Vorwort

Die vorliegende Hausarbeit entstand im Rahmen der Lehrveranstaltung Bodenschutz III des Wintersemesters 2009/ 2010 an der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus. Das Hauptthema dieser Lehrveranstaltung war die Beschreibung von bodenphysikalischen Prozessen zur Freisetzung und Speicherung von Stoffen. Das Hauptaugenmerk wurde hierbei auf Schwermetalle, wie Blei und Nickel, sowie Phosphate gelegt.

Das Thema der Hausarbeit lag in der theoretischen Betrachtung der Phosphatverfügbarkeit aus Düngeaschen, welche aus naturbelassenen Hölzern gewonnen werden. Es galt der Überprüfung der Phosphatgehalte in Ascherückständen der thermischen Verwertung aus naturbelassenen Hölzern sowie der Qualität der enthaltenen Phosphate. Ein Hauptziel der Arbeit galt dem Nachweis, ob der Einsatz von Düngeaschen zu einer Steigerung des Ertrages von Ackerpflanzen führt. Der Beweis wurde anhand der boden- physikalischen Prozesse geführt.

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis   

INHALTSVERZEICHNIS.............................................................................................................   III

ABBILDUNGSVERZEICHNIS.   IV

TABELLENVERZEICHNIS   V

1.  EINFÜHRUNG.  1

2.  ASCHEN - EIN MINERALDÜNGER  2

2.1  ALLGEMEIN.  2

2.2  BESTANDTEILE DER ASCHEN JE NACH HERKUNFT.  4

3.  PHOSPHATVERFÜGBARKEIT IN BÖDEN  7

3.1  PHOSPHATGEHALTE IN BÖDEN  7

3.2  PHOSPHATVERFÜGBARKEIT UND PHOSPHATFORMEN  9

4.  UMSETZUNG VON DÜNGEPHOSPHATEN AUS ASCHEN.  10

5.  FAZIT UND AUSBLICK  14

6.  ANHANG 1 - ABBILDUNGEN.  17

7.  ANHANG 2 - TABELLEN  20

8.  LITERATUR.  25

9.  ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS.  29

III

Abbildungsverzeichnis   

Abbildungsverzeichnis   

Abb.  1: Veränderung des Gesamt - P und der P - Formen im Laufe der Pedogenese  

Abb.  2: Anteil der P - Fraktionen in den Bodenordungen der US Soil Taxonomy  

Abb.  3: Gehalte an Gesamt - P eines wenig (A) und eines stark (B) gedüngten Bodens  

Abb.  4: Phosphatformen und ihre Verknüpfung mit der Bodenlösung.  

Abb.  5: Das (allgemeine) Verhalten von Nähr- und Schadstoffen im Boden  

Abb.  6: Isothermen nach Freundlich bei der P - Adsorption bei Zunehmender Konzentration von HCl.  

Abb.  7: Prinzip der Adsorption.  

Abb.  8: Lösliche anorganische P - Formen im Gleichgewicht mit Octacalciumphosphat in Abhängigkeit  

vom  pH - Wert  

IV

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Ascheanfall und Aschefraktionen bei der Verbrennung verschiedener Biomassen........................ 20

Tabelle 2: Qualitäten anfallender Achen (allgemein) ...................................................................................... 20 Tabelle 3: Siebdurchgang bei jeweiligen Maschenweiten ............................................................................... 21 Tabelle 4: Spannbreite von Nähr- und Schadstoffgehalten in Grobasche von unbehandeltem Holz

(Auszug) ............................................................................................................................................ 21 Tabelle 5: Nährstoffgehalte einiger häufig verwendeter Düngemittel (Auszug) ............................................. 22 Tabelle 6: Nähr- und Schadstoffgehalte der Grobaschen aus den Holzbrennstoffen....................................... 23 Tabelle 7: Herkunft, Bindungsform und Gehalt von P in Böden..................................................................... 23 Tabelle 8: Bewertung der P - Versorgung der Böden nach Gehaltsklassen .................................................... 24

V

1. Einführung

Phosphor (P) ist als Nichtmetall ein essenzieller, nicht substituierbarer Nährstoff für alle Organismen [nach 9; nach 30; zitiert in 22]. Ohne P sind Pflanzen nicht in der Lage Chlorophyll zu bilden. Weiterhin tritt bei P - Mangel ein schwaches Wurzelwachstum auf und Blätter, z. B. des Getreides, erhalten rötliche Färbungen [26].

Dieser Stoff zeigt aufgrund seiner Struktur eine besonders starke Reaktionsfreudigkeit und tritt in der Regel in phosphathaltigen Mineralen wie Apatit, Phosphorit oder Guano, aber nie elementar, auf [nach 18; nach 31; nach 32; zitiert in 22]. Eine Vielzahl der Verbindungen resultieren aus dem breiten Feld an Oxidationsstufen. Diese reichen von - 3 bis + 5, wobei die bevorzugten - 3 gegen Sauerstoff und + 5 gegen Wasserstoff sind [nach 9; nach 17; nach 18; ^3- nach31; zitiert in 22]. In allen Foren liegt P als Orthophosphat (PO 4 ), einem 5 - wertigen P

- Atom und vier O ^2- - Ionen, als Tetraeder vor. Die drei resultierenden negativen Ladungen können durch H ⁺ - Ionen, Metallkationen oder C - Atomen ausgeglichen werden. Durch einen stark nucleophilen Charakter zeichnet sich das P - Anion aus. Es ergeben sich hohe Affinitäten zu stark elektrophilen Kationen, Fe ³⁺ , Al ³⁺ und Ca ²⁺ [27].

^3- Etwa ⁴ / 5 desPO 4 wird zur Herstellung von Düngemittel verwendet [nach 31; zitiert in

22]. Dies entsprach 118,4 * 10 ⁶ Tonnen P im Jahr 2005 [nach 32; zitiert in 22]. In den nächs- ^3- tenJahren ist aufgrund der wachsenden Weltbevölkerung mit einer Zunahme der PO 4 -Düngung weltweit zu rechnen sein [22]. Allein in der VR China - mit einem Anteil der P -Förderung von 24 % marktführend - steigt der jährliche Bedarf des Rohstoffes um 3,7 % ^3- [nach33; zitiert in 22]. Trotz des Rückgangs der PO 4 - Düngung in Europa wird vermutlich

auch hier der Bedarf wieder ansteigen resultierend aus der steigenden Nachfrage nach Energiepflanzen zur Herstellung von z. B. Bioethanol [22]. Problematisch an der sich abzeichnenden Rohstoffentwicklung ist die Reichweite der Lagerstätten. Aufgrund der Steigerung der

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Förderraten führender Nationen im P - Bergbau, wie China, Marokko oder Tunesien, wird die Reichweite von 40 bis maximal 100 Jahre prognostiziert [nach 34; nach 35; zitiert in 22]. Zusätzlich erfolgte ab 2007 eine drastische Preissteigerung des Rohphosphors. Bis 2006 wurde eine Tonne Rohphosphor mit etwa 44 US$ gehandelt. Im August 2008 lag der Preis bereits bei 430 US$ pro Tonne Rohphosphor, was einer Preissteigerung von fast 1 000 % innerhalb von zwei Jahren entspricht [nach 36; zitiert in 22]. Ein weiteres Problem zur Sicherstellung der Phosphatbedarf ist neben der Quantität auch die Qualität der P - Quellen. Neben Pi. d. R. P 2 O 5 (Diphosphorpentoxid) - enthalten viele Lagerstätten Schwermetalle wie z. B. Uran ¹ . Besonders viel Uran sind in der marokkanischen Abbaugebieten zu finden. Dagegen gilt der Rohphosphor aus der russischen Kola (in der Nähe von Murmansk) als besonders rein [nach 37; zitiert in 22].

^3- Dersteigende Bedarf an PO 4 - Düngemittel, aber auch die gleichzeitig auftretende Preissteigerung, die schwindende Reichweite sowie die Reduktion der Qualität des Rohstoffes P lässt die Bedeutung von mineralischen Aschedüngern zur Stoffrückführung und somit einer Schließung von Stoffkreisläufen immer weiter ansteigen.

2. Aschen - ein Mineraldünger

2.1 Allgemein

Bei der thermischen Verwertung von Brennstoffen verbleiben entsprechende prozentuale Anteile der Brennstofftrockensubstanz als Ascherückstand. Dieser Ascherückstand spaltet sich in die Fraktionen Grob-, Zyklon- und Feinstflugaschen. Die Grobaschen - auch als Rost-,

¹ Ursächlich für den Schwermetallgehalt ist die Entstehungsgeschichte von Phosphorlagerstätten. Während ih-

rer Entstehung standen sie mit Meerwasser in Kontakt, welches in geringen Mengen Uran u.a. Schwermetalle

enthält. Phosphor bindet diese sehr stark an sich, wodurch die Anreicherung im Laufe der Entstehungsge-

schichte erfolgte [nach 37; zitiert in 22].

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Kessel- oder Feuerraumasche bezeichnet - verbleiben nach der Verbrennung auf dem Rost. Die Zyklonaschen werden in sogenannten Zyklonen durch Zentrifugalkräfte abgeschieden. Dagegen verbleibt die Feinstflugasche im Rauchgas, wenn die Anlage über keine weitere Rauchgasreinigung verfügt. Sonst wird sie in, den Zyklonen nachgeschalteten, Elektro- oder Gewebefiltern oder als Kondensatschaum abgeschieden [8]. Ursächlich für die unterschiedlichen Abscheidungsarten ist die Partikelgröße (PG) der einzelnen Aschefraktionen, welche allgemein wie folgt zusammenhängt:

PG Grobasche > PG Zyklonasdche > PG Feinstflugasche

Der Gesamtaschegehalt sowie die prozentualen Anteile der einzelnen Fraktionen sind nach den Untersuchungen von FÜRST und MAKESCHIN von der thermisch verwerteten Biomasse abhängig. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 festgehalten. Erkennbar ist, dass bei der Abfallholzverbrennung weitaus mehr Aschen entstehen als bei der Verbrennung von naturbelassenem Holz. Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass die Rinde einen starken Einfluss auf die Zusammensetzung der einzelnen Aschefraktionen ausübt. Bei zunehmendem Gehalt von Rinde im Verbrennungsmaterial nimmt der Anteil der Grobaschen zu. Äquivalent reduziert sich der Zyklon- und Feinstflugaschenanteil der Gesamtasche [8]. Untersuchungen des MINISTERIUMS FÜR UMWELT UND VERKEHR BADEN - WÜRTTEMBERG ergaben, dass den größten Anteil der Gesamtasche generell die Grobasche mit 85 … 95 % ausmacht.

Bei der Entsorgung der entstehenden Aschen aus der Verbrennung von nachwachsenden Rohstoffen (NaWaRo) ist darauf zu achten, dass es zu keine Nährstoffverlusten kommt. Allerdings ist nur die Grobasche als Düngemittel für die Landwirtschaft zugelassen [8]. Eine Begründung für diese Festlegung ist der stark erhöhte Anteil von Schwermetallen vor allem in Zyklon- und Feinstflugaschen, welche einen Gebrauch als Düngemittel ausschließt, um eine Kontamination der Böden zu verhindern. Eine weitere Begründung für diese Vorschrift liegt

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in der bereits oben erwähnten Größe der Aschepartikel. Nur die Grobasche bleibt aufgrund ihres Eigengewichtes trotz der Thermik im Verbrennungsraum zurück. Die restlichen Aschepartikel können nur mittels Energiezufuhr aus dem Rauchgas entfernt werden. Wenn die Aschepartikel mit diesem geringen Eigengewicht auf Ecker aufgetragen werden, besteht die Gefahr, dass diese windverfrachtet (Energieeintrag) werden. Es können, neben dem Austrag von Düngemittel, welche so nicht mehr als Nährstoffe für Kulturpflanzen zur Verfügung stehen, Einträge von Nährstoffen in Oberflächengewässer erfolgen. Die daraus resultierende Eutrophierung der Gewässer hätte weitreichende Folgen auf den Lebensraum Wasser und auf die Nutzungen der Gewässer, allem voran der Trinkwassergewinnung.

Die allgemeine Rückführung von mineralischen Düngemitteln ist zur Schließung der Stoffkreisläufe auf die jeweiligen Anbauflächen sinnvoll. Die aufzubringende Menge an Düngemitteln muss sich je nach dem Entzug der jeweiligen Erntepflanzen orientieren. Generell eignen sich mineralische Düngemitten zu verwenden, die aus der thermischen Verwertung der zuvor entzogen Biomassen gewonnen wurden, um die entfernten Nährstoffe den Böden zurückzuführen [8].

Zu beachten beim Austrag von Asche auf Ackerböden ist der meist stark alkalisch wirkende Charakter. Dieser wirkt sich auf die allgemeine Verfügbarkeit von Phosphatverbindungen, welche im weiteren Verlauf beschrieben wird, aus [27].

2.2 Bestandteile der Aschen je nach Herkunft

Die Zusammensetzung von Aschen aus der thermischen Verwertung von NaWaRo, können sehr differenziert sein. Ursächlich hierfür sind die verschiedenen NaWaRo, welche verbrannt werden. Aschen enthalten nach der thermischen Verwertung der NaWaRo die gleichen Mengen an Kalium (K), Phosphor (P), Kalzium (Ca) und Magnesium (Mg), wie das Erntegut. Dagegen gehen Schwefel (S) und Stickstoff (N) fast komplett in der Gasphase verloren [8].

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