Nährstoffrückgewinnung aus flüssigen Gärrückständen - Teilprojekt: Pflanzenverfügbare Nährstoffpotentiale

Im Gartenbau sind in Deutschland 34.700 Betriebe aktiv, die ihre Erzeugnisse auf über 1.287.000 ha Fläche produzieren (SBA, 2005). Von etwa 23.000 Betrieben wird der Gemüseanbau umgesetzt, von denen wiederum die Hälfte für die Unterglasproduktion in Gewächshäusern eine Anbaufläche von 3.700 ha nutzt. Die Produktion von Nutzpflanzen in Gewächshäusern erfolgt mittels natürlicher oder künstlicher Pflanzsubstrate, die ballenförmig ausgebildet sind und in denen die Pflanzen ein Wurzelgeflecht ausbilden können. Diese Pflanzsubstrate dienen nicht mehr zur Stabilisierung der Pflanze im Boden, sondern nur zur Wasser- und Nährstoffzufuhr, um ein nahezu unlimitiertes Wachstum zu ermöglichen. Die Wasserzufuhr erfolgt über ein zentrales Rohrleitungssystem, wobei die Nährstoffe dem Wasser als Flüssigdünger zudosiert werden.

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Abb. 1: Mittelwerte von Schwermetallgehalten in Gärrückständen aus 97 Biogasanlagen (87 Anlagen flüssige Rückstände, 10 Anlagen feste Rückstände; Kördel et al., 2007)

Die Zufuhr des Wasser-/Nährstoffgemischs pro Pflanzsubstrat erfolgt mittels Tropfer, die aus einer Tropfleitung und einem Tropfkopf bestehen. Die Tropfgeschwindigkeit und somit die Nährstoffzufuhr zur Pflanze kann beispielsweise über den Vordruck in der Verteilungsleitung und die Tropfzeit geregelt werden. Die Länge der Tropfleitung von der zentralen Rohrleitung beträgt etwa 30 bis 50 cm, wobei diese über einen Steckanschluss an das Rohrleitungssystem angekoppelt wird. Die Anzahl der Tropf-abgänge kann je nach Pflanzenart und Besatzdichte unterschiedlich ausgeführt sein. Neben den Hauptnährstoffen werden den Pflanzen auch Spurenelemente zugeführt, um aus phytosanitärer Sicht eine gesunde und schädlingsresistente Pflanze zu generieren. Die zugesetzten Düngemittel stellen bei der Unterglas-Lebensmittelproduktion einen nicht unerheblichen Kostenfaktor dar.

In vielen biogenen Reststoffen, wie beispielsweise Gärrückständen aus der Biogaserzeugung, sind noch viele der Wachstumsstoffe und Spurenelemente für Pflanzen enthalten. Problematisch in diesen Reststoffen sind zum einen die Feststoffe, die zu einem Verstopfen der aktuell in der Unterglas-Versorgung eingesetzten Systeme führen könnten, sowie zum anderen kritische organische Verbindungen, wie beispielsweise Mikroschadstoffe aus der prophylaktischen tierhygienischen Behandlung, und Schwermetalle aus Umweltkompartimenten, wie zum Beispiel Metallbedachungen, Bremsenabrieb oder Verbrennungsprozesse.

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Abb. 2: Mögliche Aufbereitungsverfahren für Gärrückstände (Frieß und Wieland, 2015)

Durch die Lagerung der Gülle und der anschließenden Vergärung in Biogasanlagen wird ein Teil der kritischen organischen Verbindungen abgebaut (Röder, 2007). Bei der Aufbereitung und Separierung des Gärrückstands werden mit den Feststoffen organische Anteile aus dem Filtrat ausgeschleust, so dass nur etwa 20 % ± 5 % der organischen Verbindungen in der Flüssigphase verbleiben (von Tucher et al., 2011). Bei den Schwermetallen fällt auf, dass Kupfer und Zink eine höhere Affinität zur wässrigen Phase besitzen (Abb. 1), wodurch die flüssigen Gärrückstände deutlich höhere Gehalte an diesen beiden Schwermetallen aufweisen. Insgesamt sind die Konzentrationen an Schwermetallen in den Gärrückständen mit denen in Komposten vergleichbar (Kördel et al., 2007). Die Nährstoffinhalte von Stickstoff (N), Phosphor (P) und Kalium (K) teilen sich bei der Separation nahezu gleichmäßig zwischen der Flüssig- und Festphase auf (von Tucher et al., 2011), so dass sich das Nährstoffverhältnis im Vergleich zu den verbleibenden Inhaltsstoffen des Gärrückstandes günstig beeinflussen lässt.

In den bisherigen Anwendungsbereichen von Gärrückständen wurde sich überwiegend auf die Feststoffe konzentriert, da sie als Substituent für Wirtschaftsdünger in der Landwirtschaft eingesetzt worden sind. Das Filtrat wurde entweder energieaufwendig weiter aufkonzentriert und als Flüssigdünger (Abb. 2), ohne dass eine Entfernung der Schwermetallverbindungen stattfindet, eingesetzt oder weiter aufbereitet, so dass es als Abwasser in das öffentliche Ableitungssystem eingeleitet werden kann (Frieß und Wieland, 2015).

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Abb. 3: Abtrennung von Schwermetallen mit Chitosan als Flockungsmittel: links reine Chitosanflocken, daneben Chitosanflocken mit gebundenem Kupfer (blau), Eisen (rot) und Nickel (grün); (Bild: IPF Dresden / M. Mende; Quelle: Vogel, 2018)
Abb. 4: Schematische Funktionsweise des Tropfers mit Farbumschlag (Schema: Stegmaier et al., 2018)

Ziel und Vorgehensweise des Projekts

In dem hier vorgestellten Projekt soll ein Tropfer entwickelt werden, dessen Tropfleitung aus einer „aktiven Textilpatrone“ besteht, die durch spezielle Textileinlagen in der Lage ist, die Schwermetall- und Organikkonzentrationen in einem flüssigen Substitutionsdünger aus Gärrückständen so weit abzusenken, dass dieser Flüssigdünger problemlos in der Lebensmittelproduktion eingesetzt werden kann. Die Entnahme der einzelnen Gärfiltrat-Inhaltsstoffe kann mittels unterschiedlicher funktionaler Textillagen erfolgen. Eine Textillage kann mit Chitosan, einem Ionenaustauscher, getränkt oder beschichtet sein, so dass in dieser Lage die Schwermetallverbindungen zurückgehalten werden. Eine weitere Lage ist mit einem Adsorbens versehen, beispielsweise Pulver- oder granulierte Aktivkohle, wodurch die organischen Verbindungen aufgenommen werden können. Je nach Zusammensetzung des Textils können unterschiedliche Beladungen an Schwermetallen bzw. organischen Anteilen erzielt werden, wobei eine spezifische Faserbelastung an Flüssigdüngerinhaltsstoffen ermittelt wird, um die Einsatzdauer der Tropfleitung festlegen zu können.

Der Aufbau der Tropferpatrone wird so erfolgen, dass eine feste Korrelation zwischen den organischen und Schwermetallverbindungen besteht. Dadurch kann die Einsatzdauer der Tropfleitung kontrolliert werden und deren maximale Beladung wird mittels eines Farbumschlag durch die adsorbierten Schwermetallionen an Chitosan angezeigt. Da die abgegebenen Flüssigkeitsmengen bei der Unterglasproduktion über den Tag relativ gering sind, stehen sowohl für den Ionenaustausch als auch die Anbindung an die Adsorbensoberfläche eine große Verweilzeit des Gärfiltrats im Tropferschlauch oder der Tropferpatrone zur Verfügung, wodurch die diffusive Entnahme der kritischen Inhaltsstoffe begünstigt wird. Dieser Tropfer bzw. dieses Tropfersystem soll kompatibel zu den existierenden Systemen aufgebaut sein. Die gelösten Nährstoffe sollen in dem Gärfiltrat zurückbleiben, so dass dieses als Substitutionsdünger für die Lebensmittelproduktion, beispielsweise in der Unterglas-Produktion, eingesetzt werden kann.

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Tab. 1: Bereich der Nährstoffzusammensetzung von unterschiedlichen Gärrückständen und deren Flüssig- sowie Festanteilen (von Tucher et al., 2011)

Durch diese Vorgehensweise wird eine erweiterte Nutzung des flüssigen Gärrückstandes ermöglicht und ein organischer Düngemittel-Substituent mit hohen Stickstoff und Phosphoranteilen zur Verfügung gestellt. Ein weiterer Vorteil dieses Aufbaus besteht darin, dass die Vorreinigung der Gärrückstände mittels einer Siebung/Filtration zur Entfernung der partikulären Bestandteile ausreichend erscheint. Das "höherwertige" Filtrat kann in der Unterglasproduktion für kostenintensive Lebensmittel als Düngemittel eingesetzt werden, wodurch auch der recycelte Anteil an Phosphor deutlich erhöht werden kann, und der Sieb-/Filtratrückstand in der landwirtschaftlichen Produktion als "Bodenverbesserer" verbleiben.

Projektförderung und Kooperationspartner

Das Projekt wird vom BMWi im Rahmen vom „Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand“ gefördert, als Projektträger fungiert die AIF. Das Verbundprojekt wird durch die Hochschule Weihenstephan-Triesdorf in Zusammenarbeit mit dem Institut für Textil- und Verfahrenstechnik Denkendorf (ITV), die gleichzeitig das Teilprojekt "Selektiv wirkende Fasersysteme" bearbeitet. Als dritter Partner ist die Westdeutsche Dochtfabrik GmbH & Co. KG. (WEDO) mit dem Teilprojekt "Entwicklung von spezialbeschichteten Filtersystemen zur Schadstoffentfernung" mit im Boot.

Quellen

- Frieß, H.-J., Wieland, J., (2015): Optionen zur Einhaltung einer neunmonatigen Lagerdauer aus ökonomischer Sicht, Vortrag Biogastag, Triesdorf
- Kördel, W., Herrchen, M., Müller, J., (2007): Begrenzung von Schadstoffeinträgen bei Bewirtschaftungsmaßnahmen in der Landwirtschaft bei Düngung und Abfallverwertung, UBA-Texte 30/07, Dessau, Seite 53
- Röder, R., (2007): Tierarzneimittel in der Umwelt, Oldenbourg Industrieverlag, München, Seite 214
- SBA, (2005): Gartenbauerhebung, Land- und Forstwirtschaft, Fischerei, Statistisches Bundesamt, Fachserie 3, Wiesbaden
- Vogel, (2018): https://www.maschinenmarkt.vogel.de/aufbereitung-holt-wertvollestoffe-aus-dem-abwasser-zurueck-a-415246/index3.html
- von Tucher, S., Fouda, S., Lichti, F., Schmidhalter, U., (2011): Kurz- und längerfristige Stickstoffwirkung nicht separierter und separierter Biogasgärreste zu Weidelgras nach einmaliger und wiederholter Ausbringung, Vortrag Kloster
Reute, 17./18.10.2011

Verbundprojektleitung

Prof. Dr. Frank Reiner Kolb (Koordination)
T +49 9826 654-233
frank.kolb [at]hswt.de


Projektbearbeitung


Projektmitwirkung extern

Dipl.-Ing. Martin Schmidt
Westdeutsche Dochtfabrik GmbH & Co. KG

Projektdauer

01.04.2019 - 31.07.2021

Projektpartner

Projektträger

Projektförderung

Förderprogramm

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