Projekt 11297/01

Entwicklung eines Nitrat-Monitoring-Systems

Projektdurchführung

UMS Umweltanalytische Mess-Systeme GmbH
Gmunderstr. 37
81379 München

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Bestimmung des Nitratgehaltes in Boden- bzw. Grundwasserproben wird zur Zeit manuell in Laborversuchen mittels HPLC und Gaschromatographie durchgeführt. Diese konventionellen Verfahren sind, bedingt durch die komplexe Laborausrüstung und das notwendige qualifizierte Laborpersonal, sehr kostenintensiv. Weiterhin können durch die verfahrensbedingte Bildung von Mittelwerten aus Messdaten keine Spitzenwerte erfasst werden. Aufgrund dieser Nachteile von konventionellen Nitrat-Messverfahren erfolgt häufig eine Über- bzw. Unterdüngung von Ackerflächen, die entsprechend zu Grundwasserproblemen bzw. vermindertem Wachstum der Nutzpflanzen führt. Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer Produktfamilie für teil- und vollautomatisch betreibbare Nitrat-Monitoringsysteme, die zur Messung des Nitratgehaltes in der ungesättigten Bodenzone eingesetzt werden können. Das kostengünstige, modulare System soll die Probenentnahme aus dem Boden, die Bestimmung des Nitratgehaltes sowie die Anzeige und Übertragung von Messwerten ausführen. Das System soll auch von ungeschultem Personal bedient werden können.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIn einer ersten Projektstufe wurden Voruntersuchungen zur Charakterisierung und Auswahl geeigneter Nitratsensoren sowie zur Erhöhung der Lebensdauer von Kalibrierlösungen durchgeführt. Hierzu wurde eine geeignete Testumgebung aufgebaut sowie ausgedehnte Laborversuche durchgeführt. Aufbauend auf den Ergebnissen der Laborversuche und einer Marktanalyse wurde ein Systemkonzept für das Nitrat-Monitoringsystem erstellt. Im Anschluss erfolgte der Aufbau von Hard- und Software sowie mechanischen Komponenten für ein Sensor-Funktionsmuster, das mittels automatischer Kalibration auf eine Genauigkeit von . Weiterhin wurde ein Modul zur kabellosen Übertragung der Messdaten eingebaut. Nach Abschluss der Testphase wurde in einer Marktstudie untersucht, inwieweit das modulare Monitoring-system als Basis für Messungen von weiteren bodenrelevanten Verbindungen, wie z. B. Chlorid, Sauerstoff oder Bromiden eingesetzt werden sollte. Ergebnis war, dass die Erfassung von Temperatur, pH-Wert, Sauerstoff, Leitfähigkeit, Sauerstoff und Bromid erwünscht ist.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen dieses Projektes konnte ein zuverlässiges Messsystem entwickelt werden, das für wissenschaftliche Anwendungen eingesetzt werden kann. Dieses System ermöglicht die langfristige Beobachtung der Nitrat-Werte im Boden ohne hohen personellen vor Ort Aufwand. Die Ergebnisse können per Datenfernübertragung zu den betreuenden Landwirtschaftsämtern oder landwirtschaftlichen Beratern auf deren Computer übertragen werden.
Eine Umweltentlastung entsteht anschließend durch die Nitrat-optimierte Beratung der betreffenden Landwirte durch aufzeigen entsprechender Bewirtschaftungsmaßnahmen.
Ebenfalls konnten im Rahmen dieses Projektes Erfahrungen im Bereich der Probengewinnung und Probenlagerung gesammelt werden, welche die Nutzung konventioneller Nitrat-Messsysteme für bodenhydrologische Untersuchungen ermöglichen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Auf folgenden Veranstaltungen wurde bereits auf unser Nitrat-Monitoring-System hingewiesen:
- 28. IAHR-Kongress: Sustainable Water Resources Management
- 22.-27.08.1999, Graz
- Jahrestagung der deutschen bodenkundlichen Gesellschaft, 1999 in Hannover
- ACHEMA 2000, Internationales Treffen für Chemische Technik, Umweltschutz und Biotechnologie, 22.-27.05.2000, Frankfurt am Main
- Bodenschutztage Baden-Württemberg vom 27.-29.01.2000, Hohenheim
- Ausstellung auf der 9. Gumpensteiner Lysimetertagung 24.-25.04.2001, Irdning
- Ausstellung auf dem Kongress der International Association of Hydrogeologists, GSF Neuherberg, 10-14.09.2001


Fazit

Als Ergebnis wurde ein System aufgebaut, das einen Nitrat- und Temperatursensor enthält und ohne weiteres auf zusätzliche Parameter erweitert werden kann. Hierfür sind Sensorplätze für Leitfähigkeit-, pH-Wert und Redoxpotentialsensoren bereits im System vorgesehen. Um das aufgebaute System auf die geforderten Qualitätskriterien hin zu testen, wurden verschiedene Versuche durchgeführt. Des Weiteren wurden Testreihen unter Laborbedingungen durchgeführt, wobei mehrere Probenstellen simuliert und nacheinander gemessen wurden (Multiplexen). Durch den Einsatz von Bodenlösungen wurde schließlich die Tauglichkeit unter realen Bedingungen getestet.Die gewonnenen Erkenntnisse dienen dazu, Interessenten ein modulares Freilandmesssystem zur Ver-fügung zu stellen, sowie der zusätzlichen Integration weiterer Parameter, die simultan zum Nitratgehalt gemessen werden können.