Einsatz der Saugkerzentechnik zur Bodenwassergewinnung aus reduzierten Horizonten

Diplomarbeit von René Schwartz

Einleitung:

Wasser bildet die Grundlage allen Lebens auf der Erde. Es ist für den geregelten Ablauf der Lebensvorgänge unentbehrlich, da sich die physiologisch-chemischen Prozesse überwiegend in wässrigen Lösungen abspielen. Innerhalb seines Kreislaufes passiert das Wasser auch den Boden, wo es (je nach Sättigungsgrad) den Porenraum ausfüllt. Dieses Bodenwasser enthält sowohl Nähr- als auch Schadstoffe, welche mit dem Sickerwasser bis ins Grundwasser gelangen können. Seine Beschaffenheit wird dabei maßgeblich durch die Bodenpassage geprägt. Daher sind Kenntnisse der Stoffumsetzungen im Boden in Abhängigkeit von Bearbeitung, Nutzung und Düngung sowie anderen Umwelteinflüssen in der Ökosystemforschung von entscheidender Bedeutung.

Seit Briggs und McCall (1904) keramische Kerzen als ‚artificial root’ einsetzten, um die Wasserzusammensetzung und -verfügbarkeit für die Pflanzen zu untersuchen, werden poröse Materialien zur Gewinnung der Bodenlösung eingesetzt. Saugkerzen haben gegenüber anderen Methoden der Bodenwassergewinnung (z.B. Zentrifugieren einer Bodenprobe) den Vorteil, dass sie beim Einbau das Bodengefüge nur wenig verändern und somit eine Mehrfachbeprobung ermöglichen. Sie können sowohl in der ungesättigten als auch gesättigten Bodenzone eingesetzt werden und schaffen die Voraussetzung zur Beprobung einzelner Bodenschichten.

Die vorliegende Diplomarbeit beschäftigt sich mit dem Einsatz von Saugkerzen im wassergesättigten Bereich gering durchlässiger Bodenschichten. Unter diesen Bedingungen ist die Entnahme von Wasserproben mit konventionellen Brunnen wegen des begrenzten Nachflusses nur schwer möglich. Erst mit der Saugkerzentechnik können Wässer kontinuierlich und störungsarm entnommen werden. Es tritt dabei allerdings das Problem der Ausfällung von Stoffen in der Saugkerzenanlage auf. Rein physikalisch führen diese Ablagerungen zu verringerten Saugleistungen, aber vor allem kommt es zu einer Veränderung der Ionenkonzentration in der Probe gegenüber der Bodenlösung.

Ziel der Arbeit ist es, anhand von ausgewählten Förderschläuchen aus bereits betriebenen Anlagen die Ablagerungen in den Schläuchen durch eine Säurespülung zu lösen und ihre chemische Zusammensetzung zu analysieren. Die so ermittelten Ionenfrachten der gelösten Ablagerungen werden mit den Ionenfrachten der zugehörigen Wässer verglichen und die auftretenden Ausfällungsmechanismen der untersuchten Elemente geklärt. Basierend auf diesen Daten werden unterschiedliche Saugkerzenvarianten (Kerzentyp, Förderschlauch, Vorratsbehälter), die eine Verringerung der Ablagerungsrate bewirken, konstruiert und in einem Lysimeterversuch auf ihre Tauglichkeit geprüft.

Inhaltsverzeichnis:

1.	Einleitung	1
2.	Fehlerquellen beim Einsatz von Saugkerzen	2
3.	Material und Methoden	5
3.1	Analyseverfahren	15
3.2	Abbau der Anlage und Gewinnung der Schlauchextrakte	16
3.3	Fremddaten	17
4.	Darstellung der Ausfällung einzelner Elemente	17
4.1	Natrium	19
4.2	Kalium	25
4.3	Magnesium	29
4.4	Calcium	34
4.5	Mangan	39
4.6	Eisen	44
4.7	Kupfer	54
4.8	Zink	59
4.9	Cadmium	65
4.10	Blei	71
4.11	Arsen	75
4.12	Zusammenfassende Darstellung der untersuchten Elemente	82
5.	Vergleich der chemischen Zusammensetzung: Ausfällung / Lösung	83
6.	Beurteilung der getesteten Saugkerzenvarianten	88
7.	Zusammenfassung	94
8.	Literatur	96
9.	Anhang	102