Kompostierung von Schweineexkrementen in der Provinz Can Tho, Mekong-Delta, Vietnam

Diplomarbeit

Landwirtschaftliche Fakultät
Institut für Bodenkunde und Pflanzenernährung

eingereicht von

Sebastian Hedel

Halle, 10.07.2005

 

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Autorreferat
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 AT4-Ergebnisse den Rottegrad V. Diese korrelierten jedoch nicht mit den durchgeführten Kressetests, so dass der an die CO2-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.

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 (AT4) 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 (AT4), 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 CO2-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.

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 ... 28
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 ... 33
3.5 Ergebnisse und Diskussion ... 34
3.5.1 Temperaturverlauf ... 34
3.5.1.1 Allgemein ... 34
3.5.1.2 Variante 1: 90 kg BGS + 2 kg RS ... 35
3.5.1.3 Variante 2: 90 kg FTS + 4 kg RS ... 35
3.5.1.4 Variante 3: 90 kg BGS + 4 kg RS ... 36
3.5.1.5 Variante 4: 90 kg BGS ... 38
3.5.1.6 Variante 5: 75 kg SE ... 40
3.5.1.7 Variante 6: 45 kg SE + 2 kg RS/ 3A-Verfahren ... 42
3.5.1.8 Variante 7: 45 kg SE + 2 kg RS ... 44
3.5.1.9 Fazit der Temperaturverläufe ... 47
3.5.2 Hygieneparameter ... 48
3.5.2.1 Allgemein ... 48
3.5.2.2 Variante 3: 90 kg BGS + 4 kg RS ... 49
3.5.2.3 Variante 4: 90 kg BGS ... 50
3.5.2.4 Variante 6: 45 kg SE + 2 kg RS/ 3A-Verfahren ... 51
3.5.2.5 Variante 7: 45 kg SE + 2 kg RS ... 52
3.5.2.6 Fazit aus den Hygieneparametern ... 53
3.5.3 Atmungsaktivität ... 55
3.5.3.1 Allgemein ... 55
3.5.3.2 Variante 3: 90 kg BGS + 4 kg RS ... 56
3.5.3.3 Variante 4 (Erdlochvariante): 90 kg BGS ... 57
3.5.3.4 Variante 6: 45 kg SE + 2 kg RS/ 3A-Verfahren ... 58
3.5.3.5 Variante 7: 45 kg SE + 2 kg RS ... 58
3.5.3.6 Fazit der AT4-Untersuchung ... 59
3.5.4 Kressetest ... 60
3.5.4.1 Variante 3: 90 kg BGS + 4 kg RS ... 60
3.5.4.2 Variante 4: 90 kg BGS ... 60
3.5.4.3 Variante 6: 45 kg SE + 2 kg RS/ 3A-Verfahren ... 61
3.5.4.4 Variante 7: 45 kg SE + 2 kg RS ... 61
3.5.4.5 Fazit des Kressetests ... 61
3.6 Zusammenfassende Diskussion ... 63

4 Bilanzierung ... 65
4.1 Einleitung ... 65
4.2 Grundlagen sowie Material und Methoden der Bilanzierung ... 66
4.2.1 Allgemein ... 66
4.2.2 Feststoffbilanzierung ... 68
4.2.3 Zur Bilanzierung erfasste Parameter ... 69
4.2.3.1 Allgemein ... 69
4.2.3.2 Kohlenstoff ... 70
4.2.3.3 Stickstoff ... 70
4.2.3.4 Phosphor ... 70
4.2.3.5 Kalium ... 70
4.2.3.6 Schwermetalle ... 70
4.2.3.7 Wassergehaltsbestimmung ... 71
4.2.3.8 Feuchtebestimmung ... 71
4.3 Ergebnisse und Diskussion ... 72
4.3.1 Allgemein ... 72
4.3.2 Feststoffbilanz ... 74
4.3.2.1 Variante 3: 90 kg BGS + 4 kg RS ... 74
4.3.2.2 Variante 7: 45 kg SE + 2 kg RS ... 76
4.3.2.3 Fazit der Feststoffbilanz ... 78
4.3.3 Kohlenstoff- und Stickstoffbilanz ... 80
4.3.3.1 Variante 7: 45 kg SE + 2 kg RS ... 80
4.3.3.2 Variante 6/ 3A-Verfahren: 45 kg SE + 2 kg RS ... 81
4.3.3.3 Fazit der Kohlenstoff- und Stickstoffbilanz ... 82
4.3.4 Weitere Parameter ... 85
4.4 Zusammenfassende Diskussion ... 86

5 Zusammenfassung ... 87

6 Ausblick ... 89

7 Anhang ... 91
7.1 Insektenbefall ... 91
7.2 Variante 1: Kompostierung von 87 kg Biogasschlamm + 2 kg Reisstroh ... 91
7.2.1 Temperaturänderung Variante 1 ... 91
7.2.2 Hygieneparameter Variante 1 ... 92
7.3 Variante 2: Kompostierung von 89 kg Fischteichschlamm + 4 kg Reisstroh ... 93
7.3.1 Temperaturänderung Variante 2 ... 93
7.3.2 Hygieneparameter Variante 2 ... 94
7.4 Variante 3: Kompostierung von 90 kg Biogasschlamm + 4 kg Reisstroh ... 95
7.4.1 Temperaturänderung Variante 3 ... 95
7.4.2 Hygieneparameter Variante 3 ... 96
7.4.3 Wasserverteilung Variante 3 ... 96
7.5 Variante 4: Kompostierung von 90 kg Biogasschlamm ... 97
7.5.1 Temperaturänderung Variante 4 ... 97
7.5.2 Hygieneparameter Variante 4 ... 98
7.5.3 Wasserverteilung Variante 4 ... 98
7.6 Variante 5: Kompostierung von 70 kg Schweineexkrement (BSF-Larven) ... 99
7.6.1 Temperaturänderung Variante 5 ... 99
7.6.2 Hygieneparameter Variante 5 ... 100
7.7 Variante 6: 3A-Verfahren mit 45 kg Schweineexkrement + 2 kg Reisstroh ... 101
7.7.1 Temperaturänderung Variante 6 ... 101
7.7.2 Hygieneparameter Variante 6 ... 102
7.8 Variante 7: Kompostierung von 45 kg Schweineexkrement + 2 kg Reisstroh ... 103
7.8.1 Temperaturänderung Variante 7 ... 103
7.8.2 Hygieneparameter Variante 7 ... 104
7.8.3 Wasserverteilung Variante 7 ... 104

Literaturverzeichnis

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 [ ].

! Abbildung 1.2 ist in der Downloaddatei enthalten !

Abbildung 1.1: Reisernte in Vietnam

Die Universitätsstadt Can Tho liegt auf dem zehnten Breitengrad und ist ca. 160 km süd-westlich von Ho Chi Minh City entfernt. Hier findet man durchschnittlich 83 % Luftfeuchte, einen jährlichen Niederschlag von 1635 mm und eine jahresdurchschnittliche Temperatur von 27 °C. Die Tag-Nacht-Temperaturen variieren um 5 °C und die Luftfeuchte erreicht Spitzen von bis zu 98 %. Wie bereits erwähnt, ist diese Region sehr landwirtschaftlich geprägt. So spielt unter anderem die Reisproduktion eine große Rolle. In
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 [ ] 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.

! Abbildung 1.2 ist in der Downloaddatei enthalten !

Abbildung 1.2: Überblick über Vietnam und das Projektgebiet

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 [ ] 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.

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 [ ] 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 [ ].
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.

[...]