DE19630387A1 - Düngemittel aus Gülle, Verfahren zu ihrer Herstellung und Anwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung beschreibt neuartige Düngemittel aus Gülle mit erheblich verminderter Ammoniakfreisetzung in die Umwelt. Es wird weiterhin das Verfahren zu ihrer Herstellung beschrieben.

Unter dem Synonym "Gülle" werden hier alle bei der Nutztierhaltung anfallenden exkrement- und urinhaltigen Abfälle subsummiert. Beispiele für derartige Abfälle sind z. B. Mist, Gülle und deren biogen durch Gärung oder ähnliche Stoffwechselprozesse veränderte Umwandlungsprodukte.

Nachweislich ist Ammoniak wesentlicher Bestandteil der olfaktometrischen Emissionen, die bei der landwirtschaftlichen Ausbringung der Gülle freigesetzt werden. Dabei ist Gülle nicht allein für die Beeinträchtigung des menschlichen Wohlbefindens ausschlaggebend, sondern wirkt in vielfältiger Weise negativ auf das lokale und globale Ökosystem ein.

Ammoniak bewirkt lokale und regionale Vegetationsschäden, verursacht die Eutrophierung der Gewässer und des Grundwassers, wirkt nach seiner abiotischen atmosphärischen Oxidation zu Stickoxiden ozon- und peroxidbildend in der Troposphäre, ozonabbauend in der Stratosphäre und verursacht auf mehrfache Weise eine Erwärmung der Erdatmosphäre.

Bei der Bodenpassage wird Ammoniak und sein Neutralisationsprodukt Ammonium zu Nitrat und Lachgas oxidiert, wovon Nitrat wiederum eutrophierend Boden, und Grundwasser belastet und in Trinkwasser und Vegetation ein toxisches und indirekt kanzerogenes Potential verursacht.

Diese unvollständige beispielhafte Aufzählung der nachteiligen Wirkungen von Ammoniak auf Mensch und Umwelt zeigen das außerordentliche Gefahrpotential dieses Stoffes. Überaus wertvoll ist Ammoniak bzw. Ammonium allerdings dann, wenn er in der Form von solchen Düngemitteln eingesetzt wird, die seine quantitative Inkorporation in die Pflanzen ermöglichen, nur auf diesem Wege ist eine nachhaltige Bodenbewirtschaftung möglich.

Die Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung von Flüssigmist. Ähnliche Parameter zeigen auch die o.g. anderen Arten von Ausscheidungsprodukten. Je weiter allerdings der Fermentationsprozeß in diesen Produkten fortgeschritten ist, um so mehr Anteile des Gesamt-Stickstoffgehaltes werden in Ammonium- bzw. Ammoniak-Stickstoff umgewandelt.

Tabelle 1

Mengenanfall und Zusammensetzung von Flüssigmist

Die nachhaltige Versorgung der landwirtschaftlichen Flächen mit den Stoffen Stickstoff, Phosphor, Kalium, Magnesium und Kalk muß so erfolgen, daß insbesondere die Emissionen von Phosphor und den biotischen und abiotischen Metaboliten von Ammoniak auf einen Bruchteil deren vermindert werden, die bei den heutigen Bewirtschaftungsmethoden auftreten.

Es hat Versuche gegeben, diesem Ziel näher zu kommen, diese führen aber nur vordergründig zu Vorteilen, sie bewirken tatsächlich eine Verschlechterung der Situation. Ein Beispiel für diese Versuche ist die Lehre, den freien Ammoniak in der Gülle durch Umsetzung mit Gips und Kohlensäure zu Calciumcarbonat und Ammoniumsulfat umzusetzen (Patentanmeldung mit dem internationalen Aktenzeichen PCT/EP 92/02122).

Mit diesem Verfahren werden jedoch nur die primären Ammoniakemissionen in die Luft minimiert. Hingegen wird die Belastung der Böden und damit auch der Gewässer einschließlich des Grundwassers mit mobilen Stickstoffverbindungen, primär das leichtlösliche Ammonsulfat, erhöht. Dabei entsteht zusätzlich das Problem der Boden- und Gewässerübersäuerung durch die Metaboliten des Ammonsulfats, nämlich Salpetersäure und Schwefelsäure. Vor dem Hintergrund der neuerlich zugenommenen Boden- und Gewässerversäuerung durch die atmosphärischen Schadstoffimmissionen Schwefeldioxid und Stickoxide und ihre abiotischen und biotischen Oxidationsprodukte Schwefelsäure und Salpetersäure, die mit den Niederschlägen in die Gewässer und den Boden eingespült werden, erscheint daher dieser Verfahrensvorschlag mit großen Nachteilen für die Umwelt verbunden zu sein.

Die vorliegende Erfindung hat sich daher zum Ziel gesetzt, die Gülle zu einem Düngemittel mit hinreichend fixiertem Stickstoffgehalt umzusetzen, der zu jeder Jahreszeit ausgebracht werden kann. Der Stickstoff muß in diesem Langzeitdünger derart fixiert bzw. immobilisiert sein, daß er zum überwiegenden Teil pflanzenverfügbar bleibt und somit nicht während der vegetationsarmen Zeit durch Auswaschung zur Versauerung von Boden und Grundwasser führen kann.

Darüberhinaus soll durch das Düngemittel im Rahmen der Stoffkreislaufwirtschaft der mineralische Düngemittelbedarf minimiert werden.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgaben wird nachfolgend erläutert. In den Ansprüchen 1 bis 3 wird das erfindungsgemäße Düngemittel aus Gülle charakterisiert, die Ansprüche 4 bis 2 beschreiben das Verfahren zur Herstellung des Düngemittels.

In der landwirtschaftlichen Nutztierhaltung fällt während der gesamten Jahreszeit Gülle an. In vielen Fällen sogar im Winter vermehrt, weil das Weidevieh während dieser Zeit im Stall steht. Insbesondere diesem Umstand trägt das erfindungsgemäße Verfahren Rechnung, indem das Düngemittel auch während der vegetationslosen Zeit aufgebracht werden kann, ohne ökologische Schäden zu setzen.

Das Düngemittel wird dadurch hergestellt, daß zumindest die wasserlöslichen Anteile des organisch und/oder anorganisch gebundenen Stickstoffs der Gülle durch direkte oder indirekte chemische Reaktion mit Humus aus der mobilen Phase in die immobile Phase umgesetzt werden.

Bei den Reaktionsprodukten, die sich in einem oder mehreren der Zustände über fest bis breiartig oder flüssig befinden können, handelt es sich um das erfindungsgemäße Düngemittel, das sich durch die verminderte Ammoniakemission auszeichnet. Dabei sind die Stickstoffkomponenten an den festen Bestandteilen der Reaktionsprodukte fixiert. Das gilt in besonderem Maß auch für die Gülle-Komponenten Magnesium und Calcium aber auch für Kalium und in gewissem Ausmaß auch für Phosphat.

Der für die Herstellung des Düngemittels notwendige Humus wird vorzugsweise durch aerobe biologische Zersetzung von natürlichen organischen Stoffen, vorzugsweise stickstoffarmen Komponenten wie Stroh, Heckenschnitt, Rinde und Holz gewonnen. Dieser auch als Kompostierung bezeichnete Zersetzungsprozeß ist hinreichend bekannt. Er läuft in der Regel unter Einhaltung aerober Bedingungen und hinreichender Belüftung von selbst ab. Es ist aber auch möglich, den Prozeß vorzugsweise unter Zusatz von Organismen, die die Cellulosezersetzung forcieren, unter Maximierung der Humusausbeute zu beschleunigen. Die für das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugte Kompostierung wird ohne die Zusätze von pH-Wert-Regulantien wie z. B. Kalk oder Dolomit durchgeführt.

Der Zersetzungsprozeß zu Humus ist vorzugsweise dann hinreichend, wenn das organische Material zu einem im feuchten Zustand dunkelbraunen bis schwarzen feinteiligen krümeligen Material zerfällt. In diesem bevorzugten Zustand ist das Zersetzungsprodukt vollständig in Natronlauge löslich. Der Humus hat dann die für die Umsetzung mit Gülle bevorzugte Reaktivität. Diese Reaktivität kann noch gesteigert werden, wenn die Humuspartikel durch einen Mahlprozeß zerkleinert werden.

Die Düngemittel können durch direkte Reaktion zwischen Humus und Gülle erzeugt werden oder durch indirekte Reaktion zwischen diese Komponenten.

Zur direkten Reaktion wird der Humus mit der Gülle vermischt. Das spezifische Mischungsverhältnis kann zwischen unter 5 kg Humus je Tonne Gülle und über 10.000 kg Humus je Tonne Gülle betragen. Zwischen diesen Extremen findet immer eine mehr oder weniger quantitative Stickstoffixierung statt. Vorzugsweise wird jedoch ein Mischungsverhältnis zwischen 50 kg Humus je Tonne Gülle und 500 kg Humus je Tonne Gülle gewählt. Die Humusmengenangaben beziehen sich dabei auf Humus-Trockensubstanz.

Nach der Vermischung von Humus und Gülle setzen eine Reihe von Reaktionen zwischen den Komponenten dieser Stoffe ein, die letztlich zur Fixierung an festen Humusbestandteilen führen. Folgende Gülle-Komponenten werden dabei mehr oder weniger stark immobilisiert:
Organisch gebundener Stickstoff,
Ammoniak und Ammonium-Stickstoff,
Calcium,
Magnesium,
Kalium,
Phosphat.

Die genannten Stoffe, insbesondere der organisch und anorganisch gebundene Stickstoff Calcium und Magnesium zeigen nach der Umsetzung weitaus geringere Mobilität im Vergleich zu unbehandelter Gülle. Dies macht sich auch am Geruch bemerkbar, derjenige des Reaktionsproduktes ist weitaus geringer als der der unbehandelten Gülle.

Bei Temperaturen zwischen 0°C und 20°C wird eine Kontaktzeit von 1 Tag bis zu einer Woche vorgezogen.

Um die Reaktion zu beschleunigen, kann das Reaktionsgemisch hin und wieder oder auch ununterbrochen durchbewegt werden. Eine weitere Möglichkeit zur Reaktionsbeschleunigung ist die Erwärmung.

Bei dem so erhaltenen Reaktionsgemisch handelt es sich bereits um das erfindungsgemäße Düngemittel.

Die direkte Reaktionsvariante läßt sich in verschiedenen Verfahrensvarianten ausgestalten. So kann die Umsetzung zwischen Gülle und Humus auch so vorgenommen werden, daß Humus als Festbett angeordnet wird und die von Feststoffen abgetrennte flüssige Güllefraktion vorzugsweise von unten nach oben das Humusfestbett durchströmt. Dabei wird die Strömungsgeschwindigkeit so gewählt, daß die Immobilisierungsreaktionen in hinreichender Geschwindigkeit ablaufen können. Der aus der Gülle abgetrennte feste Rückstand dann separat entsprechend dem Vermischungsverfahren mit Humus zur Reaktion gebracht werden.

Da die immobilisierten Güllekomponenten an eine feste Phase gebunden sind, lassen sich die Düngemittel ohne Weiteres in eine Form gebracht werden, die für die gewünschte Ausbringung auf landwirtschaftlich genutzte oder auch andere Flächen am geeignetsten ist Das ist entweder in der Form von Feststoff z. B. trockenes Granulat oder flüssig in der Form von Suspension, wobei vielfach die Granulatform für eine optimale Düngemittelausbringung vorgezogen wird.

Unter Granulat werden hier alle körnigen Stofformen subsummiert, wie z. B. Granulate, Formlinge, Extrudate, Briketts, Agglomerate.

Durch Vermischen mit Wasser kann das Düngemittel auch in eine beliebig dünnflüssige Ausbringungsform gebracht werden.

Trockenes Düngemittel-Granulat wird bevorzugt aus Gülle-Humus-Reaktionsprodukten mit hohem Feststoffgehalt erzeugt. Derartige Reaktionsprodukte können einerseits durch hohe Humus-Gülle-Mischungsverhältnisse erzielt werden oder durch Abtrennung von wäßriger Phase aus den Gülle-Humus-Reaktionsprodukten.

Eine bevorzugte Methode zur Erzeugung trockener Düngemittel in der Form von Granulat ist die Extrusion. Vorzugsweise werden solche Extruder eingesetzt, bei denen eine Misch- und/oder Verdampfungsstufe integriert ist. Dies hat den Vorteil, daß Humus und Gülle auch unvorgemischt extrudiert werden können, wobei die Humus-Gülle-Reaktion zu Dünger während und nach der Mischphase im Extruder ablaufen kann. Außerdem kann durch die zur Verdampfung notwendige Wärme die Umsetzung beschleunigt werden, so daß noch vor der Verdampferstufe die hinreichende Stickstoffixierung erreicht ist. Es ist aber auch möglich, den Extruder unabhängig von einer vorhandenen Verdampferstufe zu beheizen und/oder das erzeugte Extrudat nachreagieren zu lassen und einem nachfolgenden Trocknungsschritt zu unterziehen.

Anstelle der Extrusion können auch andere Partikelbildungsprozesse zur Granulaterzeugung eingesetzt werden, wie z. B. Kollergänge mit Lochböden, Brikettierpressen, Agglomeratoren.

Wie oben bereits erwähnt wurde, lassen sich die erfindungsgemäßen Düngemittel auch durch indirekte Reaktion mit der Gülle herstellen. Mit dieser Methode können ausgewählte Gülleinhaltsstoffe selektiv mit Humus zu dem erfindungsgemäßen Dünger umgesetzt werden, nämlich solche, die mit einem oder mehreren gewählten gasförmigen, flüssigen oder festen Transportmedium /-medien mit dem Humus zur Reaktion gebracht werden.

Derartige Inhaltsstoffe der Gülle sind z. B. Ammonium, Magnesium, Kalium und Phosphat.

Durch Strippen mit Gas, vorzugsweise mit Luft, wird die, z. B. mit Kalkhydrat oder halbgebranntem Dolomit, alkalisierte Gülle behandelt. Das gewonnene Ammoniak-Luftgemisch wird mit Humus zur Reaktion gebracht. Dabei reichert sich der Humus mit Stickstoff an. Bei diesem aus Gülle-Ammoniak und Humus erhaltenen Produkt handelt es sich ebenfalls um das erfindungsgemäße Düngemittel.

Anstelle der Luft als Ammoniaktransportmedium kann auch eine Feststoff-Membrane als Transportmedium eingesetzt werden, die für Ammoniak durchlässig ist. Dafür eignet sich z. B. Silicongummi. Vorzugsweise wird die Membran in Schlauchform eingesetzt. Auf der einen Schlauchseite befindet sich die ggf. alkalisierte Gülle, z. B. auf der Schlauchaußenseite, auf der anderen Schlauchseite befindet sich eine Humussuspension, z. B. auf der Schlauchinnenseite. Der Ammoniak diffundiert durch die Membran und wird mit dem Humus zu Dünger umgesetzt. Bei diesem Verfahren ist überraschend, daß der Transportprozeß, nämlich die Ammoniakdiffusion an die Membran und die Ammoniakpermeation durch die Membran und dessen Diffusion an die Humuspartikel durch den hohen Feststoffgehalt in Gülle und Humussuspension offenbar kaum gestört wird.

Es ist auch möglich, Gülle zunächst mit wasserlöslichen Säuren, z. B. Schwefelsäure, Phosphorsäure, Salzsäure, Hydrogensulfate, Dihydrogenphosphate, Essigsäure oder wasserunlöslichen starken Säuren wie z. B. sauren Ionenaustauscher in der Form ihrer wäßrigen Lösungen oder Suspensionen mittels ammoniak- oder kationenpermeabler Membranen zu behandeln und anschließend die gewonnenen Ammoniumsalze zu alkalisieren oder thermisch zu regenerieren und den Ammoniak bzw. das Ammonium mittels Gasstrippung oder Membranpermeation auf den Humus zu übertragen. Diese Verfahren wären wegen ihres hohen Energieverbrauchs und ihrer hohen Abfallmenge unwirtschaftlich und sind daher nicht bevorzugt.

Die stickstoffabgereicherten Güllebestandteile, die nach einigen Verfahrensvarianten erhalten werden, bei denen es sich um wäßrige Lösungen und/oder Suspensionen handelt, enthalten in der Regel noch wertvolle Inhaltsstoffe, z. B. Kalium, Phosphat und auch Restmengen von Stickstoffverbindungen. Diese Stoffe können ebenfalls in der Form von Flüssigdünger ausgebracht werden.

Claims (10)

1. Flüssige und/oder feste stickstoffhaltige organische Düngemittel aus dem chemischen Reaktionsprodukt zwischen pflanzenstämmigem Humus und Gülle, die durch direkte oder indirekte chemische Reaktion von Humus, der durch aerobe und/oder anaerobe Fermentation von überwiegend pflanzlichem Material gewonnen wurde, mit Gülle erhalten wurden.

2. Düngemittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Humus durch Kompostierung einer oder mehrerer der Komponenten Stroh, Holzspäne, Buschwerkhäcksel und Rinde gewonnen wurde.

3. Verfahren zur Herstellung von Düngemitteln nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktanten Humus und Gülle zur direkten Reaktion miteinander vermischt werden.

4. Verfahren zur Herstellung von Düngemitteln nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die direkte Reaktion in einem Extruder mit integrierter Mischeinrichtung abläuft.

5. Verfahren zur Herstellung von Düngemitteln nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Düngemittel in der Form von Formlingen, Granulat oder Briketts gewonnen werden.

6. Verfahren zur Herstellung von Düngemitteln nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Verfahrensschritte Erwärmung, Entwässerung und Formgebung des Reaktionsgemisches oder der Düngemittel in einem Extruder geschieht.

7. Verfahren zur Herstellung von Düngemitteln nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die direkte Reaktion von feststofffreier Gülle mit Humus in einem Festbettreaktor vorgenommen wird, indem die Gülle ein Humusfestbett durchströmt.

8. Verfahren zur Herstellung von Düngemitteln nach Anspruch 1 bis dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktanten Humus und Gülle mittels eines oder mehrerer der Übertragungsmedien Gas, semipermeable Membranen, wäßriger Lösungen oder wäßriger Suspensionen miteinander zur indirekten Reaktion gebracht werden.

9. Verfahren zur Herstellung von Düngemitteln nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Düngemittel in der Form von Formlingen, Granulat oder Briketts gewonnen werden.

10. Verfahren zur Herstellung von Düngemitteln nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion von flüssigen und festen Güllebestandteilen mit Humus in separaten Schritten durchgeführt wird.