Die Kompostierung von Schweineexkrementen in der Provinz Can Tho (Vietnam)

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Autorreferat

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Hedel, Sebastian: Kompostierung von Schweineexkrementen in der Provinz Can Tho, Mekong-Delta, Vietnam 2005 – 126 Seiten – Tabellen, Abbildungen, Abkürzungen, Literatur

Halle, Landwirtschaftliche Fakultät Institut für Bodenkunde und Pflanzenernährung Diplomarbeit

Im Rahmen dieser Arbeit wurden in der Provinz Can Tho (Mekong-Delta, Vietnam) Kompostierungsversuche durchgeführt. Ausgangsmaterialien waren Schweineexkremente und Biogasschlämme, deren Ursprung tierische und menschliche Exkremente waren. Es wurden auch der Einfluss verschiedener Mengen an Strukturmaterial zur besseren Durchlüftung sowie die Eignung des so genannten 3A-Verfahrens (aerob-anaerob-aerob Behandlungsstufen) überprüft.

Zur Beschreibung der Rotte wurden in allen Versuchsvarianten Temperaturprofile und in ausgewählten Varianten Profile der Wasserverteilung über die Zeit aufgenommen. Zusätzlich wurden Gewicht, Wassergehalt, organische und mineralische Trockensubstanz, Gesamt-Kohlenstoff, Gesamt-Stickstoff und Hygieneparameter (Coliformen Bakterien und E.coli) während der Kompostierung ermittelt. Zu Beginn und am Ende der Rotte wurden Gesamt-Phosphat, Gesamt-Kalium und Schwermetalle (Pb, Cd, Cr, Cu, Ni und Zn) bestimmt. Die Atmungsaktivität und der Kressetest dienten zur Bestimmung des Reifegrades.

In allen Versuchsvarianten konnte ein Temperaturanstieg nachgewiesen werden. Doch konnte mit keinem der Versuche nachgewiesen werden, dass speziell ein Substrat bzw. Rottegut alle Anforderungen eines Kompostproduktes erfüllt, da die Ergebnisse der untersuchten Parameter zu unterschiedlichen Kompostqualitäten führten.

Die Temperaturen im Inneren der Biogasschlammkomposte stiegen auf maximal 40 °C. Bei der Kompostierung von Schweineexkrementen wurden die höchsten Temperaturen von maximal 70 °C gemessen. Es konnte eine Reduktion der organischen Trockensubstanz um bis zu 55 % nachgewiesen werden. Der Gesamt-Kohlenstoffgehalt sank um maximal 55 % und der Gesamt-Stickstoff um maximal 45 %. Eine relative Aufkonzentration des Gesamt-Stickstoffs um ca. 30 % wurde im Endprodukt der Schweineexkrementvarianten nachgewiesen.

Bei allen Versuchen sank die Konzentration an Coliformen Bakterien und E.coli um mehrere log- Einheiten, wobei die Reduktion nicht signifikant mit der Temperaturentwicklung korrelierte. Alle Kompostvarianten erreichten anhand der AT 4 -Ergebnisse den Rottegrad V. Diese korrelierten jedoch nicht mit den durchgeführten Kressetests, so dass der an die CO 2 -Produktion geknüpfte Rottegrad als nicht ausschließlich zur Reifeprüfung geeignet erscheint.

Durch die Kompostierungsversuche konnte verdeutlicht werden, dass durch einfache Rottesysteme die Substrateigenschaften verbessert werden. Alle Endprodukte eignen sich durch den erhöhten Trockensubstanzgehalt zur Ausbringung als strukturverbesserndes Material.

II

Summary

Summary

Within this study experiments were carried out in the province Can Tho (Mekong-Delta, Vietnam). Parent compost materials were pig excrements and biogas sludge of animal and human source. The goal of the work is to found out whether composting in Vietnam is possible ore not and which substrates is most suitable.

Therefore the influence of different amounts of structural material on aeration of the substrate and the suitability of the so called AAA-method (aerobic-anaeobic-treatment) were investigated. In order to describe the rottening process, temperature profiles were obtained daily from all, and water content profiles from three selected treatments. Additionally the weight, water content, organic and mineral dry matter, total carbon, total nitrogen and hygienic parameters (total coliforms and E.coli) were recorded at regular intervals. At the beginning and at the end of the treatment period, total phosphate, potassium and heavy metals (Pb, Cd, Cr, Cu, Ni and Zn) were determined.

The parameters used to evaluate the final compost products were temperature profile for adequate sanitization, respiration activity (AT 4 ) and cress test for determination of maturity.

A temperature raise was observed in all experiments. However, none of the substrates resulted in compost that met all quality requirements.

When composting biogas sludge, the temperature rose up to a maximum of 40 °C in the centre of the compost heap, whereas up to 70 °C were reached when composting pig excrements. Organic dry matter and total carbon were reduced by up to 55 %, total nitrogen by up to 45 % of the original content. Due to the loss of mass during composting, total nitrogen content increased up to nearly 3 % in the final pig compost. This represents a relative total nitrogen accumulation of 30 %.

In all experiments the concentration of total coliforms and E.coli were reduced by several log-units. This reduction did not correlate significantly with the maximum temperature. According to Respiration Activity (AT 4 ), all obtained composts reached stage of maturity V (Rottegrad V). However, this did not correlate with the results of the cress test. It seems therefore that the CO 2 -Respiration alone is not a sufficient parameter to determine the stage of compost maturity.

The composting trials demonstrated that even simple rotting systems improve a substrate’s handling and storage properties. Because of their higher dry matter content, all final products can be applied to improve soil structure in farming areas.

III

Inhaltsverzeichnis

  Inhaltsverzeichnis  

1  Einleitung  1

2  Ausgangssituation vor Ort  4

3  Kompostierung  8

3.1  Einleitung  8

3.2  Grundlagen  9

3.2.1  Allgemein  9

3.2.2  Temperatur  10

3.2.3  Hygieneparameter  12

3.2.3.1  Allgemein  12

3.2.3.2  Escherichia Coli  14

3.2.3.3  Coliforme Bakterien  14

3.2.4  pH-Wert  15

3.2.5  Wassergehalt  16

3.2.6  Belüftung und Luftporenvolumen  16

3.2.7  Umsetzung  17

3.2.8  C N-Verhältnis  17

3.2.9  Biomassebildung  18

3.2.10  Rottegrad  18

3.2.11  Atmungsaktivität  18

3.2.12  Kressetest  19

3.2.13  Zusammenfassung  19

3.3  Sonderformen  20

3.3.1  Das 3A-Verfahren  20

3.3.1.1  Phase I  20

3.3.1.2  Phase II  20

3.3.1.3  Phase III  20

3.3.2  Vergärung  20

3.3.3  Einfluss von Insekten  23

3.4  Material und Methoden  24

3.4.1  Versuchsaufbau  24

3.4.2  Aufbau des 3A-Verfahrens  26

3.4.3  Temperaturerfassung und -summe  26

3.4.4  Wassergehaltsbestimmung  27

3.4.5  Feuchtebestimmung  28

3.4.6  Biogasanalyse  29

3.4.7  Analyse der Mikroorganismen  29

3.4.8  Reifeprüfung  29

3.4.8.1  Atmungsaktivität  29

3.4.8.2  Kressetest  33

3.4.9  Probenahme  34

3.5  Ergebnisse und Diskussion  35

3.5.1  Temperaturverlauf  35

3.5.1.1  Allgemein  35

3.5.1.2  Variante 1: 90 kg BGS 2 kg RS  36

3.5.1.3  Variante 2: 90 kg FTS 4 kg RS  36

3.5.1.4  Variante 3: 90 kg BGS 4 kg RS  37

3.5.1.5  Variante 4: 90 kg BGS  39

  IV  

Inhaltsverzeichnis

3.5.1.6  Variante 5: 75 kg SE  41

3.5.1.7  Variante 6: 45 kg SE 2 kg RS 3A-Verfahren  43

3.5.1.8  Variante 7: 45 kg SE 2 kg RS  45

3.5.1.9  Fazit der Temperaturverläufe  48

3.5.2  Hygieneparameter  49

3.5.2.1  Allgemein  49

3.5.2.2  Variante 3: 90 kg BGS 4 kg RS  50

3.5.2.3  Variante 4: 90 kg BGS  51

3.5.2.4  Variante 6: 45 kg SE 2 kg RS 3A-Verfahren  52

3.5.2.5  Variante 7: 45 kg SE 2 kg RS  53

3.5.2.6  Fazit aus den Hygieneparametern  54

3.5.3  Atmungsaktivität  56

3.5.3.1  Allgemein  56

3.5.3.2  Variante 3: 90 kg BGS 4 kg RS  57

3.5.3.3  Variante 4 (Erdlochvariante): 90 kg BGS  58

3.5.3.4  Variante 6: 45 kg SE 2 kg RS 3A-Verfahren  59

3.5.3.5  Variante 7: 45 kg SE 2 kg RS  59

3.5.3.6  Fazit der AT 4 -Untersuchung  60

3.5.4  Kressetest  61

3.5.4.1  Variante 3: 90 kg BGS 4 kg RS  61

3.5.4.2  Variante 4: 90 kg BGS  61

3.5.4.3  Variante 6: 45 kg SE 2 kg RS 3A-Verfahren  62

3.5.4.4  Variante 7: 45 kg SE 2 kg RS  62

3.5.4.5  Fazit des Kressetests  62

3.6  Zusammenfassende Diskussion  64

4  Bilanzierung  66

4.1  Einleitung  66

4.2  Grundlagen sowie Material und Methoden der Bilanzierung  67

4.2.1  Allgemein  67

4.2.2  Feststoffbilanzierung  69

4.2.3  Zur Bilanzierung erfasste Parameter  70

4.2.3.1  Allgemein  70

4.2.3.2  Kohlenstoff  71

4.2.3.3  Stickstoff  71

4.2.3.4  Phosphor  71

4.2.3.5  Kalium  71

4.2.3.6  Schwermetalle  71

4.2.3.7  Wassergehaltsbestimmung  72

4.2.3.8  Feuchtebestimmung  72

4.3  Ergebnisse und Diskussion  73

4.3.1  Allgemein  73

4.3.2  Feststoffbilanz  75

4.3.2.1  Variante 3: 90 kg BGS 4 kg RS  75

4.3.2.2  Variante 7: 45 kg SE 2 kg RS  77

4.3.2.3  Fazit der Feststoffbilanz  79

4.3.3  Kohlenstoff- und Stickstoffbilanz  81

4.3.3.1  Variante 7: 45 kg SE 2 kg RS  81

4.3.3.2  Variante 6 3A-Verfahren: 45 kg SE 2 kg RS  82

4.3.3.3  Fazit der Kohlenstoff- und Stickstoffbilanz  83

4.3.4  Weitere Parameter  86

4.4  Zusammenfassende Diskussion  87

5  Zusammenfassung  88

6  Ausblick  90

  V  

Inhaltsverzeichnis

7  Anhang  92

7.1  Insektenbefall  92

7.2  Variante 1: Kompostierung von 87 kg Biogasschlamm 2 kg Reisstroh  92

7.2.1  Temperaturänderung Variante 1  92

7.2.2  Hygieneparameter Variante 1  93

7.3  Variante 2: Kompostierung von 89 kg Fischteichschlamm 4 kg Reisstroh  94

7.3.1  Temperaturänderung Variante 2  94

7.3.2  Hygieneparameter Variante 2  95

7.4  Variante 3: Kompostierung von 90 kg Biogasschlamm 4 kg Reisstroh  96

7.4.1  Temperaturänderung Variante 3  96

7.4.2  Hygieneparameter Variante 3  97

7.4.3  Wasserverteilung Variante 3  97

7.5  Variante 4: Kompostierung von 90 kg Biogasschlamm  98

7.5.1  Temperaturänderung Variante 4  98

7.5.2  Hygieneparameter Variante 4  99

7.5.3  Wasserverteilung Variante 4  99

7.6  Variante 5: Kompostierung von 70 kg Schweineexkrement (BSF-Larven)  100

7.6.1  Temperaturänderung Variante 5  100

7.6.2  Hygieneparameter Variante 5  101

7.7  Variante 6: 3A-Verfahren mit 45 kg Schweineexkrement 2 kg Reisstroh  102

7.7.1  Temperaturänderung Variante 6  102

7.7.2  Hygieneparameter Variante 6  103

7.8  Variante 7: Kompostierung von 45 kg Schweineexkrement 2 kg Reisstroh  104

7.8.1  Temperaturänderung Variante 7  104

7.8.2  Hygieneparameter Variante 7  105

7.8.3  Wasserverteilung Variante 7  105

  VI  

Tabellenverzeichnis

  Tabellenverzeichnis  

Tabelle 3.1:  Übersicht über die Eigenschaften der einzelnen Rottegrade  18

Tabelle 3.2:  Übersicht über Prozesse während der Kompostierung geändert nach Vorlesung  

  CLEMENS 49  19

Tabelle 3.3:  Hemmende und toxische Konzentrationen von Stoffwechselprodukten  und

  Schwermetallen in der flüssigen Phase des Reaktorinhalts  22

Tabelle 3.4:  Übersicht über die Substratzusammensetzung zu Beginn der Versuche  25

Tabelle 3.5:  Bezug CO 2 -Emission Kompostart und Rottegrad geändert nach BRINTON et  al.

  59  33

Tabelle 3.6:  Übersicht über die Kriterien der Vergabe von Boniturnoten  34

Tabelle 3.7:  Übersicht über die erzielten Ergebnisse  35

Tabelle 3.8:  Übersicht über die Anfangs- und Endkonzentrationen an Coliformen Bakterien  und

  E coli und die daraus resultierende Reduktion  54

Tabelle 3.9:  Ergebnisse der AT 4 -Untersuchung und Umrechnung in CO 2 -Emission und Rottegrad  56

Tabelle 3.10:  Steigung mg O 2 g TS d -1 der AT 4 -Kurve in verschieden Zeitabschnitten  57

Tabelle 3.11:  Übersicht über die vergebenen Boniturnoten 1 - 5 der Kressetests  62

Tabelle 3.12:  Übersicht über die Ergebnisse der Abschlussuntersuchungen (Auszug)  65

Tabelle 3.13:  Übersicht der in diesem Kapitel diskutierten Parameter Vergabe von Boniturnoten  

  (1-5) um die Ergebnisse der Varianten zu bewerten  65

Tabelle 4.1:  Analyseergebnisse der Ausgangszusammensetzung der Kompostvarianten  

  (Behandlungstag 0) Angaben in Gewicht kg mg g bzw Gehalten ppm  die

  Ergebnisse des 3A-Verfahrens sind grau unterlegt BGS Biogasschlamm  

  RS Reisstroh SE Schweineexkremente WG Wassergehalt TS Trocken-  

  substanz 100 WG alle Werte unterhalb der gestrichelten Linie beziehen sich  auf

  TS TS organische TS (oTS) mineralische TS (mTS)  73

Tabelle 4.2:  Analyseergebnisse der Abschlusszusammensetzung der Kompostvarianten  

  (Behandlungstag max) Differenzierung zwischen aktiver und passiver  

  Behandlung Angaben in Gewicht kg mg und g bzw Gehalten und ppm  

  Ergebnisse des 3A-Verfahrens sind grau unterlegt t Zeitpunkt  der

  Abschlussuntersuchung d BGS Biogasschlamm RS Reisstroh  

  SE Schweineexkremente WG Wassergehalt TS Trockensubstanz 100  –

  WG alle Werte unterhalb der gestrichelten Linie beziehen sich auf  TS;

  TS organische TS (oTS) mineralische TS (mTS)  74

Tabelle 4.3:  Übersicht über die Zusammensetzung des gewonnenen Biogases während  der

  Behandlung der Variante 6 (45 kg Schweineexkremente 2 kg Reisstroh) durch  das

3A-Verfahren;  ca 30 kg Substrat ca 30 l Biogas anaerobe Phase 45 d  80

Tabelle 4.4:  Erfasste Parameter in im Bezug zur Ausgangsanalyse ( 100 ) Differenzierung  

  zwischen aktiver und passiver Behandlung Ergebnisse des 3A-Verfahrens sind  grau

  unterlegt die größten Änderungen sind zusätzlich hervorgehoben BGS  =

  Biogasschlamm RS Reisstroh SE Schweineexkremente WG Wassergehalt  

  TS Trockensubstanz 100 WG TS organische TS (oTS) mineralische  TS

  (mTS)  87

  VII  

Abbildungsverzeichnis

  Abbildungsverzeichnis  

  Abbildung 1 1: Reisernte in Vietnam  1

  Abbildung 1 2: Überblick über Vietnam und das Projektgebiet  2

  Abbildung 2 1: Übersicht über die Wasserführung am Standort Long Tuyen  4

  Abbildung 2 2: Schematischer Aufbau eines 12m fixed dome Biogastank  5

  Abbildung 3 1: Umsetzvorgänge während der Kompostierung  9

  Abbildung 3 2: Schematische Darstellung der Temperaturphasen während der Kompostierung  

  und der daraus resultierenden Population zusätzlich sind die Änderungen  des

  pH-Wertes im Verlauf der vier Phasen dargestellt  10

  Abbildung 3 3: Temperaturverlauf einer Mietenkompostierung 21  11

  Abbildung 3 4: Safety Zone im Überblick  12

  Abbildung 3 5: Wirkungsverlauf pH-Wert abhängige bildende Prozesse geändert  nach

  Vorlesung NEUE 33  15

  Abbildung 3 6: Wirkungsverlauf pH-Wert abhängige Nährstoff-mobilität geändert  nach

  Vorlesung NEUE 33  15

  Abbildung 3 7: Anaerober Abbau organischer Substanzen  21

  Abbildung 3 8: Aufbau des Versuchsfeldes  24

  Abbildung 3 9: Versuchsfeld (Ausschnitt)  24

  Abbildung 3 10: Photo eines Rottekorbes  25

  Abbildung 3 11: Querschnitt durch einen Kompost Korb mit einer Füllung unter 40 cm  27

  Abbildung 3 12: Prinzip der Feucht-bestimmung mit der Profilsonde PR1 von Delta-T  28

  Abbildung 3 13: Schematischer Aufbau einer AT 4 -Messstelle  30

  Abbildung 3 14: Aufbau einer Messstelle zur Bestimmung der AT 4 mit dem SENSOMAT-SYSTEM  30

  Abbildung 3 15: Temperaturänderung C über Zeit d und Tiefe cm der aktiven Variante 3  38

  Abbildung 3 16: Temperaturänderung C über Zeit d und Tiefe cm der passiven Variante 3  38

  Abbildung 3 17: Verteilung der Feuchte im Kompostkörper über Zeit d und Tiefe cm während  

  der Rotte im aktiven Versuch der Variante 3  39

  Abbildung 3 18: Verteilung der Feuchte im Kompostkörper über Zeit d und Tiefe cm während  

  der Rotte im passiven Versuch der Variante 3  39

  Abbildung 3 19: Verteilung der Feuchte im Kompostkörper über Zeit d und Tiefe cm während  

  der Rotte im aktiven Versuch der Variante 4  40

  Abbildung 3 20: Verteilung der Feuchte im Kompostkörper über Zeit d und Tiefe cm während  

  der Rotte im passiven Versuch der Variante 4  40

  Abbildung 3 21: Temperaturänderung C über Zeit d und Tiefe cm der aktiven Variante 5  42

  Abbildung 3 22: Temperaturänderung C über Zeit d und Tiefe cm der passiven Variante 5  42

  Abbildung 3 23: Temperaturänderung C über Zeit d und Tiefe cm der 3A-Variante 6 (aktiv)  45

  Abbildung 3 24: Temperaturänderung C über Zeit d und Tiefe cm der 3A-Variante 6 (passiv)  45

  Abbildung 3 25: Temperaturänderung C über Zeit d und Tiefe cm der Variante 7 (aktiv)  47

  Abbildung 3 26: Temperaturänderung C über Zeit d und Tiefe cm der Variante 7 (passiv)  47

  Abbildung 3 27: Verteilung der Feuchte im Kompostkörper über Zeit d und Tiefe cm (aktiv)  47

  Abbildung 3 28: Verteilung der Feuchte im Kompostkörper über Zeit d und Tiefe cm (passiv)  48

  Abbildung 3 29: Temperaturverteilung C  48

  VIII  

Abbildungsverzeichnis

  Abbildung 3 30: Variante 3 Substrat Anfangs- und Endkonzentration an Coliformen Bakterien  und

  E coli KBE g differenziert zwischen aktiver und passiver Behandlung  50

  Abbildung 3 31: Variante 4 Substrat Anfangs- und Endkonzentration an Coliformen Bakterien  und

  E coli KBE g differenziert zwischen aktiver und passiver Behandlung  51

  Abbildung 3 32: Variante 6 Substrat Anfangs- und Endkonzentration an Coliformen Bakterien  und

  E coli KBE g differenziert zwischen aktiver und passiver Behandlung  52

  Abbildung 3 33: Variante 7 Substrat Anfangs- und Endkonzentration an Coliformen Bakterien  und

  E coli KBE g differenziert zwischen aktiver und passiver Behandlung  53

  Abbildung 3 34: Grafische Darstellung der AT 4 -Ergebnisse (Variante 3)  57

  Abbildung 3 35: Grafische Darstellung der AT 4 -Ergebnisse (Variante 4 und Erdlochvariante)  58

  Abbildung 3 36: Grafische Darstellung der AT 4 -Ergebnisse (Variante 6)  59

  Abbildung 3 37: Grafische Darstellung der AT 4 -Ergebnisse (Variante 7)  60

  Abbildung 3 38: Übersicht der AT 4 -Ergebnisse aktive und passive Behandlung der Variante 3  6

  und 7 sowie zum Vergleich die passive Behandlung der Variante 4 und  die

  Erdlochvariante  60

  Abbildung 4 1: Allgemeine Darstellung einer Massenbilanz  67

  Abbildung 4 2: Allgemeine Übersicht über wesentliche Prozessparameter: C- Abbau  

  Temperatur und Ammoniumgehalt geändert nach BINNER 65  69

  Abbildung 4 3: Schematische Darstellung des Feststoffflusses während einer Kompostierung  

  geändert nach ATV-DVK 66  70

  Abbildung 4 4: Überblick der Gewichtsänderung der aktiven (I) und der passiven (II) Variante  3

  in kg und über die Behandlungsdauer von 69 Tagen TS Trockensubstanz  

  oTS organische TS mTS mineralische TS  75

  Abbildung 4 5: Zusammensetzung des Anfangs- und Endgewichtes der Variante 3 dargestellt  in

  kg (I) und in II oTS organische Trockensubstanz mTS mineralische  

  Trockensubstanz t Zeitpunkt der Untersuchung  76

  Abbildung 4 6: Überblick der Gewichtsänderung der aktiven (I) und der passiven (II) Variante  7

  in kg und über die Behandlungsdauer von 69 Tagen TS Trockensubstanz  

  oTS organische TS mTS mineralische TS  78

  Abbildung 4 7: Zusammensetzung des Anfangs- und Endgewichtes der Variante 7 dargestellt  in

  kg (I) und in (II) oTS organische Trockensubstanz mTS mineralische  

  Trockensubstanz t Zeitpunkt der Untersuchung  78

  Abbildung 4 8: Übersicht über die Zusammensetzung des Anfangs- und Endgewichtes  der

  bilanzierten Varianten in kg Variante 3 90 kg Biogasschlamm 4 kg Reisstroh  

  (t max 64 d) Variante 4 90 kg Biogasschlamm (t max 69 d) Variante 7 45  kg

  Schweineexkremente 2 kg Reisstroh (t max 69 d)  

  Variante 6 (3A-  

  Verfahren) 45 kg Schweineexkremente 2 kg Reisstroh (t max 76 d)  

  oTS organische Trockensubstanz mTS mineralische Trockensubstanz  

  t max Zeitpunkt der Abschlussuntersuchung  79

  Abbildung 4 9: Veränderung der Masse kg über die Zeit d der aktiven Variante 6 3A-  

  Verfahren 45 kg Schweineexkremente 2 kg Reisstroh Umsetzzeitpunkt  =

  Zeitraum der anaeroben Phase TS Trockensubstanz oTS organische  

  Trockensubstanz  80

  IX  

Abbildungsverzeichnis

  Abbildung 4 10: Übersicht über die Zusammensetzung des Anfangs- und Endgewichtes  der

  bilanzierten Varianten in Variante 3 90 kg Biogasschlamm 4 kg Reisstroh  

  (t max 64 d) Variante 4 90 kg Biogasschlamm (t max 69 d) Variante 7 45  kg

  Schweineexkremente 2 kg Reisstroh (t max 69 d)  

  Variante 6 (3A-  

  Verfahren) 45 kg Schweineexkremente 2 kg Reisstroh (t max 76 d) oTS  =

  organische Trockensubstanz mTS mineralische Trockensubstanz  

  t max Zeitpunkt der Abschlussuntersuchung  81

  Abbildung 4 11: Ausgangs- und Endkohlenstoffmenge aller bilanzierten Varianten in kg Variante  

3  90 kg Biogasschlamm 4 kg Reisstroh (t max 64 d) Variante 4 90  kg

  Biogasschlamm (t max 69 d) Variante 7 45 kg Schweineexkremente 2  kg

  Reisstroh (t max 69 d)  

  Variante 6 (3A-Verfahren) 45  kg

  Schweineexkremente 2 kg Reisstroh (t max 76 d) t max Zeitpunkt  der

  Abschlussuntersuchung  84

  Abbildung 4 12: Ausgangs- und Endstickstoffmenge aller bilanzierten Varianten in g Variante  

3  90 kg Biogasschlamm 4 kg Reisstroh (t max 64 d) Variante 4 90  kg

  Biogasschlamm (t max 69 d) Variante 7 45 kg Schweineexkremente 2  kg

  Reisstroh (t max 69 d) Variante 6 (3A-Verfahren) 45 kg Schweine-  

  exkremente 2 kg Reisstroh (t max 76 d) t max Zeitpunkt der Abschluss-  

  untersuchung  84

  Abbildung 4 13: Endkohlenstoffmenge der bilanzierten Varianten im Bezug zur Ausgangs-  

  kohlenstoffmenge in Variante 3 90 kg Biogasschlamm 4 kg Reisstroh  

  (t max 64 d) Variante 4 90 kg Biogasschlamm (t max 69 d) Variante 7 45  kg

  Schweineexkremente 2 kg Reisstroh (t max 69 d)  

  Variante 6 (3A-  

  Verfahren) 45 kg Schweineexkremente 2 kg Reisstroh (t max 76 d)  

  t max Zeitpunkt der Abschlussuntersuchung  85

  Abbildung 4 14: Endstickstoffmenge der bilanzierten Varianten im Bezug zur Ausgangs-  

  stickstoffmenge in Variante 3 90 kg Biogasschlamm 4 kg Reisstroh  

  (t max 64 d) Variante 4 90 kg Biogasschlamm (t max 69 d) Variante 7 45  kg

  Schweineexkremente 2 kg Reisstroh (t max 69 d) Variante 6 (3A-  

  Verfahren) 45 kg Schweineexkremente 2 kg Reisstroh (t max 76 d)  

  t max Zeitpunkt der Abschlussuntersuchung die Stickstoffmenge der Variante 4  b

  übersteigt 100  85

  Abbildung 6 1: Modell Biogasanlage (BGA) der liegende beheizte Reaktor wird vertikal  

  durchströmt  91

  Abbildung 7 1: Photo Musca Fliege  92

  Abbildung 7 2: Temperaturänderung C über Zeit d und Tiefe cm der Variante 1 (aktiv) 1 1  92

  Abbildung 7 3: Temperaturänderung C über Zeit d und Tiefe cm der Variante 1 (passiv) 1 2  93

  Abbildung 7 4: Temperaturänderung C über Zeit d und Tiefe cm der Variante 1 (aktiv) 1 3  93

  Abbildung 7 5: Änderung der Gesamt-Coliforme und E coli in Variante 1  93

  Abbildung 7 6: Temperaturänderung C über Zeit d und Tiefe cm der Variante 2 (aktiv) 2 1  94

  Abbildung 7 7: Temperaturänderung C über Zeit d und Tiefe cm der Variante 2 (passiv) 2 2  94

  Abbildung 7 8: Temperaturänderung C über Zeit d und Tiefe cm der Variante 2 (aktiv) 2 3  94

  Abbildung 7 9: Änderung der Gesamt-Coliforme und E coli in Variante 2  95

  Abbildung 7 10: Temperaturänderung C über Zeit d und Tiefe cm der Variante 3 (aktiv) 3 1  96

  Abbildung 7 11: Temperaturänderung C über Zeit d und Tiefe cm der Variante 3 (passiv) 3 2  96

  Abbildung 7 12: Temperaturänderung C über Zeit d und Tiefe cm der Variante 3 (aktiv) 3 3  96

  Abbildung 7 13: Änderung der Gesamt-Coliforme und E coli in Variante 3  97

  X  

Abbildungsverzeichnis

  Abbildung 7 14: Verteilung der Feuchte im Kompostkörper über Zeit d und Tiefe cm während  

  der Rotte im aktiven Versuch der Variante 3  97

  Abbildung 7 15: Verteilung der Feuchte im Kompostkörper über Zeit d und Tiefe cm während  

  der Rotte im passiven Versuch der Variante 3  97

  Abbildung 7 16: Temperaturänderung C über Zeit d und Tiefe cm der Variante 4 (aktiv) 4 1  98

  Abbildung 7 17: Temperaturänderung C über Zeit d und Tiefe cm der Variante 4 (passiv) 4 2  98

  Abbildung 7 18: Temperaturänderung C über Zeit d und Tiefe cm der Variante 4 (aktiv) 4 3  98

  Abbildung 7 19: Änderung der Gesamt-Coliforme und E coli in Variante 4  99

  Abbildung 7 20: Verteilung der Feuchte im Kompostkörper über Zeit d und Tiefe cm während  

  der Rotte im aktiven Versuch der Variante 4  99

  Abbildung 7 21: Verteilung der Feuchte im Kompostkörper über Zeit d und Tiefe cm während  

  der Rotte im passiven Versuch der Variante 4  99

  Abbildung 7 22: Temperaturänderung C über Zeit d und Tiefe cm der Variante 5 (aktiv) 5 1  100

  Abbildung 7 23: Temperaturänderung C über Zeit d und Tiefe cm der Variante 5 (passiv) 5 2  100

  Abbildung 7 24: Temperaturänderung C über Zeit d und Tiefe cm der Variante 5 (aktiv) 5 3  100

  Abbildung 7 25: Änderung der Gesamt-Coliforme und E coli in Variante 5  101

  Abbildung 7 26: Temperaturänderung C über Zeit d und Tiefe cm der Variante 6 (aktiv) 6 1  102

  Abbildung 7 27: Temperaturänderung C über Zeit d und Tiefe cm der Variante 6 (passiv) 6 2  102

  Abbildung 7 28: Temperaturänderung C über Zeit d und Tiefe cm der Variante 6 (aktiv) 6 3  102

  Abbildung 7 29: Änderung der Gesamt-Coliforme und E coli in Variante 6  103

  Abbildung 7 30: Temperaturänderung C über Zeit d und Tiefe cm der Variante 7 (aktiv) 7 1  104

  Abbildung 7 31: Temperaturänderung C über Zeit d und Tiefe cm der Variante 7 (passiv) 7 2  104

  Abbildung 7 32: Temperaturänderung C über Zeit d und Tiefe cm der Variante 7 (aktiv) 7 3  104

  Abbildung 7 33: Änderung der gesamt Coliforme und E coli in Variante 7  105

  Abbildung 7 34: Verteilung der Feuchte im Kompostkörper über Zeit d und Tiefe cm während  

  der Rotte im aktiven Versuch der Variante 7  105

  Abbildung 7 35: Verteilung der Feuchte im Kompostkörper über Zeit d und Tiefe cm während  

  der Rotte im passiven Versuch der Variante 7  105

  XI  

Abkürzungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis:

Θ

volumetrischer Wassergehalt [m³]

v

Θ

gravimetrischer Wassergehalt [%] g

Σ Summe

ΔS

Änderung in

Δt Änderung der Zeit

°C Grad Celsius

3A-Verfahren Kompostierverfahren, bei dem aerob-anaerob-aerob behandelt wird

AAA aerob-anaerob-aerob

AAS

Atomabsorptionsspektrometer

AT 4 Atmungsaktivität einer Probe in 4 Tagen

BGB Bundesgesetzbuch

BGS Biogasschlamm

BGT Biogastank

BioAbfV Bioabfallverordnung

BSB 5

Biologischer Sauerstoffbedarf gemessen über 5 Tage

BSeuchG Bundes-Seuchengesetz

BSF Black Soldier Fly

CAL Gebrauchslösung (385 g Calciumlactat, 197,5 g Calciumacetat und 447,5 ml Eisessig)

CERWAS Center of rural Water Supply

C org

biologisch abbaubare organische Substanzen

ECD Elektroneneinfang-Detektor

FID Flammenionisations-Detektor

FM Frischmasse

i.Allg. im Allgemeinen

i.d.R. in der Regel

IR Infrarot

K Kalium

KBE Koloniebildende Einheiten

LfU Landesamt für Umweltschutz

m FS

Masse Feuchtsubstanz

Mg Megagramm = Tonne(n) [t]

MHz Megaherz

minS mineralische Substanz

MPN most probable number-methods

m TS

Masse Trockensubstanz

mTS mineralische Trockensubstanz

NMVOC Nicht-Methan VOC

oTS organische Trockensubstanz

PC Personal Computer

ppm parts per million

RS Reisstroh

S Stofffracht

s.o. siehe oben

SE Schweineexkremente

S i Input Stofffracht

S m

Substanzmasse [g]

SM Schwermetalle

S o

Output Stofffracht

XII

Abkürzungsverzeichnis

Substanzvolumen [m³] S v

t Zeit

TC total coliform = gesamt Coliforme

konstante Temperatur T const

TempS Temperatursumme

TOC gesamter organischer Kohlenstoff (total organic carbon)

TS Trockensubstanz

TTC 2,3,5-Triphenyltetrazoliumchlorid

UNICEF United Nations Children's Fund

v.a. vor allem

VOC flüchtige organische Verbindungen (volatile organic compounds)

Vol.-% Volumenprozent

WG Wassergehalt

Wassermasse [g] W m

W v Wasservolumen [m³]

XIII

Einleitung

1 Einleitung

Vietnam dehnt sich, wie nur wenig andere Länder, über zwei Klimazonen aus: eine gemäßigte, mit dem Süden Europas vergleichbare Zone im Norden, und einer tropischen Zone im Süden. Das Land erstreckt sich in seiner Nord-Süd-Ausdehnung über 1650 km, die geringste Ost-West-Ausdehnung beträgt weniger als 80 km (siehe Abbildung 1.2) und umfasst eine Fläche von 329.600 km².

Geografisch und geschichtlich war das Land sehr großen Veränderungen unterworfen. Heute wird Vietnam in drei geografische Regionen unterteilt: 1. Der Norden mit Gebirgszügen von über 3000 m Höhe, 2. die zentrale Bergregion in der Mitte Vietnams und 3. der Süden, mit dem Mekong-Delta in der südlichen Spitze. In der Gegenwart wird die Sozialistische Republik Vietnam von der kommunistischen Partei Vietnam regiert.

Die folgende Arbeit bezieht sich ausschließlich auf das Projektgebiet in der Provinz Can Tho im Süden, Mekong-Delta. Das Mekong-Delta umfasst eine Fläche von 39.712 km² und hat 16,5 Millionen Einwohner, von denen 3 Millionen in urbanen Gebieten leben. Die Bevölkerungsdichte von 416 Einwohnern pro km² macht das Gebiet zu einem der am dichtesten besiedelten Gebiete der Welt. Landwirtschaft (siehe Abbildung 1.1) und Fischereiwirtschaft dominieren gemeinschaftlich mit der Lebensmittelindustrie [1].

Vietnamesisch bedeutet das Wort „Reis“ soviel wie „Menschheitsernährer“. Große Teile des Mekong- Deltas sind mit Reisfeldern bedeckt. Dies liegt nicht nur an dem Phänomen der permanenten Flutung, sondern auch am Vorhandensein ortstypischer Böden. In dem Untersuchungsgebiet kann eine Einteilung der landwirtschaftlich genutzten Fläche in 46 % sulfat-sauer und 40 % alluvial vorgenommen werden. Ein zweiter wichtiger Bereich der Landwirtschaft ist die Schweinehaltung. Laut Angaben des statistischen Büros [2] der Provinz Can Tho wurden im Jahr 2000 mehr als 208.500 Mastschweine gehalten. Nach dem offiziellen Agrarentwicklungsplan der örtlichen Behörden soll bis zum Jahr 2010 die Schweineproduktion auf 700.000 Stück erhöht werden.

Wird von der Annahme ausgegangen, dass ein Mastschwein jeden Tag mit seinen Exkrementen durchschnittlich 33,9 g Stickstoff und 21,6 g Phosphat ausscheidet, kann laut WATANABE [2] für die Provinz Can Tho (1999) eine Produktion von 3000 t Stickstoff und 1900 t Phosphat berechnet werden.

1

Einleitung

Abbildung 1.2: Überblick über Vietnam und das Projektgebiet

2

Einleitung

Ein Großteil der anfallenden tierischen Fäkalien werden nicht oder nur unzureichend behandelt in die umliegenden Flüsse und Oberflächengewässer eingeleitet. Dies führt zu einer zunehmenden Belastung, Eutrophierung und Verschmutzung der Gewässer.

Der entstehende Nährstoffverlust auf den Farmen führt zu Kosten und Mehraufwand in der Beschaffung von Mineraldünger als Ersatz. Unter der Annahme, dass ein Kilogramm Stickstoff 50 Eurocent kostet, entstehen in der Provinz Can Tho durch das Einleiten der Exkremente in Oberflächengewässer Verluste in Höhe von 1,5 Millionen Euro. Um diese wirtschaftlichen, aber auch ökologischen Missstände zu ändern, soll eine Nährstoffrückführung bzw. ein Kreislauf der Nährstoffe angestrebt werden. Hier soll diese Arbeit ansetzen. Es soll überprüft werden, unter welchen Bedingungen Fäkalien im Mekong-Delta kompostiert werden können. Ziel soll es sein, ein hygienisiertes, bodenstrukturverbesserndes und düngerwirksames Endprodukt zu erzeugen. Ausgangsmaterialien sind Schweineexkremente und ein Biogasschlamm dessen Ursprung tierische und menschliche Exkremente sind. Um eine bessere Durchlüftung der kompakten Materialien zu erreichen, werden einem Teil der Varianten verschiedene Strohanteile beigemengt.

Die Beschreibung des Verlaufs der Kompostierung und die Beurteilung der Endprodukte erfolgt mittels:

• Temperaturentwicklung während der Rotte,

• Entwicklung der Hygienisierung,

• Reifebestimmung anhand der Atmungsaktivität und Kressetest und

• Bilanzierung von Phosphat, Stickstoff und organischer Trockenmasse. Außerdem wurde das 3A-Verfahren (aerob-anaerob-aerob) mit konventionellen Kompostierungsmethoden verglichen. Durch dieses ist neben der Hygienisierung auch eine Erzeugung von Biogas möglich, das direkt als Energiequelle verwendet werden kann. Die Diplomarbeit trägt zum Erreichen des Projektziels der ersten Phase des sansed-Projektes [3] bei. Das sansed-Projekt ist ein BMBF-gefördertes Projekt der beiden deutschen Universitäten Bonn und Bochum, der vietnamesischen Universität Can Tho und deutschen Partnern aus dem privaten Sektor. Das Projektziel lautet: „Schließen von landwirtschaftlichen Nährstoffkreisläufen über hygienisch unbedenkliche Substrate aus dezentralen Wasserwirtschaftssystemen auf nationaler und internationaler Ebene (Mekong-Delta, Vietnam)“. Um das Ziel zu erreichen, arbeiten die Gruppen Stoffflüsse, Hygiene, Soziologie, Landwirtschaft, Wasserbau, Industrie und Hydrologie zusammen. Das Gesamtziel des Vorhabens ist die ökonomisch und ökologisch sinnvolle Verwertung von Substraten aus der dezentralen Abwasserbehandlung in der Landwirtschaft auf nationaler und internationaler Ebene. Auf internationaler Ebene soll die dezentrale Abwasserentsorgung integraler Bestandteil von dezentralen Abwassermanagementsystemen sein.

In der ersten Phase soll, basierend auf den Untersuchungen, ein Handbuch erstellt werden, das als Planungsleitfaden für die Planung internationaler dezentraler Wassermanagementsysteme herangezogen werden kann. Auf nationaler Ebene wird ein Handbuch zur Eignung von Substraten als Düngemittel aus der dezentralen Abwasserentsorgung vorbereitet. In Phase II des Vorhabens sollen auf internationaler Ebene Wassermanagementsysteme implementiert und getestet werden. Auf nationaler Ebene wird das Handbuch zur Düngungseignung erstellt.

3

Ausgangssituation vor Ort

2 Ausgangssituation vor Ort

Die Entwicklung von Kulturen war immer abhängig von genügend verfügbarem Trinkwasser, ebenso wie vom Vorhandensein fruchtbaren Bodens. Der Überfluss an Wasser hat es ermöglicht, Gesellschaften erblühen zu lassen, Mangel jedoch brachte Kulturen zum Verdorren. Wichtigstes Beispiel hierfür sind die Kulturen von Mesopotamien und Ägypten. Diese wurden von dem Anthropologen WITTFOGEL [4] als „Wasserkulturen“ bezeichnet. Ihre bewässerten Felder brachten soviel Überschuss hervor, dass es zur Entwicklung von Städten kam, in denen Handwerker, Händler, Priester, Verwaltungsbeamte und Könige residierten und wo Kunst und Wissenschaft erblühten. Städte wurden ausnahmslos in der Nähe von verfügbarem Wasser erbaut [5].

Auch heute spielt Wasser eine bedeutende Rolle in der Siedlungsentwicklung. Nur wo Wasser in ausreichendem Maß und Qualität vorhanden ist, lassen sich Menschen nieder. In Abbildung 2.1 ist die Wasserführung auf einer vom sansed-Projekt untersuchten Farm (Besitzer Mr. Phich) in der Provinz Can Tho schematisch dargestellt. Hier wird das mit einer elektrisch betriebenen Pumpe geförderte Grundwasser als Trink- und Waschwasser in den Stallungen, in der Fischzucht, als Brauchwasser im Wohnhaus sowie zur Bewässerung der landwirtschaftlichen Nutzflächen verwendet.

Abbildung 2.1: Übersicht über die Wasserführung am Standort Long Tuyen

Wie bereits erwähnt, ist die Verschmutzung der Kanäle durch Einleitung von Fäkalien und anderen Stoffen so hoch, dass man das Wasser unbehandelt auf keinen Fall für menschliche Bedürfnisse nutzen sollte. Dies wird trotz Aufklärung und Warnungen der Behörden nur selten beachtet und allen Mahnungen zum Trotz unbehandelt zur Körper- und Mundhygiene genutzt. Bevor das Wasser aus Brunnen zur Verfügung stand, wurde die benötigte Menge ausschließlich aus den angrenzenden Kanälen und Oberflächengewässern gefördert. 1989 wurde das Center of Rural Water Supply (CERWAS) von der

4

Ausgangssituation vor Ort

UNICEF etabliert. Seit Mitte der 90iger Jahre untersteht diese dem People's Comittee der Provinz Can Tho und hat in der gesamten Provinz mehr als 54.000 Brunnen gebohrt [6].

Das aus den Brunnen gepumpte Grundwasser ist teilweise sehr salzig und wird daher vorwiegend zum Reinigen der Stallungen genutzt [6]. Bevor eine für Menschen unbedenkliche Verwendung gewährleistet werden kann, muss das Wasser mit Aluminiumsulfat behandelt und anschließend abgekocht werden. Aluminiumsulfat ist ein Adsorptionsmittel was dazu führt, dass sich Stoffe durch molekulare Bindungskräfte aneinander oder an die Oberfläche fester Körper anlagern. Im Wasser enthaltene Schwebstoffe binden sich zu größeren Gebilden. Durch ihr größeres Gewicht sinken diese schneller ab (flocken aus). Durch anschließendes Abkochen werden die im Wasser vorhandenen Mikroorganismen abgetötet.

Der entstehende Abwasserstrom (400-800 l/ d) besteht aus dem Waschwasser aus den Stallungen, menschlichen Fäkalien sowie aus dem Küchenabwasser. Diese Teilströme fließen in einen gemauerten 8 bis 12 m³ fassenden unterirdischen Biogastank 1 (BGT 1). Dieser ist im Gegensatz zu dem wesentlich kleineren Biogastank 2 (BGT 2) luft- und lichtdicht verschlossen. Die Bauart einer solchen Biogasanlage wird als „fixed dome“ Biogasanlage bezeichnet und ist in Abbildung 2.2 dargestellt.

Abbildung 2.2: Schematischer Aufbau eines 12m³ „fixed dome“ Biogastank Über ein im Winkel von ca. 45 ° angebrachtes Rohr werden die Abwässer in den BGT 1 eingeleitet. Die Füllhöhe wird durch den Auslauf des BGT 2 bestimmt (siehe Punkt 2 der Abbildung 2.2). Zwischen dem höchsten Punkt des Tanks und der Füllhöhe befindet sich der Gasraum. Über einen Schlauch an der oberen Öffnung des BGT 1 wird das Biogas entnommen und in einem PVC-Gassack gesammelt. In der Küche wird das Gas zum Kochen verwendet.

Weiterhin entsteht ein nährstoffreiches Überstandwasser, das in Fischzuchtbecken eingeleitet wird und als Nahrungsquelle für die dort lebenden Tiere dient. Aus diesem Teich wird auch das Wasser zur Bewässerung der Felder entnommen.

5

Ausgangssituation vor Ort

Im BGT 1 setzt sich ein Großteil der Feststofffracht ab. Der kleinere, aerobe BGT 2 erfüllt lediglich die Aufgabe der Nachklärung. Aus diesem wurde der abgesetzte Biogasschlamm (BGS) entnommen, der in den später aufgeführten Versuchen verwendet wurde.

Die angewandte anaerobe Behandlung des Abwassers ist technisch einfach und bedarf Optimierungen. So ist z.B. die Verweildauer der Substrate in einer Biogasanlage, wie in Abbildung 2.2, mit ca. 8 Tagen zu kurz, um unter Luftabschluss die gewünschten Hygieneparameter zu erreichen [6].

Abgesehen vom diskontinuierlichen Bedarf als Düngemittel, ist der BGS aus verschieden Gründen nicht zur sofortigen Ausbringung geeignet: Dagegen spricht erstens ein noch zu hoher Wassergehalt (90 %), da dieser eine Lagerung erschwert bzw. die schlechte Konsistenz des Materials zu Verschlämmungen auf der Ausbringungsfläche führt. Zweitens können bei anaeroben Behandlungen nur geringe Temperaturen durch den mikrobiellen Umsatz erreicht werden. Bei solchen Abbauprozessen werden lediglich 132 kJ/ Mol Energie freigesetzt. Diese Energie reicht nicht aus um das Material so weit zu erhitzen, dass eine erwünschte Hygienisierung erreicht werden kann [7]. Drittens ist das C/N-Verhältnis zwischen 40 und 50 für eine optimale Düngung ungeeignet. Aus diesen Gründen sind Nachbehandlungen erforderlich.

Die einfachste und zugleich arbeitsextensivste Behandlung ist das Trocknen des Schlammes in der Sonne. Leider ist diese Maßnahme nicht geeignet, um den Hygienisierungsgrad zu erhöhen, da keine Temperaturanstiege im Substrat über die Umgebungstemperatur (30 °C) erreicht werden können. Die Bedingungen für den mikrobiellen Abbau sind nicht im Optimum (Erklärung folgt in den nächsten Kapiteln); somit sind die Umwandlungsprozesse auf niedrigem Niveau. Aus diesen Gründen kann kein Substrat erzeugt werden, das eine optimale Düngerwirkung besitzt bzw. zur Bodenverbesserung beiträgt. Das Versetzen des Substrats mit Würmern (nach einer Vorbehandlung) stellt eine weitere Behandlungsmethode dar. Allerdings ist dies kein gängiges Verfahren und kommt nur auf einzelnen Farmen zur Anwendung. Da hierbei keine höheren Temperaturen erzeugt werden können, ist das Endprodukt seuchenhygienisch bedenklich. Diese Verwertung der Exkremente durch Vermikulturen wurde in einer Diplomarbeit während des sansed-Projektes untersucht und beschrieben [6].

Momentan werden die abgesetzten Materialien aus der anaeroben Phase nur selten entnommen und weiter behandelt. Ein Öffnen des anaeroben Biogastanks hat den Nachteil, dass es durch die Belüftung des Behälters erst nach ca. 10 Tagen wieder möglich ist Biogas zu erzeugen.

In Ausnahmefällen, zum Beispiel auf der Versuchsfarm von Mrs. Hai, wird das aus dem aeroben Biogastank entnommene abgesetzte Material weiterbehandelt. Diese Weiterbehandlung wurde von QUYNH [8] implementiert und entspricht unseren Kenntnissen nach nicht dem Stand der Technik. In einem ca. einen Meter tiefen Erdloch wird der entnommene Biogasschlamm mehrere Wochen gelagert. Während der Lagerung setzen auch Umsetzungsprozesse ein, die bisher noch nicht wissenschaftlich analysiert und beschrieben wurden.

Zusammenfassend kann man sagen, dass in dem von uns untersuchten Gebiet des Mekong-Deltas eine Verwertung organischer Abfälle auf einfachem Niveau existiert. Bei der Biogaserzeugung steht nicht der Umweltaspekt im Vordergrund, sondern das Entstehen von Biogas. Während dieses Vorgangs werden

6

Ausgangssituation vor Ort

pathogene Schaderreger verringert und ein Dünger für die Landwirtschaft hergestellt. Dieses Verfahren kann jedoch noch optimiert werden. Nach deutschen Gesichtspunkten existieren im Projektgebiet keine Kompostierungsbestrebungen.

Die Möglichkeiten der Kompostierung sollen daher in verschiedenen Varianten untersucht und anhand mehrerer Parameter verglichen werden. Es kann die Kompostierung nach einer anaeroben Behandlung (Biogasanlage) der Exkremente oder direkt (ohne einer Vorbehandlung) erfolgen. Eine Sonderform der Kompostierung (3A-Verfahren) kann ebenfalls durchgeführt werden und stellt somit eine dritte Form der Kompostierung dar. Die Kompostierungsvarianten werden im folgenden Text näher erläutert. Die Ausgangssubstrate können, um eine bessere Durchlüftung zu gewährleisten, mit Strukturmaterial versetzt werden.

Die Grundlagen der Kompostierung, die verwendeten Materialien und Methoden und die Ergebnisse der durchgeführten Versuche sollen ab dem Abschnitt 3 aufgeführt und diskutiert werden.

7

Kompostierung

3 Kompostierung

3.1 Einleitung

Die frühesten Spuren einer systematischen Behandlung und Verwertung organischer Reststoffe führen zu den fernöstlichen Kulturen Chinas, Japans und Koreas. Schon vor einigen tausend Jahren waren Zusammenhänge zwischen Landbau, Nahrungsqualität, Krankheitsanfälligkeit, Körperbau und Leistungsfähigkeit bekannt [9, 10, 11]. Die Rückführung der organischen Stoffe aus menschlichen und tierischen Ausscheidungen wurde als Schlüssel zur Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit angesehen. So verwendeten die Terrassenkulturen der Hunzas am Fuße des Himalajas bereits vor etwa 4.000 Jahren größte Sorgfalt darauf, dass alle menschlichen und tierischen Abfälle erfasst, kompostiert und der Kompost dem Boden zurückgegeben wurde. Da Land nur sehr begrenzt verfügbar war, wurde große Sorgfalt auf die Pflege des Bodens gelegt [9].

Die ersten Anfänge der Behandlung landwirtschaftlicher Abfälle in Europa sind aus der Zeit des Römischen Reiches bekannt. Schon 60 v. Chr. beschrieben Columella und Plinius die Technik der Kompostierung. Jedoch blieben diese Ansätze lange Zeit in Mitteleuropa unbeachtet. Mit rasch und ständig wachsenden Städten und deren Abfallmengen in der Mitte des 19. Jahrhunderts stellte sich die Frage der Abfallbehandlung mit Nachdruck erneut. Kurz nach der Jahrhundertwende entstanden die ersten Kompostwerke. Die Kompostierung fand bei den Verantwortlichen der Stadtentsorgung lebhafte Resonanz. Jedoch missfiel dies den Landwirten, auf deren Feldern die entstehenden Endprodukte ausgebracht wurden [12].

Heutzutage ist die Kompostierung in Deutschland stark verbreitet und stellt einen wichtigen Beitrag zur Abfall- und Fäkalbehandlung dar. Die hierbei entstehenden Komposte stehen unter strenger gesetzlicher Kontrolle. Festlegungen hierzu sind unter anderem in der Bioabfallverordnung (BioAbfV), in den Landesämtern für Umweltschutz (LfU), in Merkblättern über das Inverkehrbringen von Düngemitteln, dem Düngemittelgesetz und in der EU-Hygieneverordnung zu finden [13]. Laut TA SiedlAbf [14] hat die Kompostierung die Aufgabe, biologisch abbaubare organische Abfälle in verwertbaren Kompost umzuwandeln.

8

Kompostierung

3.2 Grundlagen

3.2.1 Allgemein

Der Begriff „Kompost“ (aus dem Lateinischen compositus = zusammengesetzt) besagt, dass es sich um einen aus verschiedenen Stoffen zusammengesetzten Dünger handelt [15]. Da keine einheitliche Definition der Kompostierung existiert, soll in der nun folgenden Arbeit unter Kompostierung der aerobe Abbau bzw. Umbau organischer Substanz durch Mikroorganismen verstanden werden. Endprodukte sind, unter idealen Bedingungen, neben dem verringerten Organik-Anteil, Wasser, Kohlendioxid und Wärme (siehe Abbildung 3.1). Dieser Prozess wird auch Rotte genannt.

Abbildung 3.1: Umsetzvorgänge während der Kompostierung Das Ziel der Kompostierung ist es, das zu kompostierende Material soweit zu verändern, dass es landwirtschaftlich, gärtnerisch und forstwirtschaftlich verwertet oder auf Grundstücken geordnet abgelagert werden kann. Durch die Behandlung müssen also die unerwünschten mikrobiologischen Umsetzungen des Substrates verhindert oder in kontrollierte, erwünschte Bahnen geleitet werden [16]. Im Pflanzenreich werden kontinuierlich organische Materialien produziert und von Menschen und Tieren als Nahrung genutzt [50]. Die hierbei entstehenden End-/Abfallprodukte werden wiederum von Kleinstlebewesen (Mikroorganismen) zu einfacheren Verbindungen abgebaut. Man spricht bei diesem Abbauvorgang von Mineralisation. Die entstehenden Verbindungen stehen den Pflanzen als Nährstoff zur Verfügung; somit ist der Nährstoffkreislauf, stark vereinfacht, geschlossen. Die hierfür benötigte Energie beziehen die Mikroorganismen aus den organischen Verbindungen. Aus einfachen organischen Verbindungen werden bei dem Stoffwechsel der aeroben Organismen komplexere organische Verbindungen. Diese Vorgänge laufen auch bei der Kompostierung ab (siehe Abbildung 3.1). Im nun folgenden Abschnitt sollen die wichtigsten Parameter der Rotte genannt und definiert werden. Die Aufzählung erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit, sie zeigt lediglich die für diese Arbeit relevanten Parameter der Prozesskontrolle und -steuerung sowie der Reifebestimmung.

9

Kompostierung

3.2.2 Temperatur

Der mikrobielle Abbau der organischen Substanz durch Kompostierung ist ein exothermer Prozess [18,

19, 20], das heißt, Wärme wird frei. Der Abbau von Glukose erfolgt, vereinfacht dargestellt, wie folgt:

800 2 + 6 + 6 → 6 +

1 − mol kJ O H CO O O H C * . Gleichung 3.1

2 2 2 6 12 6

Bis zu einer Temperatur von 75 °C intensivieren sich die Abbauvorgänge mit steigender Temperatur,

danach sind die Aktivitäten eingeschränkt [21]. Allgemein werden kurz nach dem Ansetzen die höchsten

Temperaturen gemessen, dann erfolgt ein allmählicher Abfall [22].

Bei der Temperaturentwicklung wird nach einer Anlaufphase, eine mesophile, eine thermophile Phase

und eine Abkühlungsphase mit anschließender Reifephase unterschieden (siehe Abbildung 3.2). Auf die

Phasen der Kompostierung wird im laufenden Kapitel näher eingegangen.

Abbildung 3.2: Schematische Darstellung der Temperaturphasen während der Kompostierung

und der daraus resultierenden Population; zusätzlich sind die Änderungen des

pH-Wertes im Verlauf der vier Phasen dargestellt

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Kompostierung

Wie in Abbildung 3.2 vereinfacht dargestellt, können die Temperaturen des Rottegutes während der Kompostierung bis auf 70 °C ansteigen. Die Erwärmung der verschiedenen Phasen hängt von Menge und Art des Substrates, von der Belüftung sowie vom Wassergehalt und der Wärmehaltefähigkeit der Miete ab [37]. Die Geometrie der Kompostmiete hat ebenfalls einen Einfluss auf die Temperaturentwicklung und Verteilung. Gleichzeitig sind die vorherrschenden Populationen sowie die Änderung des pH-Wertes der einzelnen Phasen in Abbildung 3.2 dargestellt.

Ein typischer Temperaturverlauf ist in Abbildung 3.3 schematisch dargestellt. Kurz nach der Besiedlungsphase durch Mikroorganismen ist mit einem enormen Temperaturanstieg bis zum ersten Maximum von bis zu 70 °C zu rechnen. Die Dauer und Intensität des Temperaturmaximums ist von der Anwesenheit von leicht verfügbaren Nährstoffen abhängig. Nach der Abkühlung und der Umsetzung erreicht das Substrat ein neues Temperaturmaximum. Dieses Maximum ist jedoch geringer als das erste

Abbildung 3.3: Temperaturverlauf einer Mietenkompostierung [21]

• 1. Phase: Anlaufphase; mesophile Mikroorganismen (15 - 42 °C tolerant); unter optimalen Bedingungen 12 – 24 h lang; Vermehrung korreliert mit zunehmender Temperatur, Absterben und Bildung von Dauerformen (Sporen), Übergang zu thermophilen Mikroorganismen

• 2. Phase: Ausschließlich thermophile Mikroorganismen (45 – 75 °C); keine weitere biologische Aktivität oberhalb 75 °C (Denaturierung der Eiweiße); Vorteile hoher Temperaturen: hohe Aktivitäten und Abbauleistungen Hygienisierung Umsetzung ist erforderlich, damit in der gesamten Rotte gleiche Verhältnisse erreicht werden

• 3. Phase: durch Selbsthemmung (Temperaturmaximum 2. Phase) der Mikroorganismen geringere Temperaturen; mesophile überwiegen wieder

• 4. Phase: mehrere Wochen Reifephase, als Endprodukt fertiger Kompost; Abbau der organischen Substanz; mikrobielle Aktivitäten am geringsten

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