Transport processes of microplastic particles in the fluvial environment : erosion, transport and deposition

Waldschläger, Kryss Lisanne; Hollert, Henner; Schüttrumpf, Holger

doi:39922

Transport processes of microplastic particles in the fluvial environment : erosion, transport and deposition

Waldschläger, Kryss Lisanne^RWTH*

2020 & 2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Kryss Waldschläger

ImpressumAachen 2020

Umfang1 Online-Ressource (XVI, 174 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2021

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Schüttrumpf, Holger (Thesis advisor)^RWTH* ; Hollert, Henner (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-12-04

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-12172
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/808605/files/808605.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft (314410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
erosion (frei) ; infiltration (frei) ; microplastics (frei) ; physical model experiments (frei) ; resuspension (frei) ; sedimentation (frei) ; transport processes (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Mikroplastik gelangt auf unterschiedlichen Wegen in die Umwelt und reichert sich dort aufgrund der Persistenz des Materials an. Lange Zeit wurde Mikroplastik ausschließlich in der marinen Umwelt betrachtet und untersucht: Von den ersten Umweltbeprobungen über ökotoxikologische Studien mit Meeresorganismen bis hin zu hydronumerischen Modellen, welche die Verteilung von Mikroplastik in den Meeren und Ozeanen beschreiben sollten. Mit voranschreitender Forschung wurde jedoch bekannt, dass der größte Teil des Mikroplastiks aus landbasierten Quellen und damit über die Flüsse in die Ozeane gelangt, sodass der Forschungsfokus sich auf die fluviale Umwelt ausgeweitete. Zu Beginn wurden die Flüsse einzig als Transportwege für Mikroplastik von den Quellen an Land zum offenen Meer betrachtet. Es wurde jedoch deutlich, dass Mikroplastik auch in Flüssen zurückgehalten und abgelagert werden kann und dass die Konzentrationen in der fluvialen Umgebung genauso hoch sind wie an einigen Hotspots in der marinen Umwelt. Aufgrund der begrenzten Kenntnisse über das Transportverhalten von Mikroplastik in der aquatischen Umwelt wurden bisher Grundlagen aus dem klassischen Sedimenttransport zur Beschreibung des Mikroplastikverhaltens im Gewässer verwendet. Hierzu wurden einzig die Partikeleigenschaften an die Eigenschaften von Mikroplastik angepasst. Es wurde jedoch nicht untersucht, ob dieser Transfer sinnvoll und zutreffend ist. Die Unterschiede zwischen Mikroplastik und klassischen Sedimenten sind unbestreitbar: Während Sediment eine durchschnittliche Dichte von 2,65 kg/cm³ aufweist, kann Mikroplastik sowohl leichter als auch schwerer als Wasser sein, jedoch immer deutlich leichter als natürliches Sediment. Darüber hinaus hat Mikroplastik sehr variable Formen, da es entweder als Pellets oder Kugeln, aber auch als Fragmente, Fasern oder Folien in der Umwelt vorkommen kann. Natürliches Sediment besteht hingegen hauptsächlich aus granularen Körnern. Schließlich sind auch die unterschiedlichen Trends der mittleren Korndurchmesser entlang des Flusslaufs zu erwähnen. Während klassisches Sediment entlang des Flusslaufs immer kleiner gemahlen wird, wird Mikroplastik über zahlreiche Quellen entlang des Flusslaufs eingebracht, so dass sich kein Trend der Korngrößen ausbilden kann. Ausgehend von diesen Informationen muss daher eine Übertragbarkeit der theoretischen Grundlagen aus dem Sedimenttransport zumindest in Frage gestellt werden. Daher wird in dieser Arbeit das Transportverhalten von Mikroplastik mithilfe von physikalischen Modellversuchen untersucht und die Erkenntnisse mit theoretischen Berechnungen aus dem klassischen Sedimenttransport verglichen. Der Transport wird hierbei aufgeteilt in die Prozesse Erosion, Sedimentation und Aufstieg sowie Infiltration in das Flussbett und ein besonderer Fokus auf die Auswirkungen unterschiedlicher Partikeleigenschaften wie Größe, Dichte und Form gelegt. Das Sedimentations- und Aufstiegsverhalten wurde durch Versuche in einer Sedimentationssäule untersucht und die Sink- und Aufstiegsgeschwindigkeiten verschiedener Mikroplastikpartikel ermittelt. Diese Geschwindigkeiten konnten mit den typischen Formeln aus dem Sedimenttransport (z.B. Stokes-Absetzformel) nicht ausreichend dargestellt werden, sodass neue theoretische Ansätze auf Basis der physikalischen Modellversuche ermittelt wurden. Das Erosionsverhalten wurde im Kreisgerinne des IWW untersucht, indem einzelne Mikroplastikpartikel auf verschiedene Sedimentbetten aufgebracht und anschließend die Schubspannung am Gerinneboden langsam erhöht wurde, bis sich die Partikel in Bewegung setzten. Basierend auf diesen Experimenten wurden die kritischen Schubspannungen der verschiedenen Mikroplastikpartikel in Abhängigkeit von ihren Partikeleigenschaften und dem Sedimentbett bestimmt und mit den Berechnungsmethoden aus dem klassischen Sedimenttransport, dem Shields-Diagramm und dem Hiding-Exposure-Effekt, verglichen. Bei dem Vergleich wurde deutlich, dass sich die Mikroplastikpartikel früher bewegen als durch die theoretischen Ansätze bestimmt, sodass eine größere Mobilität des Mikroplastiks als bisher angenommen zu erwarten ist. Schließlich wurden neue Ansätze entwickelt, um das Erosionsverhalten des Mikroplastiks genauer zu beschreiben. Abschließend wurde das Infiltrationsverhalten von Mikroplastik in ein Flussbett genauer untersucht. Hierzu wurde eine Infiltrationssäule mit Glaskugeln unterschiedlichen Durchmessers (1,5 - 11 mm) verwendet, die von oben gleichmäßig mit Wasser infiltriert wurde. Auf die Oberfläche der Glaskugeln wurden verschiedene Mikroplastikpartikel aufgetragen und ihre Infiltrationstiefe in Abhängigkeit von ihrer Form, Dichte und Größe sowie der Korngröße der Glaskugeln bestimmt. Der anschließende Vergleich mit den Grundprinzipien der Feinsedimentinfiltration zeigte, dass sich diese annähernd übertragen lassen, sodass auf dieser Basis die ideale Beprobungstiefe von fluvialen Sedimenten ermittelt werden konnte. Die vorliegende Arbeit bietet eine erste Betrachtung des Transportverhaltens von Mikroplastik in der fluvialen Umwelt. Bei der Prüfung der Übertragbarkeit von theoretischen Prinzipien aus dem klassischen Sedimenttransport auf den Mikroplastiktransport konnte gezeigt werden, dass die Anwendung dieser Prinzipien nur unzureichende Ergebnisse liefert. Daher wurden neue Ansätze entwickelt, die in Zukunft für die Simulation des Transportverhaltens von Mikroplastik verwendet werden können.

Microplastic enters the environment in different ways and accumulates there due to the persistence of the material. For a long time, microplastic was exclusively considered and studied in the marine environment: From the first environmental studies, to ecotoxicological studies with marine organisms, to hydro-numeric models that were intended to describe the distribution of microplastic in the seas and oceans. However, studies have gradually concluded that most of the microplastic is discharged into the oceans by land and therefore by rivers, and the focus has widened to include the fluvial environment. Initially, rivers were considered to be only transport pathways for microplastic from the land-based sources to the open sea. However, it soon became clear that microplastic can also be retained and deposited in rivers and that the concentrations in the fluvial environment are as high asin some hot spots in the marine environment. Due to the limited knowledge about the transport behavior of microplastic in the aquatic environment, the basics of classical sediment transport were simply adapted to the properties of microplastic. However, whether this transfer is appropriate was not examined. The differences between microplastic and classic sediment are undeniable: While sediment has an average density of 2.65 kg/cm³, microplastic can be both lighter and heavier than water, but it is always significantly lighter than natural sediment. Moreover, microplastic has very variable shapes, so it can appear either as pellets or microbeads, but also as fragments, fibers or films. Sediment, on the other hand, consists mainly of granular grains. Finally, the different trends of mean grain diameters along the course of the river are also to be mentioned. While classical sediment is ground smaller and smaller along the course of the river, microplastic is introduced via numerous sources along the course, so that no trend in grain sizes can be formed. Based on these fundamentals, a transferability of the theoretical principles from sediment transport must therefore at least be questioned. Thus, in this thesis the behavior of microplastic is compared with the theoretical calculations from classical sediment transport by using physical model experiments. The transport process is herein divided up into erosion, sedimentation and rise as well as infiltration into the river bed. A special focus was layed on the effects of particle properties such as density, diameter and shape of the microplastic on the transport mechanisms. The sedimentation and rise behavior was examined by experiments in a sedimentation column and thus the terminal settling and rise velocities of different microplastic particles were determined. These velocities could not be represented sufficiently by the typical formulas from sediment transport (e.g. Stokes settling formula), so that new theoretical approaches based on the physical model experiments were determined. The erosion behavior was investigated in the annular flume of the IWW by applying single microplastic particles to different sediment beds and then slowly increasing the shear stress on the bottom of the channel until the particle started to move. Based on these experiments, the critical shear stresses of the different microplastic particles were determined as a function of their particle properties and the sediment bed and compared with the calculation methods from classical sediment transport, namely Shields diagram and hiding-exposure effect. In the comparison it became clear that microplastic moves earlier than determined by the theoretical approaches so that a greater mobility of the microplastic than previously thought is to be expected. Finally, new approaches were developed todescribe the erosion behavior of microplastic more accurately. For investigating the infiltration behavior of microplastic into the river bed, an infiltration column with glass spheres of different diameters (1.5 - 11 mm) was used, on which water was evenly sprinkled from above. Different microplastic particles were applied to the surface of the glass spheres and then their infiltration depth was determined as a function of their shape, density, and size and the grain size of the glass spheres. The subsequent comparison with the basic principles of fine sediment infiltration showed that these could be transferred so that on this basis the ideal sampling depth of fluvial sediment could be determined. This work therefore offers a first investigation of the transport mechanisms of microplastic in the fluvial environment. When examinating the transferability of theoretical principles from classical sediment transport to microplastic transport, it became clear that the application of these principles produces only insufficient results. Therefore, new approaches were developed, which can be used in the future for the simulation of the transport behavior of microplastic.

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