DE10123903A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bodenverbesserungsstoffes - Google Patents

Abstract

Es gibt Böden, die wegen zu hohem Kalk-, Sand- oder Salzgehalt eine geringe oder keine Bodenfruchtbarkeit aufweisen. Andere Böden sind gekennzeichnet durch zu geringe Gehalte an Dauerhumus oder durch starke Verdichtung, Verkrustung oder Austrocknung. Das neue Verfahren ermöglicht die Herstellung eines Bodenverbesserungsstoffes, mit dessen Hilfe die Fruchtbarkeit der Böden erhalten, wiederhergestellt oder ergänzend verbessert werden kann. DOLLAR A Der Bodenverbesserungsstoff wird erzeugt, indem für die Herstellung des Bodenverbesserungsstoffes als Ausgangsrohstoff Braunkohlenxylit verwendet wird. Der Xylit ist als reiner Naturrohstoff ein Bestandteil der jungtertiären Weichbraunkohlen, der vor allem in der Niederlausitz beim Kohleabbau langfristig und in großen Mengen anfällt. Der Braunkohlenxylit wird durch ein mehrstufiges Verfahren wie Abtrennung von der Braunkohle, Klassierung, Zerkleinerung und Trocknung in einen hochwertigen Bodenverbesserungsstoff überführt. Der Xylit kann mit Nährstoffen, Substanzen zur gezielten Einstellung von pH-Werten oder mit anderen für den jeweiligen Anwendungsfall vorteilhaften Stoffen wie z. B. Tonmineralien usw. vermischt werden. DOLLAR A Der Bodenverbesserungsstoff eignet sich zur Erhöhung der Bodenfruchtbarkeit.

Description

Für die Notwendigkeit der Erhöhung der Bodenfruchtbarkeit gibt es viele Gründe. Es gibt zum Beispiel karge oder sogar unfruchtbare Böden wegen zu hoher Kalk- oder Sandgehalte bzw. wegen zu starker Versalzung. Weitere Gründe für geringe Frucht­ barkeit sind zu geringe Gehalte an Dauerhumus, Neigung der Böden zur schnellen und starken Verdichtung bis zur festen Verkrustung, zu schnelle Verdunstung der Bodenfeuchtigkeit wegen ungünstiger Bodenstruktur und/oder zu intensiver Sonnen­ einstrahlung sowie Austrocknung der für das Wachstum wichtigen oberen Boden­ zone durch zu schnellen Abfluss der Feuchtigkeit und der in ihr gelösten Nährstoffe in das Grundwasser, weil die Speicherkapazität des Bodens für Wasser und Nährstoffe zu gering ist, u. a. m.

Es ist bekannt, dass ein großer Teil der genannten Nachteile durch die regelmäßige Zufuhr von natürlichen Düngestoffen in Form von z. B. Stoppeln, Stroh, Spreu, Wurzeln, Grüngut, Gülle, Festmist, aus denen Dauerhumusstoffe entstehen, ver­ ringert oder beseitigt werden können.

Der für die Wasser- und Nährstoffspeicherung, für die Krumebildung und Boden­ auflockerung sowie für die Lebensbedingungen der Bodenorganismen wichtige Dauerhumus entsteht durch vielstufigen und mehrjährigen Abbau von Lignin­ bestandteilen der natürlichen Düngestoffe und Verbindung dieser Umwandlungs­ produkte mit Tonmineralien. Die Anreicherung von Dauerhumus im Boden ist aber begrenzt und wird in einigen Fällen sogar verhindert. Die Bildung von Dauerhumus wird unterdrückt oder sogar verhindert, wenn für die zur Umwandlung des Lignins benötigten Bodenorganismen wegen Verkarstung, Versalzung, zu schneller Aus­ trocknung oder Überhitzung der Böden bzw. durch unzureichende Belüftung als Folge von starker Bodenverdichtung oder aus Mangel an Nährsalzen schlechte Lebensbedingungen bestehen. Zu niedrige Gehalte an Dauerhumus im Boden entstehen aber auch dann, wenn der Abbau des Dauerhumus trotz Zufuhr an natürlichen Düngerstoffen größer ist als die Nachbildung, weil z. B. der im Boden gespeicherte Stickstoff und Phosphor nicht für das Wachstum der abbauenden Bodenorganismen ausreicht. Die Zufuhr von natürlichen Düngestoffen in den Boden ist eine mögliche, aber nicht immer allein ausreichende Maßnahme zur Bildung und Anreicherung der die Fruchtbarkeit von Böden prägenden Dauerhumusstoffe. Es ist weiterhin bekannt, dass die genannten Gründe für eine unbefriedigende Frucht­ barkeit der Böden durch den Zusatz von Torf und/oder die Bedeckung mit Torf beseitigt werden könnten. Der Torf steht aber nur in begrenzten Mengen zur Verfügung. Außerdem muss der Abbau von Torf eingeschränkt werden, damit wertvolle Biotope erhalten bleiben.

Das Ziel der Erfindung ist die Herstellung eines Stoffes, mit dem die Fruchtbarkeit der Böden wiederhergestellt oder ergänzend verbessert werden kann, der langfristig und in größeren Mengen sowie ohne ökologische Nachteile bei der Erzeugung und beim Einsatz preisgünstig produziert werden kann und sich durch eine hohe und lang anhaltende Wirksamkeit auszeichnet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung eines Bodenverbesserungsstoffes dadurch gelöst, dass für die Herstellung des Bodenverbesserungsstoffes als Ausgangsrohstoff Braunkohlenxylit ausgewählt wird. Der Xylit ist ein Bestandteil der jungtertiären Weichbraunkohlen, der vor allem in der Niederlausitz beim Kohleabbau langfristig und in großen Mengen anfällt. Er kann ohne zusätzliche ökologische Beanspruchung der Umwelt aus der Kohle abge­ trennt werden. Der Braunkohlenxylit ist vor allem in der Niederlausitz ein schad­ stofffreier Rohstoff mit sehr niedrigen Asche- und Schwefelgehalten. Er ist ein reines Naturprodukt, das durch biochemische Umwandlung aus der ursprünglichen Phyto­ masse entstanden ist und sich durch eine hohe innere Porosität sowie durch eine außergewöhnlich hohe Anzahl an Bindungspotentialen in seiner Struktur für die Ad- und Absorption von Wasser, Nährstoffen und Spurenelementen auszeichnet. Braun­ kohlenxylit hat eine besonders hohe Anzahl an bindungsaktiven Hydroxyl- und Carboxylgruppen. Letztere können Nährstoffe und Spurenelemente erst durch che­ mische Bindung speichern. Ein weiterer Vorteil von Braunkohlenxylit ist seine hohe Resistenz und damit seine lange Verfügbarkeit im Boden, weil alle schnell abbaubaren Inhaltsstoffe der früheren Phytomasse schon während der Inkohlung biologisch abgebaut wurden. Der Braunkohlenxylit erfüllt also auf Grund seiner physikalischen und chemischen Struktur viele Bedingungen für die Nutzung als Bodenverbesserungsstoff zum Teil in idealer Weise. Er braucht nicht erst durch biochemischen Abbau erzeugt werden und ist deshalb sogar für die Rekultivierung und Renaturierung von Böden geeignet, in denen aus unterschiedlichen Gründen kein oder viel zu wenig Dauerhumus durch biologischen Abbau von Ligninbestandteilen gebildet wird.

Der Braunkohlenxylit wurde bislang nicht als Bodenverbesserungsstoff verwendet, weil er im Anfallzustand nach dem Kohleabbau nicht die erforderlichen Bedin­ gungen erfüllt. Er ist im Gewinnungszustand grobstänglig bis großstückig. Außerdem ist er mit der detritischen Kohlegrundmasse so fest verwachsen, dass dieser Verbund bei der traditionellen Aufbereitung von Weichbraunkohlen nicht oder nur unzu­ reichend zerstört wird. Die detritische Braunkohle ist bei stärkerer lokaler An­ reicherung für die Bodenfruchtbarkeit störend. Außerdem schirmt sie die Bindekräfte des Xylites ab, die für die Ad- und Absorption von Wasser und Nährstoffen benötigt werden. Die Verfügbarkeit der inneren Porosität und der Bindekräfte des Xylites ist auch durch seine Großstückigkeit bzw. Grobstängligkeit selbst nach der tradi­ tionellen Zerkleinerung nicht gegeben, weil der Xylit ein zäher Stoff ist und ein noch weitgehend verschlossenes inneres Porenvolumen besitzt.

Die Überführung des Braunkohlenxylites in einen hochwertigen Bodenverbes­ serungsstoff wird erst durch eine Kombination von Prozessschritten erreicht. Dazu zählt zunächst die weitgehende Abtrennung der detritischen Braunkohle vom Xylit durch eine gezielte Prallzerkleinerung und nachfolgender Stofftrennung durch Klas­ sierung. Die Prallbeanspruchung einer möglichst xylitreichen Kohlefraktion erfolgt relativ schonend mit einem Energieeintrag in das Mühlenaufgabegut, durch den die feste detritische Braunkohle gerade zu Feinkorn zertrümmert wird und der feste zähe Xylit nur wenig zerkleinert wird, so dass eine Stofftrennung einfach durch Klas­ sierung erreicht wird. Für die Zerkleinerung variiert die Rotorumfangsgeschwin­ digkeit bei den meisten dafür in Frage kommenden Mühlentypen zwischen etwa 25 bis 60 m pro Sekunde. Bei einer Zerkleinerung des Rohxylites, z. B. durch Schlag­ beanspruchung, würde nicht nur die detritische Braunkohle zerkleinert, sondern auch der zähe Xylit zwischen Schläger und Schlagwiderstand zertrümmert. Für die Überführung des kohlearmen Braunkohlenxylites in einem hochwertigen Bodenverbesserungsstoff ist weiter von qualitätsbestimmender Bedeutung sein Aufschluss zu einem feinfasrigen Stoff durch vorzugsweise intensive Scherbean­ spruchung und/oder Schneidbeanspruchung. Unter diesen Zerkleinerungsbedin­ gungen wird der Xylit vorrangig parallel zu seiner Faserbündelstruktur zu einem dünnstängligen und zur Verfilzung neigenden Faserstoff aufgebrochen und gleich­ zeitig die hohe innere Porosität, die hauptsächlich aus noch weitgehend verschlos­ senen inneren ehemaligen Leitkanälen der Pflanzen besteht, durch Aufbrechen und Rissbildung zugänglich gemacht. Des Weiteren werden durch den Aufschluss des Xylites in ein feinfasrigen Stoff die Diffusionswege für das Eindringen von Wasser und Nährstoffen in das große innere Porenvolumen und zu den aktiven Bindungs­ potentialen, die die Nährstoffe durch Adsorption und durch chemische Bindung fixieren, so verkürzt, dass ein schneller Stoffausgleich möglich wird. Die frische Oberfläche der Xylitfasern und das innere Porenvolumen sind zudem ideal Ansied­ lungsflächen für die im Boden enorm wichtigen Mikroorganismen.

Der Aufschlussprozess des Xylites wird durch erhöhte Temperaturen bei der Zer­ kleinerung begünstigt, sie sind aber nicht unerlässlich notwendig.

Durch den Aufschluss des Xylites zu einem Faserstoff entsteht ein Bodenverbes­ serungsstoff, der nicht nur Wasser und Nährstoffe in der inneren Porosität und an seiner reaktiven Oberfläche binden kann, sondern auch in den Hohlräumen zwischen den sich formschlüssig verknäulenden Fasern. Die elastischen Fasern bewirken zudem eine wirksame und bleibende Bodenauflockerung und damit Bodenbelüftung. Dabei ist von besonderem Vorteil, dass für die Herstellung des Bodenverbesserungs­ stoffes mit dem Xylit ein Rohstoff ausgewählt wurde, der im Boden lange beständig ist und nur sehr langsam abgebaut wird, weil alle leicht abbaubaren Bestandteile der ursprünglichen Phytomasse nicht mehr vorhanden sind.

Durch den scherenden und/oder schneidenden Aufschluss des kohlearmen Xylites entsteht ein fertiger und sofort wirksam werdender Bodenverbesserungsstoff mit hoher Resistenz, der bezogen auf seine Trockenmasse mehr als 400% Wasser speichern kann sowie Nährstoffe und Spurenelemente nicht nur in großen Mengen adsorptiv, sondern durch seinen hohen Gehalt an Carboxylgruppen auch chemisch binden kann. Der aufgeschlossene Faserxylit kann sogar in hohen Anteilen mit den Böden vermischt werden, weil alle die Abbauprozesse entfallen, die z. B. bei Zusatz von Stroh oder Holz dem Boden Stickstoff und Phosphornährstoffe entziehen. Der Xylit ist sogar als Substratbodenstoff geeignet.

In bestimmten Anwendungsfällen sollen Bodenverbesserungsstoffe auch eine gute Dämmwirkung gegen schnelle Wasserverdunstung und/oder zu starken Wärmefluss bei starker Abkühlung oder Aufheizung der umsetzenden Atmosphäre haben, ohne dass die Befähigung zur Wasser- und Nährstoffspeicherung irreversibel verloren geht. Diese Dämmwirkung erlangt das Xylit erfindungsgemäß durch eine gezielte thermische Trocknung auf Wassergehalte von etwa 3 bis 25% und versuchsweise w ≈ 5 bis 15% bei einer begrenzten Erwärmung des Xylites auf Temperaturen von maximal 160°C. Unter den genannten Trocknungsbedingungen entsteht ein Xylit­ faserstoff mit der notwendigen Verringerung seiner hygroskopischen Eigenschaften, die für die notwendige Unterdrückung des Feuchte- und Wärmetransportes durch Kapillarwirkung und Dampfdiffusion erforderlich ist. Die Schüttungen aus ge­ trocknetem Faserxylit fungieren als Dampfsperren, und sie durchfeuchten auch bei länger anhaltendem Regen nicht, weil das Wasser sofort über Kanäle in den Boden abfließt. Der getrocknete Xylit ist auf Grund seiner organischen Natur, seiner hohen Porosität in und zwischen den Xylitfasern und der Wirkung als Sperre gegen Dampfdiffusion als Schüttgut ein guter Dämmstoff, der das Überhitzen oder das Auskühlen der Böden schon ab Schütthöhen ab etwa 60 mm verhindert oder wenigstens stark dämpft. Getrockneter Faserxylit ist somit ein Bodenverbesserungs­ stoff, der auch für die Bedeckung von Böden geeignet ist, weil es die Fruchtbarkeit der Böden durch Verhinderung einer zu schnellen und nutzlosen Wasserverdunstung sowie durch die Absicherung eines vorteilhaften und jahreszeitlich länger vorteilhaft bleibenden gleichmäßigeren Bodenklimas durch Verhinderung von schneller und stärkerer Auskühlung oder Erwärmung erhöht. Der getrocknete Xylit erlangt seine hohe Aufnahmefestigkeit gegenüber Wasser und Nährstoffen zurück, wenn der Wasserzufluss unter Tauschbedingungen erfolgt, wie das bei einer nachfolgenden Einarbeitung des Xylites in den Boden der Fall wäre.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung eines Bodenverbesserungsstoffes, der kostengünstig in großen Mengen ohne Umweltbelastung und guter Bodenverträglichkeit herstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass für die Herstellung des Bodenverbesserungs­ stoffes ein naturnaher und allein durch bio- und geochemische Umwandlungs­ reaktionen aus Phytomasse entstandenes Produkt in Form des in der jungtertiären Weichbraunkohle enthaltenen Xylites ausgewählt wird, der sich durch eine hohe innere Porosität, eine enorm hohe Anzahl von Bindungspotentialen und vor allem an Carboxylgruppen für die Adsorption und die chemische Bindung von Nähr­ stoffen sowie eine hohe Beständigkeit gegenüber biologischen Abbau auszeichnet und dieser großstückige und mit detritischer Braunkohle fest verwachsener Braunkohlenxylit durch ein mehrstufiges Verfahren mit folgenden Prozessstufen in einem hochwertigen Bodenverbesserungsstoff für die Verwendung als Zusatzstoff für Böden als Substratböden und/oder als Bodenbedeckungsstoff überführt wird:

• a) Abtrennung der mit dem Xylit fest verwachsenen detritischen Braunkohle durch Zerkleinerung von möglichst xylitreichen Kohlefraktionen dominierend durch Prallbeanspruchung und einer mäßigen Beanspruchungsintensität, bei der die leicht zerkleinerbare detritische Braunkohle zu Feingut getrocknet wird und der schwer zerkleinerbare zähe Braunkohlenxylit trotz partieller Aufspaltung grobstückig bleibt und dafür Mühlen verwendet werden, deren Rotorumfangsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Bauart und der Baugröße zwischen 25 bis 60 m pro Sekunde begrenzt ist,
• b) Stofftrennung der fein zerkleinerten detritischen Braunkohle und des grob­ stückigen Braunkohlenxylites durch Klassierung, wobei die Zerkleinerung und die Klassierung mit oder ohne Kreislaufschaltung betrieben werden kann,
• c) Aufschluss des kohlearmen Rohxylites in einen feinstängligen Faserstoff vorzugsweise durch scherende und/oder schneidende Beanspruchung mit dem Ziel der bestmöglichen Öffnung der inneren Porosität des Xylites, durch Aufschneiden und Aufreißen seines inneren Porenvolumens und der Zugäng­ lichkeitsmachung der inneren Bindungspotentiale für Adsorptions- und Bindeprozesse sowie Schaffung kurzer Diffusionswege quer zu den dünnen Xylitfasern, die durch ihre Aktivierung an den Oberflächen und ihre Neigung zur formschlüssigen Verknäulung eine zusätzliche Speicherqualität haben,
• d) schonende Trocknung des Xylites allein bei seiner Verwendung als Dämmstoff gegen zu schnelle Verdunstung der Bodenfeuchtigkeit und/oder Schutz des Bodens vor Auskühlung und Überhitzung auf Wassergehalte von etwa 3 bis 25% und vorzugsweise 5 bis 15% und Xylittemperaturen bei der Trocknung von kleiner gleich 160°C mit dem Ziel durch partielle Verringerung der hygroskopischen Eigenschaften des Xylites seine Dämmeigenschaften gegen Feuchte- und Wärmetransport durch die Schüttung auf ein hohes Niveau zu erhöhen, ohne die Speicherkapazität für Wasser und Nährstoffe unter Tauchbedingungen zu beseitigen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die scherende und/oder schneidende Zerkleinerung des groben kohlearmen Xylites vorzugs­ weise Doppelschneckenzerfaserer bzw. Doppelschneckenextruder sowie Mühlen mit Schneidwerkzeugen in Form von Messern oder schneidenden Austrags­ vorrichtungen geeignet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der neu entwickelte Bodenverbesserungsstoff auch unter feuchten Klimabedingungen durch seine hohe Resistenz keine Geruchsbelästigung verursacht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der von Natur aus weitgehend nährstoffarme Xylit bei seinem Aufschluss nach Bedarf mit Nähr­ stoffen, Substanzen zur gezielten Einstellung von pH-Werten oder anderen für den jeweiligen Anwendungsfall vorteilhaften Stoffen, wie z. B. Tonmineralien in hoher Gleichmäßigkeit und stabil vermischt werden kann und dieser Vermischungsprozess vorteilhaft durch den Aufschluss mit einem Doppelschneckenzerfaserer kombiniert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der neue Bodenver­ besserungsstoff als Erdersatzstoff, zur Erhöhung der Bodenfruchtbarkeit, zur Rekultivierung von Böden und zur Renaturierung von unfruchtbaren Böden Verwendung finden kann.