University, Diss., 2003--Frankfurt (Main).

Techn. University, Diss., 2004--Berlin.

Die Entwicklung eines Emissionsmoduls für primäres marines Aerosol (PMA; bestehend aus Meersalz und organischem Material) war Hauptgegenstand der vorliegenden Arbeit. Dieses wurde in das Chemie-Transportmodell „COSMO-MUSCAT“ eingebaut und löste dort das vorherige einfach gehaltene Modul (nur Meersalz) ab, welches entsprechend früherer Studien zu hohe Meersalzkonzentrationen berechnete. Das neue Emissionsmodul wurde umfangreich getestet und gegen die Messdaten von verschiedenen Stationen in Europa, einem Bernerimpaktor auf São Vicente (Kap Verden) und einem Aerosolmassenspektrometer sowie einem Digitelfilter während der Fahrt ANT-XXVII/4 des Forschungsschiffes Polarstern validiert. Bei den Untersuchungen kristallisierte sich die Emissionsparametrisierung von Long et al. (2011) als die am Besten geeignete für COSMO-MUSCAT heraus. Weiterhin wurde der Einfluss der Wassertemperatur an der Meeresoberfläche auf die PMA-Emission untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass dieser Effekt insbesondere für größere Aerosolpartikel (2,5 µm < Dp) relevant ist. Die Nichtbeachtung der Temperaturkorrektur würde in diesem Größenbereich zu einer Überschätzung der Emissionsflüsse und folgend der Konzentration von PMA über kalten Gewässern führen. Beim erstmaligen Vergleich verschiedener Funktionen zur Beachtung des Temperatureffektes erzielte die Funktion von Sofiev et al. (2011) die besten Ergebnisse. Als weitere Neuerung wurde das mit dem PMA emittierte organische Material in das Emissionsmodul eingebaut. Auch hierfür erfolgten Vergleichsstudien verschiedener Parametrisierungen und Ansätze. Allerdings standen nur unzureichende Messungen zur Verfügung, da sie keine Aufteilung in primäres (mit PMA emittiert) und sekundäres (in Gasphase gebildet) organisches Material lieferten. Daher war eine Aussage zur Güte der Funktionen kaum möglich. Die Simulationen zeigten jedoch die Bedeutung der verschiedenen Ansätze zur Berechnung der Emissionsflüsse von organischem Material. So kann bspw. der Einfluss der Emissionsfunktion den Einfluss der Parametrisierung zur Aufteilung in Meersalz und organisches Material deutlich übersteigen. Letztlich bleibt die Frage der richtigen Eingangsdaten für die Emission von primärem organischen Material offen. Es zeigte sich, dass die Abhängigkeit der Anreicherung von organischem Material im PMA von der Chlorophyll a-Konzentration im Oberflächenwasser nicht zwingend gegeben sein muss. Daher ist es notwendig sie in der Berechnung der Emissionsflüsse durch weitere/andere Parameter zu ergänzen/ersetzen. Dies ist Gegenstand eines neuen Forschungsprojektes, bei dem das neue Emissionsmodul angewendet und weiterentwickelt wird.

Geosorption processes play an important role as retardation mechanism in subsurface transport of organic water constituents. Geosorption behaviour of Ionisable Hydrophobic Organic compounds (IHOCs) especially influence of dissolved natural organic materials on their sorption coefficients is poorly investigated. In this study influence of pH and NOM on the sorption of three different phenols (2-methyl-4,6-dinitrophenol, 2,4,6-trichlorophenol and pentachlorophenol) on a natural sandy aquifer material collected from a bank filtration site was studied in flow through column experiments. In first step the sorption coefficients of investigated phenols from NOM-free solutions with different pH values were determined. Single as well as multi (mixed) solutes experiments confirmed that there was no competition effect among the phenols investigated. An increasing sorption/retardation was observed with decreasing pH. A linear model was used to resolve the apparent sorption coefficient into an ionised species and neutral species component. This model allows a prediction of apparent sorption coefficients for any pH value. Analysis of data also revealed that the anion of 2-M-4,6-DNP show no significant sorption and a simple model based on the neutral form sorption coefficient was useful in predicting the apparent sorption coefficient over the entire pH range investigated. For 2,4,6-TCP and PCP, the anion sorption is much lower than that of the neutral species but cannot be neglected completely. For PCP, the anion sorption is even as high as the sorption of neutral 2,4,6-TCP. Thus for such hydrophobic phenols prediction of sorption based only on the partitioning of non-dissociated species may lead to an error, especially at high pH values (&amp;gt; pKa), where ionised form is present predominantly. On the other hand prediction of sorption based on the partitioning of non-dissociated species is useful at pH &amp;lt; pKa or in cases where the anion sorption can be neglected. The advantage of this prediction is that it allows predicting the pH-dependent sorption only on the basis of LFER correlations. It was shown that the organic carbon normalized sorption coefficients of the neutral forms of the phenols can be predicted better by solubility based regression correlations than by n-octanol-water partition coefficient based correlations. In second step the apparent sorption coefficients of investigated phenols from NOM-containing solutions (mixed solution of phenols dissolved in natural river water) with different pH values were determined; the sorption coefficients obtained from this step were compared with the results of the first step examinations. Analysis of data revealed that binding of 2-M-4,6-DNP by dissolved humic substances (DHS) reduces the sorption coefficient significantly. In contrast to it, the sorption of the more hydrophobic chlorinated phenols was not affected by DHS. A strong reduction of sorption onto aquifer material caused by complex formation with DHS was also observed for a second nitrophenol (2,4-DNP) and seems to be typically for nitrophenols. A combined sorption and complex formation model was proposed which could be used successfully to describe the effect of pH and NOM concentration on sorption reduction and to estimate binding constants. The binding constant found for 2-M-4,6-DNP is much higher than those reported by Ohlenbusch and Frimmel, 2001, for chlorophenols associated with Aldrich humic acid. This can be interpreted as a result of specific interactions between the nitrophenol and DHS. This phenomenon may cause an increase of the amount of nitrophenols, which can be transported with the groundwater flow and has to be considered in transport modelling, especially in cases where pH is lower than pKa. The models developed here are a useful tool to describe the influence of pH and NOM on geosorption processes and to estimate the Kd values which have to be used in transport models.

Die Entwicklung eines Emissionsmoduls für primäres marines Aerosol (PMA; bestehend aus Meersalz und organischem Material) war Hauptgegenstand der vorliegenden Arbeit. Dieses wurde in das Chemie-Transportmodell „COSMO-MUSCAT“ eingebaut und löste dort das vorherige einfach gehaltene Modul (nur Meersalz) ab, welches entsprechend früherer Studien zu hohe Meersalzkonzentrationen berechnete. Das neue Emissionsmodul wurde umfangreich getestet und gegen die Messdaten von verschiedenen Stationen in Europa, einem Bernerimpaktor auf São Vicente (Kap Verden) und einem Aerosolmassenspektrometer sowie einem Digitelfilter während der Fahrt ANT-XXVII/4 des Forschungsschiffes Polarstern validiert. Bei den Untersuchungen kristallisierte sich die Emissionsparametrisierung von Long et al. (2011) als die am Besten geeignete für COSMO-MUSCAT heraus. Weiterhin wurde der Einfluss der Wassertemperatur an der Meeresoberfläche auf die PMA-Emission untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass dieser Effekt insbesondere für größere Aerosolpartikel (2,5 µm < Dp) relevant ist. Die Nichtbeachtung der Temperaturkorrektur würde in diesem Größenbereich zu einer Überschätzung der Emissionsflüsse und folgend der Konzentration von PMA über kalten Gewässern führen. Beim erstmaligen Vergleich verschiedener Funktionen zur Beachtung des Temperatureffektes erzielte die Funktion von Sofiev et al. (2011) die besten Ergebnisse. Als weitere Neuerung wurde das mit dem PMA emittierte organische Material in das Emissionsmodul eingebaut. Auch hierfür erfolgten Vergleichsstudien verschiedener Parametrisierungen und Ansätze. Allerdings standen nur unzureichende Messungen zur Verfügung, da sie keine Aufteilung in primäres (mit PMA emittiert) und sekundäres (in Gasphase gebildet) organisches Material lieferten. Daher war eine Aussage zur Güte der Funktionen kaum möglich. Die Simulationen zeigten jedoch die Bedeutung der verschiedenen Ansätze zur Berechnung der Emissionsflüsse von organischem Material. So kann bspw. der Einfluss der Emissionsfunktion den Einfluss der Parametrisierung zur Aufteilung in Meersalz und organisches Material deutlich übersteigen. Letztlich bleibt die Frage der richtigen Eingangsdaten für die Emission von primärem organischen Material offen. Es zeigte sich, dass die Abhängigkeit der Anreicherung von organischem Material im PMA von der Chlorophyll a-Konzentration im Oberflächenwasser nicht zwingend gegeben sein muss. Daher ist es notwendig sie in der Berechnung der Emissionsflüsse durch weitere/andere Parameter zu ergänzen/ersetzen. Dies ist Gegenstand eines neuen Forschungsprojektes, bei dem das neue Emissionsmodul angewendet und weiterentwickelt wird.

Die Broschüre gibt einen Sachstand aus dem Jahr 2019 zum Einsatz von Transfermulch im sächsischen Ökolandbau basierend auf einer telefonischen Befragung von 200 Ökobetrieben. Die Befragung zeigte, dass vor allem gärtnerische Betriebe pflanzliches Mulchmaterial als Bodenbedeckung und Düngung schon länger nutzen, obwohl auch für sie die trockenen Jahre 2018 und 2019 eine Herausforderung war, ausreichend Mulchmaterial in guter Qualität zu produzieren. Auch wenn einige Betriebe vor dem Arbeitsaufwand zurückschrecken oder es ihnen an geeigneter Technik für das System fehlt, so besteht bei sächsischen Ökobetrieben dennoch ein großes Interesse am Thema Transfermulch. Die Veröffentlichung richtet sich an praktizierende Landwirte, Berater und Verbände. Redaktionsschluss: 04.11.2020

Geosorption processes play an important role as retardation mechanism in subsurface transport of organic water constituents. Geosorption behaviour of Ionisable Hydrophobic Organic compounds (IHOCs) especially influence of dissolved natural organic materials on their sorption coefficients is poorly investigated. In this study influence of pH and NOM on the sorption of three different phenols (2-methyl-4,6-dinitrophenol, 2,4,6-trichlorophenol and pentachlorophenol) on a natural sandy aquifer material collected from a bank filtration site was studied in flow through column experiments. In first step the sorption coefficients of investigated phenols from NOM-free solutions with different pH values were determined. Single as well as multi (mixed) solutes experiments confirmed that there was no competition effect among the phenols investigated. An increasing sorption/retardation was observed with decreasing pH. A linear model was used to resolve the apparent sorption coefficient into an ionised species and neutral species component. This model allows a prediction of apparent sorption coefficients for any pH value. Analysis of data also revealed that the anion of 2-M-4,6-DNP show no significant sorption and a simple model based on the neutral form sorption coefficient was useful in predicting the apparent sorption coefficient over the entire pH range investigated. For 2,4,6-TCP and PCP, the anion sorption is much lower than that of the neutral species but cannot be neglected completely. For PCP, the anion sorption is even as high as the sorption of neutral 2,4,6-TCP. Thus for such hydrophobic phenols prediction of sorption based only on the partitioning of non-dissociated species may lead to an error, especially at high pH values (&amp;gt; pKa), where ionised form is present predominantly. On the other hand prediction of sorption based on the partitioning of non-dissociated species is useful at pH &amp;lt; pKa or in cases where the anion sorption can be neglected. The advantage of this prediction is that it allows predicting the pH-dependent sorption only on the basis of LFER correlations. It was shown that the organic carbon normalized sorption coefficients of the neutral forms of the phenols can be predicted better by solubility based regression correlations than by n-octanol-water partition coefficient based correlations. In second step the apparent sorption coefficients of investigated phenols from NOM-containing solutions (mixed solution of phenols dissolved in natural river water) with different pH values were determined; the sorption coefficients obtained from this step were compared with the results of the first step examinations. Analysis of data revealed that binding of 2-M-4,6-DNP by dissolved humic substances (DHS) reduces the sorption coefficient significantly. In contrast to it, the sorption of the more hydrophobic chlorinated phenols was not affected by DHS. A strong reduction of sorption onto aquifer material caused by complex formation with DHS was also observed for a second nitrophenol (2,4-DNP) and seems to be typically for nitrophenols. A combined sorption and complex formation model was proposed which could be used successfully to describe the effect of pH and NOM concentration on sorption reduction and to estimate binding constants. The binding constant found for 2-M-4,6-DNP is much higher than those reported by Ohlenbusch and Frimmel, 2001, for chlorophenols associated with Aldrich humic acid. This can be interpreted as a result of specific interactions between the nitrophenol and DHS. This phenomenon may cause an increase of the amount of nitrophenols, which can be transported with the groundwater flow and has to be considered in transport modelling, especially in cases where pH is lower than pKa. The models developed here are a useful tool to describe the influence of pH and NOM on geosorption processes and to estimate the Kd values which have to be used in transport models.

Zur Entfernung von anthropogenen organischen Spurenstoffen werden bei der Wasseraufbereitung sehr oft Aktivkohle-Festbettadsorber eingesetzt. Dabei konkurrieren die organischen Einzelstoffe während des Adsorptionsprozesses mit dem adsorbierbaren Anteil der natürlichen Wasserinhaltsstoffe um die aktiven Zentren der Aktivkohle. Durch dieses Konkurrenzverhalten ist es sehr schwierig, für einen zu untersuchenden organischen Einzelstoff seine Entfernbarkeit mittels Aktivkohle abzuschätzen. Gleichzeitig werden der Liste der aus dem Wasser zu entfernenden Substanzen ständig neue Stoffe hinzugefügt. Deshalb wäre es wünschenswert, eine schnelle, einfache und kostengünstige Methode zu haben, mit der unter wasserwerksnahen Bedingungen die Entfernbarkeit eines organischen Einzelstoffs bei der Aktivkohlefiltration in einem Großfilter bestimmt werden kann. Da die bisher entwickelten Methoden nicht in der Lage sind, all diese Vorgaben zu erfüllen, sollte im Rahmen dieser Arbeit eine neue Methode zur Beurteilung der Entfernbarkeit organischer Einzelstoffe mittels Aktivkohlefiltration entwickelt werden. Es wurde ein Aktivkohle-Kleinfiltertest konzipiert und aufgebaut, der eine Einstufung von organischen Substanzen, die auf den Rückhaltepotenzialen von Aktivkohlefiltern basiert, ermöglichen soll. Um die Einstufung nach Sontheimer in trinkwasserrelevante und nicht-trinkwasserrelevante Substanzen vornehmen zu können, wurde ein spezielles Bewertungskonzept entwickelt, das auf die Aktivkohle-Kleinfiltertest-Durchbruchskurven der verschiedenen organischen Einzelstoffe angewendet werden kann. Da der Kleinfiltertest einfach und kostengünstig durchzuführen sein sollte, wurde bei der Auslegung des gesamten Versuchaufbaus darauf geachtet, dass nur Zukaufteile oder Teile verwendet wurden, die sich aus Glas fertigen ließen. Die Versuchsparameter wurden so gewählt, dass die Versuchsvorbereitung und -durchführung nicht zu zeit- und arbeitsintensiv ist. Als Standard für die Versuchsdurchführung wurde eine handelsübliche und in der Wasseraufbereitung weitverbreitete Kohlesorte (F 300) und als Matrix Leitungswasser verwendet. Die Filterzulaufkonzentration des organischen Einzelstoffs wurde auf 500 µg/l festgelegt. Durch verschiedene Vorversuche konnte gezeigt werden, dass der Aktivkohle-Kleinfilter die kinetischen Vorgaben erfüllt und es zu keinen unerwünschten Effekten wie Kanalbildung oder Randeinflüssen kommt. Die Validierung der neu entwickelten Versuchsmethode ergab, dass die Kleinfilter-Durchbruchskurven von Substanzen, deren Entfernbarkeit in Aktivkohlefiltern von Wasserwerken bekannt ist (1,1,1-Trichlorethan, EDTA, Trichlorethen, Atrazin, Isoproturon), plausibel sind. Die Durchbruchsreihenfolge und der Durchbruchsbeginn der einzelnen Substanzen im Kleinfilter waren identisch mit denen in einem Großfilter. Zudem war die Trennschärfe des Kleinfilters für die schlecht (1,1,1-Trichlorethan und EDTA), mäßig (Trichlorethen) und gut (Atrazin und Isoproturon) zu entfernenden Substanzen ausreichend, so dass eine Einstufung in Entfernbarkeitsklassen ohne Probleme vorgenommen werden konnte. Um die organischen Einzelstoffe aufgrund der mit dem Kleinfiltertest aufgenommenen Durchbruchskurven einstufen zu können, musste ein Kriterium für die Trinkwasserrelevanz nach Sontheimer gefunden werden, das sich direkt aus den Durchbruchskurven ableiten lässt. Es bot sich an, eine bestimmte Ablaufkonzentration, die nach einer bestimmten Versuchslaufzeit erreicht wird, als Kriterium festzulegen. Durch die Durchbruchskurven der Stoffe, die bei der Validierung des Kleinfiltertests zum Einsatz kamen, wurde das Kriterium bei einem 10%igen Durchbruch nach 15000 BVT festgelegt. Mit Hilfe des Bewertungskonzepts wurden verschiedene organische Einzelstoffe, deren Entfernbarkeit in einem Wasserwerks-Aktivkohleadsorber nicht oder nur unzureichend bekannt war, anhand der jeweiligen Kleinfilter-Durchbruchskurven eingestuft (MTBE, ETBE, Amidotrizoesäure, Iopamidol).

Zur Entfernung von anthropogenen organischen Spurenstoffen werden bei der Wasseraufbereitung sehr oft Aktivkohle-Festbettadsorber eingesetzt. Dabei konkurrieren die organischen Einzelstoffe während des Adsorptionsprozesses mit dem adsorbierbaren Anteil der natürlichen Wasserinhaltsstoffe um die aktiven Zentren der Aktivkohle. Durch dieses Konkurrenzverhalten ist es sehr schwierig, für einen zu untersuchenden organischen Einzelstoff seine Entfernbarkeit mittels Aktivkohle abzuschätzen. Gleichzeitig werden der Liste der aus dem Wasser zu entfernenden Substanzen ständig neue Stoffe hinzugefügt. Deshalb wäre es wünschenswert, eine schnelle, einfache und kostengünstige Methode zu haben, mit der unter wasserwerksnahen Bedingungen die Entfernbarkeit eines organischen Einzelstoffs bei der Aktivkohlefiltration in einem Großfilter bestimmt werden kann. Da die bisher entwickelten Methoden nicht in der Lage sind, all diese Vorgaben zu erfüllen, sollte im Rahmen dieser Arbeit eine neue Methode zur Beurteilung der Entfernbarkeit organischer Einzelstoffe mittels Aktivkohlefiltration entwickelt werden. Es wurde ein Aktivkohle-Kleinfiltertest konzipiert und aufgebaut, der eine Einstufung von organischen Substanzen, die auf den Rückhaltepotenzialen von Aktivkohlefiltern basiert, ermöglichen soll. Um die Einstufung nach Sontheimer in trinkwasserrelevante und nicht-trinkwasserrelevante Substanzen vornehmen zu können, wurde ein spezielles Bewertungskonzept entwickelt, das auf die Aktivkohle-Kleinfiltertest-Durchbruchskurven der verschiedenen organischen Einzelstoffe angewendet werden kann. Da der Kleinfiltertest einfach und kostengünstig durchzuführen sein sollte, wurde bei der Auslegung des gesamten Versuchaufbaus darauf geachtet, dass nur Zukaufteile oder Teile verwendet wurden, die sich aus Glas fertigen ließen. Die Versuchsparameter wurden so gewählt, dass die Versuchsvorbereitung und -durchführung nicht zu zeit- und arbeitsintensiv ist. Als Standard für die Versuchsdurchführung wurde eine handelsübliche und in der Wasseraufbereitung weitverbreitete Kohlesorte (F 300) und als Matrix Leitungswasser verwendet. Die Filterzulaufkonzentration des organischen Einzelstoffs wurde auf 500 µg/l festgelegt. Durch verschiedene Vorversuche konnte gezeigt werden, dass der Aktivkohle-Kleinfilter die kinetischen Vorgaben erfüllt und es zu keinen unerwünschten Effekten wie Kanalbildung oder Randeinflüssen kommt. Die Validierung der neu entwickelten Versuchsmethode ergab, dass die Kleinfilter-Durchbruchskurven von Substanzen, deren Entfernbarkeit in Aktivkohlefiltern von Wasserwerken bekannt ist (1,1,1-Trichlorethan, EDTA, Trichlorethen, Atrazin, Isoproturon), plausibel sind. Die Durchbruchsreihenfolge und der Durchbruchsbeginn der einzelnen Substanzen im Kleinfilter waren identisch mit denen in einem Großfilter. Zudem war die Trennschärfe des Kleinfilters für die schlecht (1,1,1-Trichlorethan und EDTA), mäßig (Trichlorethen) und gut (Atrazin und Isoproturon) zu entfernenden Substanzen ausreichend, so dass eine Einstufung in Entfernbarkeitsklassen ohne Probleme vorgenommen werden konnte. Um die organischen Einzelstoffe aufgrund der mit dem Kleinfiltertest aufgenommenen Durchbruchskurven einstufen zu können, musste ein Kriterium für die Trinkwasserrelevanz nach Sontheimer gefunden werden, das sich direkt aus den Durchbruchskurven ableiten lässt. Es bot sich an, eine bestimmte Ablaufkonzentration, die nach einer bestimmten Versuchslaufzeit erreicht wird, als Kriterium festzulegen. Durch die Durchbruchskurven der Stoffe, die bei der Validierung des Kleinfiltertests zum Einsatz kamen, wurde das Kriterium bei einem 10%igen Durchbruch nach 15000 BVT festgelegt. Mit Hilfe des Bewertungskonzepts wurden verschiedene organische Einzelstoffe, deren Entfernbarkeit in einem Wasserwerks-Aktivkohleadsorber nicht oder nur unzureichend bekannt war, anhand der jeweiligen Kleinfilter-Durchbruchskurven eingestuft (MTBE, ETBE, Amidotrizoesäure, Iopamidol).