Subsurface as a bioreactor : interaction between physical heterogeneity and microbial processes

Abstract

Infiltration systems are water treatment technologies where water vertically percolates through porous media while several biogeochemical processes occur. Biofilms are the main responsible for those biogeochemical processes due to their ability to colonize sediments as well as due to their role in transformation of organic matter and nutrients in aquatic ecosystems and subsurface environments. However, an excessive biofilm growth in sand filtration systems can significantly reduce their infiltration capacity (bio-clogging), thus constraining the processes that occur therein. Sediment grain size distribution influences the performance of these systems since it determines hydrological characteristics in subsurface sediments influencing biofilm growth as well as the process rates of biogeochemical processes in depth. Furthermore, sediment grain size can also influence the occurrence and depth-extension of bio-clogging. The main objective of this doctoral thesis is to study the influence of grain size distributions on biogeochemical processes and on bio-clogging in depth in sand infiltration systems used as potential tertiary treatments for the removal of organic matter and nutrients in water. To achieve this objective, two infiltration experiments have been carried out: (a) a laboratory-scale columns experiment using 5 sediment grain size distributions used as potential infiltration systems (Chapter I) and (b) an outdoor infiltration experiment in sediment tanks using two sediment grain size distributions (Chapter II and Chapter III).
 The results of this thesis show how sediment grain size distribution influences biofilm establishment and growth, biogeochemical rates as well as occurrence of bio-clogging in surface sediments and in depth. Accordingly, coarse sediments (coarse system) allow higher biomass in depth but they do not have the ability to remove dissolved phosphorous; however, due to high input loads they showed higher process rates. Grain size distribution of coarse sediment in the upper layer and fine sediment in the bottom layer (coarse-fine system) promotes the accumulation of biomass at the interface of the two sediment layers which results in a hot-spot of microbial activity. In addition, it promotes nutrient accumulation in sediments (dissolved phosphorous removal) possibly due to the fact that its flow velocities are smaller than those of a coarse system and therefore the contact time between the water and sediment increases by promoting the assimilation and adsorption of nutrients in the porous medium. Biomass establishment in fine sediments (fine system) results in greater bio-clogging due to lower initial porosity compared to systems with coarse sediment on the surface. This lower porosity results in less space available to colonize, and due to this, biofilm in the top layer of the monolayer fine system could reach the maturity state earlier than the bilayer coarse-fine system. That, together with the lower flows in the fine system, favours the detachment of biofilm in the top layer and its transport in depth. EPS accumulation in depth (due to live bacteria release or due to transport from upper sediment layers) is the main factor causing K variations in depth (potential to cause deep-clogging). Results also showed that mixed sediments of fine and coarse sands (mixture system) and the fine-coarse system achieve similar performance than fine system reaching similar biomasses between them and lower process rates than the other grain size distributions studied Els sistemes d’infiltració són sistemes de tractament d’aigua on aquesta percola verticalment a través d’un medi porós mentre que una sèrie de processos biogeoquímics tenen lloc. Els biofilms són els principals responsables dels processos biogeoquímics que es donen en el medi porós degut a la seva habilitat per colonitzar sediments així com pel seu rol en la transformació de matèria orgànica i nutrients en sistemes aquàtics i ambients subsuperficials. Al mateix temps un creixement excessiu dels biofilms (bioclogging) en sistemes d’infiltració de sorres poden reduir significativament la capacitat d’infiltració d’aquestes sistemes limitant per tant els processos que s’hi donen. Un dels paràmetres influents en el funcionament d’aquests sistemes és la distribució granulomètrica del sediment ja que aquest determina els paràmetres hidrològics en sediments subsuperficials influenciant el creixement del biofilm així com les taxes dels processos d’eliminació de nutrients i matèria orgànica en fondària. Al mateix temps, la mida del sediment també pot influir en l’ocurrència i extensió del bioclogging. El principal objectiu d’aquesta tesis doctoral és estudiar la influència que tenen diferents distribucions granulomètriques sobre els processos biogeoquímics i sobre el bioclogging en fondària en sistemes d’infiltració de sorres utilitzats com a potencials tractaments terciaris per l’eliminació de matèria orgànica i nutrients en l’aigua. Per assolir aquest objectiu s’han dut a terme dos experiments d’infiltració: (a) un experiment de laboratori amb columnes reblertes de sediment creant 5 distribucions granulomètriques diferents i utilitzades com a sistemes d’infiltració (Capítol I) i (b) un experiment a l’aire lliure amb dipòsits omplerts de sediment creant 2 distribucions granulomètriques diferents (Capítol II i Capítol III).
 Els resultats d’aquesta tesi mostren com la distribució granulomètrica influencia l’establiment i creixement dels biofilms, les taxes dels processos biogeoquímics així com també el bioclogging en superfície i en fondària. D’acord amb això, sediments grollers (coarse system) permeten majors biomasses en fondària però no mostren eliminació de fòsfor, tot i que degut a majors càrregues d’entrada les taxes dels processos que s’hi donen són majors. La configuració granulomètrica de sediment groller a la capa superior i sediment fi a la capa inferior (coarse-fine system) promou l’acumulació de biomassa a la interfase dels dos sediments fet que resulta amb un hot-spot d’activitat microbiana. A més, promou l’acumulació de nutrients tot i estar formada per sediment groller, possiblement degut al fet que les velocitats del flux en aquest sistema són menors que les d’un sistema groller i per tant el temps de contacte entre l’aigua i el sediment augmenta promovent aquesta assimilació i adsorció de nutrients. L’establiment de biomassa en sediments fins (fine system) resulta en major bioclogging degut a menor porositat inicial en comparació amb sistemes amb sorra grollera a la superfície. Aquesta menor porositat resulta en menor espai disponible per colonitzar, i degut això el biofilm de la capa superior del sistema monocapa fi (fine system) podria assolir l’estat de maduresa abans que el sistema groller-fi (coarse-fine system), això juntament amb els menors fluxos en el sistema fi, afavoreix el despreniment del biofilm superficial i el transport d’aquest en fondària. L’acumulació d’EPS en fondària (degut a producció de bacteris vius o a transport des de capes superiors) és el principal causant de les variacions de la K en fondària (potencial de causar deep-clogging a la llarga). S’ha vist que sediments mixtes de sorres fines i grolleres (mixture system) i sistemes fi-groller (fine-coarse system) resulten en un funcionament similar a la del sediments fins assolint biomasses similars entre ells i taxes inferiors a la resta de configuracions granulomètriques estudiades Los sistemas de infiltración son sistemas de tratamiento de agua en los cuales ésta se infiltra verticalmente a través de un medio poroso mientras que una serie de procesos biogeoquímicos ocurren. Los biofilms son los principales responsables de estos procesos biogeoquímicos debido a su habilidad para colonizar sedimentos y debido a su papel fundamental en la transformación de materia orgánica y nutrientes en sistemas acuáticos i ambientes sub-superficiales. Al mismo tiempo, un crecimiento excesivo de estos biofilms (bioclogging) en sistemas de filtración con arenas puede reducir significativamente la capacidad de infiltración de estos sistemas limitando por tanto los procesos que tienen lugar. Uno de los parámetros influentes en el funcionamiento de estos sistemas de filtración es la distribución granulométrica del sedimento ya que éste determina los parámetros hidrológicos de sedimentos sub-superficiales influenciando de este modo el crecimiento del biofilm así como las tasas de los procesos de eliminación de nutrientes y materia orgánica en profundidad. Al mismo tiempo, la granulometría también puede influir en la ocurrencia y extensión del bioclogging. El principal objetivo de esta tesis doctoral es estudiar la influencia que tienen diferentes distribuciones granulométricas sobre los procesos biogeoquímicos y sobre el bioclogging en profundidad en sistemas de filtración a través de arenas los cuales se utilizan como potenciales tratamientos terciarios para la eliminación de materia orgánica y nutrientes en el agua. Para lograr este objetivo se han desarrollado dos experimentos de infiltración: (a) un experimento de laboratorio con columnas de sedimento creando 5 distribuciones granulométricas distintas y utilizadas como sistemas de filtración (Capítulo I) y (b) un experimento al aire libre con depósitos de sedimento creando 2 distribuciones granulométricas distintas (Capítulos II y III).
 Los resultados de esta tesis muestran como la distribución granulométrica influencia el establecimiento y el crecimiento de los biofilms, las tasas de los procesos biogeoquímicos así como también el bioclogging tanto en superficie como en profundidad. Teniendo esto en cuenta, los sedimentos más gruesos (coarse system) permiten mayores biomasas en profundidad pero no muestran eliminación de fósforo aunque debido a mayores cargas de entrada las tasas alcanzadas también son mayores. La distribución granulométrica de sedimento grueso en la capa superior y sedimento fino en la capa inferior (coarse-fine system) promueve la acumulación de biomasa a la interfície entre las dos medidas de sedimento hecho que resulta en la creación de un hot-spot de actividad microbiana en profundidad. Además, el sistema coarse-fine promueve la acumulación de nutrientes en el sedimento favoreciendo su eliminación a pesar de presentar sedimento grueso en la capa superior de filtración; esto podría estar relacionado con el hecho que las velocidades del flujo en este sistema son menores que las de un sistema formado únicamente por sedimento grueso y por tanto el tiempo de contacto entre el agua y el sedimento aumenta favoreciendo la asimilación y adsorción de nutrientes en comparación con el sistema coarse. La presencia de biomasa en sedimentos finos (fine system) resulta en mayor bioclogging debido a menor porosidad inicial en comparación con sistemas que presentan arena gruesa a la superficie. Esta menor porosidad resulta en menor espacio disponible para colonizar, lo que podría provocar que el biofilm que se forma en la capa superior del sistema de sedimento fino (fine system) lograse el estado de madurez antes que el sistema grueso-fino (coarse-fine system), esto conjuntamente con menores flujos en el sistema fino, favorecería el desprendimiento del biofilm superficial y por tanto el transporte de éste en profundidad. La acumulación de EPS en profundidad (debido a la producción de microorganismos vivos o al transporte de este EPS en profundidad) es la principal causa de las variaciones de la K en profundidad (lo cual está relacionado con el potencial de causar deep-clogging a largo plazo). Se ha visto que sedimentos mixtos de arenas finas y gruesas (mixture system) y sistemas con sedimentos finos a la capa superior y sedimentos gruesos a la capa inferior (fine-coarse system) resultan en un funcionamiento similar que los sistemas con sólo sedimento fino (fine system) alcanzando biomasas similares entre ellos y menores tasas que el resto de distribuciones granulométricas estudiadas.