DE4420402C1 - Verfahren zur Konditionierung von Kompost und hierdurch erhältlicher Kompost - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Konditionierung konven­ tioneller Komposte, die aus verschiedenen Ausgangsmateria­ lien hergestellt wurden und einen unterschiedlichen Reife­ grad aufweisen, sowie auf konditionierte Komposte.

Biogene Reststoffe der verschiedensten Zusammensetzung und Herkunft werden mit Hilfe statischer und dynamischer Ver­ fahren in offenen und geschlossenen Systemen kompostiert. Die Verrottung der organischen Substanz unterliegt dabei den Prinzipien des mikrobiellen Stoffumsatzes, der einen typischen Verlauf nimmt (Abb. 1). Mit Mitteln der Verfah­ renstechnik kann eine Bioprozeßführung realisiert werden, die den gewünschten Stoffumsatz optimiert. Dieser stützt sich auf die stofflichen Komponenten des Reststoffgemenges. Die Effizienz des Um- und Abbaus wird durch den Wasserge­ halt und durch die An- oder Abwesenheit von Sauerstoff, sowie durch die Kohlendioxidkonzentration beeinflußt. Dar­ aus ergibt sich die Einstellung des pH-Wertes. In sauer­ stoffunterversorgten Rottegemengen tritt eine Säuerung durch die Bildung von Mono- und Dicarbonsäuren ein. Der pH- Wert liegt dann etwa zwischen 4 und 6. Unter ausreichend aeroben Bedingungen unterbleibt die biologisch induzierte Säurebildung. Der pH-Wert verschiebt sich in den alkali­ schen Bereich, d. h. < 7.0. Diese Veränderungen hängen mit der Bildung von Calciumcarbonat während des Rotteprozesses zusammen. Auf dem Gehalt an Calciumcarbonat beruht über­ wiegend die Pufferkapazität des Kompostes. Sie kann in Abhängigkeit vom Calciumgehalt der Ausgangsgemenge unter­ schiedlich hoch sein.

Säuerungen, die durch Sauerstoffmangel verursacht werden, sind an das Vorhandensein von Zwischenprodukten des Anaer­ obstoffwechsels geknüpft. Da diese Metaboliten unter aer­ oben Bedingungen dem weiteren Abbau zugänglich sind, ist die Versauerung bei genügender Sauerstoffzufuhr ein umkehr­ barer Prozeß, d. h. mit der Abnahme der Säurekonzentration - strebt der pH-Wert wieder dem Neutralpunkt zu. Die Bildung organischer Säuren tritt nur zu Beginn der Rotte auf (Abb. 1, Phase A), wenn noch genügend organische Substanz in Form leichtverwertbarer Kohlenhydrate vorhanden ist. In fort­ geschrittenen Rottestadien konzentriert sich die mikrobiel­ le Aktivität auf den überwiegend oxidativen Abbau der hoch­ molekularen Zellulose (Abb. 1, Phase B) und auf den strikt oxidativen Abbau des Lignins (Abb. 1, Phase C). Zu diesem Zeitpunkt kann die Pufferkapazität des Kompostes durch stoffwechselbedingte Säuerungen nicht mehr beeinträchtigt werden.

Die Bildung und Anreicherung von Calciumcarbonat in Kom­ posten hängt davon ab, welche Calciumgehalte in den Kompo­ nenten des Ausgangsmaterials vorliegen. Häufig können auch anorganische Zuschlagstoffe zu hohen Konzentrationen füh­ ren. So wird zur Verfestigung von Klärschlamm Calciumoxid verwendet, das sich während des Kompostierungsprozesses in Calciumcarbonat umwandelt und eine hohe Pufferkapazität verursacht.

Hohe Calciumcarbonat-Mengen in Komposten können überall dort vorteilhaft sein, wo ein saures Milieu neutralisiert werden soll oder die Bodenverbesserung auf große Pufferka­ pazitäten angewiesen ist. Im gewerblichen Gartenbau, wo spezielle Pflanzenkultursubstrate eingesetzt werden, stößt die Verwendung konventioneller Komposte an Grenzen. Vor allem im Zierpflanzenbau werden überwiegend Fertigsubstrate verwendet, deren pH-Wert zwischen 5 und 6,5 liegt. Als Substratkomponente bieten sich hier nur Komposte an, deren pH-Stabilität um den Neutralpunkt (pH 7.0) durch die Zumi­ schung von Torf überwunden werden kann. Dies gelingt umso leichter, je weniger Calciumcarbonat im Kompost enthalten ist. Der Gehalt an Calciumcarbonat ist also ein Eignungs­ kriterium für bestimmte Verwendungszwecke.

Die WO 90/03350 beschreibt die Verwendung von elementarem Schwefel zur Ansäuerung alkalischer Böden. Die chemischen Umsetzungen spielen sich in den Horizonten des Oberbodens ab, also in Reaktionsräumen, die einer stöchiometrischen Vorausberechnung des Mengeneinsatzes und der gewünschten Wirkung nur schwer zugänglich sind, zumal Schwefel auch als Pflanzennährstoff eine Rolle spielt. Über Versuche zur pH- Absenkung in Containerpflanzsubstraten auf der Basis von Koniferenrinde berichtet T.M. Rathier in American Nursery­ man 1, 105-107, 1983. Ähnliche Versuche mit Torf und Klär­ schlammkompost als Pflanzenkultursubstratgemenge wurden von F.C. Gouin und C.B. Link durchgeführt (American Nurseryman 7, 71-79, 1982).

Alle Ergebnisse zeigen eine schwierige Handhabung des Schwefelzusatzes bei Substratgemengen, deren Komponenten unterschiedlicher Herkunft sind. Nachteilig für die Quali­ tät der Substratgemenge sind pH-Veränderungen bzw. pH-Rück­ stellungen, die schwer vorhersehbar sind, da die Einzelkom­ ponenten unterschiedlich ausgeprägte Puffersysteme besit­ zen. Sie können ein schwer einschätzbares Langzeitverhalten aufweisen, was im Hinblick auf die Ansprüche spezieller Pflanzenkulturen ein Risiko darstellt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Ver­ fahren zur Konditionierung von Komposten bereitzustellen, das Komposte mit einem stabilen pH-Wert im sauren Bereich liefert, so daß pH-Veränderungen bzw. pH-Rückstellungen vermieden werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Im Ergebnis wird beim erfindungsgemäßen Verfahren die Pufferkapazität eines Kompostes durch An­ säuern gebrochen, d. h. ihr die Grundlage genommen wenigstens aber herabgesetzt.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind ferner Sauerkom­ poste, die nach diesem Verfahren erhältlich sind.

Als Ausgangsmaterial werden zweckmäßig Komposte verwendet, die in einem pH-Wert im neutralen bis schwach alkalischen Bereich, beispielsweise im Bereich von ungefähr 7-8, gepuf­ fert sind. Um den mikrobiellen Stoffumsatz in Rottegemengen nicht durch drastische pH-Änderungen zu stören, setzt die Behandlung des Rottematerials vorzugsweise im Stadium der Nachrotte ein, wenn pH-Absenkungen den Milieuansprüchen der pilzlichen Mischflora entgegenkommen, (Abb. 1, Phase B oder C). Der Reifezustand des Kompostes spielt zu diesem Zeit­ punkt nur eine untergeordnete Rolle, so daß Komposte ver­ schiedener Reifegrade eingesetzt werden können.

Die Verminderung der Pufferkapazität (vgl. Römpps Chemie Lexikon, 8te Auflage, Bd. 5, S. 3399, Stichwort "Puffer") erfolgt durch eine Ansäuerung des Kompostes, wobei die Bildung von Calciumcar­ bonat im Kompost verhindert wird bzw. das vorhandene Calci­ um in Salze überführt wird, die unter den erreichten sauren pH-Werten keine Pufferwirkung mehr zeigen. Die Ansäuerung kann auf chemische und/oder auf mikrobiologischem Weg erfol­ gen, nämlich durch Zugabe von Säuren und/oder Substanzen, die im mikrobiellen Stoffwechsel Säuren bilden. Die Ansäuerung erfolgt zweckmäßig so, daß sich der pH- Wert auf einen Wert zwischen ungefähr 3-7 einstellt.

Als Säuren eignen sich insbesondere Mine­ ralsäuren, insbesondere Phosphorsäure und/oder Schwefelsäure, die zweckmäßig in verdünnter Form eingesetzt werden. Besonders bevorzugt wird Schwefelsäure eingesetzt.

Als säurebildende Substanz wird bevorzugt Schwefel in ele­ mentarer Form, insbesondere in Pulverform (Schwefelblüte), eingesetzt, wobei die Pufferkapazität des Kompostes über die mikrobielle Oxidation des Schwefels zu Sulfat abgebaut wird. Der elementare Schwefel kann trocken oder emulgiert zugesetzt werden.

Zur Bestimmung der zur Verminderung der Pufferkapazität erforderlichen Mengen an Säuren und/oder säurebildenden Substanzen, wird die Pufferkapazität für eine wirt­ schaftliche Anwendung zweckmäßig durch Titration mit Säuren bestimmt. Das Ergebnis ist die Grundlage der stöchiometri­ schen Berechnung.

Bei der Ansäuerung durch Zusatz von Mineralsäuren wird der Kompost beispielsweise während der maschinellen Umsetzung mit verdünnter Schwefelsäure geeigneter Herkunft in Mengen besprüht, die sich aus der stöchiometrischen Berechnung ab­ leiten lassen. Die Schwefelsäure setzt sich mit dem Cal­ ciumcarbonat unter Freisetzung von Kohlendioxid und Wasser zu Gips (CaSO₄) um. Im Gegensatz zu verdünnter Salzsäure, die zur Bildung von Calciumchlorid (CaCl₂) führt, ist Gips kein pflanzenwirksames Salz und belastet somit nicht den Kompost-Salzgehalt, der eine limitierende Größe für die Kompostverwendung im Gartenbau ist. In einer weiteren be­ sonderen Ausführungsform wird verdünnte Phosphorsäure ver­ wendet. Der Einsatz von Phosphorsäure führt zu einer Erhö­ hung der Phosphatgehalte und Phosphatverfügbarkeit, was unter bestimmten Umständen ebenfalls einen erwünschten Effekt darstellt.

Die Ansäuerung mit Mineralsäuren bietet sich an, wenn eine hohe Pufferkapazität abgeschwächt werden soll, ohne daß sich der ursprüngliche pH-Wert drastisch verändert. Auf diese Weise gelingt es beispielsweise, hohe Calciumcarbo­ natgehalte mit Schwefelsäure unter Gipsbildung zu neutrali­ sieren und das Verhalten solcher Komposte im Gemenge mit Torf positiv zu beeinflussen.

Die Verwendung säurebildender Substanzen, insbesondere von elementarem Schwefel, zielt darauf ab, über die mikrobielle Oxidation des Schwefels zu Sulfat die Pufferkapazität ab­ zubauen. Auch in diesem Falle ist das Endprodukt unlösli­ cher Gips. Auf der Basis stöchiometrischer Berechnungen kann eine stufenweise pH-Absenkung in etwa drei bis vier Wochen (Abb. 2 bis 5/Tabelle 1) erreicht werden.

Die Ansäuerung mit Mineralsäuren hat den Vorteil, daß der pH-Wert mit den stöchiometrisch angepaßten Aufwandmengen sehr rasch abgesenkt werden kann. Hierbei muß allerdings bedacht werden, daß in Abhängigkeit von der Zeit erhebliche pH-Rückstellungen erfolgen können, die eine Nachbehandlung erforderlich machen. Bei Verwendung von elementarem Schwe­ fel in Pulverform dauert es mehrere Wochen, bis der ge­ wünschte Ansäuerungsgrad erreicht ist.

Die Kombination beider Verfahren hat den Vorteil, daß die Ansäuerung hoch abgepufferter Komposte zügiger bewerkstel­ ligt werden kann, wenn die Beseitigung großer Calciumcar­ bonatinengen einleitend chemisch erfolgt. Da die Geschwin­ digkeit der mikrobiellen Oxidation elementaren Schwefels vom gleichzeitigen Angebot an geeigneter organischer Sub­ stanz abhängt, ist die geschilderte Vorgehensweise vor allem bei Reifkomposten angezeigt, die zu einem hohen Pro­ zentsatz aus schwer abbaubarem Dauerhumus bestehen.

Zur Erleichterung der Applikation von Mineralsäuren und elementarem Schwefel kann die Kompostansäuerung auch in Kombination mit organischen und anorganischen Trägermate­ rialien erfolgen. Hierzu eignen sich z. B. Ton, Sande, Vermiculite, Perlite, Kieselgur und biogene Zuschlagsstof­ fe.

Obwohl schwefeloxydierende Mikroorganismenarten in Böden immer vorhanden sind, ist ihre Anwesenheit in Rottemateria­ lien sicherzustellen. In einer vorteilhaften Ausführungs­ form werden dem Kompost daher zur Herstellung von stabilen Sauerkomposten schwefeloxidierende Mikroorganismenfloren zugesetzt. Die Toleranz gegenüber niedrigen pH-Werten ist bei den einzelnen Arten unterschiedlich ausgeprägt. Bevor­ zugt wird die Anzucht und Einimpfung von Arten, die spe­ zielle Stoffumsatzleistungen erbringen. Besonders bevorzugt wird Thiobacillus thiooxidans eingesetzt, dem die Fähigkeit zugeschrieben wird, große Mengen Schwefelsäure zu produzie­ ren und an einen niedrigen pH-Wert angepaßt zu sein.

Die Kompostansäuerung kann auch in Kombination mit der Zufuhr an organischer Substanz, Nähr- und Wirkstoffen er­ folgen. Unter anaeroben Bedingungen ist der Abbau nieder­ molekularer, leicht verwertbarer organischer Substanz in Gegenwart von Sulfat bzw. elementarem Schwefel mit der Bildung von Schwefelwasserstoff verknüpft. Um diesen Reduk­ tionsprozeß weitestgehend zu unterbinden, wird das Rottege­ menge vorzugsweise in einem fortgeschrittenen Rottestadium behandelt, wenn der Stoffabbau an den oxidativen Stoffwech­ sel geknüpft ist. In diesem Fall wird zweckmäßig auch für ein ausreichendes Sauerstoffangebot gesorgt.

Die Schwefeloxidation ist für einige der beteiligten Mi­ kroorganismenarten an das Vorhandensein geeigneter organi­ scher Substanz geknüpft (s.d.H.G. Schlegel: Allgemeine Mikrobiologie, S. 383, 385ff, 589, Thieme-Verlag 1981, ISBN 3 13 444605 7). Eine angepaßte Zufuhr zusammen mit dem elementaren Schwefel kann den Oxidationsprozeß beschleuni­ gen. Gleiches gilt für die pH-Regulation in stickstoffarmen Gemengen, wo die Applikation von Nähr- und Wirkstoffen den mikrobiellen Stoffumsatz generell erhöht.

In Gegenwart anorganischer und organischer Schadstoffkon­ taminationen kann die Schwefelreduktion mit der Schwefel­ oxidation verfahrenstechnisch sinnvoll verknüpft werden. Die Ansäuerung von Komposten führt zur verstärkten Freiset­ zung und Bioverfügbarkeit von Schwermetallionen. Durch die Vorschaltung einer anaeroben Phase in einem frühen Rotte­ stadium läßt sich die Schwefelwasserstoffbildung dazu be­ nutzen, Schwermetallionen in die sulfidische Bindung zu überführen. Diese wasserunlöslichen Verbindungen haben später unter sauren Milieubedingungen eine geringere Lös­ lichkeit als die ursprünglichen Salze.

Die Vorschaltung einer anaeroben Phase hat nur dann Erfolg, wenn ausreichend organische Substanz verfügbar ist oder zusätzlich zur Verfügung gestellt wird. Grundsätzlich ist auch die Nachbehandlung von Reifkomposten möglich, wenn auf der Basis des Schwermetallgehaltes die Zufuhr an organi­ scher Substanz und Schwefelblüte stöchiometrisch aufein­ ander abgestimmt wird.

Die Kompostansäuerung kann auch als Maßnahme der Ammoniak­ umwandlung in der Intensivrotte erfolgen. Biogene Rest­ stoffgemenge setzen sich aus kohlen- und stickstoffhaltigen Komponenten zusammen. Da Stickstoff aus der organischen Bindung durch die Ammonifikation rasch freigesetzt wird und sehr häufig adäquate Kohlenstoffverbindungen für Re-Assimi­ lationsprozesse (z. B. Festlegung der Biomasse) nicht zur Verfügung stehen, treten bei pH-Werten < 7.0 hohe Ammoniak­ verluste auf. Durch Zusatz von elementarem Schwefel kann der pH-Wert behutsam auf Werte um 6.0 abgesenkt werden. Das Ammoniak liegt dann als Ammoniumsalz vor und bleibt im Rottematerial erhalten. Über ausgefeilte Rezepturen für die Zusammensetzung der Reststoffausgangsgemenge können stick­ stoffreiche Komposte für Düngezwecke hergestellt werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich stabile Sauerkomposte erhalten, d. h. Komposte, bei denen keine we­ sentlichen pH-Veränderungen oder pH-Rückstellungen erfol­ gen. Diese Sauerkomposte finden auf den verschiedensten Gebieten Verwendung. So können die Sauerkomposte Torf in vielen Bereichen der gewerblichen und privaten Bodenpflege, z. B. Bodenverbesserung bei Kalkböden, und bei vielen pflan­ zenbaulichen Maßnahmen, z. B. bei der Ansiedelung acidophi­ ler Pflanzengesellschaften und der Bekämpfung des acidopho­ ben Kartoffelschorfs in Böden, ersetzen. Sie können den Torfferner in Gemengen, die aus organischen und anorgani­ schen Komponenten bestehen, als Mittel der pH-Wert-Korrek­ tur ersetzen.

Die Sauerkomposte können über die abgestufte Pufferkapazi­ tät in einem pflanzenbaulich relevanten pH-Bereich allein oder im Gemisch mit konventionell hergestellten Komposten für Pflanzenkultursubstrate und Fertigerden verwendet wer­ den, die einen bestimmten pH-Wert für spezielle Pflanzen­ kulturen besitzen müssen. Sie können anstelle von Torf allein oder im Gemenge mit Boden den Bodenaustrag in Baum­ schulen ersetzen, die ein saures Milieu, z. B. für die An­ zucht von Rhododendren, benötigen. Im Speisepilzanbau kön­ nen sie allein oder als Zuschlag für die Deckerdeherstel­ lung verwendet werden.

Sauerkomposte können mit Bodenaushub und Mutterboden mit und ohne Stützkorn oder Zuschlagsstoffen, z. B. Strukturma­ terial (Holzschreddergut, Hackschnitzel) zu Bodenverbes­ serungsmitteln aufbereitet werden. Sie können in Verfahren der Bodensanierung integriert werden, indem sie alkalische pH-Werte, beispielsweise von < 10, in einen Bereich absen­ ken, der den mikrobiellen Stoffumsatz begünstigt oder über­ haupt erst ermöglicht.

Das Prinzip der Sauerkompostherstellung kann außerdem dazu benutzt werden, hohe Ausgangs-pH-Werte in Rottegemengen soweit abzusenken, daß Problemkomponenten, z. B. CaO-behan­ delter Klärschlamm, der Verrottung zugänglich gemacht wer­ den. Ferner können Reststoffgemenge während früher Stadien des Rotteprozesses aus dem alkalischen Bereich in ein leicht saures Milieu überführt werden.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß der Zusatz von Schwefel bei der Kompostie­ rung biogener Reststoffe und/oder bei der Nachbereitung von Komposten, die als uniformes Material in Gestalt von Dau­ erhumus vorliegen, die Oxidation des Schwefels in die Kom­ plexität des mikrobiellen Stoffumsatzprozesses einbezieht. Auf diese Weise wird die pH-Konditionierung des Kompostes in das Eigenschaftsprofil des Produktes integriert und nicht nachträglich aufgesattelt.

Tabelle 1 gibt erfindungsgemäße Rezepturen der Konditionie­ rung von vier unterschiedlichen Komposten zu stabilen Sau­ erkomposten mit unterschiedlichen pH-Werten wieder.

Die Ausgangskomposte sind jeweils frische und reife Bio­ abfall- oder Klärschlammkomposte mit unterschiedlichen (Ausgangs-)pH-Werten. Diese werden jeweils mit einer ersten Zugabe von Schwefelblüte in mindestens stöchiometrischer Menge (kg S/t Kompost) auf den gewünschten pH-Wert kondi­ tioniert. Die Tabelle zeigt die sich tatsächlich einstel­ lenden pH-Werte nach 6 Wochen nach der Schwefelzugabe. Offenbar stimmen die IST- und SOLL-pH-Werte recht gut über­ ein.

Mit der 2. Schwefelzugabe nach Ablauf der 6. bzw. bei Be­ ginn der 7. Woche und einer 3. Schwefelzugabe nach Ablauf der 13. bzw. bei Beginn der 14. Woche wurde der pH-Wert weiter abgesenkt, wenngleich geringfügiger als beim ersten Mal. Die tatsächlichen pH-Werte nach 16 Wochen ergeben sich aus der Spalte "pH n. 3 Wo.".

Die Graphen der Abb. 2 veranschaulichen den Verlauf des pH-Wertes über einen Zeitraum von 80 Tagen nach einer einmaligen Schwefelzugabe zu frischen und alten Bioabfall- und Klärschlammkomposten. Dabei wurde jeweils ein pH-Wert von 5 angestrebt und erreicht.

Die Abb. 3 stellt eine Fortsetzung der Abb. 2 auf der Zeit­ achse dar, geht also von den End-pH-Werten der Abb. 2 aus, strebt über eine 2. Schwefelzugabe einen pH-Wert von 4 an, erreicht diesen nach etwa 20 Tagen und hält ihn dann.

Die Graphen der Abb. 4 und 5 veranschaulichen die pH-Wert- Entwicklung in frischen und alten Bio- und Klärschlammkom­ posten nach jeweils 3 Schwefelzugaben.

Tabelle 1

Zugabe von elementaren Schwefel zu Bioabfall- und Klärschlamm­ komposten mit dem Ziel einer definierten pH-Absenkung

Claims (9)

1. Verfahren zur Konditionierung von Kompost, dadurch gekennzeichnet, daß die Pufferkapazität des Kompostes durch Zugabe von Säuren und/oder von im mikrobiellen Stoffwechsel säurenbildenden Substanzen reduziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Säuren Mineralsäuren, insbesondere Schwefelsäure und/oder Phosphorsäure, eingesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als säurebildende Substanz Schwefel, insbesondere Schwefelblüte, eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß dem Kompost schwefeloxidierende Mikroorganismen, ins­ besondere Thiobacillus thiooxidans, zugesetzt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Säure- und Schwefelzugabe in Mischung mit Trägermaterialien erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz von Schwefel eine anaerobe Behandlung des Kompostes vorgeschaltet ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz von Schwefel eine anaerobe Behandlung des Kompostes nachgeschaltet ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die anaerobe Behandlung unter erneuter Zugabe von Schwefel erfolgt.

9. Sauerkompost, erhältlich nach einem der Ansprüche 1 bis 8.