Wood compost process engineering, properties and its impact on extreme soil characteristics [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Wael Mohamed Abdel-Rahman Nada
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Universität Potsdam Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät Institut für Erd- und Umweltwissenschaften Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften "doctor rerum naturalium" (Dr. rer. nat.) in der Wissenschaftsdisziplin Angewandte Geoökologie eingereicht an der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Potsdam vorgelegt von M.Sc. Wael Mohamed Abdel-Rahman Nada unter der Betreuung von Prof. Dr. habil. Oswald Blumenstein Potsdam, den 21 . 02 . 2011 Germany Gutachter: 1. Prof. Dr. habil. Oswald Blumenstein (Potsdam University, Germany) 2. bil. Ingo Schneider (Potsdam University, Germany) 3. Prof. Dr. Leon van Rensburg (North West University "Potchefstroom Campus", South Africa) Tag der öffentlichen Verteidigung: 21 . 02 . 2011 Published online at the Institutional Repository of the University of Potsdam: URL http://opus.kobv.de/ubp/volltexte/2011/5104/ URN urn:nbn:de:kobv:517-opus-51046 http://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:517-opus-51046 Acknoledgments i ACKNOWLEDGMENTS First and foremost, I would like to thank my initial major professor and advisor Prof. Dr.

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Publié le 01 janvier 2011
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Langue English
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Universität Potsdam
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät
Institut für Erd- und Umweltwissenschaften



















Dissertation


zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften
"doctor rerum naturalium"
(Dr. rer. nat.)


in der Wissenschaftsdisziplin Angewandte Geoökologie



eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät
der Universität Potsdam




vorgelegt von

M.Sc. Wael Mohamed Abdel-Rahman Nada




unter der Betreuung von

Prof. Dr. habil. Oswald Blumenstein



Potsdam, den 21 . 02 . 2011


Germany


















Gutachter:


1. Prof. Dr. habil. Oswald Blumenstein (Potsdam University, Germany)
2. bil. Ingo Schneider (Potsdam University, Germany)
3. Prof. Dr. Leon van Rensburg (North West University "Potchefstroom Campus", South Africa)






Tag der öffentlichen Verteidigung: 21 . 02 . 2011











Published online at the
Institutional Repository of the University of Potsdam:
URL http://opus.kobv.de/ubp/volltexte/2011/5104/
URN urn:nbn:de:kobv:517-opus-51046
http://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:517-opus-51046 Acknoledgments i
ACKNOWLEDGMENTS

First and foremost, I would like to thank my initial major professor and advisor Prof. Dr. habil
Oswald Blumenstein, professor of Landscape Ecology and Soil Science, in Earth and
Environmental Sciences Institute, Potsdam University, for his guidance, confidence, scientific
advice, continuous support, constructive criticism, encouragement and patience enabled me to
complete this thesis.

Deep thanks extended to staff member of Earth and Environmental sciences institute, Potsdam
University for supporting and providing all facilities needed for this study. In addition, I would
also like to thank Prof. Dr. habil Helmut Elsenbeer for his help, assistance and teaching Data
Analysis course. I am indebted to Prof. Dr. habil Boris Schröder for his teaching Landscape
geoecology course. I can not forget to extend my thanks to Ms Sandra Münzel, Mr Sven Meyer,
Mr Daniel Bazant, Mr Andre Schlegel and Mr Stefan Raschke for their helping and assistance.

This study would not have been possible without the guidance, logistical and financial support of
the following: the Arbeitsgemeinschaft Industrielle Forschung (AIF) Berlin, Ministry for Science
Research and Culture of Federal Stat Brandenburg, Germany. My humble gratitude to my
country, Egypt, which gave me this funded scholarship. I am extremely grateful to the Egyptian
Ministry of High Education for the financial support during my studies in Germany. My undying
thanks also go to the staff members of Egyptian Cultural Office in Berlin, especially educational
missions department for their helping and assistance.

Many thanks are also due to my friends in the Earth and Environmental Sciences Laboratory,
especially, Dr. Heide Kraudelt for her assistance in various aspects of my research and for their
constant support and friendship. Thermal analysis in my study would have been impossible
without the dedicated and generous help of Dr. Alwin Friedrich, chemistry institute. I would also
like to express my thanks to Dr. Heinz Bukowsky, chemistry institute, for his guidance and
helping to measure some chemical analyses.

To all present and former colleagues at the Institute of Earth and Environmental Sciences I am
thankful for providing a very comfortable atmosphere during my time at the institute. A particular
thanks to the technical assistants Hauke Sattler, Andreas Bauer and our secretary Sabine Schrader,
as well as our former secretary Erxleben.

I would like to thank my friends in Germany and Egypt for making me spare time enjoyable and
helping me in ‘recharging batteries’ when it was needed.

Last but not the least, back home, I would like to thank my parents, brother and sister for their
everlasting emotional and guidance throughout my life. In closed, I would like to thank my wife,
my daughters; Fatma and Hagar and my son Mohamed for their patience, Love, helping and
enabled me to finish this work on time.



Potsdam, den 21 . 02 . 2011

Wael Mohamed Nada

Zusammenfassung ii
ZUSAMMENFASSUNG

Entsprechend der Zielstellung wurden zunächst verschiedene Varianten der Kompostierung von
Holzsubstanz getestet, um eine optimale Technologie, die auch für Entwicklungsländer
realisierbar ist, herauszufinden. Hierzu sind in Pflanztöpfe Holzspäne (Woodchips) von zwei
verschieden Holzarten (Laub- und Nadelholz) gefüllt und mit verschiedenen natürlichen
Stickstoffquellen gemischt worden. Diese Ansätze wurden regelmäßig mit Kompostwasser
appliziert. Nach vier Wochen sind zwei verschiedene Wurmarten (Dendrobaena veneta und
Eisenia fetida) hinzugegeben worden. Die Feuchthaltung erfolgte ab diesem Zeitpunkt durch
Frischwasser.

Die qualitativ beste Versuchsvariante ist im nächsten Schritt mit weiteren natürlichen
Stickstoffquellen, die in Entwicklungsländern zur Verfügung gestellt werden könnten, getestet
worden. Von allen Kompostvarianten sind im Labor eine Vielzahl von bodenphysikalischen (z.B.
Dichte, Wasserhaltekapazität) und bodenchemischen Zustandsgrößen (z.B. Elektrische
Leitfähigkeit, Totalgehalte biophiler Elemente, Bodenreaktion, organische Substanzgehalte,
Kationenaustauschkapazität) bestimmt worden.

Die Wiederum qualitativ beste Mischung ist in einer weiteren Versuchsreihe in verschiedenen
Mengenverhältnissen mit tertiärerem Abraumsand des Braunkohlebergbaus gemischt worden. In
diese Versuchsmischungen wurde die Grasmischung RSM 7.2.1 eingesät und regelmäßig
bewässert sowie die Wuchshöhe gemessen. Nach 42 Tagen wurden das Gras geerntet und die
biometrischen Parameter, die Nährstoffgehalte (pflanzenverfügbare Fraktionen), die
Bodenreaktion, die effektive bzw. potentielle Kationenaustauschkapazität sowie die
Pufferkapazitäten der Mischsubstrate bestimmt.

Die nächsten Versuchsvarianten sind als Feldversuche in der Niederlausitz durchgeführt worden.
®Für ihre Realisierung wurde als weiterer Zuschlagsstoff Arkadolith zugemischt. Die Plotflächen
sind sowohl auf Abraumsanden des Tertiärs als auch Quartärs angelegt worden. In jeweils eine
Subvariante ist RSM 7.2.1, in die andere eine autochthone Grasmischung eingesät worden. Diese
Experimente wurden nach 6 Monaten beendet, die Bestimmung aller Parameter erfolgte in
gleicher Weise wie bei den Gewächshausversuchen.
Auf Basis aller Versuchsreihen konnten die besten Kompostqualitäten und ihre optimalen
Herstellungsvarianten ermittelt werden.

Eine weitere Aufgabe war es zu untersuchen, wie im Vergleich zur Verbrennung von Holzmasse
die CO -Emission in die Atmosphäre durch Holzkompostierung verringert werden kann. Hierzu 2
wurde während der verschiedenen Kompostierungsvarianten die CO -Freisetzung gemessen. Im 2
Vergleich dazu ist jeweils die gleiche Masse an Holzsubstanz verbrannt worden. Die Ergebnisse
zeigten, dass im Vergleich zu der thermischen Verwertung von Holsubstanz die CO -Emission bis 2
zu 50 % verringert werden kann. Dem Boden kann darüber hinaus energiereiche organische
Substanz zugeführt werden, die eine Entwicklung der Bodenorganismen ermöglicht.

Ein weiteres Experiment zielte darauf ab, die Stabilität der Holzkomposte zu bestimmen. Darüber
hinaus sollte untersucht werden, ob durch die Zufuhr von pyrogenem Kohlenstoff eine
Vergrößerung der Stabilität zu erreichen ist. Diese Untersuchungen wurden mit Hilfe der
Thermogravimetrie vorgenommen. Alle wichtigen Kompostierungsvarianten sind sowohl mit
verschiedenen Zusatzmengen als auch ohne Zusatz von pyrogenem Kohlenstoff vermessen
worden. Als Vergleichssubstanz diente der Oberboden eines Niedermoorgleys, der naturgemäß
einen relativ hohen Anteil an organischer Substanz aufweist.

Die Ergebnisse zeigten, dass im Bereich niedriger Temperaturen die Wasserbindung im
Naturboden fester ist. In der Fraktion der oxidierbaren organischen Substanz, im mittleren Zusammenfassung iii
Temperaturbereich gemessen, ist die natürliche Bodensubstanz ebenfalls stabiler, was auf eine
intensivere Bindung zwischen den organischen und anorganischen Bestandteilen, also auf
stabilere organisch-mineralische Komplexe, schlussfolgern lässt. Im Bereich höherer
Temperaturen (T> 550° C) waren im Naturboden keine nennenswerten organischen Bestandteile
mehr nachweisbar. Hingegen wiesen die Kompostv

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