Inactivation and transport of biocolloids in porous media

Accidental or intentional groundwater contamination with infective human fecal viruses, is close related with a range of waterborne gastrointestinal and other serious diseases. Towards the development of effective purification techniques and sustainable water management strategies, knowledge of physicochemical factors, conditions and processes controlling the fate and transport of pathogens in soil is required. The aim of present doctoral thesis is to provide an overview of the transport and co-transport behavior of two biocolloids, virus substitutes, the bacteriophages MS2 and ΦΧ174, in water saturated porous media of variant granulometry, under different solution chemistry and flow conditions, and to assess/predict their interactions with suspended clay colloids (kaolinite and montmorillonite), naturally occurring in subsurface systems, at environmentally compatible conditions. Firstly, batch experiments were conducted at two different temperatures (4 and 25 °C), under static and dynamic conditions, to investigate the effect of temperature, agitation, virus concentration and clay type, on the adsorption of MS2 and ΦΧ174 onto kaolinite and montmorillonite. Then, appropriate adsorption kinetic curves and isotherms were created. Subsequently, bench scale flow-through experiments of three biocolloids (E. coli, MS2 and ΦΧ174) in water saturated columns packed with quartz sand of three different grain sizes, as well as transport and co-transport experiments of biocolloids (MS2 and ΦΧ174) and clay colloids in water saturated columns packed with glass beads, were conducted at three interstitial velocities, in order to investigate the combined effects of grain size and pore water velocity on individual transport behavior of biocolloids and to assess the synergistic effects of clay colloids and pore water velocity on biocolloid transport and retention in porous media, respectively. Mathematical modeling of the experimental transport data was performed using analytical, one-dimensional, colloid and biocolloid transport models and appropriate breakthrough curves (BTC) were constructed based on total biocolloid/colloid concentration in the effluent. Mass recovery and temporal moment’s calculations were also performed. Attachment of biocolloids onto collectors was further examined and single collector removal and collision efficiencies were quantified using the classical colloid filtration theory (CFT). Surface properties (i.e., hydrodynamic diameter and z-potential) of all biocolloids, clays and packing materials examined, were quantified and potential interaction energy profiles between interactive materials were constructed by applying both DLVO and extended DLVO (XDLVO) theories. Also, DLVO theory and hydrodynamics were applied to theoretically investigate the favorable physicochemical conditions leading to detachment of both biocolloids and clays from all the examined collectors. Finally, the role of gravitational force on biocolloid/colloid transport, cotransport and deposition in water-saturated columns placed at various orientations (horizontal, vertical, and diagonal) was investigated at steady upward and downward flows.Η τυχαία ή σκόπιμη μόλυνση των υπόγειων υδάτων με ανθρώπινους ιούς κοπρανώδους προέλευσης είναι στενά συνδεδεμένη με μια σειρά υδατογενών γαστρεντερικών και άλλων σοβαρών ασθενειών. Προκειμένου να αναπτυχθούν αποτελεσματικές τεχνικές καθαρισμού και στρατηγικές βιώσιμης διαχείρισης των υδάτων, απαιτείται η γνώση των φυσικοχημικών παραγόντων, των συνθηκών και των διαδικασιών που ελέγχουν την τύχη και τη μεταφορά των παθογόνων στο έδαφος. Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι να παρουσιάσει μια γενική εικόνα της συμπεριφοράς μεταφοράς και συν-μεταφοράς δύο βιοκολλοειδών, υποκατάστατων ανθρώπινων ιών, των βακτηριοφάγων MS2 και ΦΧ174, σε πορώδη υδατικά κορεσμένα μέσα διαφορετικής κοκκομετρίας, υπό διαφορετικές χημικές συνθήκες και συνθήκες ροής και της εκτίμησης/πρόβλεψης των αλληλεπιδράσεών τους με αιωρούμενα κολλοειδή αργίλων (καολινίτη και μοντμοριλλονίτη), που απαντώνται φυσικά στα υπόγεια συστήματα, σε περιβαλλοντικά συμβατές συνθήκες.Πρώτον, διεξήχθησαν πειράματα διαλείποντος έργου σε δύο διαφορετικές θερμοκρασίες (4 και 25 ° C), υπό στατικές και δυναμικές συνθήκες, για τη διερεύνηση της επίδρασης της θερμοκρασίας, της ανάδευσης, της συγκέντρωσης του ιού και της αργίλου, στην προσρόφηση των MS2 και ΦΧ174 σε καολινίτη και μοντμοριλλονίτη και δημιουργήθηκαν κατάλληλες κινητικές καμπύλες προσρόφησης και ισόθερμες. Στη συνέχεια, διεξήχθησαν πειράματα μεταφοράς τριών βιοκολλοειδών (E.coli, MS2 και ΦΧ174) σε κορεσμένες με νερό εργαστηριακές στήλες με πληρωτικό υλικό χαλαζιακή άμμο τριών διαφορετικών μεγεθών κόκκων, καθώς και πειράματα μεταφοράς των βιοκολλοειδών (MS2 και ΦΧ174) και κολλοειδών αργίλων σε κορεσμένες με νερό στήλες με πληρωτικό υλικό γυάλινα σφαιρίδια. Τα παραπάνω πειράματα μεταφοράς διεξήχθησαν σε τρεις ενδοπορώδεις ταχύτητες προκειμένου να διερευνηθούν τα συνδυαστικά αποτελέσματα του μεγέθους των κόκκων και της ενδοπορώδους ταχύτητας του νερού στη μεμονωμένη μεταφορά των βιοκολλοειδών και να εκτιμηθούν τα συνεργιστικά αποτελέσματα της παρουσίας των κολλοειδών αργίλων και της ενδοπορώδους ταχύτητας στη μεταφορά και συγκράτηση των βιοκολλοειδών σε πορώδη μέσα, αντίστοιχα. Η μαθηματική μοντελοποίηση των πειραματικών δεδομένων μεταφοράς πραγματοποιήθηκε με τη χρήση αναλυτικών, μονοδιάστατων, μοντέλων μεταφοράς των κολλοειδών και βιοκολλοειδών. Με βάση τη συνολική συγκέντρωση των βιοκολλοειδών/κολλοειδών στην εκροή της στήλης, πραγματοποιήθηκαν υπολογισμοί ανάκτησης μάζας και χρονικών ροπών. Η προσκόλληση των βιοκολλοειδών στους συλλέκτες εξετάστηκε περαιτέρω και εκτιμήθηκαν ο συντελεστής σύλληψης μοναδιαίου συλλέκτη και ο συντελεστής απόδοσης συγκρούσεων χρησιμοποιώντας την κλασσική θεωρία διήθησης κολλοειδών (CFT).Οι επιφανειακές ιδιότητες (δηλαδή η υδροδυναμική διάμετρος και το δυναμικό ζήτα) όλων των βιοκολλοειδών, των κολλοειδών αργίλων και των πληρωτικών υλικών που εξετάστηκαν ποσοτικοποιήθηκαν και κατασκευάστηκαν τα προφίλ δυναμικής ενέργειας αλληλεπίδρασης τους εφαρμόζοντας τόσο τη θεωρία DLVO όσο και την εκτεταμένη DLVO (XDLVO). Επίσης, η θεωρία DLVO και η υδροδυναμική εφαρμόστηκαν για τη θεωρητική διερεύνηση των ευνοϊκών φυσικοχημικών συνθηκών που οδηγούν στην αποκόλληση τόσο των βιοκολλοειδών όσο και των αργίλων από όλους τους εξεταζόμενους συλλέκτες.Τέλος, διερευνήθηκε ο ρόλος της βαρύτητας στη μεταφορά και συν-μεταφορά κολλοειδών-βιοκολλοειδών και στην απόθεση τους σε κορεσμένες με νερό στήλες διαφόρων προσανατολισμών (οριζόντιου, κάθετου και διαγώνιου) σε σταθερές ανοδικές και καθοδικές ροές