Die Reduktion der NH3-Emission - Lösung für die Landwirtschaft

Allgemeine Ausgangslage Güllethematik

 

Gülle ist in der Öffentlichkeit ein agrar-ökonomisches Reizwort, das letztlich in der Europäischen Gesetzgebung seinen Niederschlag gefunden hat.

Hofeigener Wirtschaftsdünger wie Gülle oder Mist war bis zur kommerziellen Umsetzung des Haber-Bosch-Verfahrens zur synthetischen Gewinnung von Stickstoff (Anfang des 20. Jahrhunderts) die wichtigste Quelle von Stickstoff für die Düngung der Felder. Gülle war positiv belegt. Auf Grund der voranschreitenden Industrialisierung der Landwirtschaft im Bereich Tierhaltung und Anbau, ist eine Veränderung eingetreten:

Ø  Durch die Veränderung der Futterzusammensetzung hin zu höher konzentriertem Proteinfutter hat sich der Anteil an NH³ in der Gülle erhöht (Protein, das nicht verdaut wird, zerfällt in Stickstoffkomponenten).

Ø  Durch die Massentierhaltung fallen immer größere Mengen an Gülle auf immer kleinerem Raum an und werden auf begrenzten Flächen ausgebracht. Das Resultat im Zusammenhang mit Überdüngung durch synthetisch hergestellten und natürlichen Stickstoff ist eine Nitrat-Belastung der Böden und des Grundwassers. Es wurde die Gülle zum hauptverantwortlichen Faktor deklariert und damit negativ besetzt.

Ø  Weil die Gülle von Tieren mit schlechter Pansen-Fermentation reich an Stickstoff, relativ kohlenstoffarm und emissionsreich ist, neigt sie dazu eine Schwimmschicht, Schaumschicht oder Gasschicht an der Oberfläche zu bilden. Der Teil der Gülle, der sich unter dieser Schicht befindet, fault dann und bildet viele Giftstoffe. Auch die stark angestiegene Verabreichung von Medikamenten, Desinfektionsmitteln aus Fußbädern oder Spülwasser aus der Milchmaschine lässt die Gülle zu einem teilweise toxischen Produkt werden.  Unbehandelt ist sie keine gute Nahrung für das Bodenleben.

Heute beginnt sich das Bild zu wandeln. Gülle wird immer mehr als preiswerte, umweltverträgliche Alternative zur Düngung mit synthetischem Stickstoff gesehen. Ihre Verwendung kommt dem Anspruch an eine nachhaltige Landwirtschaft entgegen.

Daneben haben sich neue Technologien entwickelt, die Hightech mit einer der Natur angepassten Landwirtschaft verbinden und diese unterstützen. Und dadurch wird Gülle zu einem hocheffektiven Produkt, das Stickstoff in sich binden kann. Zusammen mit anderen Stoffen  und zugeführten Produkten wie Silicium  und anderen Spurenelementen, wird die Gülle ein Komplex-Dünger bzw. Hilfsstoff zu niedrigen Herstellkosten. Zudem können so die verschiedenen für den Boden notwendigen Komponenten gemeinsam ausgebracht werden und die Preiserhöhung der Stickstoffkomponenten aufgrund höherer Energiepreise kann zumindest teilweise abgefedert werden.

Es setzt sich allmählich auch bei den Fachleuten durch, dass man hier auch aus der Not eine Tugend machen kann:

Herstellung eines qualitativ hochwertigen Düngers, bei dem die NH³-Emmission stark reduziert werden kann.

Aufbereitete Gülle schließt mit ihrem hohen Gehalt an naturnah umgesetzten und gebundenen Nährstoffen, dem geringeren NH³-Gehalt, sowie den daran beteiligten Mikroorganismen den Biokreislauf mit höchster bodenökologischer Wirksamkeit.

Durch die Güllebehandlung verbessert sich zudem die Fließfähigkeit der Gülle, was bei allen Gülleausbringungen und in den Güllekanälen von Vorteil ist. Nicht zuletzt, die zu erzielende Geruchsreduzierung bei der Ausbringung. Ein großes Plus für die Bevölkerung, für die Landwirte und für die Umwelt.

Generell ist der Biokreislauf bei der Gülleproduktion zu beachten. Die „Vor- und Nachsorge“ durch:

• Tierversorgung mit naturnahen präbiotischen Stoffen und probiotischen Mikroorganismen zur Sicherung der Tiergesundheit
• Stallhygiene mit geeigneten Mitteln (z. B. Vernebeln von Fermenten, Konditionierung der Einstreu)
• Gülleaufbereitung mit Naturprodukten bei geeigneten Lagerbedingungen für einen Hochleistungs-Biowirtschaftsdünger

Dadurch ergibt sich ein gesunder Boden sowie gesunde Pflanzen, womit wir wieder beim Ausgangspunkt des Kreislaufes landen.

 

 

Aktuelle Gülle-Situation im Detail

 

Rund 95% der Ammoniak-Emissionen (NH³-Emissionen) in Deutschland stammen aus der Landwirtschaft (Umweltbundesamt-UBA 2020). Diese Emissionen müssen laut NEC-Richtlinie (Richtlinie über nationale Emissionshöchstmengen für bestimmte Luftschadstoffe) in Deutschland bis 2030 um mindestens 29% im Vergleich zu 2005 gesenkt werden (UBA 2020).

Vor allem im Umgang mit organischen Düngemitteln, wie z. B. der Gülle, werden in der Düngeverordnung (DüV) Verschärfungen zur Reduktion von Ammoniak-Emissionen vorgeschrieben. Hierbei sind landwirtschaftliche Betriebe verpflichtet, flüssigen Wirtschaftsdünger, mit wesentlichem Gehalt an verfügbarem Stickstoff oder Ammoniumstickstoff, im Falle von bestelltem Ackerland nur noch streifenförmig auf den Boden aufzubringen oder direkt in den Boden einzubringen (DüV, vom 28.04.2020). Aufgrund schlechter Erfahrungen durch Futterverschmutzung und der hohen finanziellen Belastung für den landwirtschaftlichen Betrieb, herrschen bei den Landwirten und Landwirtinnen große Bedenken bei der Umsetzung der bodennahen und streifenförmigen Ausbringverpflichtung (IG gesunde Gülle 2019).

Zusätzlich reichen laut dem UBA (2020) die Maßnahmen der bodennahen Ausbringtechnik nicht aus, um die Grenzwerte zu unterschreiten. So ist laut NEC-Richtlinie eine Obergrenze von 431 Kilotonnen Ammoniak-Emissionen (ab 2030) einzuhalten (Thünen-Institut). Der bisher einzige in der DüV anerkannte Ansatz zur Reduktion der NH³-Emissionen am Ende der Verfahrenskette durch bodennahe Ausbringung begrenzt die Möglichkeiten der Reduktion. Aus bisherigen Untersuchungen kann darauf geschlossen werden, dass die Nutzung des Kaskadeneffektes durch z. B. das Haltungssystem, einer angepassten Fütterung oder einer Behandlung mit Zusatzstoffen zu einer deutlich effektiveren Reduktion im Vergleich zu der alleinigen Maßnahme einer bodennahen Ausbringung führen kann.

Diese Reduktionsmöglichkeiten, welche zu Beginn der Verfahrenskette wirken, werden zwar in der DüV in Paragraph 6 Absatz 3 ausdrücklich erwähnt, jedoch wegen fehlender wissenschaftlich-tragfähiger Nachweise bezüglich deren Wirksamkeit zur Reduktion der NH³-Emissionen, nicht als Alternative zur bodennahen Ausbringung akzeptiert (Müller und Aures 2020).

Dieser Stand des Wissens führte zur Entwicklung des hier angewendeten Mess- und Prüfverfahrens.

Die Umsetzung erfolgte ab Januar 2019 mit und durch die IG gesunde Gülle. In Zusammenarbeit mit dem Landeslabor in Kassel unter der Leitung von Dr. Harald Schaaf wurde der Grundstein für dieses Mess- und Prüfverfahren gelegt. Die Weiterentwicklung der Methode fand in einem eigens dafür eingerichteten Labor in Hebertsfelden statt, welches Ingrid Bauer aus Hebertsfelden zur Verfügung gestellt und die Entwicklung vorangetrieben hat. Finanziert wurde das Projekt aus privaten Zuwendungen von Landwirten und weiteren engagierten Menschen, Firmen und Organisationen. Jens Keim und Ingrid Bauer nutzen viele fachliche und professionelle Unterstützungen im Hintergrund, was das ganze Projekt zum Erfolg geführt hat.

Entwickelt wurde eine professionelle Prüf-Messmethode, bestehend aus dem NH³-Emissonsprüfgefäß, einer Kalibrierungsflüssigkeit und einem Protokoll. Die Entwicklung der Kalibrierungsflüssigkeit wurde auf Grund vieler Einzelversuchen nach der Methode „Trial-and-Error“ durchgeführt.

Die Funktionalität und Eignung dieser Prüf- und Messmethode wurde im Auftrag der IG gesunde Gülle von der DLG mit dem Prüfbericht 2012-0032 bestätigt.

Die Firma Extox stellte einen dafür eigens entwickelten „Roten Koffer“ zur Verfügung, womit man die Messergebnisse aufzeichnen kann. Die Messung von Ammoniak-Emissionen von organischen Wirtschaftsdüngern aus Probengefäßen unter definierten Rahmen- und Laborbedingungen kann als Grundlage für die Untersuchung der Wirksamkeiten verschiedener Reduktionsmaßnahmen auf einzelbetrieblicher Ebene dienen und zur ergebnisorientierten und belegbaren Senkung der Ammoniak-Emissionen in der Landwirtschaft führen. Des Weiteren wird durch die Entwicklung eines Referenzwertes die Vergleichbarkeit zwischen den Messergebnissen möglich. Die Anerkennung als wissenschaftliche Methode ist durch die Entwicklung eines standardisierbaren Mess- und Prüfverfahrens gegeben.

Primäres Ziel ist die Etablierung einer messtechnikunabhängigen, bzw. mit nahezu jeder Messtechnik kompatiblen, wissenschaftlich anerkannten Methode zur verifizier-, wiederhol- und vergleichbaren Bestimmung von Ammoniak-Emissionen (z. B. Gülle) in Gefäßen unter definierbaren Laborbedingungen.  Die Methodik der Ammoniakemissionsmessung ist komplex. Von LfL und TU (Technische Universität) München wurde der IG gesunde Gülle angeboten, bei Vorlage einer detaillierten Methodenbeschreibung im Sinne des VERA-Protokolls ein internationales Review der Methodik zu organisieren.“ (Müller und Aures 2020)

 

Beschreibung des einfachen und anerkannten Mess- und Prüfverfahrens „Roter Koffer“ im Überblick:

• kalibrierbare Messtechnik mit definierten Toleranzen
• nachbaufähiges Emissionsprüfgefäß zur verifizierbaren Entnahme von Emissionen
• definierte Luftgeschwindigkeit
• wiederholbare und standardisierbare Methodik mit definierten Rahmenbedingungen,
• Faktoren und deren Parametern sowie eine genau beschriebene Vorgehensweise

 

2. Untersuchung der Wirkung mineralische Güllezusätze (tribomechanisch aktiviert) auf die Reduktion der NH³-Emission

 

2.1    Hypothese der Untersuchung

Durch das „Beimischen“ von Güllezusätzen basierend auf einem Produktmix verschiedener Tonmineralien, die tribomechanisch aktiviert* worden sind, wird die NH³-Emission signifikant gesenkt.

*Tribomechanische Aktivierung (Pulverisierungsverfahren):

Die tribomechanische Aktivierung ist ein spezielles Mikronisierungsverfahren, bei dem die Rohstoffe nicht zerquetscht, sondern zerrieben werden. Die Partikel werden durch Zentrifugalkräfte sehr stark beschleunigt. Durch eine technische Umleitung der Bewegungsrichtung kollidieren sie miteinander und zerkleinern sich damit selbst. Dadurch gibt es keinen Abrieb (wie bei Kugelmühlen), das Material bekommt eine hohe Grundenergie und behält seine Reinheit. D.h. dieses Verfahren hat keine Auswirkung auf die chemische Zusammensetzung des Rohstoffs, im Gegenteil - die Kristallgitter bleiben bestehen und werden nicht zerbrochen. Die elektrostatische Ladung, die Teilchenoberfläche und die Ionenaustauschkapazität erfahren eine Optimierung. Die gesamte Oberfläche der Partikel wird stark vergrößert und erhöht damit die Reaktionsgeschwindigkeit bzw. -fähigkeit der physikalischen und elektrolytischen Prozesse.

 

2.2    Messmethode: „Ammoniak-Emissions-Potential mit dem Roten Koffer“ nach der Methode der IG-Gesunde Gülle

Bei der verwendeten Messtechnik, „Roter Koffer“ handelt es sich um ein probenansaugendes System unter Verwendung eines elektrochemischen NH³-Sensors. Die Ammoniak-Konzentration lässt sich mit dieser Technik in Echtzeit messen. Die Steuerung und die Visualisierung erfolgen über den PC. Eine automatische Dokumentation der Messung wie auch die Protokollerstellung erfolgt u. a. im PDF-Format. Der ermittelte NH³-Messwert (ppm) beruht auf dem Durchschnitt der 60 Einzelmessungen der letzten Messminute. Neben den Sensoren zur NH³-Messung kann gleichzeitig die Temperatur des Messgutes und der Zuluft (°C), sowie der Volumenstrom (l/h), der Luftdruck (hPa), die relative Luftfeuchtigkeit (%) sekündlich miterfasst und elektronisch dokumentiert werden.

Siehe wissenschaftliche Arbeit von Anna-Maria Bissinger, Kapitel 5.2.-5.3.

„Messmethode zur Bestimmung aktueller Ammoniakemissionen verschiedener Substrate auf wissenschaftlich-tragfähiger und verifizierbarer NH³-Emissionsermittlung mit permanenter Systemkalibrierung“ II./3 Literaturrecherche und Problemstellung

Am Ende der Untersuchungen erhält man ein sogenanntes NH³-Emissionsprotokoll. Das NH³-Emissionsprotokoll stellt die Grundlage dieses Mess- und Prüfverfahrens dar. Es beschreibt die genaue standardisierte Vorgehensweise und beinhaltet alle definierten Parameter und Bauteile. Die Faktoren wie Raum- und Rahmenbedingungen, welche zum größten Teil bereits erwähnt wurden, sind dort festgelegt und definiert. Bei der Verwendung von NH³-Stable-Mobile werden die unterstrichenen Parameter selbstständig erfasst und dokumentiert. Werden andere Messtechniken verwendet, müssen die Werte durch geprüfte Geräte miterfasst werden. Folgender Auszug der Parameter muss dokumentiert und eingehalten werden:

• Raum-Temperatur
• Raum-Feuchtigkeit
• Luftdruck
• Gemessener Volumenstrom
• pH-Wert der Substanz
• Typ und Bezeichnung der Messtechnik
• Leermessung
• Erst-Kalibrierung bzw. Kalibrierungsmessung vor jeder Messreihe

Diese Dokumentation ist ein wichtiger Bestandteil, um die Einhaltung der definierten Parameter zu belegen, nachzuvollziehen und die Vergleichbarkeit der Mess-Ergebnisse sicherzustellen. Das NH³-Emissionsprotokoll muss jedem Proben-Messergebnis beigefügt werden.

 

2.3    Versuchsaufbau und Durchführung von Fassversuchen mit Güllezusätzen

Grundvoraussetzung: Verwendung der „passenden Gülle“:

• Homogenisierung durch Aufrühren vor der Entnahme
• unbehandelt
• pH-Wert größer 7
• Ausgangswert Wert in ppm zwischen 40 und 80 AEP (Ammoniak-Emissions-Potential)
• Temperatur: gleichbleibend bei max. 12°C während des gesamten Versuchs
• keine Sonneneinstrahlung auf den Fässern, das verfälscht die Ergebnisse
• Gleichzeitiges Messen weiterer Parameter wie Ammonium, Ges. Stickstoff, C/N-Verhältnis, etc.

 

2.3.1 Unterschiedliche Rezepturen

Rezepturen von Güllezusätzen auf rein mineralischer Basis und tribomechanisch aktiviert der Marken KALKMEISTER und STEINKRAFT wurden getestet. Die Mischungsverhältnisse waren in jeder Rezeptur unterschiedlich.

Rezeptur Nr. 1

Rezeptur Nr. 2

Rezeptur Nr. 3

Rezeptur Nr. 4

Die Gülle wurde jeweils in 60 Liter Fässer abgefüllt. Pro Fass wurden 50 Liter Gülle eingefüllt.

 

2.3.2 Versuchsaufbau

Ø  1 Kontrollfass unbehandelte Gülle und 1 Güllefass mit dem jeweiligen Güllezusatz
Ø  Das Mischverhältnis entsprach 15kg Güllezusatz pro m³ Gülle. Auf dieser Basis wurde der jeweilige Güllezusatz in die Fässer eingerührt.
Ø  Die Güllefässer standen an einem Ort, wo die Temperatur immer gleichbleibend (max. 12 Grad Celsius) war und sie auch keiner Sonnenstrahlung ausgesetzt waren.

0-Messung: Alle vorhandenen unbehandelten homogenisierten Fässer wurden vor der Behandlung durchgemessen. Damit wurde die Gleichheit der vorhandenen Güllen bestätigt.

1. Messung: nach 30 Stunden

2. Messung: nach 10 Tagen

3. Messung: nach 14 Tagen

Alle Fässer wurden vor jeder Messung und vor Abnahme der Gülle kurz aufgerührt. Jede Messung wurde zweimal durchgeführt, um die Richtigkeit der Ergebnisse zu bestätigen. Sollte eine Messung abweichen, wurde noch mal eine Wiederholungsmessung durchgeführt.

Für die statistische Auswertung wurde der Mittelwert herangezogen.

Die Temperatur der Gülle bei der Messung hat immer 20 (+/-0,5) Grad Celsius (erwärmt in Mikrowelle oder Wasserbad) betragen. Das unbehandelte Fass wurde als Kontrollmessung bei jeder Messung mit erhoben.

 

3. Ergebnisse

 

3.1. Tabellarische Darstellung der Ergebnisse

3.2. Grafische Darstellung der Ergebnisse

3.3 Verbale Beschreibung der Ergebnisse

Die aktuelle Untersuchung hat gezeigt, dass alle getesteten Güllezusätze eine hohe NH³-Bindung erreichen. Zwei der vier untersuchten Rezepturen schneiden hier im Langzeit-Versuch (nach 14 Tagen) mit einer NH³-Bindung von 33,63% bis 36,91% besonders gut ab. Reduktionen von >30% sind generell als außergewöhnlich zu bezeichnen. Zu bemerken ist das bei gleichem ph-Wert eine Senkung des AEPs festgestellt wurde.  Zudem ist die Gülle im gesamten Untersuchungszeitraum sehr homogen gewesen und war mit hoher Fließfähigkeit ausgestattet. Dass die Zusätze darüber hinaus die organischen Nährstoffe der Gülle binden, sei an dieser Stelle noch positiv erwähnt.

Wie bei vorherigen Untersuchungen herausgefunden, bestätigt sich auch bei dieser Studie, dass die Zusätze relativ schnell reagieren. Schon nach 30 Stunden sind NH³-Bindungen von 9,96% bis 25,03% zu verzeichnen. Das Maximum der NH³-Bindung ist jedoch nach 14 Tagen zu beobachten. .

Um die dargestellten Ergebnisse besser einzuordnen, ist festzuhalten, dass eine Reduktion des NH³-Wertes von ca.

Ø  20% = als gutes Ergebnis zu bezeichnen ist

Ø  30% und mehr = ein außergewöhnliches Ergebnis ist

In den Untersuchungen haben alle Mischungen positiv reagiert. Vor allem zwei Mischungen haben sich im Langzeit-Versuch in Bezug auf die NH³-Bindung als besonders reaktiv und damit effektiv herausgestellt:

Ø  Rezeptur Nr. 1: KALKMEISTER N-Fix / STEINKRAFT Güllekraft N-Fix
Ø  Rezeptur Nr. 2: STEINKRAFT Güllekraft N-Fix Humin

Bei beiden Rezepturen konnten in allen Untersuchungszeiträumen signifikante NH³-Reduktionen in der Spitze von bis zu >30% festgestellt werden. Wobei der Höchstwert nach ca. 14 Tagen gemessen wurde.

 

4.      Fazit

Hier wurden Güllezusätze getestet, die allesamt einen sehr guten bis außergewöhnlichen Beitrag zur Reduktion von NH³, durch Fixierung der Ausgasung aus der Gülle, leisten. Damit geht einher, dass die Verursachung von NH³-Emissionen durch die Gülleausbringung, um bis zu 30% und darüber hinaus reduziert werden konnte. Der Luftschadstoff wird somit deutlich reduziert.

Zwei Produkte haben in der Untersuchung besonders überzeugt:

-        KALKMEISTER N-Fix / STEINKRAFT Güllekraft N-Fix

-        STEINKRAFT Güllekraft N-Fix Humin

Das Einmischen von mineralischen Zusätzen vor Aufbringung der Gülle hat dabei für die Landwirtschaft weitere Vorteile:

1. Ausbringung von Gülle erfolgt mit der Ausbringung von zusätzlich nötigen Nährstoffen und Spurenelementen (= 1 Arbeitsgang).
2. Die Geruchsbelastung der Umgebung wird sehr stark reduziert
3. Aufbereitete Gülle enthält weniger Salze, wirkt nicht ätzend auf die Pflanzen, was bei Ausbringung auf das Grünland besonders wertvoll ist.
4. Güllewürste bei Schleppschuh werden besser umgesetzt bei aufbereiteter Gülle und verursachen, somit weniger Verschmutzung im Futter.
5. Die Futterverbesserung für Weidehaltung in Bezug auf Menge an Gras und Qualität ist signifikant.
6. Aufbereitete Gülle hat weniger Fäulnisstoffe. Alles was fault und stinkt ist nicht gut für den Menschen und das Bodenleben.
7. Die Zusatzstoffe sind natürliche Mineralien, die in ausreichenden Mengen zur Verfügung stehen.
8. Durch Aufbringung auf dem Feld können sie sogar über die Vergrößerung der Bio-Masse (Humusaufbau) dauerhaft CO2 in den Boden zurückführen.

 

5.      Empfehlung:

Wir können den Einsatz der getesteten Zusätze im Hinblick auf ihr NH³-Bindungspotenzial, aber auch aufgrund deren positiver Auswirkung im Boden nur empfehlen.

Allen Endlagern/Behandlern empfehlen wir den Zusatz ca. 14 Tage vor Ausbringung einzubringen und die Gülle vor Ausbringung aufzurühren, da sich ansonsten die anaeroben Prozesse wieder etablieren könnten, abhängig davon wie stark bzw. wie weit fortgeschritten die Ausgangsfäulnis einer Gülle ist.

Aus vorherigen Untersuchungen wissen wir, dass der ppm Wert der Gülle schon im Vorfeld über Fütterung und Stallhygiene (Einstreu) reduziert werden kann. Denn sie wird dadurch stabiler und die Fäulnisprozesse können sich weniger etablieren. Generell empfehlen wir darüber hinaus die Gülle zu „bewegen“, um dem Fäulnisdruck auf natürliche Weise entgegentreten zu können.

Durch die in dieser Untersuchung getesteten Güllezusätze auf mineralischer Basis und tribomechanisch aktiviert wird gleichzeitig:

§  bei dem vorrangig auf Kalk basierten Güllezusatz (KALKMEISTER N-Fix / STEINKRAFT Güllekraft N-fix) die Kalkung der Böden unterstützt

§  bei dem Güllezusatz vorrangig basierend auf dem Zeolith- und Leonardit-Gemisch (STEINKRAFT Güllekraft N-Fix Humin) ein wertvoller Beitrag zum dringend notwendigen Humusaufbau geleistet

§  die getesteten Zusätze der Marken KALKMEISTER und STEINKRAFT auch im Boden für Aktivierung der Mikrobiologie und Humusaufbau sorgen und damit einen wertvollen Beitrag zur Revitalisierung der Böden leisten

Die Dosierung von ca. 15kg bis max. 20kg pro m³ Gülle macht diese leistungsstarke und natürliche Variante der Gülleaufbereitung auch preislich attraktiv und hat das Potenzial die bodennahe Aufbringung als Dogma mehr als zu hinterfragen.

Zusammenfassend ist festzuhalten, dass wir in dieser Untersuchung mehr als erste Hinweise auf die positive Wirkung von mineralogischen Zusätzen für die NH³-Bindung in der Gülle erhalten und deren Einsatz schon heute sinnvoll ist.

Dies hat uns ermutigt die Güllezusätze in anderen Wirkungsfeldern wie zB. in Biogasanlagen zu dokumentieren.

Ingrid Bauer Messdienstleistung: www.ingridbauer.de