Bodenkundliche Untersuchung der Kolmation bewachsener Bodenfilter:
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| Format: | Thesis Book |
| Language: | German |
| Published: |
Hamburg
Verein zur Förderung der Bodenkunde
2003
|
| Series: | Hamburger bodenkundliche Arbeiten
Bd. 52 |
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| Online Access: | Inhaltsverzeichnis |
| Physical Description: | XI, 121 S. Ill., graph. Darst., Kt. 21 cm |
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| adam_text | Titel: Bodenkundliche Untersuchung der Kolmation bewachsener Bodenfilter
Autor: Winter, Klaus-Jürgen
Jahr: 2003
Inhaltsverzeichnis
1 EINLEITUNG............................................................................................................1
2 LITERATURÜBERSICHT.........................................................................................3
3 MATERIAL UND METHODEN.................................................................................8
3.1 Untersucliungsstandorte_____________....__....________.______.........._______________________...._____8
3.2 Probenahme....________________________________________________________.....„...„.............-......___11
3.2.1 Abwasser...................................................................................................................................................11
3.2.2 Bodenproben..............................................................................................................................................12
3.2.3 Gasmessung.........................,.....................................................................................................................13
33 UntersucfauDgsmethodeo.............................„....„..„.......„„....„„.„.„........„.....„...„„...„.„„.„.»...„.„.„»..... 13
3.3.1 Bodenstruktur............................................................................................................................................13
3.3.1.1 Gefüge...............................................................................................................................................13
3.3.1.2 Mikromorphologie............................................................................................................................13
3.3.1.3 Biologische Porenfüllung..................................................................................................................14
3.3.1.4 Organische Bodensubstanz...............................................................................................................15
3.3.2 Bodenbiologische Untersuchungen...........................................................................................................16
3.3.2.1 Biomasse...........................................................................................................................................16
3.3.2.2 Biologische Aktivität........................................................................................................................17
3.3.3 Bodenphysikalische Untersuchungen........................................................................................................18
3.3.3.1 Porengröflenverteilung......................................................................................................................18
3.3.3.2 Versickeruogsleistung.......................................................................................................................19
3.3.4 Physikochemische Milieubedingungen.....................................................................................................19
3.3.4.1 Online Meßsystem............................................................................................................................19
3.3.4.2 Gasmessung......................................................................................................................................20
3.3.5 Abwasseruntersuchungen..........................................................................................................................20
3.4 Sfetistucne D»(eo uf«rb« uiie______________________________________________________________20
3.4.1 Betriebszustände........................................................................................................................................20
3.4.2 Datensätze..................................................................................................................................................21
3.4.3 Box and Whisker.......................................................................................................................................21
4 ERGEBNISSE__............................................................___________________23
4.1 Bodenpbyjik______________________________________________________________________23
4.1.1 PorengröOenverteilung................................................................................................_.............................23
4.1.2 Versickerung......................................................................................................-......................................28
4.12.1 Hydraulische Grundlagen.................................................................................................................28
4.1.2,2 Anlagenspezifische Auswertung................................~.........~..................................---------............31
Inhaltsangabe
4.1.2.3 Versickerungsleistung......................................................................................................................35
4.1.3 Gashaushalt...............................................................................................................................................37
4.1.4 Online Messdaten......................................................................................................................................39
4.1.4.1 Feuchtigkeitsgehalte.........................................................................................................................39
4.1.4.2 Redoxpotentiale................................................................................................................................43
4.2 Bodenstrukrur------------------------------------------------------........_.......................................................45
4.2.1 Gefüge und Bodenhorizontbildung...........................................................................................................45
4.2.2 Mikromorphologie....................................................................................................................................47
4.2.3 Organische Substanz.................................................................................................................................50
4.2.4 Biologische Porenfüllung..........................................................................................................................57
4.2.4.1 Aufnahmen mit dem konfokalen Laser Scanning Mikroskop (KLSM)............................................57
4.2.4.2 Aufnahmen mit dem Phasenkontrastmikroskop...............................................................................66
4J Bodenbiologie______________________,_____________________________________________68
4.3.1 Biomasse...................................................................................................................................................68
4.3.2 Biologische Aktivität................................................................................................................................73
4.3.2.1 Dehydrogenaseaktivität....................................................................................................................73
4.3.2.2 Atmungsrate.....................................................................................................................................77
4.3.2.3 Mikrobiologische Untersuchung- Hybridisierung...........................................................................79
4.4 Abwa5sernnterroclraiigen._...„.«.._„..___„_.___.__...______„.__„........____......______»...—.__«80
4.4.1 Anlage A...................................................................................................................................................80
4.4.2 Abfiltrierbare Stoffe (AJFS).......................................................................................................................81
4.4.3 Summenparameter CSB, TOC, DOC........................................................................................................85
4.4.4 Reinigungsleistung....................................................................................................................................89
4 _5 Betriebsfllmmg________________.________________________________________________.. 91
5 DISKUSSION DER ERGEBNISSE______________________________.............97
5.1 Bodenstrnktnr___________________________________________________________________97
5.2 Bodenphysik-----------------------------------------------------------------------------------------------------101
5J Bodenbiologie__________________________________________________________________104
5.4 Abwasser------------------------______________________________________________________106
SS AuMkk-------------------------_________________________________________________110
6 ZUSAMMENFASSUNG____________________________________________112
7 LITERATUR___..„__________________________„„..........______________115
Inhaltsverzeichnis
8 ANHANG...................................................................................................................I
8.1 Anlage A.........................................................™.............„...................„..„...™™...™..««....„..........„................1
8.2 Open-EndTest....,........».............™-.............«....................«.......,.».........™..,««.............™.........................IU
8.3 Porengrößenverteilung..„.„.„„..„...............„.__......................................™.....„......................................IV
8.4 Redoxpotential..........,........................................„...........„„„„„.„.......„.„...._.................................»............V
8.5 Dehydrogenase...«................™.«.....™..............«...™....™..™......^-.....»—.™.«.......»................................VI
8.6 Mikromorphologie™.........™......™.™™.™....™«...™.-™....»»-™™.™..«....-.™.™..™...-..........„...„.„........ VII
8.7 P rolwit w H Hipjtfa Brfo rtpT..........._.__-____.................____.....__.................. ............................................ XI
Abbildungsverzeichnis
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
Abbildung 1: Schematischer Aufbau eines typischen bewachsenen Bodenfilters. Eingezeichnet
sind die Probenahmestellen des Abwasserzu- und -ablaufe sowie der Bodenproben
...................................................................................................................................11
Abbildung 2: Bohrkem eines Moorkammerbohrers zur Gewinnung der gestörten Bodenproben
...................................................................................................................................12
Abbildung 3: Probenahmebehälter zur Entnahme der ungestörten Proben für das konfokale
Laser Scanning Mikroskop.........................................................................................13
Abbildung 4: Beispiel für die statistische Aufbereitung von Daten zur Erhaltung einer
Normalverteilung........................................................................................................22
Abbildung 5: Kennwerte der Box and Whisker Grafik.................................................................22
Abbildung 6: Zeitlicher Verlauf der Porengrößenverteilung an der Filteroberfläche des
Teilbeetes 1 auf der Anlage A....................................................................................24
Abbildung 7: Zeitlicher Verlauf der Porengrößenverteilung an der Filteroberfläche des
Teilbeetes 1 auf der Anlage B....................................................................................25
Abbildung 8: Zeitlicher Verlauf der Porengrößenverteilung an der Filteroberfläche des
Teilbeetes 2 auf der Anlage C....................................................................................26
Abbildung 9: Vergleich der gemittetten Porengrößenverteilung von fünf Anlagen in den Tiefen 0-
5 cm sowie 20-25 cm unter der Filteroberfläche........................................................28
Abbildung 10: Venauf der Infiltration bei einem homogenen überfluteten Boden in gleichen
Zeitintervallen (Scheffer Schachtschabe) 1998).....................................................30
Abbildung 11: Schematische Darstellung der Kenngrößen zur Berechnung der hydraulischen
Kennwerte bei Vertikaffiltem.......................................................................................31
Abbildung 12: Gegenüberstellung des Bodenredoxpotentials und des Durchlässigkeits-
koeffizienten k, als Maß für die Kolmation an Anlage A.............................................34
Abbildung 13: Kurven verlaufe bei verschiedenen Meßsituationen der Versickerungsmessung
mit dem OpenEnd Rohr.............................................................................................36
Abbildung 14: Mittlere Versickerungsgeschwindigkeiten von 4 verschiedenen Anfegen im
kolmatierten und nicht kolmatierten Zustand..............................................................36
Abbildung 15: Sauerstoff- und Methankonzentraöon 10 cm unter Rlteroberfläche der Anlage A
im Vergleich zum Tagesmittelwert des Bodenredoxpotentials...................................38
Abbildung 16: Arte« an Q* und CQ, in der BotterHuft an Anlage B (Proben 10 cm unter
Abbildungsverzeichnis
Filteroberfläche entnommen) im Vergleich zur Infiltrationsmessung.........................38
Abbildung 17: Anteil an O2 und CQ. in der Bodenluft an Anlage C (Proben 10 cm unter
Filteroberfläche entnommen) im Vergleich zur Infiltrationsmessung.........................39
Abbildung 18: Daten der neun Feuchtigkeitsmesssonden, welche in drei verschiedenen Tiefen
an drei Meßpunkten in der Anlage A installiert waren. Dargestellt in Relation zur
Abwasseraufgabe; Meßperiode 1999.........................................................................40
Abbildung 19: Daten der neun Feuchtigkeitsmesssonden, welche in drei verschiedenen Tiefen
an drei Meßpunkten in der Anlage A installiert waren. Dargestellt in Relation zur
Abwasseraufgabe; Meßperiode 2000.........................................................................41
Abbildung 20: Redoxpotential und Wassergehalt in 5 cm Tiefe an drei Meßpunkten in Bezug zur
Abwasseraufgabe; Meßperiode 1999........................................................................44
Abbildung 21: Redoxpotential und Wassergehalt in 5 cm Tiefe an drei Meßpunkten in Bezug zur
Abwasseraufgabe; Meßperiode 2000........................................................................45
Abbildung 22: L-Horizont Anlage A (Schilfstreu)........................................................................47
Abbildung 23: Dünnschliffaufnahmen einer Probe der Anlage A. Vergrößerung 32,5 fach.
Entnahmetiefe 0-5 cm...............................................................................................49
Abbildung 24: Dünnschliffaufnahme einer Probe von Anlage B. Eisenhaltiger Sand Filter 2.
Vergrößerung 32,25 fach. Entnahmetiefe 0-5 cm......................................................49
Abbildung 25: Dünnschliffaufnahme einer Probe von Anlage C. Vergrößerung 32,25 fach.
Entnahmetiefe 0-5 cm...............................................................................................50
Abbildung 26: Gehalt und Zusammensetzung von organischer Substanz in verschiedenen
Tiefen des kolmatier enden Bodenfilters A.................................................................51
Abbildung 27: Gehalt und Zusammensetzung von organischer Substanz in 0-3 cm Tiefe von 5
Bodenfiltem in Bezug zur Kotmationsneigung...........................................................51
Abbildung 28: Verlauf des Abbaus der OBS während der Bebrütungsdauer von 8 Wochen. Der
untersuchte Boden stammt aus der 0 - 3 cm tiefen Bodenschicht eines kotmaterten
Beetes von Anlage E.................................................................................................52
Abbildung 29: Gehalt und Zusammensetzung an organischer Substanz nach achtwöchiger
Bebrütung bei 25°C und einem eingestellten Wassergehalt von 55% der max.
Wasserhaltekapazität im Filter 1 der Anlage E. Bodenprobe aus 0-3 cm Tiefe........53
Abbildung 30: Gehalt an mikrobieller Biomasse vor und nach einer 8-wöchigen Bebrütung von
Bodenproben der Anlage E.......................................................................................53
Abbildung 31: Zusammenhang zwischen Boderrtemperatur und dem Glühvertust von gestörten
Abbildungsverzeichnis
Bodenproben aus 0-3 cm Tiefe aus der Anlage A.....................................................56
Abbildung 32: X-Y Darstellung der Temperatur und des Glühverlustes mit Konfidenzintervall
und Vorhersagebereich de.........................................................................................56
Abbildung 33 a-c: DAPI- und CON A-Färbung einer ungestörten Bodenprobe (Anlage A; 0cm).
Bilderläuterungen: [a] DAPI-Färbung zur Detektion von Bakterien, [b] CON-A
Färbung zur Detektion der EPS. [c] Schnittmengenbild von [a] und [b].....................59
Abbildung 34 Dreidimensionale Darstellung des Porenraums der Aufnahmen aus Abbildung 33
(a, b)...........................................................................................................................60
Abbildung 35 a-b: DAPI- und CON A-Färbung einer ungestörten Bodenprobe (Anlage A; 15
cm). Bilderläuterungen: [a] DAPI-Färbung zur Detektion von Bakterien....................62
Abbildung 36: Dreidimensionale Darstellung der Aufnahmen aus Abbildung 35 (a, b)..............63
Abbildung 37: Dreidimensionale Darstellung des Porenraums einer Probe aus 0-5 cm Tiefe der
Anlage D.....................................................................................................................64
Abbildung 38: Dreidimensionale Darstellung des Porenraums einer Probe aus 15 -20 cm Tiefe
der Anlage D..............................................................................................................65
Abbildung 39: Phasenkontrastaufnahme einer Bodenprobe aus der Anlage A (0cm)................67
Abbildung 40: Phasenkontrastaufnahme einer Bodenprobe aus der Anlage A (15 cm).............67
Abbildung 41: Box and Whisker Darstellung des Biomasse-C Gehalts gemessen an 10 Anlagen
mit der F E Methode an Proben aus 0-3 cm Tiefe. Unterschiedliche Zuteilung der
Anlagen zu den Betriebszuständen. Einmal nach dem bei der Probenahme
vorgefundenen Zustand und einmal nach langfristigeren Tendenzen bezüglich der
Kolmation (n=73)........................................................................................................70
Abbildung 42: Box and Whisker Darstellung des Biomasse-C Gehalts der aktiven und gesamten
Biomasse gemessen an 10 Anlagen an Proben aus 0-3 cm Tiefe............................71
Abbildung 43: Verhältnis von Gesamtbiomasse (gemessen mit der F E Methode) zur aktiven
Biomasse (gemessen mit der SIR Methode) bei verschiedenen Betriebszuständen
von 10 Anlagen von Bodenproben aus verschiedenen Tiefen...................................71
Abbildung 44: GesamtzefeaW und Anzahl der aktiven Bakterien als Tiefenfunktion in
verschiedenen Jahreszeiten mit Bodentemperatur zum Probenahmezeitpunkt in
Anlage A.....................................................................................................................72
AbbBdung 45: Gesamtzelzahl und Anzahl der aktiven Bakterien als Tiefenfunkiion in
verschiedenen Jahreszeiten in Anlage D...................................................................72
Abbildung 46: Box and Whisker Darstellung der Debydrogenaseaktivftät der gestörten Proben
Abbildungsverzeichnis
(0-3 cm) gemessen an neun verschiedenen Anlagen bei verschiedenen
Betriebszuständen(n=101)......................................................................................75
Abbildung 47: Vergleich der Dehydrogenaseaktivitäl bei aerober und anaerober Aufarbeitung
von Bodenproben aus verschiedenen (Anlage C) und gleichen (Anlage A)
Belastungsbereichen.................................................................................................75
Abbildung 48: Dehydrogenaseaktivität gemessen bei Bodenproben der Anlage A in der Tiefe 0-
3 cm verglichen mit dem Wochenmittelwert des Bodenredoxpotentials (umgerechnet
auf eine Normalwasserstoffelektrode) und mit der Tagesganglinie der
Bodentemperatur.......................................................................................................76
Abbildung 49: Bodenatmung und Bodentemperaturverlauf, gemessen an gestörten Proben aus
0-3cm Tiefe von der Anlage A...................................................................................78
Abbildung 50: Bodenatmung und Temperaturverlauf, gemessen an gestörten Proben aus 0-3cm
Tiefe der Anlagen B und C........................................................................................78
Abbildung 51: Konzentration an abfiltrierbaren Stoffen im Untersuchungszeitraum von Anlage A
sowie die zusammengefassten Datensätze aus den beiden Betriebszeiträumen.....81
Abbildung 52: Fracht an abfiltrierbaren Stoffen und deren Zusammensetzung gemessen mit der
Cross Flow Analyse in Abhängigkeit von der Kolmationstendenz der untersuchten
Anlagen.....................................................................................................................84
Abbildung 53: Konzentration und Fracht (gemessen mit der Druckfiltration: 0,45 um) des
Gehaltes an abfiltrierbaren Stoffen in Abhängigkeit vom Betriebszustand................84
Abbildung 54: Mediän der Konzentrationen des organischen C Gehalts im Zulauf auf die Filter
unterteilt in gelösten und partikulären Anteil..............................................................87
Abbildung 55: Konzentration und Fracht des CSB Gehaltes in Abhängigkeit vom
Betriebszustand.........................................................................................................87
Abbildung 56: Konzentration und Fracht an gelöstem organischen C-Gehalt (DOC) in
Abhängigkeit von dem Betriebszustand....................................................................88
Abbildung 57: Konzentration und Fracht an gesamten organischen C-Gehalt (TOC) in
Abhängigkeit von dem Betriebszustand....................................................................89
Abbildung 58: Summenkurve der CSB Ablaufkonzentrationen nach den Vertikaffiltern der
untersuchten Anlagen, unterteilt nach der Kolmatiofisneigung. Eingezeichnet sind die
Grenzwerte der Größenklasse 1 und 2......................................................................91
Abbildung 59: Reinigungsleistung der Vertikalfirter der untersuchten Anlagen unterteilt nach den
Betriebszuständen.....................................................................................................91
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 60: Übersichtsdiagramm zur Kolmationsprävention 94
Abbildung 61: Übersichtsdiagramm zur Kolmationseinteilung / -erkennung 95
Abbildung 62: Übersichtsdiagramm zur Ertüchtigung eines Bodenfilters 96
Tabellenverzeichnis
TABELLENVERZEICHNIS
Tabelle 1: Anlagenkenndaten der untersuchten Bodenfilter........................................................9
Tabelle 2: Organische Bodensubstanz der gestörten Proben aus 0-3 cm Tiefe der Anlagen B
undC.........................................................................................................................55
Tabelle 3: Biologische Aktivität in Prozent von Bodenproben aus Anlage A und D im saisonalen
Zusammenhang.........................................................................................................79
Tabelle 4: Mediane des Glühveriusts (GV) sowie des organischen Kohlenstoff- (C) und
Stickstoffgehalts (N) der abfiltrierbaren Stoffe in Bezug zum Kolmationszustand.....83
Tabelle 5: Mediane und Standardabweichung der Summenparameter CSB, TOC und DOC
nach der Vorklärung (im Zulauf auf den Filter)..........................................................86
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| discipline | Biologie Agrar-/Forst-/Ernährungs-/Haushaltswissenschaft / Gartenbau |
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