Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7489
Main Title: Purpose-designed technogenic materials for sustainable urban greening
Translated Title: Zwecknutzungsorientierte technogene Materialien für eine nachhaltige städtische Begrünung
Author(s): Flores Ramírez, Eleonora
Advisor(s): Kaupenjohann, Martin
Referee(s): Kaupenjohann, Martin
Siebe Grabach, Christina
Morel, Jean Louis
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Background: Urban green areas provide a number of desirable ecosystem services for the environment and city dwellers. However, the substrate preparation for the greenery installation mostly implies the mining and erosion of valuable natural soils. Therefore, the objective of this work is to design a Technosol based on a mixture of mainly recycled materials, to sustain vegetation and to lower the environmental impacts in the production of growing media. In particular, the proposed design aims to cope with water stagnation risk of the soil due to a high precipitation regime. Accordingly, the crucial points of the Technosol design are to have a high hydraulic conductivity and simultaneously retain water and nutrients for proper plant growth. In this specific case, a sandy soil with a dispersed clay fraction is more likely to lead to waterlogging and clogging of technical drainage systems. Instead of clay or silt within the soil matrix, an artificial addition of Fe (hydr)oxides on sand can fulfil necessary chemical characteristics of the soil, and the addition of coarse porous materials in the soil profile can retain enough plant available water while clogging is avoided. Methods: A simple technique to coat and stabilize a synthesized Fe (hydr)oxide (2-line ferrihydrite, 2L-FH) on quartz sand was developed. Afterwards, locally available and recycled ferrihydrites were characterized to reproduce the coating and stabilization process on an dredged sand. Separately, the hydraulic properties of six commercially available coarse porous materials were characterized, pure and mixed with sand. A variety of measurement techniques were used to obtain high-resolution data and a good parametrization of water retention models. Results: The stabilized coated sand is homogeneously covered with ferrihydrite, it is mechanically resistant, and it is effectively P-adsorptive. From the tested recycled ferrihydrites, two out of three ferrihydrites were suitable to develop a stable coating. One ferrihydrite has a high pH due to its high CaCO3 content, and sand coated with it may be used as an amendment for acidic clayey soils. Regarding the characterized commercially available coarse porous materials, four out of six were not effective to retain an appropriate volume of plant available water. However, a theoretical water retention optimum can be achieved, applying a ratio of 1:1 of sand and porlith for the substrate. Conclusion: The desired functionalities of high hydraulic conductivity and simultaneous readily available water for plants can be achieved by a simple design of the growing media. Effective and simple sand coating and ferrihydrite-coating stabilization processes were developed. Further, recycled materials were used to reproduce the processes and successfully obtain an affordable coated sand with low environmental impacts in production, with the potential to be further improved. The resulting functional technogenic material has a chemical reactive surface and a high hydraulic conductivity. Two out of four characterized coarse porous materials are recommended for practical application, as they presented a good performance retaining plant available water, while the other materials showed a rather low water retention. The use of the materials favouring the water retention is recommended, in particular in combination with ferrihydrite coated sand. The composite substrate can fulfill the crucial chemical and hydraulic soil functions intended for a further practical implementation with vegetation.
Hintergrund: Urbane Grünflächen stellen eine Vielzahl wünschenswerter Ökosystemdienstleistungen für Umwelt und Einwohner von Städten bereit. Allerdings geht die Bereitstellung von Substraten für die Neuentwicklung urbaner Grünflächen mit dem Abbau wertvoller natürlicher Böden einher. Um dem entgegenzuwirken, ist das Ziel dieser Arbeit ein künstliches Bodensubstrat zu erzeugen, dessen Herstellung möglichst geringe Umweltauswirkungen besitzt und auf der Verwertung von überwiegend recycelten Materialien basiert. Das Substrat muss speziellen bodenkundlichen Anforderungen entsprechen, welche sich aus dem späteren Einsatz als Pflanzensubstrat, aber auch von klimatischen Einflussgrößen ableiten lassen. So sollte es eine möglichst hohe pflanzenverfügbare Wasserhaltekapazität und ein hohes Nährstoffspeicherungsvermögen aufweisen und gleichzeitig eine ausreichende Wasserleitfähigkeit besitzen um die Entstehung von Staunässe zu vermeiden. Die beiden ersteren Eigenschaften sind bei bindigen Substraten gegeben, jedoch besteht die Gefahr von Staunässe und die Beeinträchtigung der technischen Entwässerungselementen durch einen hohen Feinkornanteil an Ton und Schluff. An Stelle von Ton oder Schluff in der Bodenmatrix kann ein mit Eisen(hydr)oxiden ummantelter Sand die notwendigen chemischen Charakteristika eines Bodens erfüllen, mit der Beimischung von porösen Materialien ein ausreichend hohes pflanzenverfügbares Wasserspeicherungsvermögen gewährleisten werden, während ein Zusetzen des Entwässerungssystem vermieden wird. Methoden: Mit einer einfachen Methode wurde Sand mit synthetisierten Ferrihydriten ummantelt und stabilisiert. Im Anschluss wurden lokal verfügbare und recycelte Ferrihydrite charakterisiert und der Ummantelungs- und Stabilisierungsprozess mit einem Flusssand, welcher als Baggergut anfiel, wiederholt. Parallel wurden die hydraulischen Eigenschaften von sechs kommerziell erhältlichen, grobkörnigen porösen Materialien unter Anwendung hochauflösender Messmethoden bestimmt. Gleiches erfolgte für die Materialien in Kombination mit Sand. Die Ergebnisse wurden für die Parametrisierung eines Wasserretentionsmodell verwendet. Ergebnisse: Der Sand konnte homogen mit Ferrihydrit ummantelt werden. Die Ummantelung erwies sich als mechanisch stabil und konnte effektiv P adsorbieren. Von den drei analysierten recycelten Ferrihydriten waren zwei geeignet eine stabile Ummantelung zu erzeugen. Ein Ferrihydrit wies aufgrund seines hohen CaCO3 Gehaltes einen hohen pH auf, hiermit ummantelter Sand kann zur Verbesserung von sauren, tonigen Böden verwendet werden. Die grobkörnigen porösen Substrate zeigten mehrheitlich ein mäßiges pflanzenverfügbares Wasserspeicherungsvermögen. Optimale hydraulische Eigenschaften können nur bei einen entsprechend hohem Anteil der grobkörnigen porösen Materialien in sandigen Substraten erreicht werden. Schlussfolgerung: Die gewünschte Funktionalität von hoher Wasserdurchlässigkeit bei gleichzeitig pflanzenverfügbarer Wasserspeicherung wurde durch ein einfaches Design des Bodensubstrats erreicht. Darüber hinaus konnte eine einfache und effektive Methode für die stabile Ummantelung von Sanden mit Eisen(hydr)oxiden entwickelt werden. Mit dem Einsatz von recycelten Ausgangsmaterialien wurde ein nachhaltiges Pflanzensubstrat geschaffen, welches positive Adsorptionseigenschaften und eine ausreichend hohe Wasserleitfähigkeit besitzt. Die Mehrzahl der grobkörnigen porösen Materialien wies ein mäßiges Wasserspeicherungsvermögen auf, deren sinnvoller Einsatz als kommerzielles Pflanzensubstrat in Bezug auf die Verbesserung von Bodeneigenschaften ist somit fraglich. Nichtsdestotrotz, für die Materialien mit hohem Wasserretentionsvermögen ist der praktische Einsatz durchaus positiv zu bewerten. Besonders in Kombination mit Eisen(hydr)oxidummantelten Sanden werden die wichtigsten Eigenschaften, die ein fruchtbares Pflanzensubstrat definieren, erfüllt. Insgesamt zeigt sich somit, dass bei optimalen Mischungsverhältnissen der einzelnen Materialien ein Pflanzensubstrat hoher Qualität erzeugt werden kann. Weitere Untersuchungen sind nötig, um die Laborergebnisse in der Praxisanwendung zu verifizieren.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/8337
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7489
Exam Date: 6-Oct-2017
Issue Date: 2018
Date Available: 11-Oct-2018
DDC Class: 550 Geowissenschaften
Subject(s): Technosol
urban greening
Fe hydroxides
plant available water content
plant growing media
urbane Begrünung
Eisenhydroxid
pflanzenverfügbares Wasser
Pflanzensubstrat
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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