Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Im Rahmen des Gesamtvorhabens “Schweinehaltung ohne Mist und G\u00fclle – Tierwohlstallsystem mit Kot-Harntrennung und Niedrigstemissionen” (D\u00f6hler et al. 2020; Auinger et al. 2021) wurde ein Tierstallsystem entwickelt, das einerseits dem Tierwohl dient und andererseits umweltbelastende Emissionen aus der Tier-haltung signifikant verringert. Das umweltentlastende Konzept basiert auf einer getrennten Erfassung und Weiterbehandlung des Urins und Kots der Tiere.
\nVoraussetzung f\u00fcr die emissionsarme Sammlung, Lagerung und Weiterbehandlung des Urins ist zum einen die Hemmung der Harnstoffhydrolyse unmittelbar nach dem Absetzen des Urins, sowie zum anderen die schnelle Ausr\u00e4umung aus dem Stall. Eine Weiterbehandlung des Urins sollte zu N\u00e4hrstoffkonzentraten f\u00fch-ren, die zur D\u00fcngung eingesetzt werden k\u00f6nnen.
\nDie Aufgaben im Rahmen des hier bearbeiteten Teilprojektes “R\u00fcckgewinnung wertvoller N\u00e4hrstoffe aus Urin von Mastschweinen: Modellierung und experimentelle \u00dcberpr\u00fcfung” waren:
\n1.\tdie chemische Kennzeichnung von Urin aus Praxisst\u00e4llen,
\n2.\tdie Pr\u00fcfung von chemischen Verfahren zur Stabilisierung von Urin und
\n3.\tdie R\u00fcckgewinnung von N\u00e4hrstoffen aus den stabilisierten Urinproben durch gezielte F\u00e4llung.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenChemische Zusammensetzung und chemische Reaktionen von Urin aus Praxisst\u00e4llen
\nF\u00fcr die Untersuchungen wurden Urine von Zuchtsauen verwendet, die am Tier gewonnen wurden. Die Proben wurden bei 20 \u00b0C thermokonstant gelagert und auf chemische und physikalische Eigenschaften (pH, EC, Harnstoff, NH4, K, Ca2+, Mg2+, P) untersucht. Die chemischen Parameter wurden einen Tag, 15 und 30 Tage nach der Probenahme gemessen, um Ver\u00e4nderungen, die durch die erwartete Hydrolyse des in dem Urin enthaltenen Harnstoffs induziert werden, zu erfassen.<\/p>\n
Chemische Stabilisierung von Urin mittels S\u00e4ure oder Lauge
\nMit den Stabilisierungsversuchen sollte ein Verfahren zur Unterdr\u00fcckung der Hydrolyse des Harnstoffs ge-funden werden. Dazu muss das in der Umwelt ubiquit\u00e4re Enzym Urease blockiert werden. Dies ist grund-s\u00e4tzlich durch starkes Ans\u00e4uern (pH < 4) oder alkalinisieren (pH > 12,) m\u00f6glich, da die Ureaseaktivit\u00e4t pH-abh\u00e4ngig ist, mit maximaler Aktivit\u00e4t bei pH 6,5. Hierzu wurde Urin mit Schwefels\u00e4ure (H2SO4) auf pH 2,5 (63 mmol H2SO4 je Liter) bzw. 5,5 (27 mmol H2SO4 je Liter) und mit 4 g Kalziumhydroxid (Ca(OH)2) auf pH 12,3 eingestellt. Anschlie\u00dfend wurden pH, elektrische Leitf\u00e4higkeit (EC) sowie Ammonium- und Harn-stoffkonzentrationen in den Proben nach 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15 und 30 Tagen gemessen.<\/p>\n
Da in der Praxis auch bei technisch ausgereifter Trennung von Urin und Kot mit einer gewissen Kontami-nation des getrennt erfassten Urins mit Kot gerechnet werden muss, wurden weitere Experimente mit dem Urin zugesetztem Kot durchgef\u00fchrt. In einem ersten Ansatz wurde ein weitgehend steril gewonnener Sauenurin mittels H2SO4 auf ca. pH 2,5 (Spanne 2,40 bis 2,55) bzw. mittels Ca(OH)2 auf ca. pH 12 (Spanne 11,9 bis 12,13) eingestellt, zudem wurde der Urin mit jeweils 5 bzw. 10 g frischem Schweinekot je 100 ml versetzt. Ein Aliquod dieser Urine diente als unkontaminierte Kontrolle. Da die Kotzugabe die pH-Werte der sauren Varianten auf Werte um 6 pufferte, wurde mittels H2SO4 auf pH 2,5 zur\u00fccktitriert. In einem weiteren Ansatz wurde der Sauenurin mit jeweils 5 bzw. 10 g Kot je 100 ml versetzt und jeweils nach 1, 2 und 5 Stunden auf pH 2,5 bzw. 12 eingestellt. Die Inkubationen erfolgten bei Raumtemperatu-ren zwischen 17 und 19 \u00b0C. <\/p>\n
R\u00fcckgewinnung von P, Ca und Mg durch gezielte F\u00e4llung
\nZur Evaluierung der R\u00fcckgewinnung von N\u00e4hrelementen aus Urin wurden (1) Modellrechnungen zur Ausf\u00e4l-lung von Phosphor (P), Kalzium (Ca) und Magnesium (Mg) aus \u0084synthetischem Urin\u0093 durch pH-Erh\u00f6hung mittels des thermodynamischen Gleichgewichtsmodells Visual MINTEQ 3.1, (2) Experimente zur F\u00e4llung von P, Ca und Mg durch Zugabe von NaOH zu \u0084synthetischem Urin\u0093, die der \u00dcberpr\u00fcfung der Modellrech-nungen dienen sollten und (3) Experimente zur F\u00e4llung von N\u00e4hrelementen aus nat\u00fcrlichem Urin (Probe U1) durch Alkalinisierung durchgef\u00fchrt.
\nF\u00fcr die Modellrechnungen und F\u00e4llungsexperimente wurden drei unterschiedliche synthetische Urinpro-ben hergestellt. Die Modellierung der F\u00e4llung definierter Festphasen aus den synthetischen Urinproben wurde mit steigenden pH-Werten von 6 bis 12 in jeweils 0,5er Schritten durchgef\u00fchrt.<\/p>\n
F\u00fcr die experimentelle \u00dcberpr\u00fcfung der Modellergebnisse wurden die synthetischen Urinproben mit Na(OH) titriert.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Chemische Zusammensetzung und chemische Reaktionen von Urin aus Praxisst\u00e4llen
\nF\u00fcr die Gehalte an N\u00e4hrelementen ergaben sich gro\u00dfe Spannen, die abh\u00e4ngig vom Beprobungstermin und Umwelteinfl\u00fcssen (Au\u00dfentemperaturen) variierten. Im Laufe von 30 Tagen Inkubation in geschlossenem Beh\u00e4lter bei 20 \u00b0C wurde der Harnstoff im Urin vollst\u00e4ndig zu Ammonium umgesetzt. Die Hydrolyse des Harnstoffs korreliert eng mit der elektrischen Leitf\u00e4higkeit des Urins. Die Hydrolyse des Harnstoffs f\u00fchrte zu einem Anstieg des pH-Wertes von 7,9 auf 9,1. Damit einhergehend sank die Kalziumkonzentration von ca. 60 auf 8 mg l-1 ab. Auch die P-Konzentrationen sanken deutlich von etwa 13 auf 3 mg L-1 ab. Dies konnte durch F\u00e4llung von Kalziumphosphaten in Folge des pH-Anstiegs erkl\u00e4rt werden. Nach 30 Tagen fie-len auch die Mg-Konzentrationen leicht ab. Hierf\u00fcr ist die Bildung von Struvit (Magnesium-Ammonium-Phosphat, MAP) eine m\u00f6gliche Erkl\u00e4rung. Die K-Konzentrationen sanken hingegen \u00fcber die gesamte Inku-bationszeit nicht. <\/p>\n
Chemische Stabilisierung von Urin mittels S\u00e4ure oder Lauge
\nDie Ans\u00e4uerung der Probe auf pH 5,5 unterdr\u00fcckte die Hydrolyse im Vergleich mit der nicht behandelten Kontrolle nur am Anfang des Experimentes. Bereits nach etwa 10 Tagen waren die NH4+-Konzentrationen stark angestiegen. Parallel damit stiegen auch die Werte der elektrischen Leitf\u00e4higkeit an. Die Ans\u00e4uerung des Urins auf pH 2,5 unterdr\u00fcckte die Harnstoffhydrolyse dagegen \u00fcber den gesamten Untersuchungszeit-raum vollst\u00e4ndig. Die Ausgangskonzentration von NH4+ stieg bis zum Ende des Experiments nicht an. <\/p>\n
Die elektrische Leitf\u00e4higkeit sank innerhalb vier Wochen in den anges\u00e4uerten Proben (pH 2,5) zun\u00e4chst systematisch von im Mittel 35 mS\/cm auf 28 mS\/cm und stieg danach bis zum Ende des Experiments (nach drei Wochen) wieder etwa auf den Ausgangswert (32 bis 36 mS\/cm) an. Der Wiederanstieg kann mit beginnender Hydrolyse nach vier Wochen erkl\u00e4rt werden. Im Gegensatz dazu blieben pH und elektrische Leitf\u00e4higkeit bei Alkalinisierung \u00fcber den gesamten Versuchszeitraum unver\u00e4ndert. Auch war w\u00e4hrend des gesamten Versuchszeitraums Ammoniakausgasung beim \u00d6ffnen der Probenbeh\u00e4lter nicht wahrzunehmen. Daraus ist zu schlie\u00dfen, dass die Stabilisierung des Urins durch Zugabe von Ca(OH)2 \u00fcber die gesamte Versuchszeit angehalten hat. <\/p>\n
Die Zugabe von 5 % Kot erh\u00f6hte die anf\u00e4ngliche elektrische Leitf\u00e4higkeit der anges\u00e4uerten Proben von 35 mS\/cm auf 58 mS\/cm. Im Laufe der Inkubation stieg die elektrische Leitf\u00e4higkeit kontinuierlich an und er-reichte bei Versuchsende einen Wert von 74 mS\/cm. Es kam w\u00e4hrend der Inkubation nicht zu einer vo-r\u00fcbergehenden Abnahme der elektrischen Leitf\u00e4higkeit, wie dies f\u00fcr die unkontaminierte Kontrolle gefun-den wurde. Nach 14 Tagen konnten Ammoniakemissionen beim \u00d6ffnen der Probegef\u00e4\u00dfe wahrgenommen werden. Die Zugabe von 10 % Kot f\u00fchrte zu entsprechend deutlicheren Effekten, die diese Befunde grunds\u00e4tzlich unterst\u00fctzen. Ammoniakgeruch war bereits nach 10 Tagen wahrnehmbar. In \u00dcbereinstimmung damit sind die pH-Werte in den anges\u00e4uerten Proben bis zum Ende des Experimentes von ca. 2,5 auf Werte zwischen 5,9 und 6,9 angestiegen (Anhang A.4). Daraus ist zu schlie\u00dfen, dass Kontamination des Urins mit Kot in Abh\u00e4ngigkeit von der Menge an Kot die hemmende Wirkung von S\u00e4ure auf die Ureahydro-lyse signifikant behindert. Die Urease hemmende Wirkung von Ca(OH)2 wurde dagegen weder durch die zugegebene Kotmenge noch durch die Zeit der Vorinkubation des Urins mit Kot beeinflusst.<\/p>\n
R\u00fcckgewinnung von P, Ca und Mg durch gezielte F\u00e4llung
\nDie Berechnungen identifizierten insgesamt 21 m\u00f6gliche Festphasen, die bei steigenden pH-Werten ausfal-len k\u00f6nnen, weil deren L\u00f6slichkeitsprodukte \u00fcberschritten sind, deutlich \u00fcbers\u00e4ttigt ist die L\u00f6sung f\u00fcr Hyd-roxylapatit \u00fcber die gesamte Spanne der modellierten pH-Werte. Damit ist die Ausf\u00e4llung des Phosphats aus der synthetischen Urinl\u00f6sung sehr wahrscheinlich.<\/p>\n
Bei der experimentellen \u00dcberpr\u00fcfung der Modellergebnisse zeigt sich, dass das Phosphat tats\u00e4chlich zu nahezu 100 % ausf\u00e4llt, aber auch Ca und Mg lassen sich zu beachtlichen Anteilen aus den synthetischen Urinl\u00f6sungen zur\u00fcckgewinnen. Die F\u00e4llungsraten f\u00fcr P und Mg aus der nat\u00fcrlichen Urinprobe liegen unter jener der f\u00fcr den synthetischen Urin. F\u00fcr P lassen sich die Ausbeuten auch durch Erh\u00f6hung des pH-Wertes von 8,5 auf 11,5 nicht steigern.<\/p>\n
Die Zugabe von Kot zum Urin f\u00fchrte zu erh\u00f6hten P-Gehalten im F\u00e4llungsschlamm. Im Vergleich mit der sauer behandelten Variante f\u00fchrte die Alkalinisierung zu einer R\u00fcckgewinnung von ca. 95 % des enthalte-nen l\u00f6slichen Phosphors. Die P-R\u00fcckgewinnung aus dem kontaminierten Urin lag damit \u00fcber jener aus rei-nem Urin. Auch Mg lie\u00df sich durch die Alkalinisierung zu fast 100 % zur\u00fcckgewinnen, w\u00e4hrend K wie bei den reinen Urinl\u00f6sungen nicht oder nur geringf\u00fcgig aus der L\u00f6sung entfernt wurde. Dies stimmt auch mit den aus der Modellierung zu ziehenden Schl\u00fcssen \u00fcberein<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die Ergebnisse dieses Projektes wurden wie folgt pr\u00e4sentiert:
\nD\u00f6hler, H. (18.06.2019): Der Stall ohne Mist und G\u00fclle: Ein Konzept zur Aufl\u00f6sung des Zielkonfliktes zwi-schen Emissionsminderung und Tiergerechtheit?, DLG-Fachtagung 2019 \u0096 Nachhaltige Schweinehaltung, Indikatoren und Stallbaul\u00f6sungen f\u00fcr Umweltwirkungen und Tiergerechtheit, Frankfurt
\nD\u00f6hler, H. (02.10.2019): High animal comfort and low emissions in a new housing system for pigs – con-ceptual study and first results from pilot farms and laboratory experiments, TFRN \/ EPMAN Meeting, Br\u00fcssel
\nD\u00f6hler, H. (22.01.2020): Tierwohlstall mit Niedrigstemissionen \u0096 Konzeptstudie und erste Ergebnisse, Fachgespr\u00e4ch Tier- und Immissionsschutz vereinbaren, Deutsche Umwelthilfe, Berlin
\nD\u00f6hler, H. (26.\/27.02.2020): Der Schweinestall ohne Mist und G\u00fclle – Tierwohlstall mit Niedrigstemissionen \u0096 Konzeptstudie und erste Ergebnisse, 19. Konferenz zum DLG-Forum Spitzenbetriebe Schwein, Kassel
\nD\u00f6hler, H. (31.03.2021): Der Schweinestall ohne Mist und G\u00fclle – Tierwohlstall mit Niedrigstemissionen \u0096 Konzeptstudie und erste Ergebnisse, DBU-Online Veranstaltung
\nD\u00f6hler, H. (30.05.-03.06.2021): High animal comfort and low emissions in a new housing system for pigs – conceptual study and first results from pilot farms and laboratory experiments, 8th Global Nitrogen Con-ference, online, INI Dessau
\nD\u00f6hler, H. (06.-07.12.2021): Stall der Zukunft – Tierwohlstall mit Niedrigstemissionen \u0096 Konzeptstudie und erste Ergebnisse, SVK \/ Ingenieurb\u00fcro Oldenburg GmbH, TA Luft 2021, Fulda
\nD\u00f6hler, H. (27.-28.03.2023): Kalkeinsatz in Stall und G\u00fclle zur THG-Minderung, D\u00fcngekalk-Forschung WIS-SEN SCHAFT NUTZEN, Fulda
\nD\u00f6hler, H. (2022): High animal comfort and low emissions in an new housing system for pigs, Book of Abstracts XXI International N workshop 2022, Madrid
\nD\u00f6hler, H. (27.-28.03.2023): Kalkeinsatz in Stall und G\u00fclle zur THG-Minderung, D\u00fcngekalk-Forschung WIS-SEN SCHAFT NUTZEN, Fulda
\nD\u00f6hler, H. (2023): Abkehr von der G\u00fcllewirtschaft in der Nutztierhaltung \u0096 welche Perspektive bietet die Trennung von Kot und Harn f\u00fcr Tierwohl, Emissionen und N-Nutzungseffizienz; 11. G\u00fclletag Triesdorf \u0096 Or-ganische D\u00fcngung: Technische Effizienz und \u00d6konomie, 25. Mai 2023
\nD\u00f6hler, H.; Kaupenjohann, M. (2024): Ammoniak-Emissionsminimierung in der Schweinehaltung durch vollst\u00e4ndige Kot-Harn-Trennung und Urinstabilisierung, 16. Tagung Bau, Technik und Umwelt in der land-wirtschaftlichen Nutztierhaltung, Freising <\/p>\n
Bisherige Ver\u00f6ffentlichungen
\nD\u00f6hler, H.; Harder, E.; Kaupenjohann, M; Auinger, C. (2019): Tierwohlstall ohne Mist und G\u00fclle mit Ammo-niakniedrigsteimissionen \u0096 Konzept und erste Ergebnisse zur emissionsarmen Behandlung der Ekremente; 131. VDLUFA-Kongress \u0096 Verbraucherschutz als Herausfoorderung f\u00fcr die landwirtschaftliche Produktion, S 419-426
\nD\u00f6hler, H. (2022): High animal comfort and low emissions in a new housing system for pigs – conceptual study and first results from pilot farms and laboratory experiments, INI 2021 – 8th Global Nitrogen Confer-ence, UBA Texte 01\/2022, Umweltbundesamt, Dessau, S. 59
\nD\u00f6hler, H. (2022): Stall der Zukunft – Tierwohlstall mit Niedrigstemissionen \u0096 Konzeptstudie und erste Er-gebnisse, 38 WF 1\/22, S. 38-41 was war das ? WF ?
\nD\u00f6hler, H.; Kaupenjohann, M. (2023): Emissionsarmer Tierwohlstall f\u00fcr Mastschweine mit vollst\u00e4ndiger Kot-Harn-Trennung \u0096 Laboruntersuchungen zur Harnstoffstabilisierung und N\u00e4hrelementf\u00e4llung im Urin; Emissionen in der Tierhaltung 2023 \u0096 erheben, beurteilen, mindern. Darmstadt, KTBL e.V., S. 8-9
\nD\u00f6hler, H.; D\u00f6hler, S. (2022): High animal comfort and low emissions in an new housing system for pigs, Book of Abstracts XXI International N workshop 2022, Madrid, S. 311
\nD\u00f6hler, S. (2023): Kot und Harn gehen getrennte Wege, Landwirtschaftliches Wochenblatt 35\/2023
\nD\u00f6hler, H.; Kaupenjohann, M. (2024): Ammoniak-Emissionsminimierung in der Schweinehaltung durch vollst\u00e4ndige Kot-Harn-Trennung und Urinstabilisierung 16. Tagung Bau, Technik und Umwelt in der land-wirtschaftlichen Nutztierhaltung, Freising <\/p>\n
Fazit<\/p>\n
\u0095\tDie Harnstoffhydrolyse korreliert eng mit der elektrischen Leitf\u00e4higkeit des Urins. Daraus folgt, dass die elektrische Leitf\u00e4higkeit, als einfach und kosteng\u00fcnstig zu erfassender Indikator, f\u00fcr die Verfolgung der Harnstoffumsetzung zu Ammoniak genutzt werden kann.
\n\u0095\tDie Harnstoffhydrolyse l\u00e4sst sich in sterilem Urin sowohl durch Ans\u00e4uerung als auch durch Alkalinisie-rung des Urings sicher unterdr\u00fccken. Wenn der Urin dagegen mit Kot kontaminiert ist, dann ist Alkalini-sierung in der Stabilisierungswirkung \u00fcberlegen
\n\u0095\tDie Alkalinisierung des Urins f\u00fchrt zur Ausf\u00e4llung gro\u00dfer Anteile von Mg und P aus dem Urin, w\u00e4hrend bei Ans\u00e4uerung s\u00e4mtliche N\u00e4hrstoffe in L\u00f6sung bleiben. Daraus folgt, dass die Wahl des Stabilisie-rungsverfahrens von der im Anschluss geplanten weiteren Behandlung des stabilisierten Urins abh\u00e4ngt.
\n\u0095\tIm Gegensatz zu \u0084synthetischem Urin\u0093 lie\u00dfen sich P und Mg aus nat\u00fcrlichem Urin bisher nicht vollst\u00e4n-dig zur\u00fcckgewinnen, was an den im nat\u00fcrlichen Urin enthaltenen organischen Komponenten liegen kann. Dies sollte Gegenstand weiterer Untersuchungen sein.
\n\u0095\tDie im Zuge der Alkalinisierung des Urins entstehenden P-, Ca- und Mg-haltigen Festphasen sedimen-tierten innerhalb kurzer Zeit aus den Suspensionen. Eine Abtrennung der Festphasen von der L\u00f6sung mit einfachen mechanischen Verfahren ist grunds\u00e4tzlich m\u00f6glich.
\n\u0095\tDie Hauptn\u00e4hrelemente Stickstoff (N) und Kalium (K) konnten im Rahmen der bisherigen Untersuchun-gen nicht bzw. nur geringf\u00fcgig zur\u00fcckgewonnen werden. Stabile, kaliumhaltige Festphasen entstehen bei Alkalinisierung nicht. In weiteren Untersuchungen kann gepr\u00fcft werden, ob Kalium durch Sorption an geeignete Festphasen zur\u00fcckgewonnen werden k\u00f6nnte.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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