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TRANSCRIPT
INSTITUT FÜR UMWELT UND NATÜRLICHE RESSOURCEN
Einfluss von Pflanzenkohle und Sauerkrautsaft auf den
Stickstoffmetabolismus in Güllegruben
Semesterarbeit 1
von
Nyffenegger Marc
Bachelorstudiengang 2011
Abgabedatum: 11. Juli 2013
Studienrichtung Umweltingenieurwesen
Fachkorrektoren:
Mathis Alex
ZHAW, IUNR, Grüental, CH-8820 Wädenswil
Prof. Dr. Baier Urs
ZHAW, IBT, Reidbach, CH-8057 Zürich
Agr. Ing. HTL Abächerli Fredy
Heiterstalden 1, CH-6313 Edlibach
ZÜRCHER HOCHSCHULE FÜR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN
DEPARTEMENT LIFE SCIENCES UND FACILITY MANAGEMENT
Impressum
Zitiervorschlag:
Nyffenegger, M. (2013): Einfluss von Pflanzenkohle und Sauerkrautsaft auf den
Stickstoffmetabolismus in Gülle. Semesterarbeit. Institut für Umwelt und natürliche Ressourcen,
Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften, unveröffentlicht
Marc Nyffenegger
Tiefenmühle
CH-8532 Warth- Weiningen
Adresse des Instituts:
Zürcher Hochschule für
Angewandte Wissenschaften
Life Sciences und Facility Management
Grüental, Postfach
CH-8820 Wädenswil
Keywords: Ammoniak NH3, Ammoniakemissionen, Stickstoffmetabolismus, Gülle, Pflanzenkohle,
Sauerkrautsaft, Emissionsreduktion, C-Sequestrierung
Zusammenfassung
Die Landwirtschaft gilt mit einem Gesamtanteil von 94% als Hauptquelle für die
Ammoniakemissionen in der Schweiz. Während seit 1990 die Emissionen beim Ausbringen der
Gülle durch neue Technik erheblich gesenkt werden konnten, stiegen sie bei der Lagerung weiter
an (BAFU, 2010). Um auch die Lageremissionen zu senken, werden neue Methoden und
Alternativen gesucht. In dieser Arbeit wird unter anderem untersucht, ob sich allenfalls
Pflanzenkohle, alleine oder in Kombination mit Sauerkrautsaft, dazu eignet, die Emissionen
während der Lagerung zu mindern. Zusätzlich zu den Untersuchungen wurden Literaturrecherchen
vorgenommen, die das Nutzungsspektrum von Pflanzenkohle zeigen sollen sowie weitere
Möglichkeiten aufzeigen, die Ammoniakemissionen während der Lagerung zu mindern.
Einfluss von Pflanzenkohle auf den Stickstoffmetabolismus der Gülle
Stickstoff in der Gülle liegt vor allem in Form von Ammonium und Ammoniak vor, welche sich in
einem pH-abhängigen Gleichgewicht befinden. Bei den Untersuchungen stellte sich heraus, dass
unbehandelte Pflanzenkohle, eine durch pyrolysierte Biomasse entstandenes Produkt, basisch auf
die Gülle wirkt. Durch die basische Wirkung verschiebt sich das pH-abhängige Gleichgewicht vom
Stickstoff in der Gülle. Der Stickstoff liegt vermehrt in Form von Ammoniak vor, was zu erhöhten
Emissionen führt. Die Hoffnung, dass Pflanzenkohle Ammonium und Ammoniak aus der Gülle
bindet und so ein emittieren der Stickstoffmoleküle teilweise verhindert, konnte bei der
eingesetzten Menge nicht beobachtet werden. Wie sich Pflanzenkohle verhält, welche bereits in
Einstreu oder Silagen verwendet wurde, bleibt Gegenstand von Untersuchungen.
Einfluss von Sauerkrautsaft auf die Ammoniakemissionen während der Güllelagerung
Ebenfalls geprüft wurde in dieser Arbeit, ob sich Sauerkrautsaft dazu eignet, Gülle anzusäuern.
Dabei stellte sich heraus, dass mehr Sauerkrautsaft benötigt werden würde, um eine deutliche pH-
Senkung zu erreichen, als logistisch machbar wäre (Rippel, 2013). In Kombination mit Melasse
kann sich die Verwendung von Sauerkrautsaft durchaus zum Ansäuern der Gülle eignen.
Literaturrecherchen zeigten, dass Melasse der limitierende Faktor bei der Ansäuerung war. Mit der
Zugabe von Pflanzenkohle kann die Umsetzung von Zucker zu Lactat durch die Milchsäure-
bakterien beschleunigt werden, was in Versuchen schon beobachtet werden konnte (Meier 2012).
Nutzungsspektrum von Pflanzenkohle
Die Struktur und Porosität ermöglicht Pflanzenkohle breite Nutzungsgebiete, die in einem
landwirtschaftlichen Betrieb. Interessant ist Pflanzenkohle auch als CO2- Senke in der
Klimadiskussion. Es wird mittlerweile davon ausgegangen, dass ein Grossteil der Pflanzenkohle
über Jahrhunderte im Boden bleibt (Scheifele, 2013). Literaturrecherchen haben allerdings
gezeigt, dass punkto C-Sequestrierung von Pflanzenkohle, wie die langfristige Speicherung von
CO2 genannt wird, grosse Unsicherheiten bestehen.
Abstract
Agriculture is considered with a total amount of 94% as the main source of ammonia emissions in
Switzerland. While since 1990, emissions through land application of manure, have been reduced
significantly by new technology, they still rose during storage (BAFU, 2010). To reduce the storage
emissions, new methods and alternatives are sought. This project examines, among other things, if
whether biochar by itself or in combination with sauerkraut juice will reduce the emissions during
storage. In addition to those explorations, literature searches have been made which are meant to
show the utilization spectrum of biochar and to demonstrate other ways to reduce ammonia
emissions during storage.
Influence of biochar on nitrogen metabolism of the manure
Nitrogen in the manure exists mainly in the form of ammonium and ammonia, which are in a pH-
dependent equilibrium. During the explorations, it was found that biochar, a product which appears
through biomass pyrolizing, effects alkaline on the manure. Because of the alkline effect, the pH-
dependent equilibrium shifts from the nitrogen into the manure. The nitrogen is mostly found in
form of ammonia, which leads to emission increase. The hope that biochar will bond ammonia in
manure and so the emission from nitrogen molecules could be partially stopped, couldn't be
observed in that amount that was used. It is unsure, how biochar, which were used as silage or
bedding before adding to manure, will react due to pH and ammonia.
Influence of sauerkraut juice on ammonia emissions during manure storage
Also tested in this project was, whether sauerkraut juice is able to acidify manure. It turned out that
more sauerkraut juice would be needed to achieve a significant drop of the pH scale, as would be
logistically feasible. But in combination with molasses, the use of sauerkraut juice can be quite
useful for acidifying the manure. Literature searches showed here that molasses constituted the
limiting factor in the acidification. The addition of biochar could accelerate the implementation from
sugar to lactate by the lactic acid bacterias, which could have already be seen in tests. (Meier
2012)
Terms spectrum of biochar
Biochar has due to its porosity and structure, among other things, a high adsorption capacity, and
water holding capacity. This allows broad use areas, ranging on a farm on feed, fertilizer, compost
and silage additive to use as a soil conditioner. Biochar is also interesting as a CO2 sink in the
climate debate. It is now assumed that a large part of the biochar remains in the ground for
centuries (Scheifele, 2013). This carbon can be stored in the ground, if the consumption of CO2 for
the preparation is not bigger than the stored amount of CO2 in biochar. Literature reviews have
shown, that the amount of C-sequestration due to biochar is largely uncertain. Future studies need
to bring clarity on whether and how much CO2 can be stored by biochar.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung .......................................................................................................................... 1
2. Grundlagen Theorie .......................................................................................................... 3
2.1 Emissionsquelle Güllelagerung ......................................................................................... 3
2.2 Ammoniak ......................................................................................................................... 5
2.2.1 Stickstoffkreislauf im Boden und im Stall ..................................................................... 5
2.2.2 Auswirkungen durch Ammoniakemissionen ................................................................ 5
2.2.3 Ammoniakemissionen aus der Schweizer Landwirtschaft ........................................... 8
2.2.4 Ziele bezüglich Ammoniakemissionsminderung in der Schweiz .................................. 8
2.3 Pyrolysierte Pflanzenkohle und HTC-Kohle ....................................................................... 8
2.3.1 Herstellung von PK ..................................................................................................... 9
2.3.2 Eigenschaften von PK ............................................................................................... 10
2.3.3 Kaskadennutzung von PK ......................................................................................... 11
2.3.4 PK in der Schweiz .................................................................................................... 12
2.3.5 C-Sequestrierung mit Pflanzenkohle ......................................................................... 13
3. Behandlungsmethoden zur Emissionsreduktion in Güllegruben ...................................... 16
3.1 Durch optimale Sauerstoffversorgung ............................................................................. 16
3.2 Physikalisch wirkende Behandlungsmethoden ................................................................ 18
3.3 Chemisch wirkende Behandlungsmethoden ................................................................... 19
3.4 Biologisch wirkende Behandlungsmethode ..................................................................... 21
3.4.1 Zugabe von Enzyminhibitoren ................................................................................... 21
3.4.2 Bioaktive Additive ..................................................................................................... 22
3.4.3 Vergärung durch Milchsäurebakterien....................................................................... 22
4. Material und Methoden ................................................................................................... 23
4.1 Material ........................................................................................................................... 23
4.2 Methoden ........................................................................................................................ 23
5. Resultate und Interpretation der Resultate ...................................................................... 28
5.1 Versuch 1 ....................................................................................................................... 28
5.2 Versuch 2 ....................................................................................................................... 30
5.3 Vergleich der durchschnittlichen Verluste zw. Versuch 1 und Versuch 2 ......................... 32
5.4 Versuch 3 ....................................................................................................................... 33
5.5 Feststoffanalyse .............................................................................................................. 34
5.6 Messungen der Hofgülle ................................................................................................. 35
6. Diskussion ...................................................................................................................... 36
6.1 Methodische Diskussion ...................................................................................................... 36
6.2 Effekt von Pflanzenkohle auf den Stickstoffmetabolismus der Gülle .................................... 36
6.3 Effekt von Sauerkrautsaft und Kohle auf den Stickstoffmetabolismus der Gülle .............. 37
6.4 Zukunft C-Sequestrierung durch PK ............................................................................... 37
6.5 Weitere Untersuchungen ................................................................................................ 38
6.5.1 Wirkung von PK-Zugaben in die Gülle ...................................................................... 38
6.5.2 Untersuchungen mit Milchsäurebakterien und einer leicht verfügbaren
Kohlenstoffquelle ...................................................................................................... 38
6.5.3 Untersuchungen auf den Boden................................................................................ 39
6.5.4 Kaskadennutzung ..................................................................................................... 39
7. Schlussfolgerung ............................................................................................................ 40
8. Literaturverzeichnis ......................................................................................................... 41
Abkürzungen
PK (Pyrolisierte) Pflanzenkohle
HTC Hydrothermale Karbonisierung
vol.% Volumenprozent
m.% Masseprozent
TS Trockensubstanz
ha Hektare
NH3 Ammonium
NH4+
Ammoniak
N2O Lachgas
PAK Polycyklische aromatische Kohlenwasserstoffe
GVE Grossvieheinheiten
1. Einleitung
Aufgrund erhöhter anthropogener Stickstoffemissionen steigt die Stickstoffdeposition auf
naturnahe Ökosysteme. Durch die erhöhte Deposition können Mykorrhiza, sowie Stresstoleranz
der Wälder reduziert werden. Auch ein Rückgang der Biodiversität durch den Stickstoffeintrag wird
beobachtet (Umweltbundesamt, 2011). Die Landwirtschaft gilt als Hauptquelle für die
Ammoniakemissionen in der Schweiz. Mineraldünger und zugekauftes Kraftfutter ermöglichen der
Landwirtschaft eine höhere Viehdichte sowie Produktivität. Mit der Viehdichte steigen auch die
Anfallmengen an tierischen Ausscheidungen, der Hauptquelle von Ammoniak (Krebs et al., 2012).
Erhöhte Emissions- und Auswaschungsrisiken sind die Folge.
Während seit 1990 die Stickstoffemissionen beim Ausbringen der Gülle durch neue Technik
erheblich gemindert werden konnten, stiegen sie bei der Lagerung an. Mittlerweile beträgt der
Anteil aus der Güllelagerung 10% an den landwirtschaftlichen Ammoniakemissionen. (BAFU,
2010). Um diesen Anteil an Emissionen aus der Landwirtschaft zu senken, werden Alternativen
gesucht. PK besitzt hohe Adhäsions- und Kationenaustauschfähigkeiten, was ermöglicht, dass
Wasser, Gülle und deren Inhaltsstoffe an der Oberfläche gebunden werden können (Schmidt,
2012). Auf diese Weise soll Ammoniakausgasung und Geruchsbelastung einer Güllegrube
gemindert werden. Zurzeit findet PK vor allem als Zuschlagsstoff für Silagen, Hofdünger und
Bodenverbesserer Verwendung.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist zu prüfen, welchen Einfluss PK auf den Stickstoffmetabolismus von
Gülle während der Lagerung hat. Je nach Einfluss könnte die Verwenung von PK in Güllegruben
das Nutzungsspektrum erweitern. Einen Schritt weiter geht die Kombination mit Sauerkrautsaft. Ab
einem pH-Wert von 7,0 und tiefer liegt der Grossteil des Stickstoff in Güllegruben in Form von
Ammonium vor. Über den sauer wirkenden Sauerkrautsaft sollen nun Milchsäurebakterien in die
Gülle gelangen (Meier, 2012). Durch die Zugabe von PK, welche einen überaus grossen
Oberflächenanteil besitzt, finden die Milchsäurebakterien ein geeignetes Milieu zur Besiedlung. Die
Hoffnung besteht nun darin, dass die Milchsäurebakterien, die möglicherweise vorhandenen
Kohlehydratquellen in der Gülle, zu Lactat umwandeln. Durch die mögliche Lactatbildung käme es
in der Gülle zu der gewünschten Ansäuerung der Gülle.
Die zentralen Fragen, welche in dieser Arbeit versucht werden zu beantworten sind:
- Welche Methoden gibt es bereits, um die Emissionen während der Güllelagerung zu mindern?
- Was für einen Einfluss hat die Zugabe von Pflanzenkohle in Güllegruben auf den
Stickstoffmetabolismus und pH-Wert?
Dazu wurde PK zu Gülleproben hinzugefügt. Da in Güllegruben stets aerobe und anaerobe
Bereiche vorherrschen, wurde die Wirkung auf belüftete und unbelüftete Gülle getestet.
ZHAW Departement N Einleitung
2
- Wieviel Sauerkrautsaft wird benötigt, um den pH-Wert der Gülle deutlich zu senken? Und wird
über die Zeit der pH-Wert weiter abgesenkt durch eine allfällige Milchsäurebildung (Lactat)?
- Welche Nutzungsmöglichkeiten bietet PK auf einem landwirtschaftlichen Betrieb?
Dabei wird eine allfällige Kaskadennutzung genauer beschrieben.
- Wie gross ist das Sequestrierungspotenzial durch PK in der Schweiz?
ZHAW Departement N Grundlagen Theorie
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2. Grundlagen Theorie
2.1 Emissionsquelle Güllelagerung
Die Schweiz ist sowohl aufgrund der nationalen Gesetzgebung (USG, LRV) als auch aufgrund
internationaler Abkommen (UNECE) verpflichtet, die Belastung der Umwelt mit Luftschadstoffen zu
erheben und über den Stand der Emissionen und Immissionen regelmässig Bericht zu erstatten.
Sowohl die Emissions-als auch die Immissionsdaten helfen, den Handlungsbedarf betreffend
Minderung der Belastungen gezielt beurteilen zu können (Krebs et al., 2012).
Während der Lagerung von Gülle entstehen teilweise toxische, klimarelevante und
umweltschädigende Gase, die in die Atmosphäre emittieren. Durch die immer grösseren
gesetzlichen Vorgaben werden Methoden gesucht, um die Freisetzungsmenge dieser Gase an die
Atmosphäre zu mindern. Alternativen zur Erfüllung dieser gesetzlichen Vorgaben, zu den bereits
bestehenden Massnahmen, müssen gefunden werden (Pflug et al., 2007).
Je nach Luftversorgung entstehen Risiken erhöhter Emissionen schädlicher oder klimarelevanter
Gase (Abbildung 1).
Abbildung 1 Schematische Darstellung ausge-wählter Prozesswege bei der Lagerung von Gülle (Zürcher 2009)
ZHAW Departement N Grundlagen Theorie
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Bei anaerober bis semi-anaerober Lagerung der Gülle
- Lachgas (N2O): Laut IPCC Bericht ist Lachgas mit 6% am anthropogenen Treibhauseffekt
beteiligt (Umweltbundesamt, 2012). Lachgas ist pro entstehendes Molekül deutlich
klimawirksamer als CO2. Überdies schädigen Lachgaskonzentrationen die Ozonschicht.
Hauptursache sind unter anderen biologische Denitrifikations- und Nitrifikationsprozesse im
Boden, oftmals hervorgerufen durch hohe Stickstoffgaben (Wichmann, 2012).
Denitrifikationsprozesse können auch in Güllegruben ablaufen, sind aber vor allem bei der
Lagerung von Festmist ein Problem.
- Kohlendioxid (CO2): CO2 ist das mengenmässig relevanteste klimawirksame Gas. Laut
der sächsischen Landesanstalt für Landwirtschaft beläuft sich der Anteil des CO2-
Ausstosses aus der Landwirtschaft in Deutschland auf rund 3.9% der Gesamtemissionen.
Dabei ist der Anteil aus der Güllelagerung nur in verschwindend kleinem Masse beteiligt.
Durch Biogasproduktion könnte die Energie, welche in der Biomasse der Gülle enthalten
ist, zurückgewonnen werden (Sächsische Landesanstalt für Landwirtschaft, 1999).
- Ammoniak (NH3): Ammoniak ist ein geruchsintensives Gas. Es reagiert in der Luft mit
sauren Molekülen, was zur Bildung von nachweisbaren Aerosolen führt. Ammoniak reizt die
Augen, Schleimhäute und Atemwege (Sozialversicherung für Landwirtschaft, Forsten und
Gartenbau). Bei falscher Lagerung der Gülle kann sehr viel Ammoniak in die Atmosphäre
emittieren. Ammoniak gilt als Verursacher erhöhter Stressanfälligkeit von Wäldern, was im
Kapitel “Auswirkungen durch Ammoniakemissionen“ genauer beschrieben wird.
Bei strikt anaerober Lagerung der Gülle
- Methan (CH4): Methan ist laut IPCC-Bericht mit rund 20% am anthropogenen
Treibhauseffekt beteiligt (Umweltbundesamt, 2012). Die Emissionen von Methan aus der
Landwirtschaft belaufen sich auf schätzungsweise 25%-35% des anthropogen
verursachten Treibhauseffektes, wobei rund 2% durch den Abbau tierischer Exkremente
und damit im Laufstall und über die Gülle anfallen.
- Schwefelwasserstoff (H2S): Schwefelwasserstoff ist das gefährlichste Gas für den
Menschen, welche bei der Lagerung von Gülle entstehen können. In niedrigen
Konzentrationen erinnert der Geruch von Schwefelwasserstoff an faule Eier. In höheren
Konzentrationen lähmt es die Sinneswahrnehmung der Nase, weshalb der Geruch nicht
mehr wahrgenommen wird. Wird Gülle stark aufgerührt, kann es auf diese Weise
entweichen. Da Schwefelwasserstoff vor allem in äusserst sauerstoffarmen und sauren
Bereichen der Gülle vorkommt, könnte durch gelegentliches, sanftes Aufrühren deren
Bildung gemindert werden (Sozialversicherung für Landwirtschaft, Forsten und Gartenbau).
Aufgrund der hohen Entstehungsmengen liegt das Hauptaugenmerk der entstehenden Gase
während der Lagerung vor allem auf Ammoniak.
ZHAW Departement N Grundlagen Theorie
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Abbildung 2 Entwicklung der Ammoniakemissionen aus der Landwirtschaft (BAFU, 2010)
Während die Gesamtemissionen aus der Landwirtschaft seit 1990 zurückgegangen sind, stiegen
laut BAFU die Emissionen während der Güllelagerung um 50% an (Abbildung 2). Der Grund
hierfür liegt vor allem in der Erhöhung des durchschnittlichen Lagervolumens, sowie Veränderten
Oberflächen/ Volumenverhältnissen der Güllegruben. Bei Milchkuhbetrieben nahm das
Lagervolumen durchschnittlich um 39 % zu, während die Höhe der Güllelager jeweils konstant
blieb. Damit wurde der Anteil der emittierenden Oberfläche erhöht. Ebenfalls steigend sind die
Emissionen aus Stall und Laufhof. Der Grund hierfür sind die stark erhöhten Anteile an Laufställen
in Milchkuhbetrieben (BAFU, 2010).
2.2 Ammoniak
2.2.1 Stickstoffkreislauf im Boden und im Stall
Stickstoff ist in seinen verschiedenen Formen ein lebenswichtiger Nährstoff. Im Boden und in der
Gülle kann es aber auch zu Verlusten von den jeweiligen Formen in unerwünschte Sphären
kommen. Bekannte Beispiele wären das Emittieren von Ammoniak in die Atmosphäre oder das
auswaschen von Nitrat ins Grundwasser (Krebs et al., 2012). Hier soll kurz aufgezeigt werden, wie
die wichtigsten Formen von Stickstoff entstehen (Abbildung 3).
ZHAW Departement N Grundlagen Theorie
6
Abbildung 3 Stickstoffkreislauf gemäss Kulli et al. (2011)
Ammoniak/ Ammonium
Ammonium entsteht durch den Abbau von Proteinen. In Nutztierhaltungsbetrieben wird der
anfallende Harnstoff durch das Enzym Urease unter anderem in Ammonium/Ammoniak und
Kohlendioxid/ Carbonat gespalten (IBK Arbeitsgruppe Landwirtschaft und Umweltschutz, 2009).
Entstehung von Ammoniak aus Harnstoff (Hersener et al., 2002):
CO(NH2)2 2 NH4+ + CO3
2-
NH4+ NH3↑ + H+
Ammonium und Ammoniak bilden hierbei ein pH-Abhängiges Gleichgewicht. Das Gleichgewicht
liegt bei einem pH-Wert von 9,3. Liegt in der Gülle ein pH-Wert von 5 und tiefer vor, liegt das
Gleichgewicht laut Hersener et al. nahezu vollständig auf der Seite des Ammoniums. Die
Temperatur beeinflusst das Ausgasungsverhalten von Ammoniak entscheidend. Versuche zeigten,
dass bei Temperaturen um den Gefrierpunkt 5% des Ammoniak emittierten, bei Temperaturen um
30°C waren es hingegen 15-60% (Hersener et al., 2002).
Nitrat
Als Nitrifikation wird die Oxidation von Ammonium über Nitrit zu Nitrat beschrieben. Die Bildung
von Nitrat im Boden oder der Gülle wirkt Versauernd, da H+- Ionen durch die Reaktion freigesetzt
werden. Nitrat wird gemäss Kulli et al. vor allem bei aeroben Verhältnissen, einer Temperatur von
20-25°C und neutralen pH-Wert gebildet. Nitrat ist aufgrund der negativen Ladung ein Anion, und
ZHAW Departement N Grundlagen Theorie
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wird deshalb nicht an Kationentauscher im Boden gebunden. Aufgrund dieser Tatsache sind hohe
Ausbringmengen an Nitrat, welches in hohen Mengen auf den Menschen toxisch wirkt, durch die
Düngeausfuhr ein Risiko für erhöhte Auswaschung und Emissionen aus dem Boden (Kulli et al.,
2011).
Molekularer Stickstoff und Lachgas
Denitrifikation ist der Prozess, bei dem Nitrat und Nitrit im anaeroben Milieu zu Stickoxyden und
molekularem Stickstoff reduziert werden. Denitrifikation in der Gülle bedeutet zum einen ein
Verlust vom pflanzenverfügbaren Stickstoff. Zum anderen führt Denitrifikation aber auch zu einer
eventuellen Bildung des klimawirksamen Lachgas (Kulli et al., 2011). Lachgas reagiert in Gülle in
der Regel vollständig zu molekularem Stickstoff, trotzdem kann es unter bestimmten Bedingungen
entstehen. Unregelmässiges Belüften und Homogenisieren der Gülle fördert die Bildung von
aeroben und anaeroben Milieu in der Gülle. Dadurch kann es an einem Ort zur Nitrifikation und an
einem anderen Ort wieder zur Denitrifikation kommen.
Anaerobe Ammonium Oxidation (Anammox)
Beim Anammox-Prozess wird Ammonium durch bestimmte Mikroorganismen in molekularen
Stickstoff umgewandelt. Über diesen Prozess in der Gülle ist noch wenig bekannt (Krebs et al.,
2011).
2.2.2 Auswirkungen durch Ammoniakemissionen
In natürliche und naturnahe Landökosysteme gelangen die Nährstoffe vor allem via Deposition aus
der Luft. Stickstoff bildet oftmals den limitierenden Faktor des Pflanzenwachstums. Durch
anthropogen erhöhte Stickstoffemissionen in die Atmosphäre steigt auch die Menge an
Stickstoffdeposition auf Landökosysteme. Auf diese Weise gelangen laut Krebs et al. jährlich 10-
80kg/ha Stickstoff auf die Mitteleuropäischen Wälder, was sich durch verstärktes
Pflanzenwachstum kennzeichnet. Das verstärkte Pflanzen- und Baumwachstum wirkt sich auf die
Nährstoffbilanz eines Waldes aus. Reduzierte Mykorrhiza, sowie Stresstoleranz der Wälder
gegenüber Witterungseinflüssen und Schädlingen sind die Folge. Der erhöhte Bedarf an Wasser
und Mineralstoffe durch die Pflanzen erhöhen auch die Gefahr, dass Mangelsituationen an diesen
Ressourcen entstehen. Anzeichen solcher Stresssymptome finden sich beispielsweise in den
Bergregionen, wo vergilbte Fichtenblätter auf den Magnesiummangel zurückzuführen sind (Krebs
et al., 2012). Des weiteren führt die Stickstoffbelastete Deposition in naturnahe Ökosysteme zu
einem Rückgang der Artenvielfalt (Umweltbundesamt, 2011) und zu einer Erhöhung der
Lachgasemissionen. Ammoniak bildet in der Luft Aerosole, was zu erhöhten Feinstaubbelastungen
führen kann (Clough et al., 2011).
ZHAW Departement N Grundlagen Theorie
8
2.2.3 Ammoniakemissionen aus der Schweizer Landwirtschaft
Pro Jahr emittieren rund 40‘000 Tonnen Stickstoff aus der Landwirtschaft. Damit emittiert rund ein
Drittel des jährlich anfallenden Stickstoffs. Die Emissionen in Form von Ammoniak aus der
Landwirtschaft entsprechen laut BAFU 94% aller Ammoniakemissionen, die in der Schweiz
anfallen. Der Anteil aus der Tierproduktion lag indes bei 90%. Zwischen 1990 und 2007 konnten
die landwirtschaftlichen Emissionen um 14% gesenkt werden. Durch die niedrigeren Emissionen
aus der Landwirtschaft wurde der Grundstein zur Einhaltung des Göteborg-Abkommens gelegt.
Die Ursachen des Rückgangs liegen vor allem in den abgenommenen Mastschweinebeständen,
sowie effizienterer Ausbringtechnik bezüglich Ammoniakausgasung (Schleppschlauchverteiler etc.)
(BAFU, 2010).
Gewisse Massnahmen auf landwirtschaftlichen Betrieben (z.B. Abdeckungen der Gülle), werden
durch den Bund mittlerweile übernommen, sofern ein Landwirt einer Optimierung des
Hofdüngermanagements zustimmt. Eine Optimierung des Hofdüngermanagements sieht laut
Fischler et al. vor, dass:
- Gülle möglichst wenig gerührt wird
- Gülle mit Wasser verdünnt wird
- Witterung, Boden und Vegetation bei der Ausbringung der Gülle mitberücksichtigt werden
- die Ausbringung der Gülle zumindest teilweise mit Schleppschlauchverteiler erfolgt
- Spaltenöffnungen im Boden nicht mehr als 6% der Gesamtfläche betragen (Fischler et al.,
2012)
2.2.4 Ziele bezüglich Ammoniakemissionsminderung in der Schweiz
Im Rahmen des Übereinkommens über weiträumige, grenzüberschreitende Luftverunreinigung in
Göteborg 1990, hat sich die Schweiz dazu verpflichtet, bis 2020 die Ammoniakemissionen um 13%
zu senken. Dieses Ziel konnte bereits im Jahre 2007 erreicht werden. Das Luftreinhaltekonzept
des Bundes im September 2009 hielt fest, dass eine weitere Emissionsreduktion von Ammoniak
um rund 40% erforderlich sei, um die Schutzziele einzuhalten (BAFU, 2010).
2.3 Pyrolysierte Pflanzenkohle und HTC-Kohle
Kohle, ein bräunlich-schwarzes Sedimentgestein mit hohen Anteilen an Kohlenstoff, entstand
durch die Karbonisierung resp. Inkohlung von Pflanzenresten. Durch die wertvollen Eigenschaften
von Kohle, entstanden über die Zeit technische Nachahmungen des Inkohlung-Prozess.
Momentan verspricht man sich vor allem von der hydrothermalen Karbonisierung (HTC), sowie
pyrolytischer Pflanzenkohle (PK) einiges. HTC-Kohle ist ein durch hydrothermale Karbonisierung
entstandenes Produkt. Bei diesem Verfahren entstehen laut Betzenberger et al., aus einem
wässerigen Ausgangsprodukt eine Braunkohle-ähnliche Substanz, sowie flüssige Erdöl-Vorstufen.
ZHAW Departement N Grundlagen Theorie
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Der Vorgang der hydrothermalen Karbonisierung verläuft unter erhöhtem Druck und Temperatur
(um 200°C). Der Vorteil von HTC-Kohlen gegenüber PK bestehen laut Betzenberger et al.
einerseits darin, dass deutlich mehr (bis 85%) des im Ausgangsprodukt enthaltenen Kohlenstoffes
erhalten bleiben und dass auch Biomasse mit hohen Wasseranteilen als Ausgangsprodukt
verwendet werden kann. HTC-Kohle als Bodenverbesserer ist nahezu unerforscht (Betzenberger
et al.).
2.3.1 Herstellung von PK
Wird Biomasse in luftgesättigter Umgebung verbrannt oder verrottet, werden die organischen
Bestandteile oxidiert, und hauptsächlich in Form von CO2 und Wasser wieder freigesetzt. Wird
Biomasse jedoch unter Luftabschluss erhitzt, wird die Ausgangsbiomasse nicht verbrannt, sondern
thermisch gespalten respektive pyrolysiert. Dahmen beschreibt, dass beim Vorgang Koks
(kohlenstoffreiches, energiedichtes Produkt), Asche, organische oder wässerige Kondensate und
Abgase, aus den flüchtigen Verbindungen, entstehen (Abbildung 4). Wie hoch die prozentualen
Anteile der jeweiligen Bestandteile eines Pyrolysevorgangs sind, hängt von diversen Faktoren wie
beispielsweise Ausgangsmaterial (Gehalt an Mineralien und Kohlenstoff), Dauer und Temperatur
im Reaktor ab (Dahmen, 2008). Je höher die Temperatur und das Vakuum während der Pyrolyse
ist, desto höher der pH-Wert, sowie KAK des Endproduktes (Clough et al., 2011).
Abbildung 4 Ergebnisse einer Schnellpyrolyse bei 500°C (Quelle: (Dahmen, 2008 ))
Zur industriellen Herstellung pyrolysierter Kohle hat unter anderem die Pyreg GmbH eine Anlage
entwickelt, welche auch die beiden Schweizer Firmen Verora und Swiss Biochar benutzen
(Abbildung 5). Bei der Anlage gelangt das getrocknete Ausgangmaterial in eine Dosiereinrichtung.
Von dort wird eine dosierte Menge an Ausgangsmaterial kontinuierlich in den Reaktor
weitergegeben und dort während 15 bis 30 Minuten auf bis zu 800° C erhitzt. Der Reaktor wird
einmalig durch einen Flüssiggas- oder Erdgasbrenner erhitzt. Ist die Temperatur einmal erreicht,
läuft die Reaktion unabhängig von thermischer Zufuhr von selbst ab und die Anlage kann einige
ZHAW Departement N Grundlagen Theorie
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Tage in Dauerbetrieb laufen. Durch die Erhitzung wird das Ausgangmaterial nicht verbrannt
sondern verkohlt, respektive karbonisiert. Durch diesen Vorgang entstehen Abgase, welche in eine
Brennkammer geleitet werden und bei 1250°C verbrannt werden, um die gesetzlichen Grenzwerte
nicht zu überschreiten. Das Ausgangssubstrat sollte jeweils einen Trockensubstanzgehalt (TS) von
50% und mehr aufweisen (Hammond & Rödger).
Abbildung 5 Verfahrensschema Pyreg-Anlage (Quelle: (Gerber))
2.3.2 Eigenschaften von PK
PK besitzt dank ihrer Porosität und Struktur eine Oberfläche von 100-500m2 pro Gramm Kohle. Auf
der Oberfläche der PK finden Mikroorganismen ein geeignetes Milieu und mineralisieren allenfalls
vorhandene Nährstoffe bei geeigneten Bedingungen. Die Struktur verleiht der PK beträchtliche
Adhäsionskräfte, Anionen-, Kationenaustausch- und Wasseraufnahmekapazität (zwischen 100%
(Meier, 2012) und 500% (Schmidt, 2012, S.4)).
Durch diese Eigenschaften ist PK in der Lage, Nährstoffe aus der Umgebung aufzunehmen und zu
speichern. Diese Eigenschaften macht sie zunehmend als Bodenzuschlagsstoff interessant. Um so
mehr, da Untersuchungen bestätigten, dass an PK gebundener Stickstoff für Pflanzen verfügbar ist
(Clough et al., 2011).
Aufgrund ihrer Sorptionseigenschaften kann angenommen werden, dass PK bei Tieren gewisse
giftige Stoffe aus dem Magen-Darm-Trakt zu binden vermögen und sie so der Verdauung
entziehen können (Schmidt, 2013).
Über die Beständigkeit und die Dynamik der HTC- und Pflanzenkohle auf Schweizer Ackerböden
ist allerdings noch nicht viel bekannt. Ob und welche Abbauprozesse der stabilen Verbindungen
der Kohlen in Ackerböden stattfinden, ist laut Scheifele Gegenstand von laufenden
Untersuchungen. Es konnten bisher erst kurzfristige Reaktionen durch das Ausbringen der beiden
ZHAW Departement N Grundlagen Theorie
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Kohletypen beobachtet werden. Kurz nach dem Ausbringen konnte eine erhöhte Respiration durch
Mikroorgansimen im Boden festgesellt werden. Diese war vor allem auf die leicht abbaubaren
Kondensate zurückzuführen, welche den beiden Kohletypen anhaften (Scheifele et al., 2012, S14).
Weitere Inkubationsexperimente von Scheifele kamen zum Ergebnis, dass HTC-Kohlen rund
dreimal so stabil waren wie das Ausgangsmaterial (Maisstroh). PK (langsame Pyrolysemethode
während 20 Minuten bei 700°C) hingegen wies eine, um das mindestens 1000-fach, höhere
Stabilität auf als das Ausgangsmaterial (pers. Kommunikation Scheifele, 2013). Dies unterstreicht
die potentielle Verwendungsmöglichkeit von PK als CO2-Senke.
2.3.3 Kaskadennutzung von PK
Die Wasseraufnahme- und Adsorbtionsfähigkeit der PK, sowie die Ausstattung an geeignetem
mikrobiellem Milieu erlauben eine vielfältige Nutzung in der Tierhaltung. Eine breite
Kaskadennutzung von PK bietet einen Nutzungs- und Preisvorteil gegenüber einer reinen
Ausbringung auf dem Feld. In der Schweiz wird PK nicht pur ausgebracht, sondern vor allem als
Zusatz für Dünger, Silage und Kompost verwendet (pers. Kommunikation F. Abächerli 2013).
Kaskadennutzung von PK:
Beimischung zur Silage
Pflanzenkohle adsorbiert Wasser in feuchten Silagen. Damit kann das Risiko von Schimmel und
Pilzbefall gemindert werden (Hammond et al., 2013).
Angereicherte Silage als Futtermittel
Laut Gerlach zeigten Kühe, welche mit PK behandelter Silage gefüttert wurden, geringere
Klauenprobleme und Mortalitätsraten, eine höhere Futtereffizienz, sowie verminderte Zellzahlen in
der Milch. Die PK wird ausgeschieden und gelangt anschliessend in die Güllegrube. Dort wird PK
weiter mit Nährstoffen und Mineralien beladen (Gerlach, 2012).
Verwendung von PK in der Einstreu, in Kompost oder Mist/ Gülle
Durch die Kationen- sowie Wasserspeicherkapazität eignet sich PK als Einstreu. Harn wird
aufgesaugt und die darin enthaltenen Nährstoffe wie Ammonium und Phosphor können so an der
Oberfläche der PK adsorbieren, was zu verminderten Emissionen führen kann (Hammond et al.).
Die PK wird dabei zusätzlich aufgeladen, was vor dem Ausbringen notwendig ist. Durch das Saug-
sowie Wasserrückhaltevermögen kann PK bis zu einem gewissen Teil den Mist und Kompost vor
zu hoher Feuchtigkeit schützen. Bei starker Trockenheit gibt sie einen Teil dieser Feuchtigkeit
wieder ab, was den Mist oder Kompost vor wiederum zu tiefer Feuchtigkeit schützen kann.
Durch hohe Güllegaben werden hohe Mengen an Ammonium und Ammoniak ausgetragen, dies
wirkt ätzend auf gewisse Organismen, sowie schädigend auf die Krümelstruktur eines Bodens.
ZHAW Departement N Grundlagen Theorie
12
Werden diese Stoffe schon während der Lagerung in Kompost oder PK gebunden, wird deren
negative Wirkung auf den Boden reduziert (pers. Kommunikation F. Abächerli, 2013).
Nährstoffspeicher und Bodenverbesserer
Durch das Ausbringen “beladener“ PK können dank ihren Eigenschaften bezüglich Aufbau und
Stabilität verschiedene Mineralien, Nährstoffe und Wasser langfristig im Boden gespeichert und bei
geeigneten Bedingungen mineralisiert werden. Geeignet ist das Ausbringen von Pflanzenkohle vor
allem bei Nährstoffarmen, degradierten Sandböden mit tiefer Wasser-, Anionen- und
Kationenaustauschkapazität (KAK) (Betzenberger & Kammann). Ammonium und Phosphor, als
wichtigste Pflanzennährstoffe binden vor allem an organischen und tonmineralischen
Bodenbestandteile (Kulli, Matile, Krebs, Berger, Daniel, & Pazeller, 2011). Je tiefer also der Gehalt
an Humus und Ton, desto grösser ist der Nutzen von ausgebrachter Pflanzenkohle. Durch den
basischen Effekt von PK auf saure Böden kann der Auswaschungsgefahr von Schwermetallen
entgegengewirkt werden (Kulli, Matile, Krebs, Berger, Daniel, & Pazeller, 2011). Wie sich PK-
Zugaben auf ertragsreiche, schwere Böden mit neutralen pH-Werten, wie sie im Schweizer
Mittelland häufig zu finden sind, auswirken, ist gemeinhin umstritten. Ein Lehmboden
beispielsweise mit 25% Ton- und 2% Humusanteil besitzt eine KAK von 27cmolc/kg (Rowell, S.
224). Damit liegt die KAK eines solchen Bodens höher als jene von Clough et al. untersuchten PK
mit KAK-Werten zwisch 2,7 bis 8,0 cmolc/kg (2011). Somit wird auf Lehmböden kaum eine erhöhte
Nährstoffspeicherung durch die Zugabe von PK erreicht. Trotzdem kann ein Ausbringen von PK
dank des breiten Porenspektrums auch auf solche Böden unter Umständen Vorteile bezüglich
Belüftung bieten. Aufgrund falscher Bewirtschaftung und des jeweils hohen Anteils an Feinporen
herrschen in tonreichen Böden oftmals Luftmangel, Stauhorizonte sowie eine allgemein schlechte
Durchwaschung vor. Lachgasemissionen können dadurch vermehrt gebildet werden (Ehlers et al.
2006). Studien haben gezeigt, dass die Zugabe von Pflanzenkohle Lachgasemissionen im Boden
mindern kann (Clough et al. 2011).
Laut Schmidt (2013) ist bei der Ausbringung auf das Feld wichtig, dass die PK zuerst in einem
biologisch hochaktiven Milieu (Tiermagen, Kompost, Güllegrube etc.) mit Nährstoffen und
Mikroorgansimen beladen wird, bevor sie den Boden eingebracht wird. Wird die PK in den Boden
eingebracht, ohne vorher mit Mikroorganismen, Mineralien oder Nährstoffen angereichert worden
zu sein, besteht die Gefahr, dass Nährstoffe im Boden zurückgehalten und so den Pflanzen
entzogen werden.
2.3.4 PK in der Schweiz
Am 23. April 2013 hat das Bundesamt für Landwirtschaft entschieden, die Ausbringung von PK als
Bodenverbesserer zu bewilligen. Als Ausgangsmaterial erlaubt ist nur naturbelassenes Holz.
„Hierunter fallen u.a. Wurzelstöcke, Baum-, Reben- und Strauchschnitt, Baumschnitt aus
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13
Biomasseplantagen, Rinde, Holzschäl- und Häckselgut, Schnittholz, Holzreste, Sägemehl,
Sägespäne, Holzwolle und Schalen“ (Schmidt, 2013). Es müssen verschiedene Vorgaben
bezüglich Herstellung und Ausgangsmaterial erfüllt werden. Zusätzlich dürfen die Grenzwerte an
Schwermetallen, diejenigen der Recyclingdünger nicht überschreiten. „Die Schadstoffgehalte an
PAK, Dioxinen und Furanen dürfen die Richtwerte für Kompost und Gärgut nicht überschreiten.
Der Gehalt an Nährstoffen und der pH-Wert müssen angegeben werden“ (Schmidt, 2013). Im
Biolandbau darf Pflanzenkohle allerdings noch nicht ohne weiteres eingesetzt werden.
Zur Zeit werden in der Schweiz 700t zertifizierte PK produziert (Schmidt, 2013). Mit Swiss Biochar
in Belmont-sur-Lausanne und der Verora GmbH in Edlibach ZG, stehen derzeit zwei Pyreg
Reaktoren in der Schweiz in Betrieb. Als Ausgangssubstrat werden Siebreste aus der
Holzhackschnitzelproduktion verwendet.
Thomas Rippel von Organic Standard rechnet pro GVE eine potentielle Einsatzmenge von 0,5m3
PK im Jahr, was rund 170kg entspricht. Wenn somit bei 1,65 Millionen GVE ein halber Kubik PK
eingesetzt wird, läge das Potential für PK in der Schweizer Landwirtschaft bei 280‘500 Tonnen
(pers. Kommunikation T. Rippel, 2013).
2.3.5 C-Sequestrierung mit Pflanzenkohle
Die in den Böden gebundene Kohlenstoffmenge übertrifft, Global gesehen, die in der Atmosphäre
und Vegetation gebundene Kohlenstoffmengen um ein Mehrfaches (Betzenberger et al.). In der
Klimadiskussion erfahren Methoden, welche Kohlenstoff im Boden speichern, deshalb vermehrt
Anklang.
C- Sequestrierung, bezeichnet die Idee, Kohlenstoff zu speichern und somit langfristig dem
Kohlenstoffkreislauf entziehen. Die Ansätze einer solchen CO2 Speicherung sind unterschiedlich.
Bekanntester davon bildet das abtrennen und einlagern von CO2 aus Verbrennungsabgasen in
tiefe unterirdische Gesteinsschichten. Der Schweizer Bundesrat schätzt das Potential für die CO2
Einlagerung in Schweizer Gesteinsschichten aufgrund fehlender emissionsintensiver Punktquellen,
sowie geeigneter Standorte und als gering ein (Bundesrat, 2008).
Da im Boden sehr viel Kohlenstoff gespeichert wird, kann eine humusaufbauende
Bewirtschaftungsmethoden in der Landwirtschaft, mit dem Ziel, das fliessende Gleichgewicht des
Humusgehalts zu erhöhen, prinzipiell zum gleichen Effekt führen. Der Aufbau von Humus im
Boden kann unter Umständen durch Fruchtfolge, angepasste Düngung und Bodenbearbeitung
aber vor allem durch Zufuhr organischer Substanz (z.B. Stroh) erreicht werden. Pflanzen binden
durch Photosynthese CO2 aus der Luft und fixieren das Gas in Form von Kohlenstoffverbindungen.
Mit der ackerbaulichen Landnutzung vermindert sich gegenüber der natürlichen Vegetation fast
immer die Humusmenge. Bei gleichbleibenden Bewirtschaftungsmethoden stellt sich im Boden ein
neues, fliessendes Gleichgewicht des Humushgehaltes ein. Laut Prof. Dr. agr. habil. Kurt-Jürgen
ZHAW Departement N Grundlagen Theorie
14
Hülsbergen kann besonders durch die Umstellung von Ackerbau- auf Grünlandnutzung sehr viel
Kohlenstoff gebunden werden. Bei der organischen Düngung ist die Qualität des Mistes,
Kompostes oder der Gülle von entscheidender Bedeutung für die Humusersatzleistung
(Hülsbergen, 2011). Durch das Produzieren von Biotreibstoffen steigt allerdings die Tendenz von
der Humuszehrung in den Böden durch die Abfuhr organischen Materials aus Ackerböden, sowie
Abholzen von Wäldern zwecks Energiegewinnung (Braun et al., 2009).
Ein anderer Ansatz zur Kohlenstoffspeicherung ist die Produktion und das Ausbringen von
Pflanzenkohle in die Böden. Durch die Verkohlung organischen Materials mittels Pyrolyse, kann
boraussichtlich ein beachtlicher Anteil des von der Pflanze fixierten Kohlenstoffs über viele Jahre
gespeichert werden. Es ist jedoch miteinzubeziehen, dass Umwelteinflüsse wie Klima,
Bodentemperatur, Bodenart und autochthone Mikrobiologie die Abbaubarkeit der PK
mitbeeinflussen. Gemäss Schätzungen von Michael Scheifele, welcher Untersuchungen am FiBL
mit PK anstellt, beträgt die Verweildauer von PK in Schweizer Mittellandböden mindestens 400 bis
1000 Jahre (pers. Kommunikation Scheifele, 2013).
Helmut Gerber, Ingenieur bei der Pyreg GmbH, hat ein Sequestrierungspotential von PK
offengelegt (Tabelle 1), welche beschreibt, dass unter optimalen Bedingungen, mit einer Tonne
Holzschnitzel als Ausgangsmaterial, rund 489 kg CO2 fixiert werden können (Schmidt, 2013). Unter
der Annahme, dass mit drei Tonnen Holzschnitzel rund eine Tonne PK produziert wird, fixiert eine
Tonne PK rund 1,63 Tonnen CO2. Andere Berechnungen gehen von einem wesentlich höheren
Sequestrierungspotential vonn3,7 Tonnen CO2nausn(Lehmann,n2007).
Tabelle 1 Sequestrierungspotential Grüngutpyrolyse, vereinfachte Darstellung gemäss Gerber (2009)
Abzugsgrund Abzugsmenge in kg CO2
pro Tonne Grüngut
Bereitstellung, Ernte und Transport 5
Aufbereitung Grüngut 9,4
Thermischer Verlust (Unter Annahme, dass Koksanteil 30%) 1281,0
Elektrischer Verbrauch Pyrolyse (0,55kgCO2/kWhel) 31
Transport zum Landwirt 1,2
Ausbringung durch Landwirt 3,0
Summe 1341,0
CO2 Einlagerung pro t Grüngut 1830,0
CO2 Sequestrierung pro t Grüngut -500,0
ZHAW Departement N Grundlagen Theorie
15
Die Schweizer Organisation Organic Standard hat kürzlich damit begonnen, CO2-Zertifikate durch
das Ausbringen von PK auf Schweizer Felder zu handeln. Die Organisation sucht Abnehmer für
die Zertifikate, sowie Bauern, welche PK auf ihrem Feld ausbringen. Laut Organic Standard beläuft
sich das Potential für nachhaltige PK-Produktion aus Landwirtschaft und Forstwirtschaft zwischen
231‘000 und 423‘000 Tonnen PK (pers. Kommunikation T. Rippel, 2013) und stammt vor allem aus
produktivem Wald. Damit könnten je nach Berechnungsmethodik (Lehmann und Delinat) zwischen
690‘000 und 1‘570‘000 Tonnen CO2 fixiert werden. Dies entspräche laut EIA ungefähr 1,5 -3,3%
der Schweizer CO2-Gesamtemissionen (Gruhnwald, 2012)
Clough et al. gehen hingegen davon aus, dass die heutigen Netto-Emissionen von CO2, Lachgas
und Methan um 12% reduziert werden könnten, wenn Pflanzenkohle in den Boden eingearbeitet
werden würde (Clough et al., 2011).
ZHAW Departement N Behandlungsmethoden zur Emissionsreduktion in Güllegruben
16
3. Behandlungsmethoden zur Emissionsreduktion in Güllegruben
3.1 Durch optimale Sauerstoffversorgung
Aerobe Lagerung
Aerob gelagerte Gülle, sowie anaerob gelagerte Gülle weisen beide einen höheren pH-Wert auf
als unbehandelte Gülle. Der Grund hierfür ist unterschiedlich. Bei der Anaerob gelagerten Gülle
liegt der Stickstoff vor allem in Form von Ammonium und Ammoniak vor, welche im Gegensatz zu
Nitrat, das nur bei aeroben Bedingungen aus Ammonium mineralisiert wird, basisch wirken. Bei
der aerob gelagerten Gülle hingegen bauen Mirkoorganismen die organischen Säuren ab, was
eine basische Wirkung zur Folge hat (IBK Arbeitsgruppe Landwirtschaft und Umweltschutz, 2009).
Güllebelüftung führt zu geringeren Geruchsbelastungen und verhindert unter anderen die Bildung
von Benzoesäure, Phenol und Schwefelwasserstoff (Universität Innsbruck). Durch die Belüftung
steigt aber der pH-Wert der Gülle an und der Stickstoff entweicht in Form von Ammoniak und Nitrat
(Meier, 2012).
Biogasanlage
Mit der zunehmenden Bedeutung erneuerbarer Energien steigt auch die Bedeutung der
Biogasvergärung. Da den Mikroorganismen beim Gärprozess der Sauerstoff als
Elektronenakzeptor fehlt, wird im Vergleich zu aeroben resp. semiaeroben Verhältnissen wie bei
herkömmlich gelagerter Gülle mehr Kohlenstoff als Energiequelle veratmet. Dies führt dazu, dass
der Trockenmassegehalt des vergärte Restmaterials deutlich unter dem des Ausgangsmaterials
liegt. Durch die Absenkung des Trockenmassegehalts kommt es zu einer niedrigeren Viskosität,
welche ein rasches Ablaufen und eine rasche Infiltration der Gülle während des Ausbringens auf
dem Feld ermöglichen. Da der Anteil an Trockenmasse im Verhältnis zu herkömmlich gelagerten
Gülle tiefer ist, steigen der Ammoniumanteil und damit auch der pH-Wert. Durch die geringere
Viskosität und den leicht alkalischen pH wird die ätzende Wirkung auf die Oberirdischen Pflanzteile
vermindert (IBK Arbeitsgruppe Landwirtschaft und Umweltschutz, 2009).
Durch den erhöhten Ammoniumanteil und pH-Wert liegt eine erhöhte Gefahr von
Ammoniakemissionen während der Endlagerung bei offenen Behältern, sowie bei der Ausbringung
auf dem Feld, vor. Falls die Endlagerung in geschlossenen Behältern erfolgt und die Gülle mit
Emissionsmindernden Verfahren ausgebracht wird, kann vergorene Gülle durchaus als effizienter
Stickstoffdünger betrachtet werden. Für eine erfolgreiche Vergärung sind gut abbaubare,
energiereiche organische Substanzen nötig, welche oftmals in Form von Silagen oder Abfällen
dazugegeben werden (IBK Arbeitsgruppe Landwirtschaft und Umweltschutz, 2009). Da der Bau
einer Biogasanlage teuer ist, sind die Minderungskosten bezüglich Ammoniakemissionen hoch.
ZHAW Departement N Behandlungsmethoden zur Emissionsreduktion in Güllegruben
17
Abdeckung der Güllegruben und schonendes Umwälzen der Gülle
Im Gegensatz zu Schweinegülle entsteht bei
Rindergülle mit einem Trockenmassenanteil
von ca. 5%, auf natürliche Art und Weise eine
Schwimmschicht. Falls die Schwimmschicht
die ganze Oberfläche bedeckt und mindestens
15cm. dick ist, mindert diese die Emissionen
um bis zu 80%. Damit die Schwimmdecke
möglichst dick und flächig aufrechterhalten
bleibt, sollte das Umwälzen der Gülle bis kurz
vor dem Ausbringtermin unterlassen werden,
sowie das Umrühren so gewählt werden, dass
keine Blasen entstehen. Des Weiteren wäre
ein Befüllen der Grube erwünscht, bei der die
frisch anfallende Gülle an der Behältersohle eingespeist wird und so die Schwimmdecke nicht
beeinträchtigt wird. Fehlt die Abdeckung werden durch den Luftzutritt die Stickstoffemissionen
erhöht (IBK Arbeitsgruppe für Landwirtschaft und Umweltschutz, 2009).
Schwimmende Abdeckungen wie Leichtschüttungen (z.B. Perlite) oder Folien besitzen zwar die
leicht schlechteren Minderungspotentiale und benötigen mehr Wartungsarbeiten als feste
Abdeckungen (Tabelle 2), führen aber dank tiefen Investitionskosten zu relativ geringen
Minderungskosten (Döhler et al., 2011).
Permanentes, schonendes Umrühren der Gülle kann die Sorption von Stickstoffteilchen an
Schwebstoffen fördern, sowie zu einem leichten Sauerstoffnachschub führen, was das Aufkommen
der strikt anaeroben Flora, welche unter anderem Schwefelwasserstoffbildung begünstigen,
hemmt. (Somitsch, Wenzl, Pilch , & Gilhofer, 2008) Zu starkes Rühren erhöht die Gefahr, dass
Schwefelwasserstoff freigesetzt wird und so in der Luft toxische Konzentrationen entstehen.
Wird die Gülle stark und nicht permanent umgewälzt, entstehen sehr hohe Emissionen. Es kann zu
Nitrifikations- und Denitrifikationsprozessen kommen, was zur Entstehung und Freisetzung von
Lachgas führen kann (Kulli et al., 2011).
Separierung der Gülle
Durch die Separation werden in der Gülle die Feststoffe von den löslichen Komponenten mit Hilfe
eines Separators getrennt. Es entstehen so je eine Fraktion Feststoff und Dünngülle, welche
räumlich voneinander getrennt sind. Die hohe Fliessfähigkeit der Dünngülle benötigt keinen
Wasserzusatz als Verdünnung und erlaubt ein rasches ablaufen und infiltrieren in den Boden,
ohne dass dabei ein sogenannter Gülleschock beim bestehenden Pflanzenbestand bewirkt wird.
Tabelle 2 Relative Emissionsminderung durch verschiedene Abdeckvarianten (Döhler et al., 2011)
ZHAW Departement N Behandlungsmethoden zur Emissionsreduktion in Güllegruben
18
Des weiteren können die Feststoffe kostengünstig transportiert und exportiert werden und als
Grunddünger oder auch als Einstreu verwendet werden (IBK Arbeitsgruppe Landwirtschaft und
Umweltschutz, 2009). Durch die hohen Investitionskosten ist die Gülleseparierung in der Schweiz
meist unwirtschaftlich. Trotzdem wird sie von Hersener et al. empfohlen und als durchaus
praxistauglich empfunden (Hersener et al., 2002). Aufgrund der fehlenden Schwimmschicht wird
kein Güllemixer oder Rührwerk benötigt, was die Ammoniakemissionen mindert. Allerdings
emittiert vermehrt Ammoniak während der Lagerung, aufgrund der fehlenden Schwimmschicht,
weshalb eine künstliche Abdeckung sinnvoll wäre.
Gülleverdünnung mit Wasser
Um die Viskosität der Gülle zu senken, kann Wasser in die Güllegrube zugegeben werden. Durch
die bessere Fliessfähigkeit kann der Rühraufwand in der Güllegrube verringert werden, was
Emissionen mindert. Zudem wird die Infiltration in den Boden beim Ausbringen erhöht. (IBK
Arbeitsgruppe Landwirtschaft und Umweltschutz, 2009)
3.2 Physikalisch wirkende Behandlungsmethoden
Zugabe von Gülleadditiven mit hoher Sorptionsfähigkeit
In der Landwirtschaft werden mehrere Produkte angeboten, die der Güllegrube zugesetzt werden
können. Diese Gülleadditive sollen beispielsweise allfällige Geruchs- und Ammoniakemissionen
mindern, sowie die Fliessfähigkeit der Gülle verbessern (IBK Arbeitsgruppe Landwirtschaft und
Umweltschutz, 2009).
Anders als reaktive Kohlenstoffquellen verhalten sich Zugaben wenig reaktiver Biomasse oder
Mineralien mit hohem Sorptionsvermögen. Beispiele hierfür wären Ton, Torf, Terra Preta,
Braunkohlestaub oder Pflanzenkohle. Durch die Stabilität und Sorptionsmechanismen an der
Oberfläche sind diese Stoffe dazu in der Lage, verschiedene Nährstoffe und Mineralien, unter
anderem Ammonium, aus der Gülle zu adsorbieren. (Pötsch, 2011).
Vorteile von Gülleadditive welche Stickstoffmoleküle aus der Gülle binden, haben durchaus auch
Vorteile gegenüber Lagerabdeckungen. Mit solchen Gülleadditiven kann nicht nur während der
Lagerung eine Emissionsminderung von Ammoniak bewirkt werden, sondern auch während des
Ausbringens und einer Allfälligen Einarbeitung auf dem Feld. Durch die Zugabe der
Zuschlagsstoffe wird das Aufnahmepotential von Stickstoff im Boden erhöht und das
Ausgasungs-, sowie Auswaschungsrisiko somit vermindert (Pflug & Staub, 2007). Trotzdem ist die
Behandlung der Gülle mit Hilfe solcher Additive nicht ohne Probleme verbunden. Beispielsweise
bei der Verwendung von Torf als Zusatzstoff kommen, nebst ökologischen Bedenken, auch
Probleme bei der Herstellung und Erhaltung einer 20 cm dicken Schwimmdecke hinzu (IBK
Arbeitsgruppe Landwirtschaft und Umweltschutz, 2009).
ZHAW Departement N Behandlungsmethoden zur Emissionsreduktion in Güllegruben
19
Braunkohlestaub
Bei einem Versuch von Pflug et al wurden 2m.% Braunkohlestaub in Schweinegülle eingeblasen.
Dabei konnten keine Änderungen bezüglich pH-Wert, Gas- und Gülletemperatur festgestellt
werden. Allerdings wurde eine Minderung der Ausgasungsmenge von Ammoniak und anderen
Geruchsstoffen festgestellt. Beim Ammoniak stellte sich bei hohem Vermischungsgrad eine
Minderungsrate von 95% ein (Pflug et al., 2007). Allerdings müssen bestimmte Vorkehrungen
getroffen werden, um die Explosionsgefahr zu kontrollieren, weshalb das Einblasen von
Braunkohlestaub nicht als praxistauglich gilt (IBK Arbeitsgruppe Landwirtschaft und Umweltschutz,
2009).
Zugabe von Mineralstoffen
Einige Minerale besitzen aktive Oberflächen mit hoher Mikroporosität, welche einen
Kationenaustausch ermöglichen. Führt man nun solche Minerale als Zuschlagsstoff der Gülle
hinzu, können unter anderem auch Stickstoffmoleküle an deren Oberfläche adsorbieren. Obwohl
laut der IBK viele Landwirte den mineralischen Güllezusätzen positive Wirkungen auf
Geruchsemission und Fliessfähigkeit bescheinigen, konnten deren Eigenschaften bezüglich
Stickstoffemissionen noch kaum wissenschaftlich nachgewiesen werden (2009). Relativ
unbestritten hingegen sind die positiven Eigenschaften auf die Homogenisierung, Fliessfähigkeit
und Geruchsentwicklung der Gülle. Solche Zuschlagsstoffe sind verschiedene Gesteinsmehle wie
zerkleinertes Kalk-, Dolomit- oder Granitgestein, sowie Tonminerale wie beispielsweise Illit oder
Chlorit. Gemäss IBK müssen jedoch Beträchtliche Mengen an Mineralstoffen eingesetzt werden,
um aufgrund der hohen Ammoniumgehalte von Gülle eine Wirkung zu erzielen, da verschiedenste
Kationen an den Oberflächen adsorbieren, und nicht nur Ammonium. Bisher ist noch kein
wirtschaftlich rentables Präparat bekannt (IBK Arbeitsgruppe Landwirtschaft und Umweltschutz,
2009).
3.3 Chemisch wirkende Behandlungsmethoden
Säurezugabe
Die pH-Wert bezogene Bildung von Ammoniak und Schwefelwasserstoff verhalten sich bei gerade
umgekehrt (Abbildung 6). Niedrige pH-Werte erhöhen die Emission von Schwefelwasserstoff und
flüchtigen Fettsäuren. Hohe pH-Werte erhöhen dagegen die Emission von Ammoniak (Somitsch et
al.). Das Absenken des pH-Wertes der Gülle führt zu einer Minderung der Stickstoffemissionen.
Stickstoff liegt in den Güllegruben vor allem in Form von Ammonium und Ammoniak vor, welche
sich in einem Gleichgewicht befinden. Die Ausgasung von Stickstoff in Form von Ammoniak findet
überwiegend bei neutralen bis basischen Milieu stattfindet (Hersener et al., 2002).
Rindergülle hat im Normalfall einen pH-Wert um 7,5. Wird der pH-Wert nun durch Ansäuern auf
einen stabilen Wert von 6 abgesenkt, führt dies laut UN-ECE zu einer Reduktion der
ZHAW Departement N Behandlungsmethoden zur Emissionsreduktion in Güllegruben
20
Stickstoffemissionen um mindestens 50%. Zum Ansäuern bieten sich organische Säuren
(Milchsäure), anorganische Säuren (Salpetersäure) und Futterzusätze (Benzoesäure) an.
Verschiedene Salze sowie andere saure Verbindungen sind aufgrund der theoretisch benötigten
Menge nicht geeignet (UN-ECE, 2007).
Abbildung 6 pH-Abhängigkeit von Schwefelwasserstoff und Ammoniak (Somitsch et al., 2008)
Versuche, bei der Gülle mit Milchsäure auf einen Wert von 4,8 angesäuert wurden, ergaben
Ammoniakemissionsreduktionen von 70%. Lachgas-Emissionen konnten dabei nicht
nachgewiesen werden. Bei der Anwendung von Salpetersäure war das Emissionsverhalten des
Ammoniaks ähnlich wie bei der Anwendung von Milchsäure. Allerdings wurden beträchtliche
Lachgas- und Methanemissionen festgestellt (Hersener et al., 2002). Entscheidend beim Ansäuern
von Gülle durch Salpetersäure ist, dass ein tiefer Wert von 4-5 erreicht und beibehalten werden
muss, um Nitrifikations- und Denitrifikationsprozesse zu verhindern (UN-ECE, 2007).
Ein Vorteil dieser Methodik ist, dass die Nitratbildung durch einen tieferen pH-Wert gehemmt wird.
Dies vermindert damit auch den gasförmigen Verlust von Lachgas, welcher durch die
Denitrifikation bei anaeroben Milieu gebildet wird (Kulli et al., 2012).
Nachteile dieser Methode sind unter anderem, das grosse Mengen an organischen und
anorganischen Säuren verwendet werden müssen, um eine pH-Senkende Wirkung zu erhalten.
Durch diese hohen Zugabemengen entstehen teils hohe Kosten, sowie Risiken durch aggressive
Chemikalien. Die Gefahr von Schwefelwasserstoffbildung wird erhöht. Auch erhöhte
Lachgasemissionen können auftreten, falls der tiefe pH-Wert nicht beibehalten werden kann (IBK
Arbeitsgruppe Landwirtschaft und Umweltschutz, 2009).
ZHAW Departement N Behandlungsmethoden zur Emissionsreduktion in Güllegruben
21
Zugabe organischer Kohlenstoffquellen
Energiereiche, reaktive organische Kohlenstoffquellen dienen den Mikroorganismen als
Nährmedium. Durch die Zugabe der Biomasse kommt es zu einem verstärkten Abbau in der Gülle,
was zur erhöhten Bildung von Kohlensäure führt. Durch die Bildung von Kohlensäure in wässriger
Gülle sinkt deren pH-Wert, und es kann laut Angaben der IBK zu einer Reduktion der
Ammoniakemissionen von bis zu 45% kommen (2009). Als ökologisch sinnvoll wären vor allem die
Verwendung organischer Abfall- oder Nebenprodukte, wie Melasse, Kleie oder Kartoffelschälabfall,
als zusätzliche Kohlenstoffquelle in Güllegruben zu betrachten. Allerdings kommt es, aufgrund des
semianaeroben Milieus in Güllegruben, durch die Verwendung zusätzlicher energiereicher
Biomasse zu einer Erhöhung der Geruchs- und Methanemissionen. Deshalb wird die Zugabe von
organischer Biomasse nur Biogasanlagen empfohlen. Laut einer durchgeführten Studie, welche
von Dr. Erich M. Pötsch in einer Präsentation festgehalten wurde, führte die Zugabe von Molke zur
Gülle in einem Verhältnis von 1:1, innerhalb 30 Tage, zu einer Senkung des pH-Wertes von 6.25
auf 4.0. Die Molkezugabe führte allerdings zu erhöhter Geruchsintensität.
3.4 Biologisch wirkende Behandlungsmethode
3.4.1 Zugabe von Enzyminhibitoren
Ureaseinhibitoren
Das Enzym Urease spielt bei der Hydrolyse von Harnstoff die entscheidende Rolle. Der Harnstoff
wird nach der Ausscheidung auf die Laufflächen durch das Enzym Urease unter anderem in
Ammonium gespalten. Die Enzymkonzentration bestimmt hierbei die Reaktionsgeschwindigkeit.
Werden die Laufflächen mit Ureaseinhibitoren besprüht, werden Enzyme dem Substrat, in diesem
Fall dem Harnstoff, entzogen. Damit wird die Reaktionsgeschwindigkeit des Harnstoffes gesenkt,
und es wird weniger Ammonium am eigentlichen Ort der Entstehung gebildet. Da weniger
Ammonium gebildet wird, entstehen deshalb auch weniger Emissionen in Form von Ammoniak in
den Laufställen, aber auch später in den Güllegruben. Da die Anwendung allerdings regelmässig
wiederholt werden muss, werden noch Mittel- und Applikationskosten verursacht (IBK
Arbeitsgruppe Landwirtschaft und Umweltschutz, 2009).
Nitrifikationinhibitoren
Im Gegensatz zu Güllegruben kommen in Wirtschaftsdüngern Nitrifikationhemmer schon zum
Einsatz. Diese hemmen die Bodenorganismen Nitrosomonas. Auf diese Weise wird die
Umsetzung von Ammonium zu Nitrat gehemmt. In der Schweiz werden Nitrifikationhemmer unter
Antragsstellung erlaubt (Dettwyler et al., 2006). Durch die Zugabe von Nitrifikationsinhibitoren wird
die Bildung von Nitrat in den aeroben Bereichen und damit auch deren Denitrifikation in anaeroben
Bereichen, der Gülle gehemmt.
ZHAW Departement N Behandlungsmethoden zur Emissionsreduktion in Güllegruben
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3.4.2 Bioaktive Additive
Mit der Förderung bestimmter Mikroorganismen, können gewisse Vorgänge in der Gülle gefördert
oder gehemmt werden. Ein Beispiel hierfür bildet der Versuch von Somitsch et al, welche
Mikroorganismenpopulationen gezielt versuchten zu aktivieren, die verhältnismässig wenig
geruchsaktive Stoffe als Stoffwechselmetabolite produzieren sollten und ihr Wachstumsoptimum
im leicht sauren Bereich (pH 6,1-6,5) und mikroaerophilen Milieu besassen. Tatsächlich konnten
Ammoniak-Emissionen verhindert werden, sowie die Viskosität gesteigert werden. Ausarbeitungen
zur Wirtschaftlichkeit und zur praktischen Betriebsanwendungen fehlen derzeit noch (Somitsch et
al., 2008).
3.4.3 Vergärung durch Milchsäurebakterien
Bei der Milchsäuregärung, wird bei anaeroben Milieu, Glucose zu Lactaten metabolisiert. Durch die
entstehende Milchsäure (Lactat) findet eine Absenkung des pH-Wertes statt. Ein saures Milieu wie
dieses unterdrückt das Aufkommen von schädlichen Keimen (vor allem Sporenbildner, Bakterien
und Enzyme), was zur einem konservierenden Effekt führt. Des Weiteren wird durch den Abbau
der Zuckerverbindungen, sowie dem fixieren von Schwefel durch die Milchsäurebakterien, den
Fäulnisbakterien teilweise die Nahrungsgrundlage genommen (Schmidt, 2011).
Milchsäuregärung mit Sauerkrautsaft, Melasse und PK
Sauerkrautsaft zeichnet sich dadurch aus, dass er Milchsäurebakterien enthält und einen tiefen
pH-Wert besitzt. Der von Landwirt Pirmin Koller bezogene Sauerkrautsaft besitzt einen pH-Wert
von 3,5. Meier hat in seiner Masterthesis Versuche mit Sauerkrautsaft, Melasse und Kohle als
Zuschlagsstoff zur Gülle durchgeführt. Dabei kam er zum Schluss, dass die verwendete Menge an
Melasse das entscheidende Kriterium für eine erfolgreiche Ansäuerung darstellte. Mit 0,5%
Sauerkrautsaft, 3% Melasse und 1% PK konnte der pH-Wert von 500l Gülle innerhalb einer Woche
von 7,5 auf einen Wert von 5,0 gesenkt und über einen Monat lang gehalten werden. Wurde nur
1% Melasse verwendet, wurde nie ein tieferer pH-Wert als 6,0 erreicht. Die Pflanzenkohle besitzt
durch ihre Porosität eine grosse Oberfläche, welche von den Mikroorganismen besiedelt werden
kann. Dadurch kann die Umsetzung der Melasse in Lactat durch die Milchsäurebakterien
gesteigert werden, was im Versuch von Meier auch beobachtet werden konnte (Meier, 2012).
Alternativ zum Sauerkrautsaft können auch andere Milchsäurebakterienhaltige Produkte oder
Präparate verwendet werden.
ZHAW Departement N Material und Methoden
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4. Material und Methoden
4.1 Material
Analytik:
Die Feststoffanalyse der Sedimentproben wurden auf den prozentualen Anteil an
Kohlenstoff und Stickstoff gemessen, mittels dem Mikroelementanalysegerät
„TruSpec CNH Macro Analyser“ der Firma Leco. Vor der Analyse wurden die
Sedimente 24 Stunden in einem geeigneten Ofen für 24 Stunden getrocknet.
Liste der Ausgangsmaterialien (Tabelle 2)
Tabelle 2 Liste der verwendeten Ausgangsmaterialien
Ausgangsmaterial Bezogen von… Hersteller Menge
Pflanzenkohle Landwirt Pirmin Koller,
Stein SG
Verora GmbH, Edlibach 2,5dm3
Sauerkrautsaft Landwirt Pirmin Koller,
Stein SG
Schöni Swissfresh AG,
Oberbipp
3dm3
Rohgülle
(Rindergülle)
Landwirt Pirmin Koller,
Stein SG
50dm3
Materialliste für Laborarbeiten (Tabelle 3)
Tabelle 3 Materialliste Labor
Material Hersteller Typ Messbereich
Küvettentest Hach-Lange Gesamtstickstoff LCK 238 5-40 mg/l TNb
Küvettentest Hach-Lange Ammonium LCK 303 2-47 mg/l NH4-N
Photometer Hach-Lange DR3800
4.2 Methoden
In der vorliegenden Arbeit wurden Methoden ausgearbeitet, die die Möglichkeit bieten, den Effekt
von Pflanzenkohle auf den Stickstoffmetabolismus in Gülle aufzuzeigen. Es wurden drei
verschiedene Versuche vorgenommen. Der erste Versuch besteht aus 4 Proben wofür rund 3,2
Liter Rohgülle verwendet werden, der zweite Versuch aus fünf Proben und insgesamt 4 benötigten
ZHAW Departement N Material und Methoden
24
Litern Rohgülle und der dritte Versuch aus drei Proben aus insgesamt 2,4 Liter Rohgülle. Die rund
40 Liter Rindergülle (Rohgülle) werden aus der Güllegrube aus dem Betrieb von Pirmin Koller
entnommen. Für jeden Versuch wurde die jeweils benötigte Menge Rohgülle entnommen,
anschliessend homogenisiert und gleichmässig auf die jeweiligen Proben verteilt, damit innerhalb
eines Versuchs eine möglichst grosse Homogenität erreicht werden kann. Die Proben werden
jeweils auf Magnetrührer gestellt, um eine gewisse Umwälzung zu erreichen. Dabei dürfen keine
Blasen oder Trichter entstehen.
Vorgenommene Messungen
Die pH-Messungen werden jeweils in allen Versuchen direkt in den Proben vorgenommen. Für die
Ammonium, Gesamtstickstoffmessungen, sowie die CNH-Analysen, wird eine unbestimmte Menge
Probe in ein Falcontube pipettiert. Die Falcontubes werden anschliessend in einer Zentrifuge
sedimentiert. Dadurch entsteht in den Falcontubes jeweils eine Sedimentschicht, sowie der
Überstand. Die Gesamtstickstoff- und Ammoniumwerte werden mittels Hach-Lange Photometrie
Tests aus dem Überstand ermittelt. Um die Gesamtstickstoff und NH4-N-Werte zu ermitteln,
werden die Messproben aus dem Überstand jeweils im Verhältnis 1:20 mit deionisierten Wasser
verdünnt.
Die Stickstoff-, Wasserstoff- und Kohlenstoffwerte der Sedimente wurden mittels CNH-Analyse
ermittelt.
Aufbau Versuch 1
Abbildung 7 Aufbau Versuch 1. Probe 1: links hinten; Probe 2: Ganz links vorne; Probe 3: 2.v. rechts; Probe 4: ganz rechts (Foto M. Nyffenegger, 2013)
ZHAW Departement N Material und Methoden
25
Probe 1: Rohgülle (Kontrolle der unbelüfteten Probe)
Probe 2: Rohgülle mit 2 m.% Kohle versetzt
Probe 3: Rohgülle mit 2 m.% Kohle und Luft (mittels Fischpumpe) versetzt
Probe 4: Rohgülle mit Luft (mittels Fischpumpe) versetzt (Kontrolle der belüfteten Probe)
Die Proben von Versuch 1 wurden in Kunststoffbehältern gehalten (Abbildung 7). Es fand eine
Startmessung von NH4-N und Gesamtstickstoff im Überstand statt, sowie nach 0,5h., 1,5h., 18h.
und 72h. Zudem wurde der Start- sowie End-pH ermittelt. Dadurch soll der Effekt der PK auf den
Stickstoffmetabolismus von Rohgülle untersucht werden. Um den Effekt der PK bei belüfteter
Rohgülle zu testen, wurden jeweils eine PK-versetzte, sowie eine Probe ohne PK als Kontrolle,
mittels einer Fischpumpe mit Sauerstoff versetzt.
Aufbau Versuch 2
Probe 1: Rohgülle (Kontrolle der unbelüfteten Probe)
Probe 2: Rohgülle mit 2 m.% PK versetzt
Probe 3: Rohgülle mit 2 m.% PK und Luft (mittels Fischpumpe) versetzt
Probe 4: Rohgülle mit Luft (mittels Fischpumpe) versetzt (Kontrolle der belüfteten Proben)
Probe 5: Rohgülle 2vol.% PK versetzt und in Kunststoffbehälter.
Es fand eine Startmessung von NH4-N und Gesamtstickstoff im Überstand statt, sowie nach 17h,
70h und 90h. Im Gegensatz zum Versuch 1 wurde bei jeder Messung zusätzlich noch der pH-Wert
Abbildung 8 Aufbau Versuch 2: Von links nach rechts: Probe 5; Probe 1; Probe 2; Probe 3; Probe 4 (Foto M. Nyffenegger, 2013)
ZHAW Departement N Material und Methoden
26
gemessen und auf einen ursprungsnahen Wert mittels einer verdünnten HCl-Lösung eingestellt.
Durch das Einstellen des pH-Wertes sollte der Einfluss des pH-Effekts auf den
Stickstoffmetabolismus eingeschränkt werden.
Probe 5 wird in einem Kunststoffbehälter gehalten und mit 2vol.% resp. 0,68m.%-PK aber nicht mit
Sauerstoff versetzt. Damit liegt Probe 5 mit ihrem Mengenanteil an PK zwischen Probe 1(keine
PK-Zugabe) und Probe 2 (2m.%PK). Der Kunststoffbehälter der Probe 5 hat zudem ein kleineres
Oberflächen/ Volumenverhältnis als die verwendeten Bechergläser der Proben 1-4 (Abbildung 8).
Probe 5 soll aufzeigen, wie gross der Einfluss verschiedener Behälter auf den
Stickstoffmetabolismus und pH-Wert ist und gibt ein Indiz für Vergleichbarkeit von Versuch 1 und
Versuch 2.
Die Sedimente wurden nach 17h und am Ende des Versuchs (90h) mittels C-H-N Analyser
ausgewertet (unter Feststoffanalyse bei den Resultaten zu finden).
Vergleich der durchschnittlichen Werte aus Versuch 1 und 2
Um den Einfluss der jeweiligen Säurezugabe beim Versuch 2 sichtbar zu machen, werden die die
durchschnittlichen Ammonium- und Gesamtstickstoffverluste der jeweiligen Versuche berechnet.
Anschliessend werden die durchschnittlichen Verluste von Versuch 1 und Versuch 2 miteinander
verglichen.
Versuch 3
Dieser Versuch soll zeigen, wie PK den pH-Wert von Gülle beeinflusst und wieviel Sauerkrautsaft
benötigt wird, um eine klare Absenkung des pH-Wertes zu erzielen.
Um den pH-Effekt von PK aufzuzeigen, wurde je eine Probe Rohgülle (bei Probe 1) und eine
Probe deionisiertes Wasser (bei Probe 2) mit PK zugesetzt (Abbildung 9).
Zusätzlich wurde geprüft, wie sich der pH-Wert von mit Kohle versetzter Rohgülle über die Zeit
verhält, wenn man diese auf einen Wert von 5,85 mit Sauerkrautsaft einstellt. Des weiteren soll
geprüft werden, ob durch die Zugabe der in Sauerkrautsaft enthaltenen Milchsäurebakterien eine
weitere Absenkung des pH-Wert über die Zeit erzielt werden kann. Um den Mikroorganismen
zusätzliches Milieu zu bieten, wurde ebenfalls PK dazugegeben.
Dazu wurde der pH-Wert am Anfang, sowie nach 0,5h, 1h, 2h, 2,5h und 72h. gemessen. Am Ende
(nach 72h) wurden noch Ammonium und Gesamtstickstoff aus dem Überstand der Proben 1 und 3
ermittelt.
ZHAW Departement N Material und Methoden
27
Probe 1 (KG): Rohgülle wurde anfangs Messung mit 2m.% PK versetzt. Nach einer Stunde wurde
der Anteil weiter auf 5 m.% PK erhöht.
Probe 2 (WG): Deionisiertes Wasser mit 2 m.% PK versetzt
Probe 3 (SG): Rohgülle wurde mit 2 m.% PK versetzt. Nach der Zugabe von PK wurde die Probe
mit 27,1% Sauerkrautsaft (pH-Wert 3,5) auf einen pH-Wert von 5,85 angesäuert.
Abbildung 9 Aufbau Versuch 3. Von links nach rechts: Probe 3 (SG); Probe 1 (KG); Probe 2 (WG) (Foto M. Nyffenegger, 2013)
ZHAW Departement N Resultate und Interpretation der Resultate
28
5. Resultate und Interpretation der Resultate
5.1 Versuch 1
Tabelle 4 Entwicklung pH-Wert über 72h. Grau hinterlegt sind belüftete Proben; Proben mit PK rot
geschrieben
Belüftete Proben zeigen bei Versuch 1 einen höheren pH-Wert auf, als unbelüftete Proben
(Tabelle 4). Des weiteren zeigten mit PK versetzte Proben einen höheren pH-Wert auf als die
jeweiligen Kontrollen. Zwischen P2, P3 und P4 gab es allerdings nur einen kleinen Unterschied.
Interpretation: In diesem Versuch konnte der pH-Effekt durch Güllebelüftung schön aufgezeigt
werden. Durch den basischen Effekt von PK, sind auch die Werte der PK-haltigen Proben höher
als derjenigen der Kontrollen. Der überaus hohe Wert von P2 lässt auf eine geringe Pufferwirkung
der verwendeten Rohgülle schliessen oder auf Luftzutritt durch einen falsch eingestellten
Magnetrührer (konnte aber nicht beobachtet werden). Auch zwischen P3 und P4 könnten Einfluss
von Sauerstoffzufuhr und unterschiedlich eingestellte Magnetrührer das Resultat entscheidend
beeinflusst haben.
Abbildung 10 Verlauf NH4-N in mg/l. des Überstandes
0.00
100.00
200.00
300.00
400.00
500.00
600.00
0:00:00 36:00:00 72:00:00
NH
4-N
in m
g/l
Stunden
P1: Rohgülle
P2: Rohgülle mit 2m.-% PK
P3: Rohgülle mit 2m.-% PKund belüftet
P4: Rohgülle belüftet
Probe Anfangs-pH End-pH
P1 Rohgülle 7,3 7,44
P2 Rohgülle mit 2m.% PK 7,3 8,56
P3 Rohgülle mit 2m.% PK und belüftet 7,3 8,84
P4 Rohgülle belüftet 7,3 8,76
ZHAW Departement N Resultate und Interpretation der Resultate
29
Wie aus Abbildung 10 ersichtlich ist, zeigt die Rohgülle einen konstanten NH4-N Verlauf. Die
beiden belüfteten Proben hingegen zeigten jeweils die grössten Verluste. Die Unterschiede von P3
und P4 sind zu klein, um daraus Tendenzen zu bilden.
Interpretation: Die NH4-N-Werte der einzelnen Proben verhalten sich korrelativ zu den pH-
Werten aus Tabelle 4. Ob NH4-N an die Kohle sorbiert und so dem Überstand zusätzlich entzogen
wurde, kann nicht signifikant nachgewiesen werden.
Abbildung 11 Verlauf N-Ges. in mg/l. im Überstand
Die Proben mit zugesetzter PK hatten tendenziell die höchsten Verluste an Gesamtstickstoff im
Überstand aufzuweisen (Abbildung 11).
Interpretation:
Die Verluste durch die Belüftung sind bei den Gesamtstickstoffmessungen (Abbildung 11) nicht so
deutlich ersichtlich wie bei den NH4-N Messungen aus Abbildung 10. Dies könnte darauf
schliessen, dass Ammonium in P4 teilweise in Nitrat umgewandelt wurde und so noch mit der
Gesamtstickstoffmessung erfasst wird. Diese Tendenz wird durch das Verhältnis zwischen
Ammonium und Gesamtstickstoff in Abbildung 12 noch besser ersichtlich. Da die Resultate jedoch
P1 bis P3 nur kleine Differenzen zeigen, wären Wiederholungen nötig, um die Resultate
bestätigen, resp. verwerfen zu können.
0.00
100.00
200.00
300.00
400.00
500.00
600.00
700.00
0:00:00 36:00:00 72:00:00
Ge
s.-N
in m
g/l.
Stunden
P1: Rohgülle
P2: Rohgülle mit 2m.-%PK
P3: Rohgülle mit 2m.-%PK und belüftet
P4: Rohgülle belüftet
ZHAW Departement N Resultate und Interpretation der Resultate
30
Abbildung 12 Verlauf Verhältnis NH4-N/ Ges.-N im Überstand
5.2 Versuch 2
Abbildung 13 Verlauf NH4-N in mg/l. im Überstand
Proben P1-P4 waren in ihrem Verlauf so ähnlich, dass keine Tendenzen innerhalb dieser gebildet
werden konnten. P5 unterscheidet sich jedoch deutlich von den restlichen Proben (Abbildung 13).
Der Verlust an NH4-N bei P5 betrug 25,2%.
Interpretation: Die Proben P1 bis P4 wurden in Bechergläsern gehalten. P5 jedoch wurde in
einem Kunststoffbehälter mit kleineren Oberflächen/ Volumen-Verhältnis wie die Bechergläser
gehalten, was zu verminderter Diffusion geführt haben kann, was den NH4-Verlauf erklären
könnte. Um weitere Interpretationen über die Werte P1-P4 zu machen, müssten aufgrund der
fehlenden Signifikanz Wiederholungen angestellt werden. Die annähernd gleichen Werte der
0.00
50.00
100.00
150.00
200.00
250.00
300.00
350.00
400.00
450.00
0:00:00 60:00:00 120:00:00
NH
4-N
in m
g/l
Stunden
P1: Rohgülle
P2: Rohgülle mit 2m.-% PK
P3:Rohgülle mit 2m.-% PKund belüftet
P4: Rohgülle belüftet
P5: Rohgülle mit 2vol.-% PK
ZHAW Departement N Resultate und Interpretation der Resultate
31
Proben 1 bis 4, können daher rühren, dass der Einfluss des pH-Wertes im Vergleich zu Versuch 1
teilweise eingeschränkt wurde. Mit vermindertem pH-Einfluss verhalten sich PK-haltige Proben und
nicht PK-haltige Proben sehr ähnlich. Dies könnte als Indiz dienen, dass PK-Zugabe ohne pH-
Effekt keinen grossen Einfluss auf den Stickstoffmetabolismus hat.
Abbildung 14 Verlauf Ges-N in mg/l. im Überstand
Auffällig sind der relativ konstant bleibende Wert der Probe 5 bezüglich Gesamtstickstoff
(Abbildung 14) und Verhältnis zwischen Ammonium und Gesamtstickstoff (Abbildung 15), sowie
das Abfallen der ersten Messung von P2.
Interpretation: Durch die vergleichsweise geringeren Emissionsverluste von P5 an Ammonium,
konnte ein relativ hohes Verhältnis beibehalten werden (Abbildung 15). P1 bis P4 zeigten ein
0.00
100.00
200.00
300.00
400.00
500.00
600.00
0:00:00 60:00:00 120:00:00
Ge
s.-N
in m
g/l
Stunden
P1: Rohgülle
P2: Rohgülle mit 2m.-% PK
P3:Rohgülle mit 2m.-% PKund belüftet
P4: Rohgülle belüftet
P5: Rohgülle mit 2vol.-% PK
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
0:00:00 36:00:00 72:00:00 108:00:00
Ve
rhäl
tnis
NH
4-N
/ G
es.
-N
Stunden
P1: Rohgülle
P2: Rohgülle mit 2m.-% PK
P3:Rohgülle mit 2m.-% PKund belüftet
P4: Rohgülle belüftet
P5: Rohgülle mit 2vol.-% PK
Abbildung 15 Verlauf Verhältnis NH4-N/ Ges.-N im Überstand
ZHAW Departement N Resultate und Interpretation der Resultate
32
deutlich gemindertes Verhältnis. Dies könnte teilweise auf den leichteren Gasaustausch der
Bechergläser im Vergleich zum Kunststoffbehälter von P5 zurückzuführen sein. Es müssten
unbedingt Wiederholungen aus diesem Versuch gemacht werden, um Tendenzen zwischen P1 bis
P4 zu bilden, da die Unterschiede bezüglich NH4N/ Ges.-N-Verhältnis zu klein sind. P2 sinkt
auffällig stark am Anfang. Dieses Absinken könnte aufgrund eines Messfehlers entstanden sein.
Weitere Erklärungen wären Sauerstoffeintrag oder erhöhte mikrobielle Tätigkeit durch die Zugabe
der PK.
5.3 Vergleich der durchschnittlichen Verluste zw. Versuch 1 und Versuch 2
Tabelle 5 Vergleich durchschnittlicher Verlust von NH4-N und Gesamtstickstoff in den Überstanden
von Versuch 1 und 2
NH4-N Gesamtstickstoff
Versuch 1 -15,8 -16,4
Versuch 2 -48,8 -24,3
Versuch 2 wies beträchtlich höhere Verluste von Stickstoff im Überstand auf, als Versuch 1
(Tabelle 5).
Interpretation: Bei Versuch 1 wurden die Proben jeweils in Kunststoffbehälter mit nicht
angeschraubten Abdeckung gehalten. Dagegen wurden beim Versuch 2 Bechergläser verwendet.
Versuch 2 fand über 90 Stunden statt, im Vergleich zu 72 Stunden von Versuch 1. Des weiteren
hatten die Bechergläser im Vergleich zu den Kunststoffbehältern ein höheres Oberflächen/
Volumen-Verhältnis, sowie keine Abdeckvorrichtung, was den Luftmassenaustausch und somit die
Diffusion von Stickstoff förderte. Dafür fand beim Versuch 2 eine regelmässige Anpassung des pH-
Wertes statt. Jedoch wurde der pH nicht auf einen Wert eingestellt, bei der kein Ammoniak mehr
vorliegt, sondern auf einen Wert zwischen 7,6 und 7,9. Zudem lag der Anfangs-pH bei Versuch 2
über dem des ersten Versuch. Während der Anfangs-pH Wert bei Versuch 1 bei 7,3 lag, entsprach
der pH-Wert der Rohgülle von Versuch 2 dem Wert von 7,55. Das Resultat zeigt auf, dass der
Einfluss von der Kombination Zeitdauer, Oberflächen/ Volumenverhältnis und Abdeckung einen
grossen Einfluss auf die Emissionen haben. Diese Resultate bestätigen auch die Werte von der
Probe 5 während des zweiten Versuchs. Zusätzlich die Messung mitbeeinflusst hat die
Heterogenität der verwendeten Rohgülle zwischen Versuch 1 und 2, was sich wie schon erwähnt
in einem unterschiedlichen Anfangs-pH-Wert äusserte.
ZHAW Departement N Resultate und Interpretation der Resultate
33
5.4 Versuch 3
Abbildung 16 pH-Verlauf Versuch 3 Ausgangs-pH-Wert der Rohgülle lag bei 7,03.
P1: Rohgülle mit 5m.% PK; P2: Rohgülle mit 2m.% PK und 27vol.% Sauerkrautsaft;
P3: Rohgülle mit 2m.% PK
Die Zugabe von PK führte bei P1 und P2 zu einer Erhöhung des pH-Wertes, wobei der Einfluss auf
den pH-Wert bei deionisierten Wasser deutlich grösser war. Nach der Zugabe von Sauerkrautsaft
zur mit 2m.% PK versetzten Rohgülle kam es zu verzögerten Reaktionen mit basischer Wirkung.
Interpretation: Ohne Zugabe einer leicht verfügbaren Kohlenhydratquelle fand also keine weitere
ansäuernde Wirkung durch eine allfällige Lactatbildung mehr statt. Dieses Resultat lässt sich auch
durch die Untersuchungen von Meier bestätigen (2012). Pufferwirkungen in der Rohgülle
verhinderten einen ähnlich hohen pH-Anstieg durch die PK-Zugabe als bei deionisierten Wasser.
Trotzdem kann, mit Berücksichtigung der Werte von Versuch 1, von einer pH-steigernden Wirkung
durch PK-Zugabe zu Rohgülle ausgegangen werden. Bei P1 wurde die PK-Menge nach einer
Stunde erhöht, was den pH-Wert nochmals ansteigen liess.
Tabelle 6 NH4-N und Gesamtstickstoffgehalt im Überstand am Ende der Messung (72h) Probe 1: Rohgülle mit 5m.% PK; Probe 2:
NH4-N Gesamtstickstoff
Probe 1 292 382
Probe 3 478 654
Wie in Tabelle 6 ersichtlich ist, zeigt Probe 3 die höheren Ammonium- sowie Gesamtstickstoffwerte
als Probe 3.
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
9.00
10.00
0.00 24.00 48.00 72.00
pH
-We
rt
Stunden
Rohgülle mit 5m.%Pflanzenkohle
Rohgülle mit 2m.%Pflanzenkohle und 27,1vol.%Sauerkrautsaft
deion. Wasser mit 2m.%Pflanzenkohle
ZHAW Departement N Resultate und Interpretation der Resultate
34
-50.00
-40.00
-30.00
-20.00
-10.00
0.00
Rohgülle 2% Kohle 2% Kohlebelüftet
Rohgülle belüftet
N [%] Sediment
N-Ges Überstand
Interpretation: Durch die höheren pH-Werte in Probe 1 kam es zu erhöhten Stickstoffverlusten im
Überstand.
5.5 Feststoffanalyse
Feststoffanalyse von Versuch 2:
Es konnte Beobachtet werden, dass die Belüftung der Rohgülle einen starken Stickstoffverlust im
Überstand zur Folge hatte. Hingegen führte die Belüftung zu keinem erhöhten Verlust in den
Sedimenten im Vergleich zu den unbelüfteten Versuchen. Die belüfteten Proben hatten in ihren
Sedimenten verhältnismässig einen geringen Verlust resp. sogar Anreicherung an Stickstoff.
Interpretation: In Anbetracht der fehlenden Signifikanz, sowie anhand der Resultate lässt sich
keine Veränderung der Stickstoffmenge durch die Zugabe von PK feststellen. Um allfällige
Tendenzen zu erhärten müssten zwingend Wiederholungen stattfinden.
Abbildung 17 Vergleich der Veränderungen bezüglich N-Gesamt -Werten aus dem Überstand und N(%)-Werten aus der Feststoffanalyse vom Versuch 2 zwischen 17h und 92h nach Messbeginn
ZHAW Departement N Resultate und Interpretation der Resultate
35
Sorption von Stickstoff durch Pflanzenkohle
Tabelle 7 Grau unterlegt sind die erhaltenen Werte aus der C-H-N-Analyse; blau hinterlegt sind die
berechneten Sollwerte für die mit 2m.% versetzte Rohgülle(5%ige Abweichung entspricht einem
Wert von 0,13 N(%))
Kontrolle(unbehandelte PK) C [%] H [%] N [%]
78,84 1,770 0,618
Werte der Sedimente der Rohülle C [%] H [%] N [%]
40,06 5,200 4,640
C [%] H [%] N [%]
Werte der Rohülle versetzt mit 2Masse% Kohle 59,39 3,300 2,570
C [%] H [%] N [%]
Sollwerte der Rohülle mit 2% Kohle versetzt 59,39 2,63 2,635
Es wurden die C-N-H-Werte der Sedimente aus dem Versuch 2 bestimmt, sowie die Werte reiner
Pflanzenkohle (tabelle 7). Anhand dieser Daten konnten mittels Mischkreuz Sollwerte berechnet
werden, wie hoch N(%) ausfallen müssten, wenn Pflanzenkohle keinen zusätzlichen Stickstoff
sorbiert (blau hinterlegt in Tabelle 7).
Interpretation: Der Sollwert weicht gegenüber dem mit 2m.% PK versetzten Probe so schwach
vom tatsächlichen Wert ab, dass davon ausgegangen werden kann, dass PK nur wenig
zusätzlichen Stickstoff aus der Rohülle bindet.
5.6 Messungen der Hofgülle
Es wurden Proben mit einem Kessel entnommen, und einige Wochen später untersucht. Die
Rohgülle mit zugesetzten Sauerkrautsaft und Kohle wies einen merklich höheren pH-Wert auf, als
die unbehandelte Rohgülle. Grund dafür ist die Heterogenität der Gülle. Bei der angeimpften Probe
fehlte eine Schwimmschicht aufgrund eines niedrigen Biomasseanteils. Dadurch konnte Sauerstoff
besser eindringen, was zu erhöhten Abbau von Fettsäuren und damit zu einem Anstieg des pH-
Wertes in der Rohgülle führt. Da sich die jeweiligen Proben stark von ihrem TS-Anteil
unterschieden, konnten keine Schlüssigen Ergebnisse aus den Untersuchungen der Hofgülle
gezogen werden.
ZHAW Departement N Diskussion
36
6. Diskussion
6.1 Methodische Diskussion
Im Rahmen der Semesterarbeit wurde entschieden, keine wissenschaftlich abgelegten
Untersuchungen durchzuführen, da diese mit zu hohem Zeitaufwand verbunden gewesen wären.
Durch die erhaltenen Resultate konnten dennoch Tendenzen aufgezeigt werden. Jedoch handelt
es sich nur um Tendenzen und keine Feststellungen. Um die jeweiligen Tendenzen zu bestätigen,
müssen unbedingt künftige Untersuchungen durchgeführt werden, damit diese wissenschaftlich
belegt werden können.
Da die Rohgülle nur innerhalb eines jeweiligen Versuchs homogenisiert und gleichmässig auf die
Proben verteilt wurden, kam es zu einer gewissen Heterogenität zwischen Versuch 1, 2 und 3.
Dies äusserte sich vor allem in unterschiedlichen Biomasseanteilen. Aber auch die pH-Werte
zeigten Unterschiede. Deshalb sind die Resultate bezüglich Stickstoffmenge und pH-Wert von
Versuch 1, 2 und 3 nicht miteinander vergleichbar.
Probe 5 bei Versuch 2 hat zusätzlich gezeigt, dass der Einfluss des Behälters auf den
Stickstoffmetabolismus sehr gross ist. Dadurch ist ein Vergleich der Werte von Versuch 1 und
Versuch 2 bezüglich Stickstoff nicht möglich.
Da es sich nicht um Praxisversuche handelte, sondern um Labormessungen mit relativ kleinen
Probevolumen (600 bis 820ml), können verschiedene Einflüsse, im Verhältnis zu Güllegruben,
grosse Effekte bewirkt haben.
Es wurde unbehandelte PK verwendet. PK, welche schon als Einstreu verwendet wurde, könnte
bezüglich pH-Wirkung und Stickstoffmetabolismus unterschiedlich in der Gülle reagieren.
6.2 Effekt von Pflanzenkohle auf den Stickstoffmetabolismus der Gülle
Die erhaltenen Resultate zeigen vor allem auf, dass PK basisch auf deionisiertes Wasser und auch
die Gülle wirkt. Durch die basische Wirkung der PK, kommt es zu einem erhöhten Stickstoffverlust
im Überstand der Gülle. Eine Kombination mit einer Ansäuerung, der ganzen Gülle oder auch nur
der PK, wäre deshalb von Vorteil. In den Sedimenten konnte keine Stickstoffanreicherung durch
PK-Zugabe festgestellt werden. Mögliche Erklärungen hierfür könnten in der Gülle enthaltene
Inhaltsstoffe, vor allem Kationen wie Calcium oder Magnesium, sein, welche besser an PK binden.
Ammonium und andere Stickstoffmoleküle könnten dadurch evtl. erst vermehrt an der PK
sorbieren, wenn der Anteil gelöster Moleküle, welche ebenfalls an die PK binden, in der Gülle
abnimmt. Ergebnisse von Widmer zeigten indes eine Tendenz, wonach die Adsorptionsfähigkeit
von PK effizienter wurde, je näher 40vol.% PK der Lösung hinzugefügt wurde. Wurde mehr PK als
40vol.% PK eingesetzt, wurde pro Milligramm eingesetzte PK weniger Stickstoff adsorbiert
(Widmer, 2011). Zudem zeigte sich, dass die Adsorptionseffizienz von PK grösser war, je höher
ZHAW Departement N Diskussion
37
die Ammoniumkonzentration in der Lösung lag. Dies könnte darauf schliessen, dass die
eingesetzte Menge an PK von 2m.% (5,7vol.%) in Gülle zu gering war, um eine Adsorption von
Stickstoff zu erzielen resp. zu erkennen. Die Versuche zeigten, dass die unterschiedlich
verwendeten Behälter einen grösseren Einfluss auf den Stickstoffmetabolismus hatten, als die
jeweiligen PK-Zugaben. Laut Schmidt kann PK 0,5-1% des Eigengewichts an Ammonium
aufnehmen (pers. Kommunikation Schmidt, 2013). Um 80% des Ammoniums in der Gülle von
Pirmin Koller mit 480mg/l NH4-N binden zu können, müssten pro Liter Gülle mindestens 110-220%
PK zugesetzt werden.
Da unbehandelte PK den Proben zugesetzt wurden, können evtl. leicht abbaubare Kondensate
und eine allfällige Sauerstofffreisetzung den Stickstoffmetabolismus und so die Resultate mit
beeinflusst haben.
Auch Fehler durch Messungen oder angewendete Methodik können hier nicht ausgeschlossen
werden.
6.3 Effekt von Sauerkrautsaft und Kohle auf den Stickstoffmetabolismus der
Gülle
Um den pH-Wert der mit 2m.% PK versetzten Rohgülle mit einem Ausgangs-pH-Wert von 7,03,
schlussendlich auf einen Wert von 6,45 einzustellen, wurden 27,1% Sauerkrautsaft benötigt. Laut
Organic Standard wäre eine Einsatzmenge bis zu 7% logistisch machbar (pers. Kommunikation
Rippel, 2013). Dieses Ergebnis zeigt auf eine deutliche Art und Weise, dass eine Zugabe von
Melasse, oder einer anderen leicht verfügbaren Kohlenstoffquelle, unbedingt nötig und sinnvoll ist.
Da in der Praxis die Güllegruben regelmässig beschickt werden, würde der pH-Wert mit der Zeit
noch weiter ansteigen, sofern keine Sauerkrautsaftzugabe parallel zur Beschickung erfolgt.
In Kombination mit einer leicht verfügbaren Kohlenstoffquelle kann mit relativ wenig Sauerkrautsaft
resp. anderen Produkten mit Milchsäurebakterien, eine Ansäuerung erreicht werden. Wird parallel
zur Beschickung die Kohlenstoffquelle der Güllegrube hinzugefügt, kann der pH-Wert dauerhaft tief
gehalten werden. Da H2S vor allem bei pH-Werten unter 7 entsteht, sind diese Werte genau zu
beobachten.
Das Bestäuben von Sauerkrautsaft über die Laufflächen, wo sich die unvergorene Frischgülle
befindet, könnte allenfalls emissionsmindernd, sowie Milchsäurebakterienvermehrend wirken.
6.4 Zukunft C-Sequestrierung durch PK
Dass die Ökobilanz von PK negativ bleibt, also mehr Kohlenstoff stabil im Boden gebunden wird
als CO2 für dessen Herstellung und Transport (etc.) benötigt wird, muss Transparenz gewährleistet
sein. Die verschiedenen Zahlen bezüglich Sequestrierungspotential (VCS, Delinat, Lehmann …)
zeigen auf, dass Unklarheiten, vor allem bezüglich des Anteils an stabilen
ZHAW Departement N Diskussion
38
Kohlenstoffverbindungen, bestehen, und noch viele Untersuchungen und Anstrengungen
unternommen werden müssen.
Ein grossangelegter Handel mit Pflanzenkohle als Emissionsminderer, würde das Verkohlen von
Biomasse zusätzlich interessant machen. Lehmann geht davon aus, dass ab einem Preis von 36
US-Dollar pro Tonne fixiertes CO2, die Produktion von PK ökonomisch attraktiv wird (Lehmann,
2007). Neue Monokulturen für die Gewinnung von Ausgangsmaterialien zur PK Herstellung
könnten den Druck auf die Nahrungsmittelproduktion, sowie die Gefahr von Landraub und
Abholzung erhöhen (Biofuelwatch, 2011). Durch den Anbau dieser Monokulturen und der
Verwendung der gesamten Pflanze, wird die Abfuhr organischen Materials aus dem Boden
zusätzlich erhöht, was den Humus- und damit Kohlenstoffanteil im Boden reduzieren kann.
Des weiteren könnte durch diese sogenannte End-of-pipe-Lösung das Bestreben gesenkt werden,
den fossilen Brenn- und Treibstoffverbrauch zu mindern, welche die Hauptverursacher des
anthropogenen CO2-Ausstoss bilden (BAFU, 2013).
Mit verbesserter Technik, aufschlussreichen Studien, Transparenz und einem wohlüberlegten
Einsatz von PK, in der man beispielweise Nebenprodukte aus der Holzschnitzelverarbeitung
verwendet, wie die Verora GmbH, kann PK durchaus eine sinnvolle Möglichkeit darstellen,
Kohlenstoff im Boden zu sequestrieren. Durch die Verwendung regionaler Nebenprodukte als
Ausgangsprodukt der PK können Kreisläufe geschlossen und noch nicht genutzte Biomasse
nutzbar gemacht werden.
6.5 Weitere Untersuchungen
Um einen praxisnahen, wirtschaftlichen Vergleich der in dieser Arbeit genannten
Minderungsmethoden machen zu können, könnten allenfalls die Minderungskosten „pro nicht
emittierter Stickstoff“ berechnet werden.
6.5.1 Wirkung von PK-Zugaben in die Gülle
Um die Auswirkungen von PK auf den Stickstoffmetabolismus zu erfahren, sind Untersuchungen
bezüglich Einfluss anderer Gülleinhaltsstoffe auf die Adsorption von Stickstoffmolekülen an die PK
nötig. Interessant wäre in einer mit PK versehenen Ammoniumlösung zu sehen, wie sich Zugaben
an Kationen wie Calcium oder Magnesium auf die Adsorption von Stickstoff auswirken. Dazu
würden die jeweiligen Mengen an Kationen und PK in den Lösungen variieren.
Interessant wäre der Einfluss von bereits “aktivierter“ PK aus der Fütterung oder Einstreu zu testen
und zu vergleichen. Die Untersuchungen von Scheifele et al. (2012) zeigten bei Ausbringung von
PK auf den Boden eine erhöhte Respiration. Dies legt die Vermutung nahe, dass durch die Zugabe
unbehandelter PK leicht abbaubare Kondensate auch in die Gülleproben der vorliegenden Arbeit
gelangten. Dadurch könnten Mikroorganismen teilweise das gelöste Ammonium in ihre Biomasse
einbauen. Ebenfalls möglich ist, dass nach der Zugabe von PK Sauerstoff in der Gülle freigesetzt
ZHAW Departement N Diskussion
39
wird. Um zu prüfen, wie gross diese Einflüsse auf den Stickstoffmetabolismus ist, müssten weitere
Untersuchungen zeigen.
Bei den Versuchen von Meier blieb ein Teil der Pflanzenkohle in der Schwimmschicht enthalten.
Dadurch könnten allenfalls die Ammoniakemissionen gemindert werden (Meier, 2012). Wie sehr
PK diese Schicht unterstützt, wäre zu prüfen.
6.5.2 Untersuchungen mit Milchsäurebakterien und einer leicht verfügbaren
Kohlenstoffquelle
Die Versuche von Meier zeigten eine Tendenz, dass zugesetzte Kohle das Ansäuern der Gülle
beschleunigen kann. Deshalb wären Messungen von Stickstoffdioxid und Schwefelwasserstoff
während der Lagerung und nach dem Ausbringen durchzuführen, da diese bei tieferen pH-Werten
vermehrt auftreten könnten (Vilsmeier & Amberger, 1988). Die Wirkung der milchsauer vergorenen
Gülle auf den Boden und die Pflanzen müsste dabei ebenfalls untersucht werden. Auch
Alternativen zur Melasse, wie beispielsweise Kartoffelschälabfälle oder Kleie, wären zu prüfen.
6.5.3 Untersuchungen auf den Boden
Weitere Untersuchungen bezüglich Beständigkeit und Dynamik von PK im Boden, sowie
Ausgasungsverhalten und Ammoniakbildung der an PK gebundenen Stickstoffmolekülen im Boden
sollten folgen (Meier, 2012). Nitrat bindet im Gegensatz zu Ammonium nicht an Tonmineralien.
Deshalb könnte die Nitratauswaschung durch PK-Zugabe in die Böden gemindert werden.
Pflanzenkohle kann ein Habitat für humusaufbauende Mikroorganismen darstellen. Es scheint aber
möglich, dass durch das erhöhte Mineralisierungspotential aufgrund von PK-Zugaben in die
Böden, ein erhöhter Abbau organischer Substanz im Oberboden bewirkt werden könnte. Unter
welchen Umständen welche Wirkung auf den Humusgehalt ablaufen, gäben Aufschluss über die
bodenverbessernde Wirkung von PK auf unterschiedliche Standorte.
6.5.4 Kaskadennutzung
Je breiter das Nutzungsspektrum der PK wird, desto interessanter wird deren Herstellung. Deshalb
sind Untersuchungen bezüglich C-Sequestrierungspotential, Ammoniakemissionen innerhalb der
Kettenglieder einer Kaskadennutzung, sowie der Effekt auf den Boden bezüglich Einfluss von PK
auf den Humusgehalt anzustreben.
Bei PK Zugabe zum Futter, sowie der Beimischung zu Silagen könnten nebst Giftstoffen auch
wichtige Nährstoffe dem Verdauungstrakt entzogen werden. Zudem ist eventuell die entgiftende
Wirkung der PK kleiner, aufgrund der erhöhten Sättigung an Anionen und Kationen, sowie der
geringeren Saugwirkung, wenn sie zuerst zur Silage zugesetzt wird, als wenn sie direkt verfüttert
wird.
ZHAW Departement N Schlussfolgerung
40
7. Schlussfolgerung
Mit der Zugabe von 2m.% PK zur Gülle, konnte durch die hier angewendeten Methoden keine
Emissionsminderung durch die PK beobachtet werden. Um eine allfällige Emissionsminderung
durch PK durch Adsorption zu erzielen, müssten beträchtlich höhere Mengen an PK verwendet
werden.
Durch die Verwendung von einem Milchsäurehaltigen Produkt, beispielsweise Sauerkrautsaft,
zusammen mit einer leicht verfügbaren Kohlenstoffquelle wie Melasse, kann eine Ansäuerung der
Gülle erreicht werden. Unter der Beobachtung der H2S-Werte eignet sich diese Kombination als
emissionsmindernde Massnahme. Pflanzenkohle kann durch ihre grosse Oberfläche den
Milchsäurebakterien ein geeignetes Milieu bieten. Durch die zusätzliche Oberfläche kann eine
bestimmte Beschleunigung der mikrobiellen Kohlenstoffumsetzung in Lactat, herbeiführt werden.
Ob es sich bei dieser Methode um eine effektive, wirtschaftliche und ökologische Alternative zu
Grubenabdeckungen handelt, hängt auch von den eingesetzten Milchsäurebakterienprodukten,
sowie Kohlenstoffquellen ab.
Durch die schwammähnlichen Eigenschaften der PK bietet eine Kaskadennutzung entscheidende
Vorteile. In Tiermägen können sie toxische Stoffe der Verdauung entziehen. Die PK kann in
nassen Bereichen von Mist und Kompost Wasser aufnehmen und in trockenen Bereichen Wasser
abgeben. Dadurch werden Denitrifikationprozesse gemindert, die zu einem Verlust an Stickstoff in
molekularer Form sowie Lachgas führen. In kargen Böden erhöhen PK-Zugaben die Wasser-
sowie Nährstoffspeicherfähigkeit. In schweren, nährstoffreichen Böden können Zugaben
möglicherweise den Lufthaushalt verbessern und so ebenfalls die Lachgasemissionen mindern.
Bereits in der Fütterung oder in den Laufflächen verwendete PK könnte in konventionellen
Güllegruben allenfalls die Bildung einer Schwimmschicht unterstützen. Dadurch könnten die
Ammoniakemissionen gemindert werden, weshalb sich eine PK-Zugabe zur Gülle als weiteres
Kettenglied einer Kaskadennutzung durchaus empfiehlt.
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Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1 Schematische Darstellung ausge-wählter Prozesswege bei der Lagerung von Gülle
(Zürcher 2009) ................................................................................................................................ 3
Abbildung 2 Entwicklung der Ammoniakemissionen aus der Landwirtschaft (BAFU, 2010) ............. 5
Abbildung 3 Stickstoffkreislauf gemäss Kulli et al. (2011) ............................................................... 6
Abbildung 4 Ergebnisse einer Schnellpyrolyse bei 500°C (Quelle: (Dahmen, 2008 )) ...................... 9
Abbildung 5 Verfahrensschema Pyreg-Anlage (Quelle: (Gerber)) ................................................. 10
Abbildung 6 pH-Abhängigkeit von Schwefelwasserstoff und Ammoniak (Somitsch et al., 2008) .... 20
Abbildung 7 Aufbau Versuch 1. Probe 1: links hinten; Probe 2: Ganz links vorne; Probe 3: 2.v.
rechts; Probe 4: ganz rechts (Foto M. Nyffenegger, 2013) ............................................................ 24
Abbildung 8 Aufbau Versuch 2: Von links nach rechts: Probe 5; Probe 1; Probe 2; Probe 3; Probe
4 (Foto M. Nyffenegger, 2013) ...................................................................................................... 25
Abbildung 9 Aufbau Versuch 3. Von links nach rechts: Probe 3 (SG); Probe 1 (KG); Probe 2 (WG)
(Foto M. Nyffenegger, 2013).......................................................................................................... 27
Abbildung 10 Verlauf NH4-N in mg/l. des Überstandes ................................................................. 28
Abbildung 11 Verlauf N-Ges. in mg/l. im Überstand ....................................................................... 29
Abbildung 12 Verlauf Verhältnis NH4-N/ Ges.-N im Überstand ...................................................... 30
Abbildung 13 Verlauf NH4-N in mg/l. im Überstand ....................................................................... 30
Abbildung 14 Verlauf Ges-N in mg/l. im Überstand ........................................................................ 31
Abbildung 15 Verlauf Verhältnis NH4-N/ Ges.-N im Überstand ...................................................... 31
Abbildung 16 pH-Verlauf Versuch 3 Ausgangs-pH-Wert der Rohgülle lag bei 7,03. P1: Rohgülle mit
5m.% PK; P2: Rohgülle mit 2m.% PK und 27vol.% Sauerkrautsaft; P3: Rohgülle mit 2m.% PK ... 33
Abbildung 17 Vergleich der Veränderungen bezüglich N-Gesamt -Werten aus dem Überstand und
N(%)-Werten aus der Feststoffanalyse vom Versuch 2 zwischen 17h und 92h nach Messbeginn . 34
ZHAW Departement N Literaturverzeichnis
46
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1 Sequestrierungspotential Grüngutpyrolyse (Delinat-Institut) ........................................... 14
Tabelle 2 Liste der verwendeten Ausgangsmaterialien .................................................................. 23
Tabelle 3 Materialliste Labor.......................................................................................................... 23
Tabelle 4 Entwicklung pH-Wert über 72h. Grau hinterlegt sind belüftete Proben; Proben mit PK rot
geschrieben ................................................................................................................................... 28
Tabelle 5 Vergleich durchschnittlicher Verlust von NH4-N und Gesamtstickstoff in den
Überstanden von Versuch 1 und 2 ................................................................................................ 32
Tabelle 6 NH4-N und Gesamtstickstoffgehalt im Überstand am Ende der Messung (72h) Probe 1:
Rohgülle mit 5m.% PK; Probe 2: ................................................................................................... 33
Tabelle 7Grau unterlegt sind die erhaltenen Werte aus der C-H-N-Analyse; blau hinterlegt sind die
berechneten Sollwerte für die mit 2m.% versetzte Rohgülle(5%ige Abweichung entspricht einem
Wert von 0,13 N(%)) ...................................................................................................................... 35
Anhang
Semesterarbeit 1
Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, CH-8820 Wädenswil
Nyffenegger Marc
11.07.2013
Quellen:
[1] BAFU. (2010). Ammoniakemissionen in der Schweiz: Neuberechnung 1990-2007, Prognose bis 2020. Abteilung Luftreinhaltung
und NIS, Sektion Luftqualität, 3003 Bern
[2] Hersener, J.-L., Meier, U., & Dinkel, F. (2002). Ammoniakemissionen aus Gülle und deren Minderungsmassnahmen- unter
besonderer Berücksichtigung der Vergärung. Amt für Umweltschutz Kanton Luzern in Zusammenarbeit mit dem Bundesamt für
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[3] Meier, D. (2012). Potential von Pflanzenkohle zur Reduktion von Ammoniakemissionen in der Landwirtschaft. Master Thesis
2012Umwelttechnik und -management, Fachhochschule Nordwestschweiz, Hochschule für Life Sciences, unveröffentlicht
[4] Delinat-Institut: Sequestrierungspotential Grüngutpyrolyse. Abgerufen am 28. Juni 2013 von http://www.ithaka-journal.net/ithaka/
wpForschung1/uploads/2009/01/ sequestrierungspotential.pdf
[5] Scheifele, M., & Gattinger, A. (Februar 2012). Wie verhält sich Pflanzenkohle in Ackerböden? Kompost Forum Schweiz, 2/2012,
S. 13-14.
Einfluss von Pflanzenkohle und Sauerkrautsaft auf den
Stickstoffmetabolismus in Güllegruben
Die Landwirtschaft gilt mit einem Gesamtanteil von 94% als
Hauptquelle für die Ammoniakemissionen in der Schweiz.
Während seit 1990 die Emissionen beim Ausbringen der
Gülle durch neue Technik erheblich gesenkt werden
konnten, stiegen sie bei der Lagerung weiter an [1]. Um
auch die Lageremissionen zu senken, werden neue
Methoden und Alternativen gesucht.
In dieser Arbeit wurden Literaturrecherchen getätigt, um Möglichkeiten aufzuzeigen, die Emissionen in den Güllegruben zu senken. Über Pflanzenkohle wurde nach möglichen Einsatzgebieten recherchiert. Des weiteren wurde in dieser Arbeit untersucht, welchen Einfluss die Zugabe von Pflanzenkohle alleine und in Kombination mit Sauerkrautsaft auf den Stickstoffmetabolismus der Gülle hat. Diese Untersuchungen gaben einen Anhaltspunkt, ob sich diese Zugaben dazu eignen, die Ammoniakemissionen in Güllegruben zu mindern.
Tabelle 1: Sequestrierungspotential von Pflanzenkohle gemäss Delinat
[4]
Abb. 3: Entwicklung Ammoniakgehalt im Überstand über 72 Stunden.
Abb. 2: Entwicklung pH-Wert über 72 Stunden. Grau hinterlegt sind belüftete Proben;
Ansätze mit Pflanzenkohle rot geschrieben
Abb. 4: pH-Verlauf Versuch 3 P1: Rohgülle mit 5m.% PK;
P2: Rohgülle mit 2m.% PK und 27vol.% Sauerkrautsaft; P3: Rohgülle mit 2m.% PK
Einfluss von Pflanzenkohle auf den Stickstoffmetabolismus der Gülle
Stickstoff in der Gülle liegt vor allem in Form von Ammonium und Ammoniak vor,
welche sich in einem pH-abhängigen Gleichgewicht befinden. Bei den
Untersuchungen stellte sich heraus, dass Pflanzenkohle, eine durch pyrolysierte
Biomasse entstandenes Produkt, basisch auf deionisiertes Wasser und die Gülle
wirkt (Abbildung 4). Durch die basische Wirkung verschiebt sich das pH-
abhängige Gleichgewicht vom Stickstoff in der Gülle. Der Stickstoff liegt vermehrt
in Form von Ammoniak vor [2] , was zu erhöhten Verlusten von Ammonium
(Abbildung 3) und Gesamtstickstoff führt. Die Verluste an Ammonium verhalten
sich daher korrelativ mit den pH-Werten (Abbildung 2). Die Hoffnung, dass
Pflanzenkohle Ammonium und Ammoniak aus der Gülle bindet und so ein
emittieren der Stickstoffmoleküle teilweise verhindert, konnte bei der
eingesetzten Menge nicht beobachtet werden.
Nutzungsspektrum von Pflanzenkohle
Die Struktur und Porosität ermöglicht Pflanzenkohle breite Nutzungsgebiete, die in
einem landwirtschaftlichen Betrieb über Futter-, Dünger, Kompost- und Silagezusatz
bis zum Einsatz als Bodenverbesserer reichen.
Interessant ist Pflanzenkohle auch als CO2- Senke in der Klimadiskussion. Es wird
mittlerweile davon ausgegangen, dass ein Grossteil der Pflanzenkohle über
Jahrhunderte im Boden bleibt [5] . Sofern nicht mehr CO2 für die Herstellung und
den Transport verbraucht wird, als durch die Pflanzenkohle langfristig gespeichert
wird, kann die Pyrolyse von Grüngut CO2 sequestrieren. Das Delinat-Institut hat eine
Sequestrierungspotential von PK offengelegt (Tabelle 1), welche beschreibt, dass
unter optimalen Bedingungen mit einer Tonne Holzschnitzel als Ausgangsmaterial
rund 489 kg CO2 fixiert werden können. Unter der Annahme, dass mit drei Tonnen
Kohlenstoff aus Holzschnitzel rund eine Tonne stabilen Kohlenstoff in PK produziert
wird, fixiert eine Tonne PK rund 1,63 Tonnen CO2. Literaturrecherchen haben
allerdings gezeigt, dass punkto C-Sequestrierung von Pflanzenkohle, grosse
Unsicherheiten und Differenzen bestehen.
Einfluss von Sauerkrautsaft auf die Ammoniakemissionen während der
Güllelagerung
Ebenfalls geprüft wurde in dieser Arbeit, ob sich Sauerkrautsaft dazu eignet, Gülle anzusäuern. Dabei stellte sich heraus, dass mehr Sauerkrautsaft benötigt werden würde, um eine deutliche pH-Senkung zu erreichen, als logistisch machbar wäre (pers. Kommunikation Rippel, 2013). Bei den Untersuchungen dieser Arbeit wurden 27vol.% Sauerkrautsaft benötigt, um den pH-Wert von ursprünglich 7,03 auf 6,45 zu senken (Abbildung 4). In Kombination mit Melasse kann sich die Verwendung von Sauerkrautsaft durchaus zum Ansäuern der Gülle eignen. Literaturrecherchen zeigten, dass Melasse der limitierende Faktor bei der Ansäuerung war. Mit der Zugabe von Pflanzenkohle kann die Umsetzung von Zucker zu Lactat durch die Milchsäure-bakterien beschleunigt werden, was in Versuchen schon beobachtet werden konnte [3] .