FG Geopedologie und Landschaftsentwicklung
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The provision of nutrients and organic matter to arable soils is critical to facilitate an intensive agriculture and secure long-term soil functionality. Municipal organic waste (MOW) is rich in nutrients and organic matter and its recycling onto agricultural lands presents a promising alternative to conventional fertilizers. In comparison to common aerobic treatment, the application of the biogas technology enables the recovery of both energy and soil amendments. The introduction of a mandatory separate collection in Germany in 2015 reflects the political will to increase MOW recovery rates and facilitates its utilization as feedstock in biogas plants. However, MOW is a challenging feedstock as its composition varies and it is often contaminated with impurities such as plastics and metals. The two-stage anaerobic digestion process with dry fermentation is very robust and offers possibilities for process control so that no extensive MOW pretreatment is required. To close nutrient circles, remaining digestates shall be processed to soil amendments, which can be redistributed to arable land. However, less is known about digestate properties from two-stage digestion of MOW and how they are influenced during the treatment process. Furthermore, only scarce information on nutrient recovery rates and the accumulation of elements during processing is available. Therefore, this thesis investigates the development of digestate properties during anaerobic and subsequent aerobic treatment at laboratory and semi-industrial scale. During a first experiment, changes in nutrient and heavy metal concentration in the solid digestate were monitored during anaerobic treatment of MOW in a two-stage laboratory biogas plant. A second investigation related amendment properties of MOW digestate of one origin to different post-treatment procedures. The impact of drying, composting and sieving on final digestate properties and specifically nutrient availability and heavy metal and carbon elution was evaluated. A third experimental approach investigated total material and substance flows during treatment of source-separated MOW in a semi-industrial scale two-stage biogas plant and subsequent digestate composting including impurities removal.
Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen sollten zeigen, ob das Verfahren der Mikrobiellen Carbonisierung ein alternatives Behandlungsverfahren zur Anhebung der Kohlenstoff- und Nährstoffgehalte von Kompost ist und sich Emissionen einsparen lassen. Hierzu wurde das Verfahren der Mikrobiellen Carbonisierung einer offenen Kompostierung in verschiedenen Versuchsreihen gegenübergestellt, in denen neben Prozessbedingungen auch die Substrateigenschaften untersucht wurden.
Die Untersuchungen zeigen, dass die Endsubstrate der Mikrobiellen Carbonisierung eine hohe Kohlenstoffeffizienz aufweisen. Die höheren Kohlenstoffgehalte der MC-Komposte im Vergleich zu konventionellen Komposten gehen mit einem höheren Wasserhaltevermögen einher, das insbesondere in niederschlagsarmen Regionen bei der Kompostanwendung vorteilhaft sein kann. In Bezug zu den übrigen Nährstoffen, konnten keine signifikant höheren Konzentrationen in den MC-Komposten im Vergleich zu den konventionell erzeugten Komposten festgestellt werden.
Darüber hinaus sollte im Rahmen der Arbeit die Frage beantwortet werden, ob mikrobiell karbonisierte Komposte gütegesichert sind und einen Beitrag zur Steigerung von Erträgen leisten können. Die Untersuchungen zeigen, dass die Schwermetallgrenzwerte insbesondere bei den MC-Komposten sowohl die Bioabfallverordnung, als auch die Düngemittel-verordnung nahezu immer einhalten. Hinsichtlich der Seuchen- und Phytohygiene sind die MC-Substrate nach einer achtwöchigen Behandlung als unbedenklich anzusehen und halten die Vorgaben der Bioabfallverordnung bezüglich der Prüfkriterien und Indikatororganismen ein. Präventiv wird jedoch eine zwölfwöchige Behandlung empfohlen, da die physikalischen Hygienisierungsfaktoren der Bioabfallverordnung, im speziellen die Temperaturführung, nicht eingehalten werden. Dies ist im Wesentlichen auf die mesophilen Prozessbedingungen bei der Mikrobiellen Carbonisierung zurückzuführen. Durch eine Sondergenehmigung des Verfahrens ist jedoch eine Marktfähigkeit gegeben.
Die durchgeführten Versuchsreihen zeigen überdies, dass die Emissionen bei der Mikrobiellen Carbonisierung im Vergleich zur offenen Kompostierung signifikant geringer sind. Dies kann auf den geringeren Mineralisierungsgrad der MC-Komposte zurückgeführt werden, da bei der Mikrobiellen Carbonisierung im Gegensatz zur Kompostierung keine aktive Belüftung oder mechanische Umsetzung der Substrate stattfindet.
Des Weiteren ist der technische und apparative Aufwand bei der Mikrobiellen Carbonisierung geringer als bei der offenen Kompostierung. Dies führt dazu, dass die Mikrobielle Carbonisierung in ökonomischen Aspekten anderen am Markt verfügbaren Technologien überlegen ist.