Entwicklung eines detaillierten Modells zur prozessbasierten Simulation der Nitrifikation in Gewässern und Einbindung in ein hydrodynamisches Gewässergütemodell

Le, Thi Thu Huyen

Nitrifikation ist ein Zweistufenprozess, der unter geeigneten Bedingungen durch zwei unterschiedliche chemolithotrophe Bakterien hervorgerufen wird. Geeignete Bedingungen sind vor allem ausreichend vorhandener Sauerstoff und geeignete pH-Werte für das Wachstum der Bakterien. Wenn eine der Bedingungen nicht gegeben ist, wird die Nitrifikation gehemmt und kann nicht vollständig stattfinden. Dies kann zu hohen Gehalten an Nitrit bzw. Ammoniak im Gewässer führen und sich toxisch auf die Fauna des Gewässers auswirken. Viele vorhandene Gewässergütemodelle betrachten die Nitrifikation vereinfacht als einstufigen Prozess. Die getrennte Oxidation von Ammonium zu Nitrit und weiter zu Nitrat wird vernachlässigt, ebenso die Abhängigkeit der Nitrifikation von der Bakterienanzahl, dem pH-Wert und der Substratverfügbarkeit. Ziel dieser Arbeit war es, am Beispiel des Tay Ninh Flusses in Vietnam die Hemmung der Nitrifikation zunächst experimentell zu untersuchen, darauf aufbauend umfassende Prozessgleichungen zur Simulation der Nitrifikation zu entwickeln und diese an die Versuchsergebnisse anzupassen. Im Anschluss waren die Prozessgleichungen in ein renommiertes vorhandenes Gewässergütemodell zu integrieren. Mit dem Modell waren die Wasserqualität und die Hemmung aussagekräftig als Zeitreihe zu simulieren und zu bewerten. In der Arbeit wurde zunächst die Nitrifikation des Flusses näher untersucht. Es wurde eine Hemmung der Ammoniumoxidation festgestellt, die auf die niedrigen pH-Werte des Flusses zurückzuführen war. Dahingegen war die Nitritoxidation kaum gehemmt. Um den pH-Einfluss auf die Nitrifikation des Flusses genauer zu quantifizieren, wurde ein Nitrifikationsversuch durchgeführt. Anschließend wurde ein detailliertes mathematisches Modell mit dem Namen DYSIN zur umfassenden prozessbasierten Simulation der Nitrifikation von Gewässern entwickelt. Das Modell enthält fünf miteinander verknüpfte Differentialgleichungen. Mit Hilfe des oben beschriebenen Experiments wurde DYSIN verifiziert, der in-situ-Nitrifikationsversuch konnte sehr gut nachgebildet werden. Die Prozessgleichungen von DYSIN wurden anschließend in das Gewässergütemodell CE-QUAL-W2 implementiert. Die guten Simulationsergebnisse deuten auf die Fähigkeit des erweiterten CE-QUAL-W2 hin, aussagekräftigere Prognosen als mit dem alten Modell zu liefern. Das erweiterte CE-QUAL-W2 kann an allen Gewässern eingesetzt werden. DYSIN kann auch in andere hydrodynamische Gewässergütemodelle eingebaut werden.

Nitrification is a two-step process, which is induced under appropriate conditions by two groups of chemolithotrophic bacteria. Appropriate conditions are above all sufficiently available dissolved oxygen and appropriate pH-values for bacterial growth. Should any of the conditions be missing, the nitrification process will be inhibited and not be completed, which causes high nitrite and ammonia concentration in water body, which in turn has a toxic impact on the fauna in the water body. In many of the already existing models, the two-step nitrification is simplified to a one-step process. The separate oxidation of ammonium to nitrite und further to nitrate is omitted. The dependency of the nitrification on the amount of bacteria, as well as on the pH-value and the availability of substrate are also not taken into account. The objective of the dissertation was firstly to investigate the nitrification inhibition of the Tay Ninh river in Vietnam by means of an experiment. After that detailed process equations to simulate the nitrification were developed and fitted to the results of the experiment. These equations were integrated into a well-known water quality model which was then used to produce and evaluate a time series that describes the water quality and the nitrification inhibition. In the dissertation, the nitrification in the river was firstly examined in detail by means of monitoring. An inhibition of the ammonium oxidation process was observed, which could be due to the low pH of the river. On the contrary, the nitrite oxidation was only minimally inhibited. In order to better quantify the impact of pH on the nitrification process in river, a nitrification experiment was carried out. After that, a detailed and process-based mathematical model named DYSIN was developed to comprehensively simulate the nitrification in water bodies. The model contains five coupled differential equations. The DYSIN model was verified using data obtained from the experiment mentioned above and could very well reproduce the in-situ nitrification experiment. The process equations of DYSIN were then implemented in the well-known model CE-QUAL-W2. The extended model gave more realistic simulation results, which indicates that it can be used to provide more accurate prognoses than what the old version could give. In principle, the extended model can be applied to all water bodies. DYSIN can also be implemented in other hydrodynamic water quality models.

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Le, Thi Thu Huyen: Entwicklung eines detaillierten Modells zur prozessbasierten Simulation der Nitrifikation in Gewässern und Einbindung in ein hydrodynamisches Gewässergütemodell. 2014.

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