied . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.1 Enterococcus faecalis JH2-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.2 Advection and Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.3 Straining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.4 Microbial Decay and Respiration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.5 Microbial Attachment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.6 Microbial Growth. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.7 Dimensionless numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3 Experimental design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4 Model setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3 Reactive-transport modelling of Enterococcus faecalis JH2-2 passage through water saturated sediment columns. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2 Materials and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.1 Experimental study. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.2 Modeling and data analysis procedure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3.1 Determination of hydraulic and non-reactive transport parameters (experiments
E1 and E2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3.2 Determination of parameters related to the bacteria transport (E3 series) . . . 45
3.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4.1 Physical processes (E1 and E2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4.2 Biological Processes (E3 series) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.5 Conclusions and Outlook. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.6 Supplementary material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4 Determining the impact of flow velocities on reactive processes associated with
Enterococcus faecalis JH2-2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.2 Materials and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.2.1 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.2.2 Model Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.3 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.3.1 Tracer and microsphere experiments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.3.2 Bacteria experiments - comparison of processes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.4 Conclusions and Future work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.5 Supplementary material 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.6 Supplementary Material 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5 Synthesis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.1 Discussion and conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.2 Critical review, pathways towards future work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Note on the commencement of the doctoral procedure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Übereinstimmungserklärung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
List of Publications and conference presentations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Acknowledgements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 / Der Agrarsektor ist einer der größten Verbraucher von Süßwasser. Angesichts der zunehmenden Wasserknappheit, der Verstädterung, der Überbevölkerung und des Klimawandels könnten die von der Landwirtschaft genutzten Süßwasserressourcen besser genutzt werden, indem sie für Trinkwasserzwecke umgewidmet werden. In diesem Zusammenhang verwenden viele Länder aufbereitetes kommunales Abwasser für die Bewässerung, um dieses Problem zu lösen. Dies ist zwar eine nachhaltige Praxis, aber die Wiederverwendung von kommunalem Abwasser könnte die Ausbreitung pathogener Bakterien (oder antibiotikaresistenter Bakterien) im Untergrund und damit im Grundwasser fördern. Da das Grundwasser eine der Hauptquellen für Trinkwasser ist, könnten diese Schadstoffe eine Gefahr für die menschliche Gesundheit darstellen. Darüber hinaus ist es ein Gebot der Stunde, wissenschaftliche Daten über neu auftretende Verunreinigungen bei der Wasserwiederverwendung zu gewinnen.
Ziel dieser Arbeit ist es, ein mechanistisches Modell zu erstellen, das bei der Entwicklung groß angelegter Risikobewertungsmodelle behilflich sein kann und somit die Aufstellung von Vorschriften für die Wiederverwendung von Wasser für die relevanten pathogenen Organismen erleichtert. In der vorliegenden Studie wurden prozessbasierte Modelle entwickelt und anhand von Ergebnissen im Labormaßstab bewertet. Anschließend werden die relativen Zeitskalen der Prozesse verglichen und die relative Bedeutung der verschiedenen Prozessstudien bewertet. Bei der Bewertung der Zeitskalen der Prozesse wird berücksichtigt, dass Prozesse mit relativ schnellen Zeitskalen durch Gleichgewichtsmodelle angenähert werden können, relativ langsame Prozesse können vernachlässigt werden, und nur die ratenbegrenzenden Prozesse dürfen in der weiteren Modellentwicklung weder vernachlässigt noch vereinfacht werden. Daher kann eine Vorstellung von den ratenbegrenzenden Prozessen, die im Labormaßstab bewertet werden, als wichtiges Instrument zur Vereinfachung des Modells bei der Bewertung von Modellen in größerem Maßstab dienen.
Ein kombinierter experimenteller und modellierender Ansatz wurde verwendet, um relevante Transport- und reaktive Prozesse während des Bakterientransports durch sandige Sedimente zu untersuchen. Das mechanistische Modell enthielt Transportprozesse, die mit Hilfe der Advektions-Dispersions-Gleichung implementiert wurden. Ein zusätzlicher Filtrationsprozess ('straining') wurde mit Hilfe nichtlinearer Ratengesetze hinzugefügt. Die biologischen Prozesse des Zerfalls, der Atmung, der Anhaftung und des Wachstums wurden durch lineare Ratengesetze ausgedrückt. Dieses mechanistische Modell wurde anhand von Daten aus vollständig wassergesättigten, sedimentgefüllten Säulenexperimenten im Labormaßstab verifiziert. Kontinuierliche Injektion von Tracer, Mikrosphären und Enterokokken (in Wasserumgebungen mit und ohne gelösten Sauerstoff und Nährstoffe) wurde durchgeführt. Das Experiment wurde für drei Strömungsgeschwindigkeiten (0,13, 0,08 und 0,02 cm/min) verifiziert, und die Parameterwerte wurden für diese Strömungsgeschwindigkeiten anhand dimensionsloser Zahlen verglichen. Die linearen Ratengesetze wurden in eine dimensionslose Form umgewandelt (Peclet- bzw. Damköhler-Zahlen), um den Vergleich der Prozesse bei den verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten zu erleichtern. Die Konzentrationen wurden in regelmäßigen Abständen sowohl am Einlass als auch am Auslass der Kolonnen gemessen. Die überprüften Prozesse waren Advektion, Dispersion, Filtration, Zerfall, Atmung, Wachstum und Anhaftung. Der Versuch wurde für drei Strömungsgeschwindigkeiten (0,13, 0,08 und 0,02 cm/min) wiederholt, und die verifizierten Parameterwerte wurden für diese Strömungsgeschwindigkeiten verglichen.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Prozesse der Anhaftung und des Wachstums strömungsabhängig sind. Darüber hinaus war bei Vorhandensein von gelöstem Sauerstoff die Anhaftung der Bakterien an das Sediment der einflussreichste Prozess. Die Sensitivitätsanalyse zeigte, dass die Parameter, die das Wachstum und die Atmung repräsentieren, einflussreich sind, so dass bei der Verwendung der Ergebnisse für Experimente oder Modelle im Feldmaßstab Vorsicht geboten ist.
Diese Prozesse und Parameter liefern neue Erkenntnisse über die Auswirkungen der Wiederverwendung von kommunalem Abwasser auf die Ausbreitung pathogener Bakterien (insbesondere widerstandsfähiger Arten wie Enterokokken) und unterstreichen die Bedeutung der Forschung in diesem Bereich. Zukünftige Arbeiten könnten sich auf die Gewinnung von Daten aus kulturunabhängigen Methoden und die Erweiterung des Modellrahmens konzentrieren und (wo nötig) nichtlineare Parameter einbeziehen. Dies wird einen entscheidenden Weg zur Entwicklung eines Rahmens für die Entscheidungsfindung darstellen, der von Regulierungsbehörden, politischen Entscheidungsträgern, Interessengruppen sowie lokalen und globalen Umweltbehörden, der Weltgesundheitsorganisation oder den Vereinten Nationen genutzt werden kann.:List of Figures vii
List of Tables xi
List of Abbreviations xiii
List of Symbols xv
Summary xvii
Zussamenfassung xix
1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Broad Scope. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Hypotheses and Research objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Outline of the work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Concepts, terminologies, and methodology 7
2.1 Concepts and terminologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.2 The vadose zone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.3 Porosity and pore models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.4 Darcy’s law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Bacteria strain used and Processes Studied . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.1 Enterococcus faecalis JH2-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.2 Advection and Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.3 Straining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.4 Microbial Decay and Respiration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.5 Microbial Attachment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.6 Microbial Growth. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.7 Dimensionless numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3 Experimental design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4 Model setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3 Reactive-transport modelling of Enterococcus faecalis JH2-2 passage through water saturated sediment columns. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2 Materials and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.1 Experimental study. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.2 Modeling and data analysis procedure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3.1 Determination of hydraulic and non-reactive transport parameters (experiments
E1 and E2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3.2 Determination of parameters related to the bacteria transport (E3 series) . . . 45
3.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4.1 Physical processes (E1 and E2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4.2 Biological Processes (E3 series) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.5 Conclusions and Outlook. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.6 Supplementary material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4 Determining the impact of flow velocities on reactive processes associated with
Enterococcus faecalis JH2-2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.2 Materials and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.2.1 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.2.2 Model Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.3 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.3.1 Tracer and microsphere experiments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.3.2 Bacteria experiments - comparison of processes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.4 Conclusions and Future work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.5 Supplementary material 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.6 Supplementary Material 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5 Synthesis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.1 Discussion and conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.2 Critical review, pathways towards future work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Note on the commencement of the doctoral procedure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Übereinstimmungserklärung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
List of Publications and conference presentations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Acknowledgements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:81393 |
| Date | 13 October 2022 |
| Creators | Chandrasekar, Aparna |
| Contributors | Liedl, Rudolf, Scheytt, Traugott, Medema, Gertjan, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 10.2166/wst.2021.611, 10.1016/j.jhazmat.2021.125292 |
Page generated in 0.0041 seconds