DE102014119248A1

DE102014119248A1 - Verfahren zur Herstellung nährstoffreicher Böden oder Bodensubstrate

Info

Publication number: DE102014119248A1
Application number: DE102014119248.6A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2016-06-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung nährstoffreicher und wasserspeichernder Böden oder Bodensubstrate mit folgenden Schritten: (a) Herstellung eines Gemischs aus zerkleinertem pyrogenem Kohlenstoff und leicht zersetzbarer organischer Biomasse, (b) Beimischung von Mikroorganismen zur Durchführung einer Fermentation der Biomasse. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung nährstoffreicher und wasserspeichernder Böden oder Bodensubstrate zu optimieren, um die Qualität der Böden oder Bodensubstrate zu steigern. Diese Aufgabe wird durch folgende Schritte gelöst: (c) Aktivierung der Mikroorganismen vor der Beimischung durch Zugabe eines Fermentationsaktivators, (d) Beimischung eines Keramikpulvers, (e) Durchführung der Fermentation, wobei durch die Fermentation ohne Zufuhr externer Energie für einen Zeitraum von mehr als einem Tag eine Temperatur von mehr als 60°C erreicht wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung nährstoffreicher und wasserspeichernder Böden oder Bodensubstrate gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Stand der Technik
Terra Preta do Indio, auch unter der Bezeichnung "Indianer-Schwarzerde" bekannt, ist eine aus dem Amazonasraum bekannte Bodenstruktur, die durch Naturvölker und indianischen Hochkulturen geschaffen wurde. Die aus dem Amazonasraum bekannte Indianer-Schwarzerde entsteht aus Asche, Verkohlungsrückständen und pyrogenem Kohlenstoff, die z.B. bei Brandrodungen entstehen, Biomasse, einschließlich Küchenabfällen, Knochen und menschlichen Fäkalien. Durch Mikroorganismen und Bodentiere wird ein Teil der organischen Substanz abgebaut (Mineralisierung) und stabilisiert. In jüngerer Zeit wurde Terra Preta und hierzu ähnliche Substrate wiederentdeckt, um den Humusanteil landwirtschaftlich genutzter Flächen zu steigern und der Versteppung entgegenzuwirken.
Das Buch „Terra Preta – Die schwarze Revolution aus dem Regenwald", 4. Auflage, 2014, von Ute Scheub, Heiko Pieplow, Hans-Peter Schmidt beschreibt ausführlich die Verwendungsvielfalt und den Nutzen der Verwendung von Terra Preta im Gartenbau und in der Landwirtschaft. In dessen Kapitel 4 werden die Herstellungsmethoden von Terra Preta insbesondere für private Nutzer beschrieben. Auf S. 128 des Buches wird erwähnt, dass die ideale Temperatur für die Fermentation bei 35 bis 40 °Celsius liegt.
Die Druckschrift EP 2 188 230 B1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von humus- und nährstoffreichen sowie wasserspeichernden Böden oder Bodensubstraten mit Eigenschaften anthropogener Bodenarten (Terra Preta) für nachhaltige Landnutzungs- und Siedlungssysteme. Bei dem Verfahren wird pyrogener Kohlenstoff und organische Biomasse einem Fermentationsprozess ausgesetzt. Ziel ist die Erzeugung eines außerordentlich produktiven, fruchtbaren Bodens ausgehend von einem unfruchtbaren und nährstoffarmen Boden.
Wie in der EP 2 188 230 B1 beschreiben, eignet sich der Boden oder das Bodensubstrat als Bodenersatz, als Bodenergänzungsmittel, zur Begrünung von Siedlungen, zur Erosionshemmung, zur Verbesserung von regionalen Wasserhaushalten, zur Hochwasserprävention, zur Verminderung des Kohlendioxidgehaltes in der Atmosphäre (Klimaschutz) durch Einlagerung des Kohlenstoffs in den Boden, zur Schmutzwasserreinigung- und Aufbereitung, zur Abluftreinigung und Gebäudeluftreinigung, zur Schaffung von Stoffstromkreisläufen aus biogenen Abfällen und/oder Abwässern zur Entwicklung und Nutzbarmachung von Landnutzungs- und Siedlungssystemen.
In der EP 2 188 230 B1 werden zur Erzeugung eines zu Terra Preta ähnlichen Bodensubstrats folgende Schritte vorgeschlagen:

(a) Vermischung von zerkleinertem und/oder gesiebtem pyrogenem Kohlenstoff mit zuvor zerkleinerter und homogenisierter leicht zersetzbarer organischer Biomasse,
(b) Animpfung des Gemisches durch Beimischung einer Starterkultur aus Mikroorganismen zur Durchführung einer Milchsäuregärung und/oder bereits hergestellten Bodensubstraten und/oder eine dem Milchsäuregärungsprozess ausgesetzte Biomasse,
(c) Inkubation des Gemisches zur Durchführung einer Fermentation bei einer Temperatur von weniger als 40°C und einem pH-Wert im sauren Bereich,

Es wird für eine Ausführungsform vorgeschlagen, die in der Pyrolyse zur Herstellung des Kohlestoffes entstehende erhitzte Luft zur Optimierung des Fermentationsprozesses zu verwenden. Die aus der Pyrolyse stammende heiße Abwärme wird auf die für den Fermentationsprozess erforderliche Temperatur (30 bis 40 °C) eingestellt und dem Gemisch zur Erreichung der Fermentationstemperatur zugeführt.
Aus der Druckschrift US 6,200,475 B1 ist dagegen ein Verfahren zur Umwandlung organischer Abfälle durch Fermentation bekannt, bei dem durch Energiezufuhr von einer externen Energiequelle eine Temperatur zwischen 45 °C und 100 °C eingestellt wird, damit der Fermentationsprozess innerhalb von 24 Stunden abgeschlossen ist. Für diesen Vorgang sind aufwändige Vorrichtungen sowie der Einsatz von Heizenergie erforderlich, wodurch das Verfahren teuer wird.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung nährstoffreicher und wasserspeichernder Böden oder Bodensubstrate zu optimieren, um die Qualität der Böden oder Bodensubstrate zu steigern. Insbesondere soll ein kostengünstiges, stabiles und effektives Verfahren vorgeschlagen werden, um auch aus Biomasse wie Gärresten von Biogasanlagen ein hochwertiges und nährstoffreiches Bodensubstrat zu erzeugen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Ein Verfahren zur Herstellung nährstoffreicher und wasserspeichernder Böden oder Bodensubstrate mit folgenden Schritten:

(a) Herstellung eines Gemischs aus zerkleinertem pyrogenem Kohlenstoff und leicht zersetzbarer organischer Biomasse,
(b) Beimischung von Mikroorganismen zur Durchführung einer Fermentation der Biomasse, ist gekennzeichnet durch folgende Schritte:
(c) Aktivierung der Mikroorganismen vor der Beimischung durch Zugabe eines Fermentationsaktivators,
(d) Beimischung eines Keramikpulvers,
(e) Durchführung der Fermentation, wobei durch die Fermentation ohne Zufuhr externer Energie für einen Zeitraum von mehr als einem Tag eine Temperatur von mehr als 60°C erreicht wird.

Durch die Aktivierung der Mikroorganismen und durch die Beimischung des Keramikpulvers, welches die Mikroorganismen und den Fermentationsprozess stabilisiert, entsteht bei der Fermentation des Gemischs eine erhebliche Wärmeenergie, die eine Miete bestehend aus dem genannten Gemisch auf eine hohe Temperatur in der Größenordnung von 60°C aufheizt. Diese hohe Temperatur wird für mehr als einen Tag und in der Praxis für einen Zeitraum von 5 bis 10 Tagen gehalten. Durch diese hohe Temperatur werden sämtliche Keime und Erreger in der Miete vernichtet. Am Ende des Fermentations- und Lagerungsprozesses in der Miete, der etwa 10 bis 12 Wochen dauert, entsteht ein sehr dunkles, nährstoffreiches Bodensubstrat mit hoher Wasserspeicherkapazität.
In der Praxis kann die Fermentation des Gemischs in einer abgedeckten Miete durchgeführt werden. Die Miete kann mit einer dunklen Kunststoffplane abgedeckt werden, welche zum einen die Fermentationsenergie innerhalb der Miete hält und zum anderen durch Sonneneinstrahlung weitere Wärmeenergie aufnimmt. Die hohe Temperatur von mehr als 60°C kann in der Miete bis in einen an die Abdeckung angrenzenden Bereich herrschen.
Als Biomasse können vielfältige in landwirtschaftlichen Betrieben anfallende Reststoffe verwendet werden. Insbesondere kann die Biomasse zumindest zur Hälfte aus einem der folgenden Bestandteile bestehen:

– ausgepresste Gärreste aus Biogasanlagen;
– Feststoffe aus Gülle;
– Mist;
– entsorgte Einstreu aus der Tierhaltung, insbesondere Geflügelhaltung.

In Gebieten mit intensiver Tierhaltung fällt häufig so viel Mist, Gülle und verunreinigte Einstreu an, dass eine vollständige Verwendung als Dünger nicht möglich ist. Biomasse, insbesondere Gülle, wird oft in Biogasanlagen vergoren. Auch die Menge an anfallenden Gärresten aus Biogasanlagen ist in Gebieten mit intensiver Tierhaltung zu groß, um sie als Dünger auf die Felder zu bringen. Gemäß dem hier beschriebenen Verfahren lassen sich Reststoffe, welche Biomasse enthalten, zuverlässig in wertvolle Bodensubstrate umwandeln. Mit dem hier beschriebenen Verfahren lässt sich eine zuverlässige Umwandlung von ausgepressten Gärresten aus Biogasanlagen oder zentrifugierter Gülle in Terra Preta erreichen.
In der Praxis kann die Biomasse vor der Gemischherstellung entwässert werden. Werden Gärreste aus Biogasanlagen verwendet, so können diese ausgepresst werden. Gülle wird beispielsweise zentrifugiert, um überschüssiges Wasser zu entfernen und die Biomasse für die Fermentierung vorzubereiten.
Der pyrogene Kohlenstoff kann in der Praxis von Pyrolysekohle gebildet werden. Pyrolysekohle, oft auch als Pflanzenkohle oder Biokohle bezeichnet, kann durch pyrolytische Verkohlung rein pflanzlicher Ausgangsstoffe hergestellt werden. Sie weist eine extrem hohe Porosität, z.B. in der Größenordnung von 300 bis 400 m²/g auf. Es sind auch andere Karbonisierungsverfahren zur Kohleherstellung bekannt und können zur Produktion des verwendeten Kohlenstoffes eingesetzt werden. Die Pyrolyse hat aber den Vorteil, dass die entstehende Kohle sehr porig ist und eine große spezifische Oberfläche aufweist.
Der Kohlenstoff wird bei dem Fermentationsprozess mit Nährstoffen und Mikroorganismen aufgeladen und besiedelt. Er bildet eines der wesentlichen Elemente des entstehenden Bodensubstrats. Durch die Einlagerung in den Boden wird der Kohlenstoff ferner der Atmosphäre entzogen und so der CO₂-Gehalt reduziert. Die Reduktion des CO₂-Gehalts der Atmosphäre reduziert die Gefahr der Erderwärmung.
In der Praxis kann dem Gemisch vor der Fermentation ferner Steinmehl und Zeolithpulver beigemischt werden. Beispielsweise hat sich das sogenannte "Urgesteinsmehl" der Firma Carlo Bernasconi AG aus Zürich bewährt. Es handelt sich dabei um SiO₂-haltiges Hartsedimentgestein in gemahlener Form. Das Produkt enthält etwa 11 bis 12 Masseprozent Quarz (SiO₂), 21 bis 22 Masseprozent Calcit (CaCO₃), 21 bis 22 Masseprozent Dolomit ((Ca, Mg)CO₃), 12 bis 14 Masseprozent Albit (NaAlSi₃O₈) sowie 41 bis 44 Masseprozent XRD-Amorphe Fraktion. Auch dieses Urgesteinsmehl ist als Bodenverbesserungsmittel bekannt und bewährt.
Die Stoffbezeichnung des verwendeten Zeolithpulver lautet Klinoptilolith aus der Gruppe der Zeolithe. Es handelt sich um wasserhaltige Alumosilikate mit Calcium, Kalium bzw. Natrium als verbindenden Kationen. Auch Zeolithpulver ist ein bewehrter Zuschlagsstoff für den Garten und Landschaftsbau.
In der Praxis weist das für die Fermentation vorgesehene Gemisch folgende Bestandteile auf:

• 50 bis 60 Volumenprozent und vorzugsweise 53,4 Volumenprozent organische Biomasse;
• 15 bis 25 Volumenprozent und vorzugsweise 19,8 Volumenprozent Pyrolysekohle;
• 15 bis 25 Volumenprozent und vorzugsweise 19,8 Volumenprozent Steinmehl;
• 4 bis 6 Volumenprozent und vorzugsweise 5 Volumenprozent Zeolithpulver;
• 1,5 bis 2,5 Volumenprozent und vorzugsweise 2 Volumenprozent wässrige Lösung mit aktivierten Mikroorganismen;
• 0,075 bis 0,125 Volumenprozent und vorzugsweise 0,1 Volumenprozent Keramikpulver.

In der Praxis wird die wässrige Lösung mit aktivierten Mikroorganismen etwa zu gleichen Teilen aus effektiven Mikroorganismen gebildet, welche unter der Bezeichnung EM-1 z.B. von der Firma EMIKO Handelsgesellschaft mbH in Meckenheim vertrieben werden. Als Fermentationsaktivator für die Mikroorganismen wird vorzugsweise Zuckerrohrmelasse verwendet, die z.B. ebenfalls von EMIKO unter der Bezeichnung " Bio-Zuckerrohrmelasse" vertrieben wird. Zur Herstellung von etwa 20 Liter aktivierter Mikroorganismen EM-1 kann 1 Liter Zuckerrohrmelasse in etwa 10 Litern heißem Wasser aufgelöst werden. Anschließend werden weitere 8 bis 10 Liter kühles Wasser beigemischt, so dass sich eine Temperatur von etwa 30 bis 40 °C einstellt und 1 Liter EM-1 hinzugefügt.
In der Praxis fermentieren die aktivierten Mikroorganismen in der wässrigen Lösung für einen Zeitraum von etwa 7 Tagen, bevor sie dem Gemisch aus Biomasse und pyrogenem Kohlenstoff beigemengt werden. Das Keramikpulver zum Stabilisieren der Mikroorganismen besteht vorzugsweise aus Quarz (SiO₂) und Aluminiumoxid (AL₂O₃) im Verhältnis 80:20. Es kann beispielsweise unter der Bezeichnung EM Super Cera Ferment C von der Firma Maruishi Ceramics Materials Co. Ltd., Seto City, Japan bezogen werden. Das Keramikpulver kann vorzugsweise der wässrigen Lösung mit aktivierten Mikroorganismen zu Beginn den Fermentationsprozesses beigemischt. Hierdurch ergibt sich eine homogene Verteilung des Keramikpulvers in dem Gemisch während der Fermentation. Es ist aber auch möglich, das Keramikpulver durch eine Zerstäubungsvorrichtung fein verteilt auf das Gemisch bei der Erzeugung der Miete aufzubringen. Das Keramikpulver ist ein wesentlicher Faktor bei der Erreichung eines stabilen Fermentationsprozesses innerhalb der Miete mit einer hohen Temperatur von über 60 °C ohne Zufuhr externer Energie.
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
Zur Herstellung etwa eines Kubikmeters (1.000 Liter) nährstoffreichen Bodensubstrats, welches der bekannten Schwarzerde ähnlich ist, werden folgende Ausgangsstoffe verwendet:

– 540 Litewr Gärreste aus einer Biogasanlage;
– 200 Liter Pyrolysekohle (Pflanzenkohle);
– 200 Liter Urgesteinsmehl, sehr fein gemahlen;
– 50 Liter Zeolithpulver;
– etwa 20 Liter aktivierte Mikroorganismen EM-1;
– 1 Liter Keramikpulver.

Wie oben beschrieben, wird zunächst die Mischung aus ca. 18 bis 20 Liter Wasser, 1 Liter EM-1-Mikroorganismen und 1 Liter Fermentationsaktivator, nämlich Zuckerrohrmelasse angesetzt. Dieser Mischung wird der 1 Liter Keramikpulver beigegeben. Anschließend fermentieren die aktivierten Mikroorganismen für einen Zeitraum von etwa 1 Woche. Das Keramikpulver wird während dieses Vorgangs von Mikroorganismen besiedelt.
Am Ende dieses Zeitraums wird die Biomasse, also der ausgepresste Gärrest, mit der Pyrolysekohle, dem Urgesteinsmehl und dem Zeolithpulver vermischt und die wässrige Lösung aktivierter Mikroorganismen hinzugesetzt. Das Gemisch wird als Miete auf den Boden gehäuft und mit einer dunklen Kunststoffplane abgedeckt. Es beginnt sofort ein intensiver Fermentationsprozess, der eine Wärme freisetzt, die die Temperatur in der Miete auf 60°C und darüber ansteigen lässt. Die Temperatur von über 60°C wird für einen Zeitraum von etwa 1 Woche gehalten.
Wenn die Temperatur in der Miete wieder deutlich unter 60 °C abgesunken ist, treten aus dem umgebenden Erdreich Bodenlebewesen, insbesondere Kompostwürmer und andere Wurmarten, in die Miete ein, lockern diese auf und bewirken eine Kompostierung.
Nach etwa 6 Wochen Fermentationsdauer ist die Miete umzusetzen. Dabei werden die fermentierten Bestandteile der Miete noch einmal intensiv durchmischt. Das entstandene Bodensubstrat ein. Das Substrat ruht nach dem Umsetzen weitere 6 Wochen und wird dabei durch die Bodenlebewesen kompostiert und aufgelockert.
Die Fermentation kann natürlich auch in einem Fermentationsbehälter ablaufen. Die Fermentation in einer Miete auf der Freifläche wird aber aus mehreren Gründen bevorzugt. Hierdurch können auf natürliche Weise Bodenlebewesen in das entstehende Bodensubstrat eindringen, dieses kompostieren und auflockern. Die Bodenlebewesen wandern aus der Freifläche zu und müssen nicht extra eingebracht werden. Ferner können Kosten für besondere Fermentationsbehälter gespart werden und es ist auch die Herstellung sehr großer Mengen an Terra Preta ähnlichem Bodensubstrat ohne besondere technische Einrichtungen möglich.
Am Ende des insgesamt 12-wöchigen Prozesses ist ein dunkles, geruchsneutrales und äußerst nährstoffreiches Bodensubstrat entstanden, welches einen PH-Wert von 3 bis 4 aufweist und eingesetzt werden kann, um den Humusgehalt von landwirtschaftlich genutzten Böden zu steigern und der Versteppung entgegenzuwirken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2188230 B1 [0004, 0005, 0006]
US 6200475 B1 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Terra Preta – Die schwarze Revolution aus dem Regenwald“, 4. Auflage, 2014, von Ute Scheub, Heiko Pieplow, Hans-Peter Schmidt [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung nährstoffreicher und wasserspeichernder Böden oder Bodensubstrate mit folgenden Schritten: (f) Herstellung eines Gemischs aus zerkleinertem pyrogenem Kohlenstoff und leicht zersetzbarer organischer Biomasse, (g) Beimischung von Mikroorganismen zur Durchführung einer Fermentation der Biomasse, gekennzeichnet durch folgende Schritte: (h) Aktivierung der Mikroorganismen vor der Beimischung durch Zugabe eines Fermentationsaktivators, (i) Beimischung eines Keramikpulvers, (j) Durchführung der Fermentation, wobei durch die Fermentation ohne Zufuhr externer Energie für einen Zeitraum von mehr als einem Tag eine Temperatur von mehr als 60°C erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur von mehr als 60°C in dem Gemisch für einen Zeitraum von 5 bis 10 Tagen gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fermentation des Gemischs in einer abgedeckten Miete erfolgt, wobei die Temperatur von mehr als 60°C in dem Gemisch bis in einen an die Abdeckung angrenzenden Bereich erreicht wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse zumindest zur Hälfte mindestens einen der folgenden Bestandteile aufweist: – Feststoffe aus Gülle; – Mist; – Gärrest aus Biogasanlagen; – entsorgten Einstreu aus der Tierhaltung, insbesondere Geflügelhaltung.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse vor der Herstellung des Gemischs entwässert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoff von Pyrolysekohle gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gemisch Steinmehl beigemischt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gemisch Zeolithpulver beigemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch aus folgenden Bestandteilen besteht: • 50 bis 60 Volumenprozent und vorzugsweise 53,4 Volumenprozent organische Biomasse; • 15 bis 25 Volumenprozent und vorzugsweise 19,8 Volumenprozent Pyrolysekohle; • 15 bis 25 Volumenprozent und vorzugsweise 19,8 Volumenprozent Steinmehl; • 4 bis 6 Volumenprozent und vorzugsweise 5 Volumenprozent Zeolithpulver; • 1,5 bis 2,5 Volumenprozent und vorzugsweise 2 Volumenprozent wässrige Lösung mit aktivierten Mikroorganismen; • 0,075 bis 0,125 Volumenprozent und vorzugsweise 0,1 Volumenprozent Keramikpulver.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige Lösung mit aktivierten Mikroorganismen etwa zu gleichen Teilen effektive Mikroorganismen, vorzugsweise EM-1, und Fermentationsaktivator, zum Beispiel Zuckerrohrmelasse, aufweist und etwa 80 bis 95 Volumenprozent Wasser enthält.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige Lösung mit aktivierten Mikroorganismen für einen Zeitraum von etwa 7 Tagen fermentiert, bevor sie dem Gemisch beigemischt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikpulver Quarz und Aluminiumoxid enthält, vorzugsweise 80 Gewichtsprozent Quarz und 20 Gewichtsprozent Aluminiumoxid.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die Fermentation bei einer Temperatur von mehr als 60 °C eine Kompostierung durch Bodenlebewesen, insbesondere Würmer, anschließt.