Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4993
Main Title: Potential of bioreactors for attenuation of herbicides and nitrate in drainage waters
Translated Title: Das Potential von Bioreaktoren für den Rückhalt von Pflanzenschutzmitteln und Nitrat aus Dränagewässern
Author(s): Krause Camilo, Björn
Advisor(s): Wessolek, Gerd
Referee(s): Wessolek, Gerd
Pestemer, Wilfried
Felgentreu, Dieter
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The wash-out of agrochemicals, such as fertilizers and herbicides, via tile drainage into surface waters presents an increasing risk for drinking water production and biodiversity in rivers and lakes. Mitigation systems are important measures to attenuate agricultural emissions at the source and relieve surface waters downstream. Under extreme high flow conditions the effectiveness of such facilities is restricted, due to bypass of untreated waters or short contact times. The study to the present PhD thesis “Potential of bioreactors for attenuation of herbicides and nitrate in drainage waters” is part of the Aquisafe II project, in which the focus is laid on drainage water decontamination in mitigation systems. The project aims at implementing new effective mitigation systems and improving existing mitigation systems in contamination hot spots. In the PhD study, organic substrates were examined for their potential to attenuate a set of herbicide agents and nitrate, simultaneously and efficiently, at short hydraulic residence times (HRT) between 0.2 and 2.5 days. The selected herbicide agents, bentazon, atrazine and isoproturon are classified with a high risk for drinking water production. Based on comprehensive literature studies, the design of bioreactors with organic substrates, such as bark mulch and straw, emerged to be of high potential for decontamination of drainage waters in mitigation systems. In laboratory scale, the substrates were tested in sorption-, degradation- and column displacement experiments for hydraulic conductivity and attenuation of nitrate and the selected herbicide agents at temperatures around 21 °C. In technical macro scale, simultaneous attenuation of nitrate and atrazine and attenuation of nitrate and isoproturon were investigated. The potential of the mixture of bark mulch and straw was tested under realistic conditions, in macro scale under the influence of seasonally changing temperatures. The hydraulic residence times ranged between 0.4 and 2.5 days. The study revealed that the tested organic substrate provides a high and long-term stable hydraulic conductivity to ensure and maintain high flow. Straw is a readily available organic carbon source, which can support effective and efficient denitrification at short hydraulic residence times. Bark mulch is an effective adsorbens for the herbicide agents. The conditions of the experiment support denitrification as major nitrate attenuation process. The potential of the organic substrate to attenuate the selected herbicide agents is different for each compound and based on different attenuation paths. Non-aerobic conditions in the bioreactor are in general disadvantageous for attenuation of the selected herbicide agents. Bentazon is too persistent and mobile to be considerably attenuated under high flow conditions. Atrazine can be substantially reduced in drainage waters. It appears that atrazine is predominantly attenuated by sorption to the organic substrate and by formation of bound residues. Isoproturon seems to be effectively attenuated by degradation to metabolites under denitrifying (suboxic) condition. Uncertainty remains about the contribution of the metabolite hydroxy-atrazine to bound residues and about the kind of isoproturon metabolites. Denitrification and herbicide agent attenuation correlate positively with temperature. The nitrate attenuation performance of the organic substrate decreases gradually with operating time, since denitrification is based on depletion of the organic carbon source. Atrazine attenuation is less influenced by substrate aging, but nevertheless linked to the presence of organic matter as adsorbent. The organic substrate has to be frequently exchanged, while intervals depend on contaminant loads in the drainage water, temperature and water-saturation of the substrate. When denitrification is limited by nitrate input, the organic carbon source is used for competing respiratory processes. Design and sizing of the mitigation system need to be adapted to present conditions at the desired site to prevent or, at least, to minimize possible negative effects, such as discharge of oxygen-free water, dissolved organic carbon and hydrogen sulphide into receiving waters. In conclusion, the studied design provides a valuable and effective tool in the set of best management practices in agriculture to attenuate nitrate and atrazine as well as isoproturon in drainage waters.
Die Auswaschung von Agrochemikalien, wie Dünger und Pflanzenschutzmittel, über Dränagen in Oberflächengewässer, stellt ein wachsendes Risiko für die Trinkwasserbereitstellung und die Biodiversität in Flüssen und Seen dar. Rückhaltezonen sind wichtige Einrichtungen, um landwirtschaftliche Emissionen an der Quelle zu reduzieren und nachgeschaltete Gewässer zu entlasten. Bei extrem hohen Ablaufbedingungen ist die Effektivität solcher Maßnahmen jedoch durch den Umlauf nicht behandelten Wassers oder durch kurze Kontaktzeiten eingeschränkt. Die vorliegende Doktorarbeit „Das Potential von Bioreaktoren für den Rückhalt von Pflanzenschutzmitteln und Nitrat aus Dränagewässern“ fasst einen Teil der Ergebnisse und Erkenntnisse des Aquisafe II Projektes zusammen. Der Fokus des Projektes ist auf die Dekontamination von Dränagewässern in Rückhaltezonen gerichtet. Das Ziel ist die Einrichtung von neuen effektiven und die Verbesserung von existierenden Rückhaltezonen an Kontaminationsschwerpunkten. In der Studie wurden organische Substrate auf ihr Potential hin untersucht, eine Reihe von Pflanzenschutzmittelwirkstoffen (PSMW) und Nitrat gleichzeitig und effizient bei kurzen hydraulischen Aufenthaltszeiten im Bereich von Stunden bis zu wenigen Tagen zurückzuhalten. Die PSMW Bentazon, Atrazin und Isoproturon wurden ausgewählt, weil ihr Einsatz mit einem hohen Risiko für die Trinkwasserbereitstellung verbunden ist. Auf der Grundlage umfassender Literaturstudien haben sich Bioreaktoren mit organischen Substraten, wie Stroh und Rindenmulch, als besonders geeignet für die Dekontamination von Dränagewässern in Rückhaltezonen erwiesen. Im Labormaßstab bei Raumtemperatur (21°C) wurden die Substrate in Sorptions-, Abbau- und Verlagerungsexperimenten auf hydraulische Durchlässigkeit und den Rückhalt von Nitrat und der ausgewählten PSMW getestet. Im technischen Maßstab wurde der gleichzeitige Rückhalt von Nitrat und Atrazin bzw. Nitrat und Isoproturon untersucht. Das Potential der Mischung von Rindenmulch und Stroh wurde unter realistischen Bedingungen, in großer Skala bei saisonal bedingten Temperaturschwankungen getestet. Die hydraulischen Aufenthaltszeiten lagen zwischen 0,4 und 2,5 Tagen. Die ausgewählten Substrate gewährleisten eine andauernd hohe hydraulische Durchlässigkeit, wodurch hoher Abfluss realisiert und aufrechterhalten werden kann. Stroh ist eine leicht verfügbare Quelle organischen Kohlenstoffs, welche eine effektive und effiziente Denitrifikation bei geringen hydraulischen Aufenthaltszeiten ermöglicht. Rindenmulch stellt ein gutes Adsorbens für die PSMW dar. Unter den Bedingungen des Experiments wird Nitrat hauptsächlich durch Denitrifikation zurückgehalten. Das Potential der organischen Substrate, die ausgewählten PSMW zurückzuhalten, ist sehr unterschiedlich und beruht auf verschiedenen Wirkmechanismen. Sauerstofffreie Bedingungen sind in der Regel von Nachteil für ihren Abbau. Bentazon ist zu persistent und mobil, um bei hohem Abfluss überhaupt zurückgehalten zu werden. Atrazin kann substanziell aus dem Dränagewasser entfernt werden, vermutlich hauptsächlich durch Adsorption und Bildung von nicht extrahierbaren Rückständen im Substrat. Isoproturon scheint unter denitrifizierenden (suboxischen) Bedingungen effektiv durch den Umbau zu Metaboliten zurückgehalten zu werden. Unklarheit besteht über die Beteiligung des Metaboliten Hydroxiatrazin an der Bildung von nicht extrahierbaren Rückständen und über die Art der Metabolite des Isoproturon. Denitrifikation und Rückhalt der PSMW korrelieren positiv mit der Temperatur. Die Rückhaltewirkung der organischen Substrate nimmt mit der Einsatzzeit graduell ab. Sie beruht im Falle der Denitrifikation auf dem Verzehr des organischen Kohlenstoffes durch mikrobielle Atmungsprozesse. Der Rückhalt der PSMW, vor allem des Atrazins, scheint weniger stark vom Alter des Substrats beeinflusst, ist jedoch an die Präsenz des organischen Materials als Adsorbens geknüpft. Das organische Substrat muss ständig ersetzt werden, wobei die Intervalle besonders von der Kontaminantenbelastung im Dränagewasser, der Temperatur und des Wassersättigungsgrades des Substrates abhängen. Im Fall einer vollständigen Denitrifikation wird die Kohlenstoffquelle für konkurrierende Atmungsprozesse verwendet und die Effizienz der Kohlenstoffausnutzung durch die Denitrifikation verringert sich. Um mögliche negative Nebeneffekte, wie die Auswaschung organischen Kohlenstoffs, Hydrogensulfats oder sauerstofffreien Wassers in die anschließenden Gewässer zu verhindern oder zumindest zu verringern, muss die Gestaltung und die Dimensionierung des Systems an die Bedingungen im gewünschten Einsatzgebiet angepasst werden. Zusammengefasst stellt das untersuchte Design ein wertvolles und effektives Werkzeug der guten landwirtschaftlichen Praxis dar, um Nitrat und Atrazin sowie Nitrat und Isoproturon in Dränagewässern zurückzuhalten.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5305
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4993
Exam Date: 7-Oct-2015
Issue Date: 2016
Date Available: 10-Feb-2016
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie::577 Ökologie
Subject(s): attenuation
bioreactor
herbicide
nitrate
drainage water
Rückhalt
Bioreaktor
Pflanzenschutzmittel
Nitrat
Dränagewasser
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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