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Untersuchung von Nitrifikation und Denitrifikation an Grossanlagen

Durch umfangreiche Untersuchungen auf der Klaeranlage Wien-Blumental konnte gezeigt werden, dass unter bestimmten Bedingungen die gleichzeitige Entfernung der Kohlenstoff- und Stickstoffverbindung moeglich ist. In sauerstoffhaltigen Zonen des Belebungsbeckens wird nitrifiziert, in sauerstofffreien Zonen (anoxisch) wird denitrifiziert. Die Anwendung dieses Prinzips, das neben einer Entfernung von Stickstoffverbindungen auch Energieeinsparungen bewirkt, konnte auf vielen Klaeranlegen demonstriert werden.

Abbau von hohen Nitratgehalten in vorwiegend anorganisch belasteten Abwaessern

Zahlreiche Industrieabwaesser weisen einen hohen Gehalt von anorganischen N-Verbindungen auf. Diese muessen vor Einleitung in den Vorfluter beseitigt werden, da sie sowohl fuer die Gewaesser-Biologie (Eutrophierung) als auch fuer die Trinkwassergewinnung Probleme aufwerfen. Hierfuer kommen in erster Linie mikrobiologische Verfahren in Frage: verschiedene Bakterien koennen Nitrat unter aneroben Bedingungen zu N2 reduzieren, das als Gas entweicht (Denitifikation); Ammonium kann von sog. Nitrifikanten zu Nitrat unter aeroben Verhaeltnissen oxidiert werden, das dann anschliessend (wie o. erwaehnt) zu N2 reduziert werden kann. - Ziel des Projektes ist es, diese Prozesse mit belasteten Abwaessern unter Verwendung besonders geeigneter Bakterien zu untersuchen. Dabei sollen die einzelnen Parameter zunaechst im Labormasstab (und zwar im kontinuierlichen Betrieb) ermittelt werden. Fuer die Denitrifikation sollen Thiobacillen eingesetzt werden, deren Verwendung besonders praktisch und oekonomisch ist, da sie keine organische C-Quelle benoetigen.

Freisetzung von Stickstoffmonoxid von Gebaeudeoberflaechen in die Atmosphaere

Natursteinmaterial gibt aus der verwitterten Oberflaeche von Gebaeuden Stickstoffmonoxid-N mit Raten von 0.42 bis 4.2 ng/(h x g), trotz deren hohen Feuchtegehalte, ph-Wertes und Gehaltes an Ammonium, Nitrit und Nitrat, ab. Die Netto-Abgaberaten) von NO sind unabhaengig von dem NO-Anteil in der Umgebungsatmosphaere bis zu einem Wert von 1 ppm NO. Die Aufnahme von NO2 erfolgte bei allen untersuchten Natursteinen, NO wurde hingegen nur bei einer von fuenf Natursteinarten aufgenommen. Die NO-Abgaberaten waren an der Steinoberflaeche am hoechsten und nahmen stark bis zu einer Tiefe von mehr als 1 cm ab. Die NO-Abgabe wurde bis mehr als 3 Monate nach der Probenentnahme von den Gebaeuden beobachtet. NO entsteht hauptsaechlich durch biogene Oxidation des Ammoniums zu Nitrat an der Gesteinsoberflaeche, vermutlich durch endolithische nitrifizierende Bakterien. Die chemische Zersetzung von Nitrit zu NO und NO2 wurde nur unter sauren Bedingungen beobachtet.

Minderung von Lachgasemissionen aus gemüsebaulich genutzten Böden durch Optimierung des Nacherntemanagements

Zielsetzung: Distickstoffmonoxid (N2O), allgemein bekannt unter dem Trivialnamen Lachgas, zählt neben Kohlenstoffdioxid (CO2) und Methan (CH4) zu den Spurengasen in der Atmosphäre, die maßgeblich zu den anthropogen bedingten Klimaveränderungen beitragen. Eine Hauptquelle für das Lachgas stellen landwirtschaftlich und gartenbaulich genutzte Böden dar. Im Zuge der Applikation von stickstoffhaltigen organischen und mineralischen Düngern werden mikrobielle Umsetzungen forciert, die zur N2O-Bildung führen. In dem geplanten Projekt soll ein neuer Ansatz zur Reduktion von Lachgasemissionen im Freilandgemüsebau entwickelt werden. Nach der Einarbeitung von leicht zersetzbaren Ernterückständen wird Lachgas mit besonders hoher Rate aus Böden freigesetzt. Ziel ist es, diese unerwünschten N-Abflüsse durch eine Optimierung des Nacherntemanagements zu minimieren. Mögliche Ansatzpunkte hierfür liegen in der Anwendung von Nitrifikationsinhibitoren, der Einarbeitungstechnik und in dem Einarbeitungstermin der Ernterückstände. Die vorgesehenen Maßnahmen sollen gleichzeitig auch zu einer Verringerung weiterer Stickstoffverluste durch Denitrifikation und Auswaschung von Nitrat beitragen. Insgesamt wird das Ziel verfolgt, die Stickstoffeffizienz bei der Erzeugung von Gemüse im Freiland zu erhöhen und damit die ökologische und ökonomische Nachhaltigkeit der Anbauprozesse zu verbessern.

Spezielle Untersuchungen zum Sauerstoffhaushalt von Fliessgewaessern

Einzelfragen des Sauerstoffhaushalts von Fliessgewaessern werden untersucht, um die Grundlagen fuer wasserwirtschaftliche Berechnungen zu verbessern. Schwerpunkte: der Einfluss der Primaerproduktion auf den Stoffhaushalt. Der Einfluss der Nitrifikation auf den Stoffhaushalt. Beteiligung der Gewaessersohle am Stoffhaushalt. Sauerstoffhaushalt von Altarmen.

Linking nutrient cycles, land use and biodiversity along an elevation gradient on Mt. Kilimanjaro

To understand impacts of climate and land use changes on biodiversity and accompanying ecosystem stability and services at the Mt. Kilimanjaro, detailed understanding and description of the current biotic and abiotic controls on ecosystem C and nutrient fluxes are needed. Therefore, cycles of main nutrients and typomorph elements (C, N, P, K, Ca, Mg, S, Si) will be quantitatively described on pedon and stand level scale depending on climate (altitude gradient) and land use (natural vs. agricultural ecosystems). Total and available pools of the elements will be quantified in litter and soils for 6 dominant (agro)ecosystems and related to soil greenhouse gas emissions (CO2, N2O, CH4). 13C and 15N tracers will be used at small plots for exact quantification of C and N fluxes by decomposition of plant residues (SP7), mineralization, nitrification, denitrification and incorporation into soil organic matter pools with various stability. 13C compound-specific isotope analyses in microbial biomarkers (13C-PLFA) will evaluate the changes of key biota as dependent on climate and land use. Greenhouse gas (GHG) emissions and leaching losses of nutrients from the (agro)ecosystems and the increase of the losses by conversion of natural ecosystems to agriculture will be evaluated and linked with changing vegetation diversity (SP4), vegetation biomass (SP2), decomposers community (SP7) and plant functional traits (SP5). Nutrient pools, turnover and fluxes will be linked with water cycle (SP2), CO2 and H2O vegetation exchange (SP2) allowing to describe ecosystem specific nutrient and water characteristics including the derivation of full GHG balances. Based on 60 plots screening stand level scale biogeochemical models will be tested, adapted and applied for simulation of key ecosystem processes along climate (SP1) and land use gradients.

Nebenwirkungen von Pflanzenschutzmitteln auf Stickstoffumsetzungen im Boden und die Stickstoffversorgung von Pflanzen

Es wird die Beeinflussung von Nitrifikationsvorgaengen durch die Anwendung von Pflanzenschutzmitteln geprueft und die Auswirkung auf die Naehrstoffversorgung von Pflanzen sowie deren Entwicklung verfolgt.

Optimierung und Steuerung eines Fermentationssystems mit sequentieller Prozessfuehrung, dargestellt am System Ammonifikation-Nitrifikation

Voraussetzung fuer eine sequentielle Prozessfuehrung ist die genaue Kenntnis der reaktionskinetischen Daten fuer die einzelnen biologischen Systeme. Sie bilden die Grundlage fuer die Bemessung, Optimierung und Steuerung der Verfahrenselemente. Ausschlaggebend fuer die Wahl der Reaktortypen ist die Aufrechterhaltung optimaler Umweltbedingungen (z.B. pH-O2-Konzentration) sowie die Erhaltung einer moeglichst grossen Organismenmenge im System. Fuer die Nitrifikation sind Ruehrkessel-, Festbett- und Wirbelschichtreaktor die zu untersuchenden Alternativen. Die Loesung dieses Problems wird als Beitrag zur Leistungssteigerung von Klaeranlagen sowie zur Entwicklung einer Hochleistungsnitrifikation fuer Industrieabwaesser verstanden.

Modellierung des Einflusses von Pflanzenrückständen, flüssigorganischer Düngung und zugehöriger Applikationstechnik auf N2O und N2-Emissionen aus landwirtschaftlichen Böden

Die Düngung von Ackerböden mit Gülle und die Einarbeitung von Ernterückständen beeinflussen gasförmige N-Verluste in die Atmosphäre einschließlich NO, N2O und N2 sowie die Nitratauswaschung. Ihr Ausmaß hängt von der komplexen Wechselwirkung zwischen Techniken zur Bewirtschaftung von Gülle und Ernterückständen sowie von den Eigenschaften dieser Substrate und des Bodens ab. Die erste Phase von MOFANE befasste sich mit der allgemeinen Frage, wie sich die Gülledüngung und ihre Ausbringungsweise auf die N2O- und N2-Flüsse aus landwirtschaftlichen Böden auswirken, wie ihre Optimierung Emissionen verringern und gleichzeitig die Ernteerträge erhalten können und wie die Modelle verbessert werden müssten, um Antworten zu finden. Wir haben dies durch gezielte Experimente zur Quantifizierung von N2-, N2O- und NO-Flüssen sowie von Bruttomineralisierungs- und Nitrifikationsraten von Boden-Gülle-Systemen unter kontrollierten Bedingungen bearbeitet und die Ergebnisse zur Bewertung und Verbesserung von Modellen verwendet. Hier beantragen wir ein Follow-up mit dem Ziel, die Auswirkungen von Pflanzenrückständen auf die Denitrifikationsdynamik in unsere Modelle einzubeziehen und die Porenstruktur sowie die Verteilung von Gülle und Ernterückständen zu quantifizieren, um verbesserte Eingangsdaten für das Modell zu liefern. Aufbauend auf der ersten Phase quantifizieren wir nun Hotspots, die durch die Ausbringung von organischem Dünger entstehen mit einer Kombination aus Röntgen-CT und O2-Mikrosensoren in Experimenten mit strukturiertem Boden. Während in der ersten Phase der Fokus nur auf Gülle lag, werden wir auch die Einarbeitung von Pflanzenresten untersuchen. Unser Arbeitsprogramm umfasst folgende Aufgaben. - Untersuchung der Denitrifikation in strukturierten Böden unter realistischen Bedingungen mit 1) verschiedenen organischen Substraten, nämlich Gülle und Pflanzenresten und 2) unterschiedlicher Ausbringung, eingearbeitet durch Pflügen (konventionelle Bodenbearbeitung) und mit einem Grubber (reduzierte Bodenbearbeitung) - Reduzierung der strukturellen Komplexität von natürlichen, ungestörten Böden auf eine begrenzte Anzahl von aussagekräftigen Größen, die durch Röntgen-CT abgeleitet werden, was in Modellparameter übersetzt werden kann, die 1) den Hotspot, den Boden und seine Grenzschicht und 2) die Verteilung der Hotspots beschreiben. - Explorative Modellentwicklung zur Beschreibung von Hot-Spot-Effekten der Einarbeitung von Gülle und Ernterückständen durch konventionelle und reduzierte Bodenbearbeitung auf die Denitrifikation, einschließlich der weiteren Verbesserung und Entwicklung des DyMaN-Submoduls, das ursprünglich zur Modellierung von räumlichen Gülleeffekten konzipiert wurde, um auch Hot-Spot-Effekte von Pflanzenrückständen abzudecken. - Implementierung von Modellansätzen, die räumliche Effekte auf den C- und N-Kreislauf beschreiben, in das biogeochemische Modell DNDCv.CAN. Modellvalidierung des integrierten Modells entlang bestehender Datensätze

Spezielle Untersuchungen zum Sauerstoffhaushalt

Als Grundlage fuer die Beurteilung der Auswirkung wasserbaulicher und wasserguetewirtschaftlicher Massnahmen auf den Sauerstoffhaushalt von Fliessgewaessern werden untersucht: A: Der Einfluss der Primaerproduktion auf den Stoffhaushalt; B: Einfluss des Zooplankton auf den Stoffhaushalt; C: Beteiligung der Gewaessersohle am Stoffhaushalt; D: Einfluss der Nitrifikation auf den Stoffhaushalt. Durch Untersuchungen im Rahmen von Flussbereisungen und durch spezielle Laborexperimente werden die Wissensluecken nach und nach geschlossen.

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