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PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur biologischen Aufbereitung von Güllen und Klärschlamm in flüssiger Form mittels Zusatz von festen Kohlenstoffquellen, dadurch gekennzeichnet, dass als Kohlenstoffquelle ein feingemahlenes, festes Abfallprodukt verwendet wird, dass ein C/N-Verhältnis von mindestens 5:1 erreicht wird, dass das flüssige Gemisch intensiv und kontinuierlich gemischt und durch Sogwirkung belüftet wird, dass eine Gärtemperatur von 25-40 C eingehalten wird, dass für Belüftung und Mischung ein schnellrotierendes Rührwerk verwendet wird und dass ein Sauerstoffgehalt in der Flüssigkeit von mindestens 0,4 mg/l aufrechterhalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kohlenstoffquellen billige Abfallprodukte, in der Landwirtschaft vorzugsweise Strohmehl oder Sägemehl, oder aber frischer gemahlener Kehricht von Haushaltungen verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlenstoff/Stickstoff-Gewichtsverhältnis auf einen Wert von 5 :1 bis 15:1, vorzugsweise von ca. 10:1 gebracht und hierbei aufrechterhalten wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mikroben organische Stickstoffverbindungen aus Luftstickstoff aufbauen und dass damit der Gesamtstickstoffgehalt der Suspension nicht nur erhaltenbleibt, sondern erhöht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine vollständige Hygienisierung des Substrates auf mikrobiologischem Wege erreicht wird und dass das Endprodukt keinen unangenehmen Geruch mehr aufweist.
6. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gärungsverlauf und die Temperatur im flüssigen Substrat durch Erhöhung oder Herabsetzung der Intensität des Rührens gesteuert und eingehalten werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Belüftung und die Durchmischung ein schnellrotierendes Rührwerk verwendet wird, das, in einem entsprechend dimensionierten Gärbehälter eingesetzt, die Schaumbildung verhindert und eine intensive Belüftung gewährleistet.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungszeit des Substrates 3 bis 8 Tage beträgt und vorzugsweise in dosiertem Durchlaufverfahren gearbeitet wird.
9. Verfahren zur Herstellung eines organischen Düngers in konzentrierter flüssiger oder in trockener Form, dadurch gekennzeichnet, dass man nach dem Verfahren gemäss Anspruch 1 Gülle oder Klärschlamm in flüssiger Form biologisch aufbereitet und das erhaltene flüssige Produkt eindickt oder durch Trocknung oder Ausfällung in feste Form überführt.
Die Belüftung von Flüssigkeiten, welche verrottbare Stoffe enthalten, führt zur biologischen Erwärmung des Substrates.
Dieses Phänomen wurde um 1914 erstmals von amerikanischen Forschern beschrieben. In der Folge kamen Ansätze in der Praxis speziell zur Belüftung von Güllen zustande; damit wollte man in erster Linie Geruchsimmissionen vermeiden.
Dem Kohlenstoff/Stickstoff-Verhältnis und speziell der Temperaturregelung schenkte man kein besonderes Interesse. Der bei Überdosierung des Lufteintrags entstehende Schaum wurde durch Schaumschneider und schaumverhindernde Chemikalien vernichtet. Die konsequente Fermentation eines verrottbaren Substrates, die zur organischen Bindung des Stickstoffs führt, wurde nicht verfolgt. Ausgehend von der Feststellung, dass der Rottevorgang in einer Flüssigkeit mit dem Rotteprozess schüttbarer Stoffe identisch ist, wurde ein neues Verfahren der Flüssigrotte entwickelt, welches ähnliche Endprodukte liefert, wie sie sich bei der Rotte schüttbarer Stoffe (Kompost, Boden) vorfinden.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass als Kohlenstoffquelle ein feingemahlenes, festes Abfallprodukt verwendet wird, dass ein C/N-Verhältnis von mindestens 5:1 erreicht wird, dass das flüssige Gemisch intensiv und kontinuierlich gemischt und durch Sogwirkung belüftet wird, dass eine Gärtemperatur von 25 bis 400 C eingehalten wird, dass für Belüftung und Mischung ein schnellrotierendes Rührwerk verwendet wird, und dass ein Sauerstoffgehalt in der Flüssigkeit von mindestens 0,4 mg/l aufrechterhalten wird.
Die 1. Stufe des Verfahrens besteht also darin, dass der Gülle bzw. dem Klärschlamm ein fester, gemahlener Kohlenstoffträger, vorzugsweise Stroh oder Hauskehricht, beigegeben wird. Die Mischung wird durch ein schnellrotierendes Rührwerk intensiv durchmischt und belüftet. Bedingt durch die Turbulenz und durch die aerobe Gärung erwärmt sich das Substrat. Erfindungsgemäss wesentlich ist die Einhaltung einer Temperatur von 25 bis 400 C, was bei entsprechender Behandlungsdauer die Vernichtung von Unkrautsamen und von Krankheitskeimen, sowie Behebung schädlicher Nebenwirkungen auf Pflanzen, Tiere und Umwelt gewährleistet.
Die Aufgabe der Erfindung war das Auffinden eines Verfahrens, das Gülle (Kot-Harngemisch aus der landwirtschaftlichen Tierhaltung) oder frischen Klärschlamm (aus herkömmlichen Kläranlagen) so aufbereitet, dass das Produkt keinen lästigen Geruch mehr aufweist, dass es als Hofdünger für alle landwirtschaftlichen Kulturen verwendet werden kann, und dass es zur Verfütterung an landwirtschaftliche Nutztiere aufgearbeitet werden kann. Dabei ist wesentlich, dass gefährliche Krankheitskeime durch das Verfahren vernichtet werden, dass die Makro- und Mikronährstoffe nicht verlorengehen, und dass diese in einer biologisch günstigen Form als Pflanzennährstoffe oder als Futtermittel zur Verfügung stehen.
Das erfindungsgemässe neue Verfahren wird nun ausführlich beschrieben:
Frische Gülle (Kot-Harngemisch von landwirtschaftlichen Nutztieren) oder frischer Klärschlamm (aus herkömmlichen Kläranlagen)ist relativ stickstoffreich. Um den Nachschub von Mikrobennährstoffen sicherzustellen, wird eine feste (schüttfähige) Kohlenstoffquelle zugeführt, wodurch das C/N-Verhältnis zugunsten des Kohlenstoffs verschoben wird. Die Zugabe der Kohlenstoffquellen soll derart erfolgen, dass auf einen Wert des C/N-Verhältnisses von mindestens 5:1 hingesteuert wird. Es wurde ferner festgestellt, dass das optimale C/N-Verhältnis zwischen 5:1 und etwa 15:1, vorzugsweise bei ca. 10:1 liegt. Bei diesem Verhältnis wird zugleich das Verhältnis des Kohlenstoffs zu allen andern Nährstoffen erweitert und verbessert.
Die Wahl der Kohlenstoffquellen oder -lieferanten wird sich primär nach der Natur des Substrates richten. Bei der Anwendung in der Landwirtschaft zur Aufarbeitung von Gülle kommt vorwiegend und erstmalig gemahlenes Stroh, Sägemehl, gemahlener Hauskehricht, zur Anwendung. Bei der Anwendung des Verfahrens in Kläranlagen bietet sich die Verwendung von frischem, gemahlenem Hauskehricht als Kohlenstoffquelle an.
Das gewünschte C/N-Verhältnis lässt sich leicht erreichen, indem dem Substrat (z. B. Rindergülle) etwa 2-4 Gewichtsprozent der einfachen Kohlenstoffquellen, z. B. Stroh oder Sägemehl, bezogen auf das Volumen des Substrates zugegeben werden. Bei der Verwendung von Haushaltmüll beträgt der Anteil vorzugsweise 5-10 Gewichtsprozent, weil Müll in der Regel einen gewissen Stickstoffgehalt bereits aufweist.
Erfindungsmässig wesentlich ist, dass Kohlenstoffquellen (Stroh, Hauskehricht usw.) fein vermahlen dem Frischsubstrat (Gülle oder Klärschlamm) beigegeben werden.
Bei richtigem Verlauf des Gärungsvorganges bzw. bei rich
tigem Verhältnis des Kohlenstoffs zu den Nährstoffen pendelt sich der pH-Wert von anfänglich 6 bis 9 um 7 ein.
Die Belüftung des flüssigen Gemisches erfolgt erfindungsgemäss durch ein schnellrotierendes Rührwerk (Drehzahl vorzugsweise über 1000 U./min), zweckmässig in einem besonderen Gärbehälter. Das Rührwerk hat eine intensive, ununterbrochene Durchmischung und Belüftung der gesamten Mischung zu gewährleisten. Die Drehzahl des Rührwerks, dessen Eintauchtiefe sowie der Durchmesser des Gärbehälters sind so aufeinander abzustimmen, dass eine Trombe entsteht, deren Sogwirkung einen intensiven Lufteintrag gewährleistet.
In der Regel erbringt die Sogwirkung die weiteren Vorteile, dass die Bildung von kompaktem Schaum auf der Oberfläche verhindert wird und dass eine Schwimmdecke nicht entstehen kann. Der Sauerstoffgehalt in der Mischung soll mindestens 0,4 mg pro Liter erreichen. Günstiger sind höhere Sauerstoffgehalte von 3 bis 4 mg und mehr pro Liter, was sich mittels der beschriebenen, intensiven Mischung und Belüftung erreichen lässt.
Eine intensive und gleichmässige Belüftung des gesamten Substrates ist erfindungsgemäss nur im dünnflüssigen Bereich gewährleistet. Zu dickflüssiges Substrat ist mit Wasser zu verdünnen. Erfahrungsgemäss sollte der Trockensubstanzgehalt nicht über 10% liegen. Substrate mit höherem Trockensubstanzgehalt verursachen einen zu grossen mechanischen Aufwand für die ausreichende Belüftung und Durchmischung.
Die durch das intensive Mischen verursachte Turbulenz und die biologische Aktivität bedingen eine Erwärmung des Substrates. Erfindungsgemäss ist die Einhaltung einer Temperatur zwischen 25 und 40 C in verschiedenen Belangen notwendig. Die Einhaltung des vorgeschriebenen Temperaturbereichs ist möglich durch Veränderung der Rotationsgeschwindigkeit der Rührvorrichtung, durch Isolation des Behälters, durch vermehrte Zugabe von Kohlenstoffträgern, allenfalls durch kurzfristige Unterbrechungen der Belüftung (intermitierende Belüftung).
Die Versuchsergebnisse zeigen, dass bei Einhaltung der vorgeschriebenen Temperatur ein Endprodukt erzielt wird, das frei ist von unangenehmem Geruch, wie er bei konventionell behandeltem Klärschlamm oder bei unbehandelter Gülle üblich ist. Damit wird ein wesentlicher Beitrag an den Umweltschutz geleistet. Das Endprodukt ist entweder absolut geruchlos, oder hat einen schwachen erdigen Geruch oder erinnert im Geruch an Bierhefe.
Die Einhaltung des vorgeschriebenen Temperaturbereiches gewährleistet auch, wie es die Versuchsergebnisse beweisen, die Vernichtung von Unkrautsamen, die üblicherweise in Klärschlamm oder Gülle vorkommen. Dies gestattet die Verwendung des Endproduktes als organischen Dünger für die Landwirtschaft ohne eine Verunkrautung befürchten zu müssen.
Bei der erfindungsgemäss vorgeschriebenen Behandlungstemperatur und bei entsprechender Behandlungszeit werden schädliche Krankheitskeime vernichtet. Die Versuchsergebnisse haben gezeigt, dass Salmonellen, die dem Ausgangssubstrat künstlich beigegeben wurden, nach 48 Stunden Behandlungszeit nur noch in geringer Zahl, nach 72 Stunden Behandlungszeit nicht mehr nachweisbar waren. Dies in einem Temperaturbereich von 27-39" C. Diese Hygienisierung ist wesentlich bei der Verwendung von Gülle oder Klärschlamm als Dünger oder als Basis von Futtermitteln.
Die erfindungsgemäss vorgeschriebene Zufügung eines billigen Kohlenstoffträgers, vorweg eines Abfallproduktes, wie Strohmehl oder gemahlener Hauskehricht, bewirkt eine biologische Bindung des Stickstoffs und des Phosphors. Der im Ausgangssubstrat in verschiedener Form vorhandene Stickstoff (vorwiegend als Harnstoff, Ammoniak, Nitrit, Nitrat, Ammoniumionen usw.), der bei den üblichen Behandlungsverfahren zu einem grossen Teil verlorengeht, und der weitgehend für den unangenehmen Geruch verantwortlich ist, wird durch die gesteuerte, aerobe Gärung des vorliegenden Verfahrens vorwiegend in Aminosäuren eingebaut (Eiweisse der durch aerobe Gärung geförderten Mikroorganismen). Diese Tatsache geht aus der Beilage II, Tabelle des Aminosäuregehaltes in Flüssigdünger bei verschiedenen Gärverfahren hervor.
Betrachtet man Tabelle I näher, so fällt aber auf, dass der Stickstoffgehalt bei der erfindungsgemässen gesteuerten aeroben Gärung sogar über dessen ursprünglichen Wert im Substrat signifikant zugenommen hat. Diese überraschende, durch das Verfahren selbst nicht erklärliche Zunahme geht auf die Mitwirkung von Bakterien der Gattung Azotobacter zurück, welche unter den Verfahrensbedingungen einen geeigneten Nährboden und günstige Wachstumsverhältnisse finden und dementsprechend Luftstickstoff in organische Stickstoffverbindungen umwandeln. Somit führt das Verfahren 1. erstmals zu einer vollständigen Rezirkulation des Stickstoffs und 2. dar über hinaus zu einer unerwarteten, wirtschaftlich bedeutungsvollen Stickstoffanreicherung.
Die biologische Bindung des Stickstoffes verhindert den bekannten unangenehmen Geruch bei der Ausbringung von Gülle auf landwirtschaftlichen Kulturflächen. Der biologisch gebundene Stickstoff hat aber auch den weiteren Vorteil, dass er im Boden besser festgehalten wird und den Pflanzen über längere Zeit zur Verfügung steht. Dasselbe gilt auch für Phosphor, Kali und alle weiteren Pflanzennährstoffe. Dadurch wird die Gefahr der Auswaschung dieser Nährstoffe behoben und die Belastung der Gewässer mit landwirtschaftlichem Dünger vermindert. Die langsam wirkende Stickstoffquelle des aerob, nach dem beschriebenen Verfahren behandelten Flüssigdüngers gewährleistet insbesondere ein ausgeglichenes Pflanzenwachstum und trägt zur Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit bei.
Die bei Düngung mit dem Verfahrensprodukt zustandekommende, nachhaltige Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit geht unter anderem aus Serienversuchen hervor, welche in einem landwirtschaftlichen Betrieb unter vergleichbaren Bedingungen durchgeführt worden sind: es wurde eine Erhöhung des Pflanzenertrages um bis zu 25G/o erreicht.
Aus dem in der Tabelle II ersichtlichen Breitenspektrum, dem hohen Gehalt an Aminosäuren, ergibt sich für das erfindungsgemäss erhältliche Produkt eine weitere Verwendungsmöglichkeit, nämlich alshuttermittel. Erste Fütterungsversuche haben den Wert des Produktes als Eiweissquelle in der Tierernährung bereits bestätigt. In der Zeit, da sich auf dem Weltmarkt ein Mangel an Futtereiweiss abzeichnet, kommt besagter Verwendungsmöglichkeit grosse Bedeutung zu.
Die Dauer der Behandlung des Substrates (Belüftung und Durchmischung) richtet sich nach dem Ausgangsmaterial und dem Verwendungszweck. Die Behandlungsdauer beträgt im allgemeinen 3 bis 8 Tage. Bei der Verwendung als Düngemittel werden die niedrigeren Behandlungszeiten angewendet, bei der Verarbeitung zu Futtermittel ist eine längere Behandlungszeit anzuwenden, um eine vollständige Hygienisierung zu gewährleisten. Im weitern benötigt ein Ausgangsmaterial mit einem niedrigen Stickstoffgehalt eine kürzere Behandlungsdauer (z. B. Rindergülle), ein Substrat mit einem hohen Stickstoffgehalt (z. B. Schweinegülle) benötigt eine längere Behandlungsdauer.
Vergleicht man nun das neue Verfahren auch mit der in der Praxis seit altersher üblichen Kompostierung, so zeichnet es sich u. a. durch kurze Dauer und geringen Arbeitsaufwand (bei der Kompostierung ca. 1 Jahr und periodische Umschichtung des Haufens), eine (bei der Kompostierung nie erreichbare) restlose Umsetzung des Substrates, Homogenität und Hygienisierung des Produktes, und leichtere Steuerung und Kontrolle des Gärungsvorgangs (beides, bei der Kompostie rung praktisch unmöglich), sei es in bezug auf Zusammensetzung, Sauerstoffgehalt oder Temperatur der Suspension, aus.
Das Endprodukt ist je nach Aussentemperatur ohne irgendwelche Behandlung 12-72 Stunden lagerfähig. Bei einer längeren Lagerdauer ist im Lagerbehälter, der dem eigentlichen Gärbehälter nachgeschaltet wird, eine kontinuierliche Belüftung und Durchmischung zu gewährleisten. Dafür eignen sich erfindungsgemäss kleine, langsamlaufende Rührwerke oder andere Lufteintragungsvorrichtungen. Wesentlich ist, dass keine anaerobe Gärung entsteht, da sonst mit Geruchsimmissionen und Nährstoffverlusten zu rechnen ist.
Das behandelte Endprodukt kann flüssig, eingedickt, ausgeflockt oder getrocknet verwendet werden. Nach dem beschriebenen Verfahren behandelte Gülle wird vorzugsweise auf dem Hof selbst in flüssiger Form als Dünger verwendet.
Aufbereiteter Klärschlamm, der sich ebenfalls als Dünger eignet, kann in der anfallenden Form als Flüssigdünger verwendet werden, sofern die Transportdistanzen nicht zu gross werden. Bei grösseren Transportdistanzen ist das Endprodukt einzudicken oder zu trocknen. Das getrocknete Endprodukt stellt einen hygienischen, organischen Dünger zur Verwendung in Gärtnereien und Landwirtschaft dar, dessen Wert nicht nur durch seinen Gehalt an Hauptnährstoffen, sondern der auch einen wesentlichen Gehalt an Spurenelementen aufweist, bestimmt wird. Bei der Verwendung der behandelten Substrate als Futtermittel kommt vorzugsweise ein ausgeflocktes Produkt oder ein getrocknetes Produkt in Frage.
Tabelle I pH-Werte und Gesamtstickstoff von Flüssigdünger bei anaerober Gärung, bei ungesteuerter und gesteuerter aerober Gärung Tage mit Schweinegüllen Rindergüllen Messdaten ungesteuerte gesteuerte aerobe Gärung ungesteurte gesteuerte aerobe Gärung aerobe Gärung (Zugabe von Kohlenhydraten) aerobe Gärung (Zugabe von Kohlenhydraten) 1460.20.8 1460.4 1460.11 1460.17 1463.24.8 1463.9.8 1463.14 1463.25 pH Gesamt- pH Gesamt- pH Gesamt- pH Gesamt- pH Gesamt- pH Gesamt- pH Gesamt- pH Gesamtstickstoff stickstoff stickstoff stickstoff stickstoff stickstoff stickstoff stickstoff mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l Rohgülle 6,96* 5210 6,96 5210 6,96 5210 6,96 5210 8,45 1920 6,9 2090 7,49 1570 6,9 2090 1. 8,3 910 5,8 5720 6,25 5800 6,8 4480 7,2 1580 6,4 1790* 7,05 1510 2. 8,15 770 6,5 5640 6,4 5960 6,2 4420 8,39 1430 7,24 1540 3. 6,8 4360 6,4 1870 4.
5,4 5800 6,45 6210** 8,1 1050 5,4 2000 8,35 1760 7,60 1870 5. 8,2 640 6,04 4360 7,54 1930* 6. 8,2 670 7. 7,3 4840** 8,45 870, 7,18 2700 8. 8,28 590 7,8 4840 8,15 770 6,4 3020 9. 6,7 3140 10. 5,85 5840** 7,83 5920 8,05 4760 8,63 1360 11. 6,08 2630 12.
13.
14.
15. 7,38 2850** 16.
17. 7,92 2800 23. 8,32 2390 Messdaten bezüglich der verwendeten Rohgüllen anaerober Gärung Schwellenwert des Gehaltes an gebundenem Stickstoff bei maximal pH 7,5
Tabelle II
Aminosäuren in Flüssigdünger bei verschiedenen Gärverfahren (in Bakterieneiweiss gebundene und freie Aminosäuren, nach Hydrolyse) Aminosäuren % Schweinegülle Rindergülle in Trocken- 1460 R 1460 1460 1460 1463R 1463 1463 1463 substanz (TS) 14,2 25,2 17,9 18,2 25,7 25.8 anaerobe unge- unge- gesteuerte anaerobe unge- unge- gesteuerte
Gärung - steuerte steuerte aerobe Gärung steuerte steuerte aerobe aerobe aerobe Gärung aerobe aerobe Gärung
Gärung Gärung m. Gärung Gärung m.
Säurezusatz Säurezusatz Asparaginsäure 0,89 0,02 0,76 2,64 0,58 0,09 0,70 1,96 Threonin 0,44 0,02 0,26 1,28 0,29 0,02 0,26 0,73 Serin 0,33 0,02 0,24 1,02 0,23 0,02 0,27 0,64 Glutaminsäure 0,98 0,02 0,87 3,32 0,63 0,11 0,93 2,06 Prolin 0,37 0,02 0,26 0,70 0,20 0,02 0,37 0,50 Glycin 0,45 0,02 0,43 1,38 0,31 0,07 0,46 0,84 Alanin 0,56 0,02 0,59 3,24 0,43 0,07 0,54 1,16 Cystin 0,02 0,02 0,07 0,02 0.02 0,04 Valin 0,50 0,02 0,39 1,42 0,29 0,04 0,40 0,82 Methionin 0,02 0,02 0,19 0,44 0,14 0,02 0,13 0,15 Isoleucin 0,46 0,02 0,34 1,24 0,28 0,04 0,33 0,64 Leucin 0,77 0,02 0,55 1,96 0,41 0,06 0,55 1,10 Tyrosin 0,45 0,02 0,04 0,9 0,23 0,02 0,12 0,43 Phenylalanin 0,50 0,02 0,29 1,32 0,28 0,04 0,35 0,96 Lysin 0,50 0,02 0,36 1,56 0,30 0,03 0,30 0,98 Histidin 0,12 0,02 0,09 0,36 0,07 0,02 0,11 0,21 Arginin 0,72 0,02 0,32 0,82 0,19 0,03 0,26 0,79 total Aminosäuren % in TS 8,08
< 0,34 6,05 23,60 4,88 < 0,72 6,12 13,97