DE102011010329A1

DE102011010329A1 - Wasser speicherndes und abgebendes organisch basiertes Kompositmaterial sowie dessen Herstellung und Anwendung

Info

Publication number: DE102011010329A1
Application number: DE201110010329
Authority: DE
Inventors: Peter O. Glienke
Original assignee: Inotec Glienke and Glienke GbR
Current assignee: Inotec Glienke and Glienke GbR
Priority date: 2011-02-04
Filing date: 2011-02-04
Publication date: 2012-08-09

Abstract

Wasser speicherndes und abgebendes organisch basiertes Kompositmaterial aus Gärresten und Hydrogel-Kompositen und/oder polymeren Hybridmaterialien sowie dessen Herstellung und Anwendung.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung umfasst Wasser und/oder wässrige Lösungen, auch Nährstofflösungen, speichernde und das Wasser und die wässrigen Lösungen wieder abgebendes organisch basiertes Kompositmaterial, enthaltend mindestens ein natürliches und/oder synthetischen Superabsorberpolymer (SAP) und/oder mindestens ein Hydrogel-Komposit mit Superabsorber-Eigenschaften, vorzugsweise zum Einsatz, aber nicht ausschließlich, als Bodenhilfsstoff und/oder Düngemittel, insbesondere als kombinierter Stickstoff-, Phosphor- und Kaliumdünger (NPK-Dünger), Wasserspeicher, Wasser- und Nährstofflieferant für Wachstum, Keimung und die Kultivierung von Pflanzen, als Pflanzsubstrat oder als Bodenzusatzstoff, auch in Abmischung mit Erdboden und/oder Erden- und oder Pflanzsubstraten, zur Verbesserung des Bodenklimas und zur Förderung der Humusbildung, als Trägermaterial für feste und flüssige Düngemittel, Insektizide, Pestizide, Bakterizide und Fungizide und als Kompost und Zusatzstoff zur Verbesserung von Kompost und zur Rekultivierung von semi- und ariden Flächen, Trocken- und Wüstengebieten, auch als verdichtete, kompaktierte Formkörper ausgebildet, wie beispielsweise als Pellet und/oder Granulat und/oder ausgebildet als Matten mit Zusatz von organischen Faserstoffen, diese erfindungsgemäßen Kompositmaterialien hergestellt unter Verwendung von und/oder enthaltend:
mindestens ein Hydrogel-Komposit und Gärreste aus fermentierter Biomasse in Form wässriger Suspension (Gärreste-Gülle) und/oder teilentwässerter Gärreste-Suspension und/oder aus dieser gewonnenen getrocknetem Gärrestefeststoff (Gärreste-Trockenmasse) und die zur Fermentierung eingesetzte Biomasse enthaltend pflanzliche Biomasse und/oder Gülle und/oder tierischer Kot und/oder Küchen- und/oder Schlachtabfällen und/oder organischen Klärschlamm ist und das erfindungsgemäße Kompositmaterial vorzugsweise Gärreste aus fermentierten nachwachsenden Rohstoffen (NAWARO), die unter den Oberbegriff der so genannten Energiepflanzen fallen, enthält.
Das erfindungsmäße Kompositmaterial kann in bevorzugten Ausführungsformen enthalten: Holzasche und/oder Reststoffe, wie diese bei der thermischen Verwertung (Verbrennung) und/oder Pyrolyse von Energiepflanzen und/oder Rostasche und/oder Reststoffe wie diese bei der Verbrennung/Pyrolyse von frühtertiärer Braunkohle (Weichbraunkohle) anfällt.
Ausserdem können enthalten sein, Struktur bildende organische Füllstoffe und/oder anorganische, mineralische Füll- und mineralische Wirkstoffe, vorzugsweise ausgewählt aus der Stoffgruppe der Quarzsande, Ton, Schiefer, Sedimentgesteine, Gneis, Trass, Basalt, Dolomit, Magnesit, Bentonit, natürlliches und/oder synhthetisches Zeolith und/auch feine, geblähte Partikel aus Eruptivgesteinen, wie beispielsweise geblähte Perlit- und Vermiculite-Partikel.
Das erfindungsgemäße Kompositmaterial weist, aufgrund seiner Zusammensetzung und den Ausbildungsmechanismen, inhärtere Superabsorbereigenschaften aus und kann auch als Düngemittel-Hydrogel-Komposit und/oder Kompost-Hydrogelkomposit eingeordnet werden.
Darüber hinaus umfasst die Erfindung vielfältige Ausführungsformen und Zusammensetzungen, die es erlauben, für spezielle Anwendungsbereiche die jeweils geeignete Zusammensetzungen des erfindungsgemäßen Kompositmaterials herzustellen und anzuwenden.
Des Weiteren betrifft die Erfindung die Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kompositmaterialien sowie deren bevorzugte Anwendungsbereiche.
Hintergrundinformationen
Die weltweit knappen Ressourcen an fossilen Energieträgern, wie Erdöl, Gas, Kohle und Uran sowie die ökologische Forderung und Notwendigkeit der Reduzierung der weltweiten CO₂-Emissionen aus ökologischen und ökonomischen Gründen, verbunden mit dem steigenden Bedarf an Energie und Basisrohstoffen für die Synthese von chemischen Rohstoffen, hat dazu geführt, dass der Anbau und die Verwertung von Biomasse zur direkten thermischen Verwertung als Energieträger und der Gewinnung von Biogas, Biotreibstoffen und Syntheserohstoffen in Zukunft immer mehr Bedeutung zukommt. So prognostizierte die Internationale Energieagentur (IEA) einen weltweiten Anstieg des Primärenergieverbrauchs zwischen heute und 2030 um über 50% (INTERNATIONAL ENERGY AGENCY, PARIS 2006).
Die energetische Nutzung von Biomasse als Energieträger unter Bevorzugung von nachwachsenden Rohstoffen (NAWARO) ist mit erheblichen Vorteilen verbunden:

– Die energetische Nutzung von Biomasse jeglicher Art, setzt nur soviel CO₂ frei wie bei beim Aufwuchs und/oder der Produktion gebunden wurde.
– Nachwachsende Rohstoffe also so genannte Energiepflanzen können nachhaltig produziert werden, dies gilt auch für schnell wachsende Holzsorten.
– Die Verwendung von nicht schnittfähigem und nicht verwertbarem

Holzanfall aus nachhaltiger Forstwirtschaft ist wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll.
Die aktuelle energetische Nutzung von Biomasse umfasst:

– Energie- und Wärmegewinnung aus festen biogenen Brennstoffen vorzugsweise Holz.
– Biogasproduktion mittels anaeroben Vergärung von beispielsweise Biomasse aus pflanzlicher Biomasse, Gülle, tierischem Kot, Küchen- und Schlachtabfällen, Abwasserschlamm usw.

Besondere Bedeutung wird in Zukunft der Energiegewinnung durch die Verwertung von Biomasse aus nachwachsenden Rohstoffen (NAWARO) und insbesondere der Biogasproduktion durch Vergärung von pflanzlich basierter Biomasse, die aus so genannten Energiepflanzen, wie bespielsweise Mais, Weizen, Zuckerrüben u. a. m., auch in Kombination mit tierischer Gülle usw. zukommen, die extra für die Produktion von Biogas angebaut werden und damit im Wettbewerb zum Anbau von Pflanzen für die Nahrungsmittelproduktion stehen, da weitgehendst sortenreiner Einsatz von Energiepflanzen als Biomasse gefordert ist.
Sehr problematisch ist aus ökologischer Sicht und auch aus Gründen der Wirtschaftlichkeit, die Ausweitung der erforderlichen Anbauflächen für den Anbau der Energiepflanzen um den steigenden Bedarf zu decken und die Tatsache, dass die Problematik der nachhaltigen Verwertung von anfallenden Reststoffen, wie der Gärreste bei der Produktion von Biogas und der vergleichbaren Schlempe aus der Bioethanol-Erzeugung bisher noch nicht gelöst ist, wie auch die Verwertung der Aschen, die bei der thermischen Nutzung (Verbrennung) von Energiepflanzen und Holz in Form von bzw. Rostasche, Flugasche, Filter- und Zyklonasche vornehmlich als Oxide von Calcium, Magnesium, Phosphor und Kalium anfallen.
Bei einer mittleren Biogasanlage mit einer Leistung von 500 KW_(el) fallen pro Jahr cirka 10.000 m³ Gärreste (Gärrestegülle) als Suspension und wässrige Lösung mit einem Feststoffgehalt von ca. 5–8% Gew.-% an, je nach Zusammensetzung der zur Vergärung kommenden Biomasse und Produktionstechnologie und müssen als so genannter Wirtschaftsdünger zwischengelagert werden und können nur bedingt ausgebracht werden.

Diese so genannte Gärrestegülle enthält, neben den pflanzlichen Reststoffen, folgende bioverfügbaren, teilweise gelöste, Pflanzennährstoffe, die beispielsweise in nachfolgender Tabelle im Vergleich zu unfermentierter Rindergülle aufgelistet sind. Tabelle 1 Vergleichswerte der Inhaltsstoffe von unfermentierter Rindergülle (Rohgüllle) zu Gärresten auf der Basis verschiedener Biomasse-Mischungen.

		Rohgülle	Gärreste
Parameter	Einheit Bez.	Rinder-Gülle (Rohgülle)	Rinder-Gülle + NAWARO	Schweine-Gülle + NAWARO	NAWARO 100%
Trockenmasse	% von FM	9,1	7,3	5,6	7,0
Säuregrad	pH	7,3	8,3	8,3	8,3
Verhältnis Kohlenstoff/Stickstoff	C/N:	10,8	6,8	5,1	6,4
		Kg/t FM	Kg/t FM	Kg/t FM	Kg/t FM
Stickstoff	N-gesamt	4,1	4,6	4,6	4,7
Ammonium-N	NH₄-N	1,8	2,6	3,1	2,7
Phosphor	P₂O₅	1,9	2,5	3,5	1,8
Kalium	K₂O	4,1	5,3	4,2	5,0
Magenesium	MgO	1,02	0,91	0,82	0,84
Calcium	CaO	2,3	2,2	1,6	2,1
Schwefel	S	0,41	0,35	0,29	0,33
Organische Substanz		74,3	53,3	41,4	51,0

FM = Frischmasse; kg/t FM = Gehalt in kg in 1000 kg Frischmasse;
NAWARO = pflanzlich basierte Biomasse.

Die essentiellen Mikronährstoffe wie Cu und Zn sind nicht erfasst.
Gärreste-Gülle ist, je nach Zusammensetzung der Ausgangsbiomasse und des Feststoffgehaltes noch sehr gut pumpfähig aber im homogenisierten Zustand sehr zähflüssig und die Feststoffe in der Suspension neigen zum Aufschwimmen. Außerdem ist ein Ausgasen von Ammoniak, Methan und Schwefelwasserstoff gegeben. Der allerdings geringer ist als beispielsweise bei unvergorener, unfermentierter Rinde- oder Schweinegülle.
Die Bezeichhung flüssige Gärreste-Gülle ist nicht korrekt, da damit keine eindeutige Abgrenzung zu nur teilweise fermentierten tierischen Ausscheidungen also Kot und Urin basierter Gülle gegeben ist.
Alle auf Biomasse basierten Gärreste enthalten also erhebliche Mengen an leicht pflanzenverfügbarem Stickstoff, außerdem Phosphor, Kalium, Schwefel und Spurenelemente. Die Nährstoffzusammensetzung des Gärrestes kann stark schwanken, abhängig von den verwendeten Substraten. Da aus dem Substrat nur geringe Mengen NH₃ entweichen, verbleibt der größte Teil des Stickstoffs im Gärrest und stellt damit einen hochwertigen organisch basierten Dünger dar. Gärreste eignen sich damit grundsätzlich als Ersatz oder als Ergänzung zur Düngung mit stickstoffhaltigem Mineraldünger, des Düngemittel-Typs: NPK (Stickstoff- Phosphor-Kalium).
Bei der industriellen Verbrennung, thermischen Verwertung von Holz und Energiepflanzen fällt durchschnittlich, in Form der verschiedenen Aschefraktionen, eine Gesamtaschemenge von 0,5–0,8% Gew.-% an. Bei der Verbrennung von Waldholz in Form von Hackgut mit Rindebeimischung durchschnittlich 0,8 bis 1,4% und ist sehr abhängig von der Feuerungstechnik.
Belastbare statistische Erhebungen der als Zuschlagstoff für Düngemittel in der BRD anfallenden und geeigneten Holzaschemengen liegen zur Zeit nicht vor, dürften aber schätzungsweise bei mehr als 800.000 Tonnen pro Jahr liegen, wenn die industrielle Verbrennung von Holz-Pellets berücksichtigt wird.
Der Elementgehalt von Holzasche (Rost-Brennraum-Fraktionen), gemittelter, statistischer Wert aus verschiedenen Nutz- und Energieholzsorten, ergibt berechnet in g/kg (gerundet): Phosphor: 12; Kalium: 65; Calcium: 270; Magnesium: 25;
Diese Elemente liegen in Oxidform vor oder sind teilweise bereits carbonisiert. Diese Holzaschen sind hydrophil und Wasser wird bei der Befeuchtung in den Poren einerseits physikalisch durch Kapillarkräfte, aber auch chemisch als Hydratationswasser (Hydratation von Oxiden), gespeichert. Rasterelektronenmikroskopaufnahmen zeigten unterschiedlich geformte, anorganische Partikel mit feinen Schichten und porösen kristallinen Strukturen.
Die trockenen Aschepartikel quellen durch Wassereinwirkung zu rosettenartigen Kristallen auf, was zu einer Volumenzunahme von rund 12% führt. Die Komponenten dieser Partikel stellten sich in Röntgendifraktogrammen als Kalzit, Portlandit und Kalziumsilikate heraus. Nach der Trocknung bleiben diese Strukturen erhalten, was zu einer nachhaltigen Erhöhung der Wasserspeicherkapazität führt.
Die beschriebenen Rostaschen sind also aufgrund der Zusammensetzung, unabhängig von allen einschlägigen gesetzlichen Vorschriften als Bodenhilfsstoffe und/oder als basischer Mehrstoff-Mineraldünger einzuordnen mit den Typ bestimmenden mineralischen Bestandteilen CaO, K₂O, MgO und P₂O₂, Holzasche kann anstelle von Dolomit in Düngemittelzubereitungen eingesetzt werden oder als Dolomitersatz. Tabelle 2 Nährstoffgehalte und pH-Werte von Holzasche und Dolomit (nach Zollner et al. 1997) in Gew.-% in der Trockensubstanz:

Nährelement Holzasche Dolomit

Calcium 15–46 30–45

Magenesium 1–2 8–22

Kalium 3–4 0

Phosphor 1–2 0

pH-Wert 10–13 8–9
Unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit, der Reduzierung und Verbesserung der CO_2- Belastung/Bilanz und aus generellen ökologischen Aspekten sollten in Zukunft auf der Basis von Gärresten und Holzaschen den landwirschaftlichen Flächen diese Reststoffe wieder in geeigneter Form als effektive Bodenhilfsstoffe und/oder Düngemittel zugeführt werden. Wobei dem Einsatz in Kombination von Gärresten aus der Biogasherstellung besondere Bedeutung zukommt.
Auf der Basis der in Deutschland Ende 2010 betriebenen ca. 5.800 Biogasanlagen, mit einer Leistungskapazität von ingesamt 2.400 MW_(el), resultiert damit pro Jahr ein flüssiger Gärreste-Anfall von ca. 45.000.000 m³ dies ergibt als Trockenmasse (TM) gerechnet, bei durchschnittlich 5% TM-Gehalt, eine Menge von > 2.000.000 Tonnen Gärreste-Trockenmasse. Dies entspricht einem Anfall an für Pflanzen verfügbarem Stickstoff von > 220.000 Tonnen pro Jahr. Damit könnte überwiegend der industriell erzeugte Stickstoffdünger ersetzt werden, der in der Landwirtschaft zum Anbau der Energiepflanzen für die Biogaserzeugung derzeit eingesetzt wird und ökologisch im Sinne einer nachhaltigen ökologischen Landwirtschaft bedenklich ist.
In 2010 wurden in der BRD ca. 2.150.000 Hektar mit nachwachsenden Rohstoffen zur energetischen Verwertung und für die Biomassegewinnung bewirtschaftet. Der durchschnittliche Entzug an Nährstoffen aus den landwirtschaftlichen Flächen soll am Beispiel von Silo- und Körnermais aufgezeigt werden.

Es ist in den kommenden 5 Jahren mit einer Steigerung der Anbauflächen in der Größenordnung von bis zu 10% p. a. zu rechnen. Die Rückführung der entzogenen Nährstoffe in den Ackerboden ist eine unabdingbare Forderung. Tabelle 4 Durchschnittlicher Nährstoffentzug bei Silo- und Körnermais in kg/ha

Nährstoff	Silomais (28% TM) 100 dt Grünmasse	Körnermais (86% TM) Körner 10 dt	Stroh (10 dt)
Stickstoff N_-ges.	30–40	12–16	5–9
Phosphor P₂O₅	15–25	6–11	5–7
Kalium K₂O	35–50	4–6	15–25
Magnesium MgO	7–13	2–3	2–4
Kalk CaO	10–18	2–3	5–7
Schwefel S	3–5	-	-

Für den Anfall aus der sortenreinen Verbrennung von unbehandelten Energiehölzern (schnellwachsende NAWARO-Holzsorten) liegen keine belastbaren Zahlen vor. Die groben Schätzungen liegen derzeit für das Gebiet der BRD bei mehreren huntertausend Tonnen pro Jahr.
Der zukünftige Anfall der Reststoffe Gärreste und Holzasche, die aufgrund ihrer Zusammensetzung und der Einsatzmöglichkeiten natürlich basierte Düngemittel und damit Wertstoffe sind, hat steigende Tendenz.
Für den zukünftigen Ausbau der energetischen Nutzung von Biomasse ist es erforderlich, dass das Problem der Verarbeitung und Rückführung der anfallenden Reststoffe (Sekundärrohstoffe) wie der Gärreste und Holzaschen in den Stoffkreislauf ökologisch nachhaltig und wirtschaftlich tragbar gelöst wird und damit auch wieder Humus bildende Stoffe zugeführt werden und durch diese Rückführung dem Ackerboden die durch den Intensivanbau von Energiepflanzen entzogene Mineralien und Stickstoff wieder zur Verfügung steht.
Des Weiteren ist es erforderlich, dass Lösungen und Methoden gefunden werden, die zu einer erheblichen Steigerung der land- oder forstwirtschaftlichen Biomasseproduktion führen und dies nicht durch gentechnisch veränderte Pflanzen oder durch extreme Ausweitung der Anbauflächen für Energiepflanzen zur Gewinnung von Biomasse. Eine Ertragssteigerung bei der Ausbildung von ober- und unteridischer Biomasse ist Zielsetzung.
Zusätzliche Maßnahmen müssen ergriffen werden die verhindern, dass in Folge der Intensivierung der Landwirtschaft es zu keiner Bodenverdichtung kommt und die fehlenden Erntereste und die starke Ausbeutung von Wasser und Nährstoffen nicht den Humusgehalt im Boden vermindern. Der Humusabbau hat erhebliche ökologische Probleme zur Folge. Wie u. a. abnehmende Bodenfruchtbarkeit und Erosion auch durch das reduzierte Wasserrückhaltevermögen der Ackerböden aufgrund der sich ständig verschlechternden Bodenstruktur.
Es ist in Zukunft erforderlich, um den weltweit steigenden Bedarf an. Biomasse zu decken, durch den Einsatz von Biomasse basierten agrargerechten Bodenverbesserungsmittel und Düngemittel, die auch als Langzeitwasserspeicher wirken sollten, den Anbau von Energiepflanzen auf Karst- und Ödflächen sowie in ariden und semi-ariden Gebieten zu ermöglichen, sowie in den heißen Klimazonen der Entwicklungsländer, so dass dort mit nachwachsenden Rohstoffen der steigende Energiebedarf gedeckt werden kann und zwar in wechselnder Fruchtfolge von Energiepflanzen und Nutzpflanzungen für die Nahrungsmittelversorgung vor Ort.
Die neueste Studie der FNR aus 2010 zum Thema Biogas und Gärreste („Leitfaden Biogas – von der Gewinnung zur Nutzung”). Herausgegeben 2010. von der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR), OT Gülzow·Hofplatz 1·18276 Gülzow-Prüzen, im Rahmen des Projektes „Handreichung Biogasgewinnung und -nutzung” angefertigt mit Fördermittel vom Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Vebraucherschutz unter der Förderkennzeichnung (FKZ):22005108 fasst den Stand der Technik zur Herstellung von Biogas auf der Basis von Biomasse sowie die Aufbereitung und den Einsatz der anfallenden Gärreste als Düngemittel und Bodenverbesserungssubstrate informativ zusammen.
Insoweit wird bei den nachfolgenden Offenlegungen und Hinweisen zum Stand der Technik, soweit es sich nicht um Patent- und Schutzrechtsliteratur handelt, auf diese Studie verwiesen bzw. wird Bezug genommen.
Die Verwertung von den so genannten Rostaschen aus der thermischen Verwertung von Holz und energetisch verwerteter Biomasse aus nachwachsenden Rohstoffen steht am Anfang und ist in der Praxis über das Versuchsstadium noch nicht hinaus gekommen. Dies gilt sinngemäß auch für die sortenreine Rostaschen, wie diese bei der Verbrennung von frühtertiärer Braunkohle anfallen, die pflanzlichen Ursprung hat.
Holzasche sollte aber in Zukunft als bevorzugter Sekundärrohstoff und Zuschlagstoff zur Herstellung von Düngemitteln verwendet werden. Die für die Verwertung der Holzasche erforderliche Infrastruktur muss aber die Forstwirtschaft und die verarbeitende Industrie erst noch schaffen. Hinzu kommen, wie auch beim Einsatz und der Verwendung von Gärresten als Düngemittel und/oder Düngemittel-Sekundärrohstoffe erhebliche gesetzliche Hemmnisse durch nationale Gesetzgebungen und der Tatsache, dass diese wertvollen biobasierten Rohstoffe teilweise als Abfallstoffe eingeordnet werden. Weiterhin fehlt es an umsetzbaren, preiswerten Produkt- und Verfahrenstechnologien.
Die Verwertung von Holzasche als mineralischer Zuschlagstoff anstelle von Branntkalk, Dolomit, Phosphat in Bodenhilfsstoffen, trägt mit dazu bei, dass die Eingriffe in das sensible Ökosystem durch die Intensivforstwirtschaft nicht zu weiteren Brachflächen führt.
Stand der Technik
Gärreste
Zum Stand der Technik ist ergänzend und zusammenfassend, unter Bezug auf die vorstehenden Ausführungen (Hintergrundinformationen) und die zitierte Studie der FNR „Leitfaden Biogas – von der Gewinnung zur Nutzung”, zum Teilbereich der Gärreste und deren Verwertung, Verarbeitung und Anwendung auszuführen:
Viele Vorschläge zur Weiterverarbeitung und Anwendung von Gärresten wurden in den letzten Jahren in der Fachliteratur beschrieben und sind Gegenstand zahlreicher Schutzrechtsanmeldungen und Studien. In der Praxis werden aber mehr als 90% der anfallenden Gärreste aus Biogasanlagen als so genannte Wirtschaftsdünger unverändert auf die Ackerflächen ausgebracht oder als Abfall entsorgt.
Die Rückführung als so genannter Wirtschaftsdünger ist aber, aufgrund der Transport- und Handlingskosten und durch die gesetzlichen Beschränkungen in den meisten Agrarstaaten über Höchstmengen für die Ausbringung pro Hektar und zeitliche Begrenzung für die Ausbringung nur bei kleineren Anlagen bis max. 500 KW_el möglich.
Zusätzlich erfordert dies die Zwischenlagerung von erheblichen Mengen flüssiger Gärreste in Lagertanks mit Rührwerkseinrichtungen, die so ausgelegt sein müssen, dass sichergestellt ist, dass kein Ammoniak, Methan oder der Schwefelwasserstoff in die Atmosphäre austritt.
Diese Verwertungs- und Lagerpraxis für Gärreste ist aber bei den existierenden Großanlagen mit einigen MW_el Leistung nicht möglich, da für diese Anlagen die Rohstoffe (Energiepflanzen) aus überregionalem Anbau stammen und ein Transport aus Kosten- und Umweltschutzgründen nicht möglich ist, so sehr es auch ökolgisch sinnvoll wäre, dass der dem Boden entzogene Stickstoff und die mineralischen Nährstoffe und die Humus bildenden Bestandteile wieder den Agrarflächen zugeführt werden, denen diese durch den Anbau der Energiepflanzen entzogen wurden. Soweit also die anfallenden Gärreste-Suspensionen nicht unverändert als Wirtschaftsdünger ausgebracht werden können, wird eine Feststoffabtrennung mittels Dekanter, Siebschneckenpressen, Siebtrommelpressen und anderen mechanischen Verfahren in eine Flüssigphase und eine Feststoffphase mit einer Trockenmasse von ca. 20–35% Gew.-% vorgenommen.
Die Feststoffphase der Gärreste kann ebenfalls als Wirtschaftsdünger mit der bereits aufgezeigten Problematik gelagert und ausgebracht werden oder, wie beispielsweise in der PCT/EP/2006/009681 vorgeschlagen, in einem aufwändigen Verfahren zu Düngemittelpellets verarbeitet werden. Dies erfordert einen enormen Energieeinsatz bei der Trocknung der teilentwässerten Gärreste und bei der anschließenden Pelletierung und/oder Kompaktierung. Mehr als 60% der nährstoffhaltigen flüssigen Fraktion können nicht in die Pelletes eingearbeitet werden und müssen aufwändig gereinigt und als Abwasser entsorgt werden.
Gärreste ab einem Trockenmasse-Gehalt von ca. 30 Gew.-% können in einer vorzugsweise thermophilen Nachrotte kompostiert werden. Die Gärreste eignen sich aber u. a. meist nur, aufgrund ihrer dichten Struktur, zur Beimischung zu anderen Kompostsorten und dort zur Verbesserung der pflanzenverfügbaren Nährstoffbilanz. Das Porenvolumen und das Wasserspeichervermögen von Gärreste-Kompost ist nicht sehr ausgeprägt und er neigt, ähnlich wie Torfprodukte zum Verschlammen bei erhöhter Wasserzufuhr.
Es wird u. a. vorgeschlagen, den separierten Gärrestefeststoff zu trocknen und daraus, beipielsweise in Pelletform, Ersatzbrennstoffe zu erzeugen. Unabhängig davon, dass für ein solches Produkt kein Markt vorhanden und die Energiebilanz nicht ausgeglichen ist, führt die Verbrennung zu erhöhten Schadstoffemission, Korossionen in den Feuerungsanlagen und bei Verbrennungsasche zu einem Entsorgungsproblem aufgrund der enormen Anreicherung der Asche mit Schwermetallen wie Blei, Cadmium.

90% und mehr der Gesamtmasse der Gärreste aus der Nassfermentation macht die wässrige Phase aus, die nach der Abtrennung der Feststoffe teilweise wieder als Prozesswasser für die Aufbereitung der zu fermentierenden Biomasse eingesetzt wird oder zur Erzeugung eines Nähstoffkonzentrates dienen kann. Außerdem wird zur Aufarbeitung und/oder Verwertung der abgetrennten flüssigen Gärreste-Fraktion nach dem Stand der Technik u. a. vorgeschlagen und teilweise bereits umgesetzt: Tabelle 3 Zeigt Beispiele/Verfahrenstechniken der Aufbereitung von flüssigen Gärreste-Fraktionen in Stichworten aufgelistet

Technik	Verfahrensziele	Beschreibung Hinweise
Aerobe-thermophile Nachbehandlung	Keimreduzierung; Strippen von Ammoniak, Reduzierung GeruchsEmissionen;	Vorabtrennung der- Feststoffe, mind. 3% gelöste organ. Trockensubstanz erforderlich,
Ammoniak-Strippung Luftstrippung (pH > 1 1 Dampfstrippen (T = 100°C)	Entfernen der Stickstoff-Fracht; Produktion von flüssigem oder festen Stickstoffdünger;	Vorabtrennung der-Feststoffe, mind. 3% gelöste organ. Trockensubstanz, Durchführung mit Luft oder Dampf;
Phosphatfällung	Gewinnung von Phosphatdünger	Erprobtes Verfahren
Verdampfen von Wasser	Gewinnung Nährstoff-Konzentrat; Erzeugung eines sauberen Kondensates;	Vorabtrennung aller Feststoffe erforderlich, Vakuumverdampfung ermöglicht hohe Leistung;
Umkehrosmose Membranverfahren	Erzeugung Nährstoffkonzentrat und reine Permeates;	Enges Temperaturfenster und nur bedingt für den Praxiseinsatz geeignet;
Simultanfällung	Fällung von N, P, K aus der wässrigen Fraktion	Aufwändiges Verfahren

Die Übersicht gem. Tabelle 3 erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit und ist keine detaillierte Produkt- und Verfahrenbeschreibung.
In der noch nicht veröffentlichten PCT/DE/2010/00840 wird vorgeschlagen und beansprucht, dass einem Kompositmaterial vorzugsweise Kompost, gewonnen aus Gärresten und/oder Gülle, zugesetzt wird. Der Zusatz bezieht sich aber ausschließlich auf Kompost auf der Basis von Gärresten und Gülle also auf Gärresten und Gülle, die nochmals einer Nachfermentierung unterzogen wurden.
Zusammenfassend kann aber zum bekannten Stand der Technik bezüglich Aufarbeitung, Anwendung, Produkte und Verfahrenstechnologien festgehalten werden, dass alle Produktvorschläge und Verfahren in der Umsetzung sehr aufwändig sind und sich nicht durchgesetzt haben und die Gärreste überwiegend nach wie vor als Wirtschaftsdünger ausgebracht oder als Abfall deponiert werden und die separierte flüssige Fraktion, soweit diese nicht ebenfalls als Wirtschaftsdünger ausgebracht wird, zu einem großen Teil, nach entsprechender Vorbehandlung als Abwasser entsorgt wird.
Die berechtigte ökologische Forderung nach einer Nachhaltigkeit und einem Stoffkreislauf beim Anbau und der Verwertung von Energiepflanzen und Biomasse durch die Rückführung der wertvollen Reststoffe wird bisher nicht erfüllt. Das Problem einer agrargerechten aber auch kostengünstigen Aufarbeitung/Verwertung der Reststoffe ist bisher nicht zufriedenstellend gelöst. Dies gilt auch für die Verwertung von Gärresten aus den so genannten Trockenfermentationen, aus denen letztlich ebenfalls Gärreste resultieren, deren Wassergehalt noch > 50 Gew.-% beträgt. Insoweit ist die Bezeichnung Trockenfermentations-Verfahren irreführend bzw. nicht korrekt.
Holz- und Pflanzenasche
Die Problematik und der Stand der Technik bei der Verwertung und Aufarbeitung von Holzasche, die bei der thermischen Verwertung von Holz und Energiepflanzen gegeben ist, stellt sich analog dar. Der größte Teil der anfallenden Holzaschen wird als Abfall auf Deponien entsorgt und wird nicht mehr in den ökologischen Kreislauf zurückgeführt. Wertvolle Mineralstoffe sind dem Ackerboden und den forstwirtschaftlich genutzten Waldflächen unwiederbringlich entzogen und werden nicht mehr zurückgeführt.
Neben der sehr beschränkten direkten Ausbringung beispielsweise im Bereich der Forstwirtschaft, im Rahmen der so genannten Walddüngung bzw. Waldkalkung, werden Holzaschen zur Verbesserung des Mineralstoffanteils von Kompost, diesem zugesetzt oder auch bei Düngemittelzubereitungen und/oder in mineralischen Bodenhilfsstoffen eingemischt. Auch als mineralischer Zuschlag zu Kultur- und Pflanzerde-Substraten und Kompost werden Holzaschen in sehr geringem Umfang eingesetzt.
Proplematisch ist die Handhabung der sehr feinen und staubenden Aschefraktionen bei der direkten Ausbringung als Dünger oder Bodenhilfsstoff. Hinzu kommt die starke Alkalität der Holzaschen, die zusätzlich die Handhabung durch die gegebene Reiz- und Ätzwirkung auf der Haut und in den Augen stark beeinträchtigt.
Es sind Produkte und Verfahren bekannt, dass die Holzaschen nach den gebräuchlichen und bekannten Verfahren mit Wasser und Bindemittel in Granulate und/oder Pellets umgeformt und oder über Walzenpressen kompaktiert und dann granuliert werden. Als Beispiel wird verwiesen auf die DE 10 2006 019 939 B4 . Darin wird vorgeschlagen eine Kombination von Aschen aus Holz und Baumrinde als Bodenverbesserungsmittel und/oder Düngemittel einzusetzen. In der Offenlegungsschrift DE 10330713 A1 wird vorgeschlagen, dass die in der Holzasche enthaltenen Mineralstoffe mit Wasser extrahiert werden und daraus Düngemmittel hergestellt werden. Die Versorgung von für Pflanzen verfügbarem Stickstoff und anderen Pflanzennährstoffen soll durch getrennten Zusatz dieser Stoffe erfolgen.
Allen diesen auf Holzasche und/oder Baumrindenasche und auf Pflanzenasche basierten Produkten ist aber gemein, dass die Herstellungsverfahren sehr aufwändig und damit teuer sind und Bodenhilfsstoffe und/oder Düngemittel, die überwiegend aus Holzasche bestehen, in der Agrar- und Forstwirtchaft nicht universell als Bodenhilfsstoff und/oder Volldünger eingesetzt werden können. Hinzu kommt, dass die Bodenstruktur durch die alleinige Einarbeitung dieser Holzascheprodukte nicht wesentlich verbessert wird und auch die Ausbildung vo Humus nicht gefördert wird.
In der noch nicht veröffentlichten PCT/DE/2010/00840 wird vorgeschlagen und beansprucht, dass einem Kompositmaterial auch Holz-Rostasche in Partikelform zugesetzt werden, die in der Struktur fein gemahlenen geblähten Perlit-Partikel ähnlich sind.
Superabsorber, polymere Hydrogel-Komposite und Hybridmaterialien
Nach dem Stand der Technik ist bekannt, dass Superabsorberpolymere (SAP) vorzugsweise in der Form von Natriumpolyacrylat und Kaliumpolyacrylat in der Lage sind, große Mengen an menschlichen Urin und/oder Blut- und Wundsekreten stabil unter Ausbildung von Hydrogel zu binden, so dass diese als stabile Gelmasse entsorgt werden können. Auch der Einsatz als Wasser speichernder Zusatz im Agrarbereich ist bekannt und Gegenstand vieler Veröffentlichungen und einschlägiger Schutzrechte und Schutzrechtsbegehren. Die Nachteile der Verwendung dieser Superabsorberpolymere (SAP) als Bodenhilfsstoff wird ausführlich in der PCT/DE 2009000943 behandelt.
In der bereits zitierten PCT/DE 2009000943 werden Zusammensetzung, Aufbau und Anwendung von Hydrogel-Kompositen offengelegt und die Behandlung von geruchsintensiven Flüssigkeiten. Die erfindungsgemäß beanspruchte Umsetzung von Gärresten aus fermentierter Biomasse mit Hydrogelkompositen zu einem Kompositmaterial mit eigenständigen Eigenschaften und Anwendungsbereichen, ist allerdings nicht Gegenstand der Lehre dieser Erfindung. Dies gilt auch für die in der EP 1879932 B beschriebenen Superabsorber, die als polymere Hybridmaterialien ausgebildet sind und den dafür beanspruchten Anwendungsbereiche.
Erfindungsaufgabe
Der Erfindungsaufgabe liegt, mit Verweis auf den Anspruch 1, und auf den beschreibenden Teil dieses Anspruches sowie mit Verweis auf die Unteransprüche 2 bis 25, die Aufgabenstellung zugrunde, Verfahren und Produkte zu finden, die es ermöglichen, unter Verwendung von fermentierten Gärresten, unterschiedlichster Herkunft und Zusammensetzung, auch unter Zugabe von Holzaschen und weitere Zuschlagstoffen, diese mittels einer einfachen Misch-, Knet- und Homnogenisierungstechnik herzustellen, die durch ihre Zusammensetzung, Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten, die offenbarten Nachteile nach dem Stand der Technik beheben und preiswert herzustellen sind. Ergänzend wird Bezug genommen auf die Ausführungen gem. Abschnitt „Hintergrundinformationen” in dieser Beschreibung.
Die erfindungsgemäßen Produkte, also die Kompositmaterialien, bevorzugt in der Form als Düngemittelzubereitungen, sollen, mit ausdrücklichem Verweis und Einbeziehung auf die Anwendungen gemäß Anspruch 25, bevorzugt die Funktionen und Eigenschaften eines Wasser und auch Nährstoffe speichernden und diese wieder abgebenden Bodenoptimierers (Bodenhilfsstoff) und eines Volldüngers und/oder Düngemittelzubereitung für den universellen Einsatz im Agrarbereich ausweisen und sollen dem Ackerboden, die durch die intensive Bewirtschaftung entzogenen organischen und mineralischen Nährstoffe wieder in pflanzenverfügbarer Form zuführen, insbesondere den dem Boden entzogenen Stickstoff.
Die erfindungsgemäße Aufgabe beinhaltet explizit die Forderung, dass durch die erfindungsgemäße Komposit- und Düngemittelzubereitung unter Verwendung von Gärresten ggf. mit Zusatz weiterer organischer und/oder anorganischer Zuschlagstoffe, vorzugsweise Holzaschen unterschiedlichster Zusammensetzungen, bei Anwesenheit von Wasser in der Gesamtmasse, maßgeschneiderte Bodenhilfsstoffe und/oder Düngenmittel aufgebaut werden können und diese Produkte in der Lage sind, das ober- und unterirdische Wachstum der verschiedensten Pflanzen zu fördern und/oder die Ausbildung der Gesamtbiomasse zu erhöhen und/oder den Ertrag bei Fruchtnutzpflanzen zu erhöhen.
Zusätzlich soll die Humusbildung gefördert und einer Nitrifikation und der Auswaschung von Nährstoffen im Boden vorgebeugt werden und flüchtige Stickstoffverbindungen im Kompositmaterial gebunden sein und ausserdem sollten diese Komposit- und Düngemittelzubereitungen die Bodenstruktur auflockern und sich an die Erdkrumen anlagern lassen.
Die erfindungsgemäßen Kompositmaterilaien müssen gewährleisten, dass die in den Gärresten enthaltenden Nährstoffe und Mineralien, inbesondere die Stickstoffverbindungen so fixiert werden, dass diese pflanzenverfügbar sind aber es zu keinen Ausbringungsverlusten zu Lasten der vorhandenen Stickstoffbeladung kommt durch NH₃-Emissionen, die bei Aus-bringung von Gärresten und Wirtschaftsdünger bei NH₄-N zwischen 40–50% liegen kann und vom Gesamt-N zwischen 25–30%.
Die Komposit- und Düngemittelzubereitungen sollen zusätzlich als Langzeitwasserspeicher und Nährstoffspeicher dienen, also Wasser und wässrige Lösungen speichern und wieder abgeben und diese Wirkung soll dadurch erreicht werden, dass die Komposit- und Düngemittelzubereitung Hydrogele bildende natürliche und/oder synthetische Superabsorberpolymere enthalten, da diese bekannterweise die erhöhte Ausbildung von ober- und unterirdischer Biomasse positiv beinflussen. Der Effekt der unterirdischen und oberirdischen Biomassesteigerung soll dadurch gesteigert werden.
Diese Wirkung wurde bereits in vielen Studien beschrieben und in Freiland- und Gewächshausanpflanzungen belegt und ist Gegenstand der Erfindungslehre der PCT/EP/2009/061804 und PCT/EP/2009/061909 . Die exakten Wirkungsmechanismen sind bisher noch nicht restlos geklärt.
Darüber hinaus soll die Herstellung der Hydrogelkomposite durch eine einfache und kostengünstige Technologie erfolgen, so dass diese auch für kleinere, landwirtschaftlich betriebene Biogasanlagen wirtschaftlich tragbar ist.
Mangels fehlender einheitlicher Nomenklatur in der gesamten Literatur und für ein besseres Verständnis und zur Abgrenzung der Lehre der Erfindung zum Stand der Technik, sollen nachfolgend die Materialbzeichnungen und Definitionen: Superabsorber, SAP, Hydrogel-Komposit und polymeres Hybridmaterial erläutert werden.
Superabsorber, Superabsorberpolymere oder, wie international in der Fachliteratur gebräuchlich, in Kurzform SAP genannt, sind nach der Erfindungslehre, alle vernetzten und/oder teilvernetzten natürlichen und/oder synthetischen Polymere, die in der Lage sind, unter zeitabhängiger Volumenvergrößerung große Mengen an Wasser und/oder wässrigen Lösungen, unter Ausbildung eines Hydrogels aufzunehmen und auch unter Druckeinwirkung zurückzuhalten. Das Wasserspeichervermögen kann bis zum 1000-Fachen des Eigengewichtes der SAP betragen.
Aufgrund dieser charakteristischen Eigenschaften finden diese SAP hauptsächlich Anwendung in Sanitärartikeln wie Babywindeln, Inkontinenzprodukten oder Damenbinden und in den letzten Jahren auch als Langzeitwasserspeicher im Agrarbereich und zur Herstellung von Wasser speichernden und wieder abgebenden Bodenhilfsstoffen und Bodenoptimierer in der Land- und Forstwirtschaft, Gartenbau usw.
Typische SAP (Superabsorberpolymere) sind beispielsweise die Kalium- und Natriumsalze von teil- oder neutralisierten und vernetzten Polymeren auf der Basis von Polyacrylsäure oder die SAP auf der Basis von Acrylamid und Acrylsäure als Co- und/oder Propfpolymerisate ausgebildet. Zur Stoffgruppe der Superabsorber (SAP) werden auch so genannte SAP-Hybridmaterialien, bei denen organische und/oder anorganische Füllstoffe in die Polymermatrix bei der Polymerisation eingelagert und darin gebunden wurden, wie beispielsweise in der PCT/EP/2006/009681 offenbart, gerechnet, die zwar häufig zwecks Abgrenzung zu den reinen SAP, auch als Hydrogel-Komposit (HGK) bezeichnet werden. Nach der Lehre der Erfindung können diese polymeren Hybridmaterialien aufgrund vergleichbarer Produktzusammensetzung den Hydrogel-Kompositen zugeordnet werden.
Ein Hydrogel-Komposit (HGK) ist also nach allgemein gültigem fachlichen Verständnis, eine homogene Zubereitung von mindestens einem synthetischen und/oder natürlichen SAP mit anorganischen und/oder organischen, vorzugsweise mineralischen Füll-, Träger-, und Wirkstoffen, die in die Polymermatrix eingelagert sind und/oder bei dem die SAP-Partikel ganz oder teilweise von diesen umhüllt oder an diese gebunden sind und das SAP mindestens teilweise in Hydrogelform im Materialverbund vorliegt. Typische Ausführungen, Eigenschaften, Herstellung und Anwendung spezieller Hydrogel-Komposite (HGK) sind beispielsweise in der PCT/DE 2009/000943 und PCT DE/2010/000840 beschrieben.
MOFs
Nachstehend sollen die Struktur und die Eigenschaften von MOFs (Metal organic frameworks) also Metall-organische Gerüste (engl. metal-organic frameworks, MOF) beschrieben werden, die in einer fortführenden Weiterbildung der Erfindung als zusätzlicher Wasserspeicher und Speichermedium für flüchtige Gasbestandteile, wie Ammoniak, Methan und Schwefelwasserstoff in den erfindungsgemäßen Materialkompositen Verwendung finden.
MOFs sind extrem mikroporöse kristalline Materialien, die aus metallischen Knotenpunkten, den so genannten SBUs (Structural Building Units) und organischen Molekülen (Linkern) als Verbindungselementen zwischen den Knotenpunkten aufgebaut sind. Es können ein-, zwei- und dreidimensionale Netzwerke ausgebildet werden. Wobei vorzugsweise MOFs mit dreidimensionalen Netzwerken aufgrund deren Porenstruktur zur Hestellung der erfindungsgemäßen Materialkomposite verwendet werden. Für mögliche Anwendungen als Speichermedium ist die große innere Oberfläche (bis über 4500 m²/g) von Bedeutung. Die Porengröße kann über die Größe der organischen Liganden exakt festgelegt werden, so dass nur Moleküle einer bestimmten Größe hinein passen.
Im Gegensatz zu Zeolithen, also anorganischen Kristallen mit Poren ähnlicher Größe, sind MOFs weniger temperaturbeständig, allerdings ist die mögliche Vielfalt von maßegeschneiderten MOFs gegenüber den Zeolithen von erheblichem Vorteil und auch deren geringere Massendichte ist für den erfindungsgemäßen Einsatz von erheblichem Vorteil.
Darstellung der Erfindung
Es wurde nun überraschend, unter Verweis auf Anspruch 1, gefunden, dass durch Umsetzung von bevorzugt wasserhaltigen Gärresten mit mindestens einem Hydrogel-Komposit (HGK) durch einen einfachen Misch- und Knetprozess die erfindungsgemäße Aufgabe voll und kostengünstig gelöst wird.
Die Ansprüche 2 bis 21 offenbaren weitere vorteilhafte und beanspruchte Ausbildungen der Erfindung.
Dieses Ergebnis war überraschend, denn es ist bekannt, dass der Zusatz von reinen Superabsorberpolymeren (SAP) führt zwar zur Bindung des in den Gärresten enthaltenen Wasseranteils durch Hydrogelbildung aber es resultiert bei diesem Umsetzungsprozess eine schmierige, schlammartige und sehr homogene Masse, die nicht für den Einsatz als Bodenhilfsstoff und/oder Düngemittel mit Langzeitwasserpeicher-Eigenschaften geignet ist und bei den erfindungsgemäß beanspruchten Anwendungen zu einer unerwünschten bzw. zu einer kontraproduktiven Bodenverdichtung führt.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kompositmaterialien können sowohl flüssige Gärreste-Suspensionen mit beispielsweise einem Feststoffanteil zwischen 3 bis 15 Gew.-% und/oder die abgetrennte wässrige, Gärreste-Fraktion aus der die ungelösten Feststoffe entfernt wurden und diese wässrige Fraktion auch in Form eines teilentwässerten Konzentrates und/oder teilentwässerte und/oder getrocknete Gärreste eingesetzt werden und/oder entsprechende Abmischungen.
Die gewünschten Eigenschaften und Nährstoff-Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Materialkomposite können durch die Auswahl der Gärreste aufgrund deren Herkunft, Beschaffenheit und Inhaltstoffe und festgelegt werden.
So ist es beispielsweise möglich, aus den Gärresten die bei der Fermentierung von Biomasse mit dem Hauptbestandteil Mais resultieren, Materialkomposite mit den spezifischen Nährstoffen herzustellen, die letztlich diese Pflanze dem Boden entzogen hat.
Es war überraschend und nicht zu erwarten, dass die in der PCT/DE 2009/000943 und PCT/DE/2010/000840 beschrieben Hydrogel-Komoposite grundsätzlich zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kompositmaterialien auf der Basis von Gärresten und/oder kompostierten Gärresten geeignet sind. Dies gilt auch für die Superabsorber die als Hybridmaterialien ausgebildet sind wie in der EP 1879932 B offenbart.
Des Weiteren wurde gefunden, dass eine Ausbildung der Hydrogel-Komposite (HGK) mit der erfindungsgemäßen Herstellungstechnik in einem Arbeitsschritt erfolgen kann und/oder das erfindungsgemäße Materialkomposit gesamthaft als Hydrogel-Komposit ausgebildet wird.
Es hat sich auch gezeigt, dass eine nachträgliche anaerobe Kompostierung von Gärresten, die vorher zu einem erfindungsgemäßen Kompositmaterial umgesetzt wurden, zu einer deutlichen Verbesserung der Kompostqualität führt und den Verrottungsrozess abkürzt und es ermöglicht den Wasserhaushalt und die Temperaturführung in der Rotte positiv zu beeinflussen. Dies ist besonders bei der thermophil ablaufenden Kompostierung und der Hygienisierung wichtig. Die enthaltenen Hydrogelkomposite wirken nämlich auch als Wärmespeicher und nicht nur als Wasserspeicher. Bezüglich des Wirkungsmechanismus wird verwiesen auf die Lehre aus der PCT/EP/72010/060277 , die auch für Hydrogelkomposite anzuwenden ist.
Die erfindungsgemässen Materialkomposite erlauben in vorteilhafter Weise eine nachhaltige und preisewerte Nutzung der Gärreste die in Biogasanlagen und in anderen Fermentierungsanlagen anfallen, wie auch die Nutzung des Sekundärrohstoffes Holzasche als mineralischer Nährstoffzuschlag. Das erfindungsgemäss hergestellte und zusammengesetze Materialkomposit gibt nach der Ausbringung die enthaltenen Nährstoffe in vorteilhafter Weise langsamer frei als entsprechend unbearbeitet ausgetragene Gärreste, so dass in vorteilhafter Weise die Überdüngung von Feldern und das Eintreten von Nährstoffen, insbesondere von Nitriden, Nitraten und Phosphaten in das Grundwasser verringert wird. Das integrierte Langzeitwasserspeicher- und Abgabevermögen wirkt sich dabei positiv aus, da es die Pflanzenwurzeln nachhaltig mit Wasser und gelösten Nährstoffen, auch in Trockenperioden, versorgt aber auch verhindert, dass bei überdurchschnittlicher Wasserzufuhr, bzw. durch Dauerregen, die gepeicherten Nährstoffe ausgewaschen werden.
Überraschend war, dass bei der Düngung mit den erfindungsgemässen Materialkompositen bei unterschiedlichsten Kulturpflanzen im Vergleich zum Einsatz von reinen Gärresten als Wirtschaftsdünger, signifikante Ertragssteigegrungen zu verzeichnen waren und die Ausbildung der unterirdischen und oberirdischen Biomasse gesteigert wurde. Dies auch im Vergleich zu den Ertragssteigerungen die nur durch die Ausbringung von SAP erzielt wurden.
Nachfolgende Ausführungs- und Anwendungsbeispiele können nur ansatzweise die vielfältigen Zusammensetzungen der erfindungsgemäßen Kompositmaterialien und deren Anwendung und Einsatzmöglichkeiten als Düngemittelzubereitung aufzeigen und muss sich zwangsläufig, wegen der geforderten Nachvollziehbarkeit der Erfindungslehre auf wenige Beispiele beschränken.
Die Eigenschaften und Vorteile der erfindungsgemäßen Ausbildungen der Kompositmaterialien sind entsprechend zugeordnet und kommentiert.
Anzuführen ist, dass die gewählten Zusammensetzungen der erfindungsgemäßen Kompositmaterialien sich nicht ausrichten nach den Bestimmungen des Dünge- und Abfallrechts in der BRD und der EU und auch nicht pflanzenphysiologischen Forderungen, denn es ist aus der gesamten Lehre der Erfindung ersichtlich, dass durch das Baukastensystem eine entsprechende Anpassung durch Auswahl und Kombination aller Primär- und Sekundärrohstoffe möglich ist.
Es wurde wurde ergänzend gefunden und ist explizit auszuführen und festzuhalten, dass zur optimalen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Materialkomposite u. a. folgendes gewährleistet sein muss:

– es muß mindestens in der Gesamtmasse des Material-Komposits ein Anteil an SAP von > 2 Gew-% enthalten sein,
– soweit Hybridmaterial als SAP bzw. Hydrogel-Komposit zum Einsatz kommt, muss der Anteil der einpolymerisierten Füllstoffe mindestes 10 Gew-% betragen und der Anteil der Polymermatrix in der Gesamtmasse des zugesezten Hybridmaterials bei mindestens 10 Gew-% liegen, so dass eine optimale Ausbildung des Kompositmaterials erfolgt,
– die Partikelgröße von SAP der im Kompositmaterial und/oder in dem darin ausgebildeten und/oder enthaltenen Hydrogel-Komposit muss < 1000 my, vorzugsweise < 500 my und besonders bevorzugt < 200 my sein, dadurch wird das Wasserspeicher- und Abgabevermögen wesentlich erhöht und auch Feinstteilchen gebunden.
– das zeitabhängige Wasseraufnahme- und Abgabevermögen des Kompositmaterials muss mindestens dem 5-Fachen des Eigengewichtes entprechen um die Pflanzenwurzel ausreichend mit Wasser und wasserlöslichen gespeicherten Nährstoffen versorgen zu können und ausreichend überschüssiges Wasser aufgrund starken Regenfällen und/oder Überwässerung schnell zu speichern und um dadurch auch den Einsatz in heißen Klimazonen und semi-ariden und ariden Gebieten zu ermöglichen.

Ausführungsbeispiele
Soweit nicht abweichend deklariert, sind die Sekundärrohstoffe Gärreste und Holzasche wie folgt definiert und mit einer Typenbezeichnung versehen, die in den Ausführungsbeispielen entsprechend aufgeführt sind. Tabelle 5 Garreste-Suspension aus Biogasanlage – Typ: GSA Biomasse: Mais und Co. 10% Beimischung Rindergülle Form: zähflüssige wässrige Suspension/Lösung wie aus Fermenter anfallend

TM % von FM (Suspension) pH N_ges Kg/t FM NH₄-N Kg/t FM P₂O₅ Kg/t FM K₂O Kg/t FM MgO Kg/t FM CaO Kg/t FM S Kg/t FM

7,1 8,3 4,6 2,7 1,7 4,8 0,8 2,0 n. b.

TM = Trockenmasse; FM = Frischmasse; t = 1000 kg Tabelle 6 Gärreste-Flüssigphase (Filtrat) Typ: GSAF gewonnen aus Typ: GSA Form: FM = wässrige Lösung/Suspension mit feinen Schwebstoffen

TM % von FM (Suspension) pH N_ges Kg/t FM NH₄-N Kg/t FM P₂O₅ Kg/t FM K₂O Kg/t FM MgO Kg/t FM CaO Kg/t FM S Kg/t FM

4,61 8,2 4,00 2,48 1,29 4,32 0,59 1,58 n. b.

TM = Trockenmasse; FM = Frischmasse; t = 1000 kg Tabelle 7 Gärreste-Feststoffphase Typ: GSA35 gewonnen aus Typ: GSA Form: FM = mit 35 Gew.-% TM/Feststoffen aus Gärreste Typ: SLA

TM % von FM (Suspen sion) pH N_ges Kg/t FM NH₄-N Kg/t FM P₂O₅ Kg/t FM K₂O Kg/t FM MgO Kg/t FM CaO Kg/t FM S Kg/t FM

35 8,2 0,60 0,22 0,41 0,48 0,21 0,42 n. b.

TM = Trockenmasse; FM = Frischmasse; t = 1000 kg
Die bei den Gärreste-Fraktionen deklarierten Inhalts- und Wirkstoffe sind analytische Kennzahlen aus Einzelbestimmungen und den Rohstoff bedingten Schwankungen unterworfen, die aus den biologischen Prozessen zwangsläufig resultieren.
Zusammensetzungen von SAP (Superabsorberpolymer) und Hydrogel-Komposite
Superabsorberpolymer (SAP) Typ: 200

Polymerwirkstoff für Hydrogel-Komposite
Chemische Struktur: Modifizierte, vernetztes Copolymer Acrylamid/Acrylsäure, Kaliumsalz;
Korngröße: < 200 Mikrometer
Kaliumgehalt: 5 berechnet als K₂O in Gew.-%
Stickstoffgehalt: 13 berechnet als Carbamidsückstoff
Einordnung: SAP Typ 200 ist klassiert als NK-Dünger (13 + 5) mit Langzeitwirkung. (Lieferant: E&W GreenLand International GmbH, 13599 Berlin)

Superabsorberpolymer (SAP) Typ: 1280

Polymerwirkstoff für Hydrogel-Komposite
Chemische Struktur: Modifiziertes, vernetztes Acrylsäurepolymer, Kaliumsalz;
Korngröße: < 850 Mikrometer
Kaliumgehalt: 7,5 berechnet als K₂O in Gew.-%
Stickstoffgehalt: entfällt
(Lieferant: E&W GreenLand International GmbH, 13599 Berlin)

Hydrogelkomposit (HGK) Geoplant Typ: 50/80 Form: Feingranulat
Zusammensetzung in Gew.-%:

SAP Typ 1280 (mod.): 50
Lavagesteinsmehl: 20
Perlite-Partikel, gebläht: 20
Wasser: 10
(Hersteller: E&W GreenLand International GmbH, 13599 Berlin)

Hydrogelkomposit (HGK) Geoplant Typ: 50/50 Form: Feingranulat
Zusammensetzung in Gew.-%:

SAP Typ 200 (mod.): 50
Lavagesteinsmehl: 20
Perlite-Partikel, gebläht: 20
Wasser: 10
(Hersteller: E&W GreenLand International GmbH, 13599 Berlin)

Holzasche Typ: MH1

Form: poröses Grobasche-Feinasche-Mischung mit einer Schüttdichte von ca. 300 g/Liter
Typisierung: Brennraumaschegemisch aus gemischtem Waldholz
Standardisiert als: Basischer Mehrnährstoffdünger

Typbestimmende Bestandteile (Mindestgehalte als Oxide ausgewiesen):

CaO 35%

K₂O 6%

MgO 3%

P₂O₅ 2%
Die Elemente Ca, K, Mg als Mischung aus Oxiden und Carbonaten vorliegend und P in oxidischer, carbonatischer oder silikatischer Bindung.

Bei nachfolgenden Ausführungsbeispielen wurde bewusst bei der Nährstoffberechnung der erfindungsgemäßen Kompositmaterialien, beim Stickstoff nur der Wert: N_ges (Gesamtstickstoff) ausgewiesen, da der Stickstoffanteil aus der Stickstoffanreicherung in den Kompositmaterialien durch die SAP-Polymere (Copolymere) auf der Basis Acrylsäure/Acrylamid erst beim zeitabhängigen biologischen Abbau der Polymere verfügbar ist. Spurenelemente und mineralische Nährstoffe aus dem Lavamehlanteil sind nicht erfasst. Auch nicht der Gehalt an Silikaten. Beispiel 1 – Kompositmaterial Zusammensetzung in Gew.-% und Kg – Ansatzgröße 1000 kg

Nr.	Material/Rohstoff Bezeichhungen	Typ	Anteil Gew.-%	Anteil in kg	Entspr. Trocken-Masse (TM) in kg
1	Gärreste	GSA	70	700	50 (ger¹.)
2	Perlite-Partikel, gebläht < 500 my		15	150	150
3	Hydrogel-Komposit (HGK) SAP-Polymeranteil: 50 Gew.-%	50/50	15	150	135
4	Summen		100	1000	335

(ger¹.) = gerundet
Herstellung: 2 und 3 wurden in einem zweiwelligem Vakuum-Pflugscharmischer (mit integrierten rotierenden Zerhackermesser) vorgemischt und dann wurde die homogenisierte (aufgerührte) Gärreste-Suspension bei einer Temperatur von 20°C eingetragen und untergemischt und bei einer Temperatur von ca. 30°C dem Materialkomposit unter Vakuum und bei laufenden Mischer 330 kg Wasser entzogen.

Kennzahlen Fertigprodukt

Trockenmasse (TM) in Gew.-%: 50 (ger.)
Wassergehalt in Gew.-%: 50 (ger.)
Form und Konsistenz: rieselfähige, Erden ähnliche Struktur
Geruch: erdig feucht – ohne geruchliche Ammoniak-Wahrnehmung
Farbe: braun
Wasserspeichervermögen: 15-Fache des Eigengewichtes unter zeitabhängiger Volumenvergrößerung.

Nährstoff-Kennzahlen kg in 1000 kg Kompositmaterial – Beispiel 1:

N_ges P₂O₅ K₂O MgO CaO

4,8 1,8 10,1 0,84 2,09
Die ermittelten Nährstoff-Kennzahlen sind versuchsbedingt nur Anhaltswerte. Die analytischen Methoden müssen teilweise überarbeitet und angepasst werden.
Das Kompositmaterial kann in dieser Form als Bodenhilfsstoff und Düngemittel ohne Stickstoffverlust eingelagert und ausgebracht werden und eignet sich auch hervorragend als Zusatz zu Kompost und Erd- und Kukultursubstraten zur Verbesserung deren Nährstoffbilanz, Strukrur und des Wasserspeichervermögens.
Nach weiterem Wasserentzug, durch schonende Umluftrockung auf einen Wassergehalt zwischen 10–15 Gew.-% gebracht, kann das Kompositmaterial mit allen herkömmlichen Kompaktierungsverfahren zu Pellets und/oder Granulaten umgeformt werden. Es war überraschend, dass sich das erfindungsgemäße Kompositmaterial auch bei niederen Temperaturen im Umluftrockner bei ca. 35°C bis 50°C sehr schnell trocknen läßt.
Wobei es sich dabei nicht ganz vermeiden läßt, dass geringfügige Mengen Ammoniak entweichen, die abgesaugt werden müssen.
In einer vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung wird daher unter Verweis auf Anspruch 3 natürliches und/oder synthetisches Zeolithe zugesetzt, so dass die flüchtigen Ammoniakbestandteile in den Poren der Zeolithe eingelagert und fixiert sind/werden. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass Mischungen von Zeolithen mit unterschiedlichen Porengrößen zum Einsatz kommen, so dass einerseits der in Wasser gelöste Ammoniak eingelagert wird und andererseits auch entstehende bildende gasförmige Abspaltungen gebunden werden. Je nach Zugabemenge wird zusätzlich erreicht, insbesondere dann wenn aktivierte, das bedeutet wasserfreie Zeolithe, verwendet werden, dass zusätzlich Wasser gebunden wird, so dass auf eine Nachtrocknung der feuchten erfindungsgemäßen Material-Komposite ganz oder teilweise verzichtet werden kann. Die Zeolithe können direkt und/oder als Bestandteil der zugesetzten Hydrogel-Komposite eingebracht werden.
Für eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung wurde mit Verweis auf Anspruch 9 gefunden, dass der Zusatz von speziellen MOFs (metall organic framworks) allein und/oder auch in Kombination mit Zeolithen, MOFs (metall organic framworks) verbesserte Ergebnisse bringt, da die extrem große Oberfläche und Porenkapazität nur sehr geringe Zuschlagmengen bei sehr großer Speicherkapazität erfordert.
Besonders bevorzugt wird beispielsweise der Einsatz von MOFs zur Speicherung und Fixierung der Stickstoff-Fracht bei der Herstellung erfindungsgemäßer Materialkomposite bei denen beispielsweise die wässrigen Filtrate, Sugate gemäß des Gärreste-Typs GSAF verwendet werden. Dies gilt inbesondere dann, wenn diese in einer Vorstufe durch Wasserentzug aufkonzentiert werden.

Die in den MOFs eingelagerten Nährstoffe werden im Boden nicht ausgewaschen, sondern stehen den Pflanzen über einen langen Zeitraum zur Verfügung und dienen als zusätzlicher Wasserspeicher. Beispiel 2 – Kompositmaterial Zusammensetzung in Gew.-% und Kg – Ansatzgröße 1000 kg

Nr.	Material/Rohstoff Bezeichhungen	Typ	Anteil Gew. -%	Anteil in kg	Entspr. TrockenMasse (TM) in kg
1	Gärreste	GSA 35	58	580	203
2	Holzasche	MH1	18	180	180
3	Hydrogel-Komposit (HGK) SAP-Polymeranteil: 50 Gew.-%	50/50	24	240	216
4	Summen		100	1000	600 (ger¹.)

(ger¹.) = gerundet
Herstellung: 1, 2 und 3 wurden in einem zweiwelligen Vakuum-Pflug scharmischer (mit integrierten rotierenden Zerhackermesser) 3 min. innig vermischt und dann das krümelige Matrialkomposit, das ähnlich strukturiert war wie Kompost, ausgetragen.

Kennzahlen Fertigprodukt

Trockenmasse (TM) in Gew.-%: 60
Wassergehalt in Gew.-%: 40
Form und Konsistenz: rieselfähige, Kompost ähnliche Struktur
Geruch: erdig feucht – ohne geruchliche Ammoniak-Wahrnehmung
Farbe: braun
Wasserspeichervermögen: 18-Fache des Eigengewichtes unter zeitabhängiger Volumenvergrößerung.

Nährstoff-Kennzahlen kg in 1000 kg Kompositmaterial – Beispiel 2:

N_ges P₂O₅ K₂O MgO CaO

6,6 3,8 9,0 5,52 63,2
Das Materialkomposit ist sehr homogen, streu- und austragsfähig mit den üblichen landwirtschaflichen Vorrichtungen und Maschinen. Es kann in dieser Form in Silos gelagert oder abgesackt werden oder wie unter Beispiel 1 beschrieben weiter verarbeitet werden. Es eignet sich aber auch hervorragend zur weiteren Umsetzung mittels anaerober Nachrotte zur Herstellung von Qualitätskompost.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der erfindungsgemäßen Matrialkomposite wird daduch erreicht, dass mindestens 5 Gew.-% aus fermentierten Reststoffen, vorzugsweise aus Gärresten basierter Kompost zugesetzt wird.
Die in Beispiel 2 verwendete Holzasche kann im erfindungsgemäßen Material-Komposit auch ganz und/oder teilweise durch Pflanzenasche und/oder Asche (Brennraumasche) aus der thermischen Verwertung (Verbrennung) von frühtertiärer Braunkohle (Weichbraunkohle) anfällt, ersetzt werden.
Eine das erfindungsgemäße Materialkomposit in den Struktureigenschaften verbessernde Weiterbildung wird dadurch erreicht, dass Braunkohle-Xylitfasern zugesetzt werden, die der langfristigen Verbesserung der Bodenstruktur dienen. Dies liegt daran, dass diese Fasern nur sehr langsam verrotten und ausserdem durch ihre Huminbestandteile die Humusausbildung im Boden fördern. Diese Wirkung kann noch wesentlich verstärkt werden, wenn feingemahlenes Braunkohle-Xylit und/oder frühtertiäre Braunkohle (Weich-Braunkohle) in das erfindungsgemäße Materialkomposit eingearbeitet werden. Durch diese Zusätze wird ausserdem das C/N Verhältnis im Materialkomposit wesentlich verbessert.
Zur Verbesserung der Struktur wird in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausbildung der Kompositmaterialien CFP (Coir Fibre Pith) mit einem Anteil > 4 Gew.-% zugesetzt.

CFP ist ein nachwachsender Sekundärrohstoff und fällt als Abfallprodukt pro Jahr mit Millionen von Tonnen bei der Gewinnung von Kokosfasern an und hat eine korkähnliche aber offenzellige hochporöse Struktur und ein hohes Wasserauf- und Abgabevermögen. Der Ligninanteil in CFP kann bis 40 Gew.-% betragen und gewährleistet, da dieses nur sehr schwer über einen Zeitraum von 4–5 Jahren durch die Weiss- und Braunfäulnispilze insbesondere durch P.ostereatus abgebaut wird, die Langzeitwirkung als Bodenverbesserer. Die in CFP enthaltenen Cellulose- und Hemicellulose-Anteile werden schneller abgebaut und verbessern ebenfalls das C/N Verhältnis im erfindungsgemäßen Material-Komposit. Beispiel 3 – Kompositmaterial Zusammensetzung in Gew.-% und Kg – Ansatzgröße 1000 kg

Nr.	Material/Rohstoff Bezeichnungen	Typ	Anteil Gew.-%	Anteil in kg	Entspr. Trocken-Masse (TM) in kg
1	Gärreste	GSA	45	450	32 (ger¹.)
2	Nat. Zeolithe, aktivierter Klinoptolith		5	50	50
3	Hydrogel-Komposit (HGK) SAP-Polymeranteil: 50 Gew.-%	50/50	50	500	450
4	Summen		100	1000	532

(ger¹.) = gerundet
Herstellung: 2 und 3 wurden in einem zweiwelligem Pflugscharmischer (mit integrierten rotierenden Zerhackermesser) 2 min. innig vermischt und wird über eine Flüssigkeits-Dosierung bei laufendem Mischer innerhalb von 2 min. zugegeben und dann nochmals 1 min. nachgemischt. Danach kann das sich als rieselfähiges Feingranulat ausgebildete Material-Komposit ausgetragen, im Silo zwischengelagert und dann in Säcke oder andere Behältnisse abgefüllt werden.

Kennzahlen Fertigprodukt

Trockenmasse (TM) in Gew.-%: 53,2
Wassergehalt in Gew.-%: 46,8
Form und Konsistenz: rieselfähiges nicht zusamenbackendes, erdfeuchtes Feingranulat
Geruch: erdig feucht – ohne geruchliche Ammoniak-Wahrnehmung
Farbe: grau-braun
Wasserspeichervermögen: 35-Fache des Eigengewichtes unter zeitabhängiger Volumenvergrößerung.

Nährstoff-Kennzahlen in kg pro 1000 kg Kompositmaterial – Beispiel 3:

N_ges P₂O₅ K₂O MgO CaO

14,45 0,8 11,25 0,36 0,9
Dieses Kompositmaterial (Beispiel 3) eignet sich als Bodenhilfsstoff und Langzeitwasserspeicher mit düngender Wirkung vornehmlich für den Einsatz im Garten- und Lanschaftsbau und für den Einsatz beim Hobbygärtner. Selbstverständlich kann für diese erfindungsgemäße Zusammensetzung des Materialkomposites auch aufkonzentriertes Gärreste-Filtrat (Sugat) eingesetzt werden, wenn der Nährstoffgehalt angehoben werden soll. Das Kompositmaterial hat eine erdähnliche Struktur und kann daher leicht unter alle Pflanzerden, Pflanz- und Kultursubstrate homogen untergemischt werden und lagert sich sofort an die Erdkrumen und/oder Substratpartikel an.

Es wurde gefunden, dass eine weitere vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgemäßen Kompositmaterials dadurch erreicht wird, dass diesem mindestens 2%, berechnet als Trockenmasse, Magensium-, und/oder Calcium-Ligninsulfonat zugesetzt wird, das dann als Komplex des Typs „Ligninerdalkalihydroxid” vorliegt und ganz und/oder teilweise durch Einwirken von CO₂ carbonatisiert. Der Zusatz von Linginsulfonat aus zuckerhaltiger und/oder voll und/oder teilentzuckerter Linginsulfonatablauge aus der Zellstoffindustrie wirkt als Bindemittel im Materialkomposit insbesondere bei den Zusammensetzungen, die nach der Trocknung auf eine Restfeuchte von < 20 Gew.-% zu Pellets und/oder Granulaten kompaktiert und/oder ausgeformt werden. Beispiel 4 – Kompositmaterial Zusammensetzung in Gew.-% und Kg-Ansatzgröße 1000 kg

Nr.	Material/Rohstoff Bezeichnungen	Typ	Anteil Gew.-%	Anteil in kg	Entspr. Trocken-Masse (TM) in kg
1	Gärreste	GSA	40	400	28,5 (ger¹.)
2	Perlite-Partikel, gebläht < 150 my		5	50	50
3	SAP – Hybridmaterial ² SAP-Polymeranteil: ca. 23 Gew.-% Lavagesteinsmehl/Silikate u. a. ca. 29 Gew.-% Wasser: 48	GH³	55	550	286
4	Summen		100	1000	361,5

(ger¹.) = gerundet
SAP-Hybridmaterial² Kontrollwerte aus Eingangskontrolle vom Hersteller deklariert als teilneutraslisierte Polyacrylsäure, Gesteinsmehl und Wasser; GH³ = SAP-Hybridmaterial der Marke GEOHUMUS entsprechend EP 18799328
Anmerkung: Das Hybridmaterial GH² hat eine offenporige, schwammartige Struktur und die Partikelgröße liegt bei 2–5 mm.
Hersteller: Geohumus International GmbH, 60388 Frankfurt a. M.
Herstellung: 2 und 3 wurden in einem einwelligen rotierenden Zwangsmischer vermischt und dann mittels Volumendosierung einem Schneckenmischer zugeführt und unter Druck- und Kneteinwirkung bei einer Temperatur von ca. 25°C zum Kompositmaterial umgesetzt. Dieses Kompositmaterial von gummiartiger, plastischer Konsistenz wurde dann über eine Lochscheibe mit rotierendem Messersatz ausgetragen in Form von Stranggranulaten mit einem Durchmesser von 3 mm und einer Länge von ca. 4–5 mm.

Kennzahlen Fertigprodukt

Trockenmasse (TM) in Gew.-%: 36,1
Wassergehalt in Gew.-%: 63,9
Form und Konsistenz: elastisches Strangranulat, leicht klebrig
Geruch: erdig feucht – ohne geruchliche Ammoniak-Wahrnehmung
Farbe: grau-braun
Wasserspeichervermögen: 25-Fache des Eigengewichtes unter zeitabhängiger Volumenvergrößerung.

Nährstoff-Kennzahlen kg in 1000 kg Kompositmaterial – Beispiel 4:

N_ges P₂O₅ K₂O MgO CaO

1,8 0,7 3,55 0,32 0,80
Das Materialkomposit gemäß dieser Zusammensetzung muss, soweit eine direkte Austragung im Agrarbereich erfolgen soll, auf eine Restfeuchte von ca. 40 Gew.-% getrocknet werden. Nach dieser Nachtrocknung kann dann das sehr poröse Matrialkomposit mit allen herkömmlichen maschinellen Austragungsvorrichtungen für Mineraldünger agrargerecht appliziert werden.
Diese erfindungsgemäße Ausführung des Materialkomposits ist bestens zum Abmischen und zur Anwendung in Kombination mit separierten Gärresten mit einer Trockenmasse ab 30 Gew.-% geeignet, die als homogene, rieselfähige Mischung, wie Wirtschaftsdünger auszubringen ist.
Es hat sich gezeigt, dass ein sofort ausbringungsfähiges Matrialkomposit gem. Beispiel 4 möglich ist, wenn SAP-Hybridmaterialien mit einem Wassergehalt < 20 Gew.-% eingesetzt werden.
Es wurde in einer Weiterbildung der Erfindung gefunden, dass sich beispielsweise das Kompositmaterial gem. Ausführungsbeispiel 4 zur Hestellung von flächigen Matten eignet, die beispielsweise mittels Kalander hergestellt werden können. Zur Verfestigung der flächigen Gebilde können dem Materialkomposit natürlich basierte Faserstoffe, beispielsweise Kokosfasern, Xyliltfaser, Cellulosefaser u. a. m., zugesetzt werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung bezüglich Zusammensetzung und Herstellung wird dadurch erreicht, dass bei der Herstellung mittels einem Schneckenmischer, wie beispielsweise unter Ausführungsbeispiel 4 beschrieben, Branntkalk (Calciumoxid) und/oder gebrannter Dolomit (Calcium-Magensiumoxid) und/oder Dolomithalbbrannt und/oder nicht carbonisierte Holz- und/oder Pflanzenasche vorgelegt wird, die dann durch die Hydroxidausbildung mit den wässrigen Bestandteilen der Gärreste Wasser bindet und dies über das stöchiometrische Verhältnis hinaus durch physikalische Wasserbindung in der Gesamtmasse.
Die Erdalkalihydroxide werden dann durch die Einwirkung von CO₂ in die entsprechenden Carbonate umgewandelt. Das entstehende Wasser wird eingelagert oder entweicht teilweise.
Der exotherm ablaufende Prozess nach der Umsetzungsgleichung am Beispiel von CaO: CaO + H₂O = Ca(OH)₂ + 15,2 Cal. führt zwar zu einem Temperaturanstieg beim Mischprozess, der u. a. Ammoniak austreiben kann, sofern dieser nicht durch die erfindungsgemäße Zugabe von MOFs und/oder Zeolithe weitgehendst gebunden wird. Durch die erfindungsgemäße Zugabe der Erdalkalioxide können so weitgehendst oberflächentrockene, erdenähnliche, kompakte Kompositmaterialien hergestellt werden, die als Wasser speichernde, stark basisch wirkende Mineraldünger zum Einsatz kommen können.
Durch die Zugabe von Ligninsulfonatverbindungen und deren Umsetzung gem. den Ansprüchen 20 und 21 kann das Lösevermögen der im erfindungsgemäßen Materialkomposit enthaltenen Nähr- und Mineralstoffe beeinflusst werden und auch das Wasserspeicher- und Abgabevermögen. Es wird in diesem Zusammenhang auf die DE Offenlegungsschrift 25 43 169 verwiesen.
Beispiel 5 – Kompositmaterial

Zum Aufbau eines erdfeuchten Feingranulates, das als basisch wirkender Bodenhilfsstoff zur so genannten Walddüngung mit einem guten Wasserspeicher- und -Abgabevermögen eingesetzt werden soll, wird die Zusammensetzung gem. Beispiel 3 wie folgt aufgebaut und gem. Beispiel 3 hergestellt. Anstelle der Gärreste Typ GSAF kann auch ein aufkonzentiertes Filtrat mit einer Trockenmasse von beispielsweise 10 Gew.-% und mehr zum Einsatz kommen.
Zusammensetzung in Gew.-% und Kg – Ansatzgröße 1000 kg

Nr.	Material/Rohstoff Bezeichnungen	Typ	Anteil Gew.-%	Anteil in kg	Entspr. Trocken-Masse (TM) in kg
1	Gärreste	GSAF	36	360	16,6 (ger¹.)
2	Holzasche	MH1	26	260	260
3	Hydrogel-Komposit (HGK) SAP-Polymeranteil: 50 Gew.-%	5080	38	380	342
4	Summen		100	1000	618,6

(ger¹.) = gerundet

Kennzahlen Fertigprodukt

Trockenmasse (TM) in Gew.-%: 62 (ger.)
Wassergehalt in Gew.-%: 38 (ger.)
Form und Konsistenz: erdfeuchtes Feingranulat
Geruch: erdig feucht – ohne geruchliche Ammoniak-Wahrnehmung
Farbe: hellgrau – bräunlich
Wasserspeichervermögen: 35-Fache des Eigengewichtes unter zeitabhängiger Volumenvergrößerung.

Nährstoff-Kennzahlen kg in 1000 kg Kompositmatrial – Beispiel 5:

N_ges P₂O₅ K₂O MgO CaO

1,44 5,7 28,4 8,0 91,6
Die Produktbeschaffenheit ähnlich dem Kompositmaterial gem. Ausführungsbeispiel 3 mit reduziertem Stickstoffanteil.
Nach Anspruch 5 kann das Kompositmaterial auch gesamthaft als Hydrogel-Komposit ausgebildet sein, darunter wird nach der Lehre der Erfindung verstanden, dass beispielsweise alle trockenen Bestandteile unter Bezug auf Anspruch 1 und die Folgeansprüche, auch die SAP-Anteile, für das auszubildende Kompositmaterials, ggf. auch getrockente Gärreste, ohne Zusatz von Wasser und/oder wasserhaltigen Gärresten, innig vermischt werden und dann die wasserhaltigen Gärreste und ggf. noch zusätzliches Prozesswasser in diese Mischung eingetragen wird, so dass es zu einer gesamthaften Ausbildung des Kompositmaterials als stabiles homogenes, einheitlich strukturiertes Hydrogel-Komposit kommt.
Die Umsetzung von Gärreste durch Zugabe von bereits ausgebildeten stark wasserhaltigen Hydrogel-Kompositen zu einem einheitlichen „Gesamt-Hydrogel-Komposit” ist fliessend und es liegen teilweise Mischformen vor. Die Wirkungsmechanismen sind noch nicht vollständig geklärt.
Die erfindungsgemäß beanspruchte Ausbildung des Kompositmaterials als NPK-Düngemittel, gemäß Anspruch 19., wird dadurch erreicht, dass als wirksames SAP im HGK u. a. ein SAP-Copolymer zum Einsatz kommt, das als NK-Düngemittel typisiert ist und durch die in den Gärresten enthaltenen Stickstoff-Frachten und mineralischen Bestandteilen angereichert wird und so die Herstellung unterschiedlichster NPK-Düngemittel mit Langzeitwasserspeicher-Eigenschaften ermöglicht. Die ggf. erforderlichen Zusatzgaben an mineralischen Bestandteilen können beispielsweise über Holz- und Pflanzenaschen eingebracht werden.
Das Kompositmaterial kann als idealer Träger für feste und flüssige Düngemittel, Insektizide, Pestizide, Bakterizide und Fungizide usw, dienen, die homogen eingebunden sind und/oder werden.
Die gefundenen Herstellungstechniken erlauben eine einfache technische und kostengünstige Umsetzung der Erfindung mit gebräuchlichen und robusten Standardmaschinen. Die umfassende Beschreibung der Erfindung, die ausgewählten Ausführungbeispiele und Erläuterungen offenbaren, ohne Anspruch auf Vollständigkeit bzgl. der Ausführungsformen und Anwendungen nach der Lehre der Erfindung zu erheben, die Vielfalt der möglichen Zusammensetzungen der Kompositmaterialien aus Gärresten, deren Anwendung und Herstellung.
Eine umfassende Verwertung und Anwendung von Gärresten in der weltweiten Agrarwirtschaft in Form der erfindungsgemäßen wasserspeichernden Kompositmaterialien trägt, durch die Rückführung der mineralischen und organischen Nährstoffe in den Ackerboden und mit der dadurch verbundene Erhöhung der Biomasseproduktion und den daraus resultierenden höheren Umsetzung von CO₂ in den Pflanzen, wesentlich zu einer Reduzierung der negativen CO₂-Bilanz bei. Ausserdem werden erhebliche Mengen an synthetischem Stickstoffdünger eingespart.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2006/009681 [0044, 0071]
DE 2010/00840 [0049, 0057]
DE 102006019939 B4 [0055]
DE 10330713 A1 [0055]
DE 2009000943 [0058, 0059]
EP 1879932 B [0059, 0082]
EP 2009/061804 [0066]
EP 2009/061909 [0066]
DE 2009/000943 [0072, 0082]
DE 2010/000840 [0072, 0082]
EP 72010/060277 [0084]
EP 18799328 [0114]
DE 2543169 [0123]

Claims

Wasser und/oder wässrige Lösungen, auch wässrige Nährstofflösungen, speicherndes und das Wasser und die wässrigen Lösungen wieder abgebendes Kompositmaterial, insbesondere als Formkörper ausgebildet vorzugsweise zum Einsatz, aber nicht ausschließlich, als Bodenhilfsstoff und/oder Düngemittel, auch als Matte mit Zusatz von Faserstoffen, vorzugsweise, verrottbare und/oder unverrottbare organischen Faserstoffe ausgebildet, enthaltend: a) mindestens ein natürliches und/oder synthetisches Superabsorber-Polymer, b) mindestens einen organischen und/oder anorganischen, mineralischen Füllstoff und/oder Bodenhilfsstoff der vorzugsweise auf der Basis von Eruptivgestein und/oder organische und/oder anorganische Düngemittelzubereitung und/oder organischen, auch in Faserform vorliegend, und/oder anorganische Zuschlagstoff und/oder Wirkstoff und/oder Bindemittel. dadurch gekennzeichnet, dass c) feste und/oder flüssige Gärreste aus fermentierter Biomasse enthalten ist, d) dass das nach a) im Kompositmaterial enthaltene natürliche und/oder synthetische Superabsorber-Polymer (SAP) als Hydrogel-Komposit (HGK) ausgebildet ist, e) der rechnerische Anteil an reinem Superabsorber-Polymer (SAP) in der Gesamtmasse in der Summe > 2 Gew.-% ausmacht, f) mindestens das 5-Fache seines Eigengewichtes unter zeitabhängiger Volumenvergrößerung an Wasser und/oder wässrigen Lösungen speichert und wieder abgeben kann.
Kompositmaterial nach Anspruch 1c), 1e) und 1f) dadurch gekennzeichnet, dass a) darin mindestens ein Hybridmaterial mit superabsorbierenden Eigenschaften enthalten ist, b) der Masseanteil der in die Polymermatrix des Hybridmaterials einpolymerisierten Füllstoffe mindestens 10 Gew.-% beträgt, c) die Polymermatrix ein natürliches und/oder synthetisches Superabsorber-Polymer (SAP) ist, d) die Polymermatrix mindestens 10 Gew.-% der Gesamtmasse des Hybridmaterials ausmacht.
Kompositmaterial nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass in diesem und/oder in dem bei der Herstellung zugesetzten und/oder ausgebildetem Hydrogel-Komposit natürliches und/oder synthetisches Zeolith enthalten ist.
Kompositmaterial nach den Ansprüchen 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass in diesem und/oder bei der Herstellung zugesetzten und/oder ausgebildeten Hydrogel-Komposit geblähte, gemahlene, poröse Gesteinspartikel, vorzugsweise auf der Basis von Eruptivgestein enthalten sind.
Kompositmaterial nach den Ansprüchen 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass dieses gesamthaft als Hydrogel-Komposit ausgebildet ist.
Kompositmaterial nach den Ansprüchen 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass in diesem und/oder bei der Herstellung zugesetzten und/oder ausgebildeten Hydrogel-Komposit mindestens 1 Gew-% mineralische auf Holz basierte Asche und/oder ein anorganischer, mineralischer Reststoff, wie diese bei der thermischen Verwertung (Verbrennung) von Energiepflanzen und/oder Gärresten und/oder bei der thermischen Verwertung von Braunkohle anfallen und/oder ein daraus gefertigter, kompaktierter Formkörper enthalten ist.
Kompositmaterial nach den Ansprüchen 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass dieses und/oder das bei Herstellung zugesetzte und/oder ausgebildete Hydrogel-Komposit, Coir Fibre Pith (CFP) enthält.
Kompositmaterial nach den Ansprüchen 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtgehalt an Coir Fibre Pith (CFP) im Kompositmaterial > 4 Gew.-% ist.
Kompositmaterial nach den Ansprüchen 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass in diesem und/oder in der bei der Herstellung zugesetzten und/oder ausgebildeten Hydrogel-Komposit mindestens eine kristalline Verbindung, zugehörig zu der Gruppe der MOFs (Metal organic frameworks), enthalten ist.
Kompositmaterial nach den Ansprüchen 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die ursprüngliche Partikelgröße im zugesetzten und/oder bei der Herstellung des ausgebildeten Hydrogel-Komposit enthaltenen SAP < 1000 my vorzugsweise < 500 my und besonders bevorzugt < 200 my beträgt.
Kompositmaterial nach den Ansprüchen 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass das in diesem und/oder bei der Herstellung zugesetzten und/oder ausgebildeten Hydrogel-Komposit mindestens 5 Gew.-% aus fermentierten Reststoffen basierter Kompost enthalten ist.
Kompositmaterial nach den Ansprüchen 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass dieses vollständig durch anaerobe Nachvergärung als Kompost ausgebildet ist.
Kompositmaterial nach den Ansprüchen 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass das darin enthaltene und/oder bei der Herstellung zugesetzten und/oder ausgebildeten Hydrogel-Komposit mindestens ein SAP in Form eines Kaliumsalzes eines vernetzten und/oder teilvernetzten Polyacrylsäure-Polyacrylamid-Copolymers und/oder Propfpolymers enthält.
Kompositmaterial nach den Ansprüchen 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass das darin enthaltene SAP und/oder bei der Herstellung zugesetzte und/oder ausgebildetem Hydrogel-Komposit mindestens ein Kaliumsalz eines vernetzten und/oder teilvernetzten Polyacrylsäure-Polyacrylamid-Copolymers und/oder Propfpolymers enthält, mit einem Stickstoffanteil (N) > 10 Gew.-%, berechnet als Carbamidstickstoff und der Kaliumanteil (K) > 3 Gew.-%, berechnet als Kaliumoxid (K₂O), ist.
Kompositmaterial nach den Ansprüchen 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass dieses und/oder bei der Herstellung zugesetzte und/oder ausgebildete Hydrogel-Komposit mindestens 2 Gew.-% mineralische Asche (Holzasche) stammend aus der thermischen Verwertung von Holz und/oder Pflanzen enthält.
Kompositmaterial nach den Ansprüchen 1 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass dieses und/oder das bei der Herstellung ausgebildete und/oder zugesetzte Hydrogel-Komposit mindestens 2 Gew.-% mineralische Asche stammend aus der thermischen Verwertung von frühtertiärer Braunkohle enthält.
Kompositmaterial nach den Ansprüchen 1 bis 16 dadurch gekennzeichnet, dass dieses und/oder das bei der Herstellung ausgebildete und/oder zugesetzte Hydrogelkomposit Braunkohle-Xylit in Form von Fasern und/oder gemahlenen Partikeln enthält.
Kompositmaterial nach den Ansprüchen 1 bis 17 dadurch gekennzeichnet, dass dieses und/oder das bei der Herstellung ausgebildete und/oder zugesetzte Hydrogel-Komposit frühtertiäre Braunkohle (Weichbraunkohle) enthält.
Kompositmaterial nach den Ansprüchen 1 bis 18 dadurch gekennzeichnet, dass dieses als NPK-Düngemittel (Stickstoff-Phosphor-Kalium-Düngemittel) ausgebildet ist.
Kompositmaterial nach den Ansprüchen 1 bis 19 dadurch gekennzeichnet, dass dieses und/oder das bei der Herstellung ausgebildete und/oder zugesetzte Hydrogel-Komposit unverzuckerte und/oder teilentzuckerte und/oder zuckerhaltiges Calcium und/oder Magnesium und/oder Magnesium-Ligninsulfonatkomplex auf der Basis von Ligninablauge aus der Zellstofferzeugung enthält.
Kompositmaterial nach den Ansprüchen 1 bis 20 dadurch gekennzeichnet, dass die enthaltene Ligninsulfonatverbindung ganz und/oder teilweise durch Umsetzung mit Erdalkalioxiden als Ligninsulfonathydroxid-Komplex umgewandelt ist, der durch Einwirkung von CO₂ teilweise und/oder vollständig in carbonatisierter Form vorliegt.
Herstellung des erfindungsgemäßen Kompositmaterials nach den Ansprüchen 1 bis 21 zusammengesetzt, dadurch gekennzeichnet, dass dieses in einem Misch- und/oder Knetprozess mittels eines Ein- oder Zweiwellenschneckenmischer und/oder Ein- oder Zweiwellenpflugscharmischer hergestellt wird.
Herstellung des erfindungsgemäßen Kompositmaterials nach den Ansprüchen 1 bis 21 zusammengesetzt und nach Anspruch 22 hergestellt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung Gärreste mit einem Wasseranteil > 75 Gew.-% eingesetzt werden.
Herstellung des erfindungsgemäßen Kompositmaterials nach den Ansprüchen 1 bis 21 zusammengesetzt und nach Anspruch 22 hergestellt, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung Branntkalk (Calciumoxid) und/oder gebrannter Dolomit (Calcium-Magnesiumoxid) und/oder Dolomithalbbrannt und/oder nicht carbonatisierte und/oder nur teilweise carbonatisierte Holz- und/oder Pflanzenasche zugegeben und/oder vorgelegt und mit wasserhaltigen Gärresten umgesetzt wird.
Verwendung des Kompositmaterials, nach den Ansprüchen 1 bis 24 zusammengesetzt und hergestellt, als Bodenhilfsstoff, Düngemittel, insbesondere als kombinierter Stickstoff-, Phosphor-, und Kaliumdünger (NPK-Dünger), Wasserspeicher, Wasser- und Nährstofflieferant für Wachstum, Keimung und die Kultivierung von Pflanzen, als Pflanzsubstrat oder als Bodenzusatzstoff, auch in Abmischung mit Erdboden und/oder Erdsubstraten, zur Verbesserung des Bodenklimas und zur Förderung der Humusbildung, als Trägermaterial für feste und flüssige Düngemittel, Insektizide, Pestizide, Bakterizide und Fungizide und als Kompost, Zusatzstoff zur Verbesserung von Kompost und zur Rekultivierung von semi- und ariden Flächen, Trocken- und Wüstengebieten und als Speicher für pflanzenverfügbare, auch flüchtige Stickstoffverbindungen. Steigerung der oberirdischen und unterirdischen Biomasseausbildung bei Pflanzen aller Art.