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

Waldschläger, Kryss Lisanne; Schüttrumpf, Holger (Thesis advisor); Hollert, Henner (Thesis advisor)

Aachen (2020, 2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

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.

Einrichtungen

  • Lehrstuhl und Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft [314410]