Projekt 08912/01

Förderschwerpunkt Bioabfallverwertung (3): Untersuchung der Emission klimawirksamer Spurengase (NH3, N2O und CH4) nach Ausbringung von Kofermentationsrückständen sowie Entwicklung von Verminderungsstrategien

Projektträger

Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität BonnInstitut für Pflanzenernährung
Karlrobert-Kreiten-Str. 13
53115 Bonn
Telefon: 0228/73-2150

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Kofermentation gewinnt bei der Behandlung von Bioabfällen in ländlichen Gebieten zunehmend an Bedeutung. Die fermentierten Substrate weisen relativ hohe Anteile an gelöstem mineralischen Stickstoff und Methan auf, so dass erhöhte Emissionen von CH4 und N2O sowie NH3 (indirekt klimawirksam) aus den Kofermentationssubstraten während der Lagerung und nach Ausbringung denkbar sind. Im Gegensatz zu Kompostierung und Güllewirtschaft liegen hier bisher keine Untersuchungen zur Freisetzung klimarelevanter Gase vor, die aber für eine ökologische Gesamtbeurteilung des Verfahrens unerlässlich sind. Ziel dieses Vorhabens ist die Bestimmung der Emissionen klimawirksamer Gase während der Kofermentation und nach Ausbringung der Kofermentationssubstrate sowie die Entwicklung praxisrelevanter Maßnahmen zur Emissionsreduktion.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Rahmen des Projektes wurden Kofermentationsprodukte aus unterschiedlichen Anlagen untersucht. Hierzu wurden Gärtests in Kleinfermentern mit verschiedenen Mischungsverhältnissen aus Rinder- bzw. Schweinegülle sowie Bioabfall bzw. Fettabscheiderrückständen unter mesophilen und thermophilen Bedingungen durchgeführt. Diese Versuche dienten einer Optimierung der Prozessparameter während der Vergärung, um eine optimale Gasausbeute und einen möglichst hohen Abbau an BSB5 zu erreichen. In Lagerungsversuchen wurde untersucht, wie sich die Abdeckung mit Stroh auf die NH3, N2O und CH4-Emissionen aus den verschiedenen vergorenen und unbehandelten Substraten auswirkt. Hierzu wurde eine Methode zur Bestimmung von NH3-Emissionen mit Hilfe von Passivsammlern auf die Bedingungen der Versuchslagerbehälter angepasst. Ebenso wurde der Einfluss der Vergärung auf die Emissionen von NH3, N2O und CH4 nach Ausbringung der Gärrückstände auf Acker und Grünland in mehreren Freilandversuchen untersucht. Berücksichtigt wurden sowohl kurzfristig induzierte Emissionen (innerhalb 4 Wochen), als auch Langzeitemissionen (innerhalb eines Jahres). Eine Reduktion der Emissionen nach Ausbringung sollte durch den Einsatz angepasster Ausbringtechniken erreicht werden. Die experimentellen Ergebnisse der Versuche aus allen Teilbereichen gingen dann in eine Bilanzierung der energie- und substratbedingten Emissionen, sowie der betriebswirtschaftlichen Kosten ein, um ökologisch und ökonomisch sinnvolle Verfahrensketten zu identifizieren.


Ergebnisse und Diskussion

Die Gärtests mit verschiedenen Mischungen aus Kosubstraten und Gülle zeigten, dass durch die Verwertung von organischen Reststoffen als Kosubstrate der Energieertrag in Biogasanlagen und somit deren Rentabilität deutlich gesteigert werden kann. Durch die Zugabe von Fettabscheiderrückständen zu Schweinegülle konnte eine Erhöhung der Gaserträge um das 8-fache, durch die Zugabe von Bioabfall zu Rindergülle eine Verdopplung erreicht werden. Die Kofermentation führte hierbei zu höheren Gaserträgen als sich rechnerisch aus den Gaserträgen der Einzelkomponenten ergab. Gegenüber den Gaserträgen, die durch die jeweils getrennte Vergärung von Gülle und Kosubstrat erreicht werden konnte, lag die CH4-Ausbeute durch die Kofermentation um 1,3 m3 t-1 (Bioabfall) bzw. 17 m3t-1 (Fettabscheider) höher. Hinsichtlich des Abbaus an leicht verfügbaren C-Verbindungen, der Gasausbeute und der Stabilität der Gärprozesses ist eine einstufige, mesophile Vergärung ausreichend und empfehlenswert.
Aufgrund des Abbaus organischer Verbindungen während der Vergärung haben Gärrückstände in der Regel einen geringeren Kohlenstoff- und TS-Gehalt, höheren pH und höheren NH4+-Gehalt als unvergorene Gülle. Während der Lagerungsversuche zeigte sich bei beiden Gärrückständen (Schweinegülle/Fettabscheider und Rindergülle/Bioabfall), dass hierdurch im Vergleich zur jeweiligen unvergorenen Gülle die CH4 Emissionen deutlich verringert, die NH3-Verluste im offenen Lager jedoch erhöht sind. Die Zugabe von Stroh zur Bildung einer künstlichen Schwimmdecke führte zwar zu einer effektiven Verringerung der NH3-Verluste, erhöhte jedoch die CH4-Emissionen bei Lagerung der Kofermentationsrückstände, so dass diese Maßnahme nicht zu empfehlen ist. Vorteilhafter wäre hier eine gasdichte Abdeckung der Gärrückstände.
Auch während der Ausbringung wurde der Einfluss der physikalischen und chemischen Eigenschaften der Gärrückstände auf die Emissionen deutlich. Bei der Ausbringung mit dem Schleppschlauch waren die NH3-Emissionen innerhalb von 4 Tagen sehr variabel und unterschieden sich für vergorene und unvergorene Substrate nicht signifikant. Deutlich war jedoch die unterschiedliche Dynamik in der NH3-Ausgasung mit einer raschen Freisetzung von NH3 innerhalb von 12 Stunden nach Ausbringung, während die Freisetzung aus der unvergorenen Gülle langsamer und stetiger erfolgte. Dies zeigte, wie wichtig eine rasche Einarbeitung bzw. eine angepasste Ausbringtechnik insbesondere bei Kofermentationsrückständen ist. Die NH3-Verluste betrugen sowohl auf Acker, als auch auf Grünland zwischen 30 % des ausgebrachten NH4+ bei Ausbringung mit dem Prallteller und 10 % bei Injektion des Substrates bzw. Ausbringung mit dem Schleppschlauch auf Grünland. Die Injektion des Gärrückstandes führte jedoch auch zu einer Verdopplung der N2O-Emissionen in dem Versuch auf Acker und zu dreifach höheren Emissionen auf Grünland. Im Gegensatz dazu hatte die Vergärung selbst nur einen Einfluss auf die kurzfristig nach Ausbringung auftretenden N2O-Emissionen. Die typische Emissionsspitze nach Ausbringung war deutlich geringer als bei unvergorener Gülle. Für die langfristigen N2O-Emissionen ist dieser Effekt jedoch unbedeutend.
Auch die kurzfristig nach Ausbringung auftretenden CH4-Emissionen waren im Vergleich zu unvergorener Gülle geringer. Im Vergleich zu den Emissionen aus Lagerbehältern und dem Rumen von Wiederkäuern sind diese Emissionen jedoch vernachlässigbar gering.
Die Bilanzierung von Emissionen und ökonomischen Kosten zeigte, dass neben unmittelbar, auf dem Feld auftretenden Kosten auch indirekte Emissionen berücksichtigt werden müssen, wie sie z.B. bei der Produktion von mineralischem N-Dünger entstehen. Wird die erhöhte Düngewirkung der Gärrückstände durch Ausbringtechniken, die zu geringen NH3-Verlusten führen, berücksichtigt so sind diese trotz höherer N2O-Verluste sinnvoll. Mit maximal 31 € t-1 CO2 können Treibhausgasemissionen am kostengünstigsten durch die gasdichte Abdeckung der Lagerbehälter und Nutzung des entstehenden CH4 erreicht werde.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Ergebnisse aus den hier durchgeführten Untersuchungen wurden durch Vorträge, Poster und Artikel auf nationaler und internationaler Ebene präsentiert und diskutiert. Hierzu gehören Vorträge auf dem VDLU-FA-Kongress 2000, dem 3rd International Symposium on Non-CO2 Greenhouse Gas Emissions in Maastricht (2002) sowie Veröffentlichungen in den Zeitschriften Phyton (2001) und dem Journal of Envi-ronmental Quality (2002).


Fazit

Durch das Projekt konnte gezeigt werden, dass die Verwendung von Kofermentationsrückständen in der Landwirtschaft im Vergleich zu Gülle zu keinen höheren Emissionen an NH3, N2O und CH4 führt. Vorraussetzung hierfür ist, dass Techniken bei Ausbringung und Lagerung zur Anwendung kommen, die auch für Gülle empfohlen werden sollten. Vor allem ist eine Lagerung in abgedeckten Behältern, möglichst in gasdichten Nachgärern zu fordern und die rasche Einarbeitung des Gärrückstandes nach Ausbringung bzw. die Ausbringung mit dem Schleppschuh auf Grünland.

Übersicht

Fördersumme

459.065,46 €

Förderzeitraum

01.11.1998 - 15.06.2002

Internet

www.uni-bonn.de/akci

Bundesland

Nordrhein-Westfalen

Schlagwörter

Klimaschutz
Landnutzung
Naturschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik