Gülle und Biogasgärreste sachgerecht ausbringen

Transkript

1 Gülle und Biogasgärreste sachgerecht ausbringen Hans-Georg Kunz und Jörg Messner, LAZBW Aulendorf Gasförmige Stickstoffverluste während und nach der Düngung mit Gülle in Form von Ammoniak (NH - 3 ), Lachgas (N 2 O) und Stickoxiden insbesondere auf Grünland sind unvermeidbar. Ihre absolute Höhe ist aber beeinflussbar. So treten bei Ausbringung von Gülle Verluste in Höhe von 10 bis 95 Prozent des mit der Gülle applizierten Ammoniumstickstoffs auf. Die NH 3 -Abgasung während der Ausbringung ist mit Verlustraten von i. d. Regel unter 5% der Gesamtemissionen vernachlässigbar gering. Demgegenüber sind die Verluste unmittelbar nach der Applikation am größten. Es können, abhängig von verschiedenen Einflussfaktoren, am ersten Tag über 60 % der Gesamtemissionen erfolgen. Die Wirksamkeit der Güllenährstoffe wird über die rein stofflichen Eigenschaften hinaus, von einer ganzen Reihe von Faktoren beeinflusst. Maßgeblich hinsichtlich Düngewirksamkeit und Umweltbelastung durch Geruchs- und Ammoniakemissionen ist der Prozentsatz des in der Gülle enthaltenen Ammoniumstickstoffs, der in den Boden gelangt. Dabei gilt grundsätzlich, dass die Ammoniakverluste während und vor allem nach der Applikation um so geringer sind, je schneller und vollständiger die Gülle in den Boden gelangt und je besser die Ammoniumionen von den Ton- und Humusteilchen sorbiert werden. Für die Höhe der Ammoniakemissionen und die Düngewirksamkeit der Gülle sind folgende Einflussfaktoren maßgeblich: a) der Ausbringungszeitpunkt und Menge b) die Witterung während und nach der Ausbringung (Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit, Niederschlag) c) die Art und Beschaffenheit der Gülle (Trockensubstanz-, Schleimstoff- und Fasergehalt, NH 4 -Anteil am Gesamtstickstoff, ph-wert, Temperatur) d) der Bodenzustand und das Infiltrationsvermögen (Struktur, Wassergehalt, Bodenart, Sorption) e) die Bewuchshöhe (hoch - niedrig, dicht locker) f) die Applikationstechnik (kleintropfig großtropfig, bodenfern bodennah, breitflächig streifenförmig, auf den Boden in den Boden). LAZBW Aulendorf 1

2 Die Nährstoffe aus den Wirtschaftdüngern müssen den Pflanzen kurz vor bzw. zum Zeitpunkt des Bedarfes zur Verfügung stehen. Demnach ist bei Dauergrünland die Gülle am besten ausgangs Winter bzw. zu Vegetationsbeginn, auszubringen. Zu diesem Zeitpunkt ist mit der höchsten Düngewirksamkeit zu rechnen. Die applizierte Menge muss darüber hinaus mit dem pflanzlichen Bedarf übereinstimmen. Für die Düngung von Dauergrünland ist es z. B. angebracht, mit einer einzigen Güllegabe nicht mehr als kg/ha Gesamtstickstoff zu applizieren. Bei der Witterung haben die Temperatur, die Luftfeuchtigkeit und die Windstärke vorrangige Bedeutung. Dabei gilt grundsätzlich: Je langsamer und geringer der Kontakt der Gülle mit dem Boden erfolgt, desto höher sind die Ammoniakemissionen. Die Ammoniakverluste nach der Ausbringung zeigen nicht nur eine deutliche Abhängigkeit von der Temperatur (Einstrahlung) sondern indirekt auch von der relativen Luftfeuchtigkeit. Eine geringe Luftfeuchtigkeit begünstigt die Verdunstung des Wassers. Die dadurch ansteigende Konzentration des Ammonium-N in der Gülle fördert die Verflüchtigung von Ammoniak. Deutlich nachweisbar ist die Bedeutung der relativen Luftfeuchtigkeit allerdings nur in Zusammenhang mit der Temperatur, das heißt dem Sättigungsgrad der Luft. Starker Wind fördert die Ammoniakverflüchtigung, indem er den über der applizierten Gülle emittierte Ammoniak laufend wegtransportiert. Dadurch bleibt der Konzentrationsunterschied zwischen der abgasenden Gülle und der Umgebungsluft groß, und es kann sich laufend Ammoniak freisetzen. Daher ist bei einer Gülleausbringung mittels Breitverteilern bei warm-trockener Witterung und stärkerer Luftbewegung vor allem während der ersten Stunden nach der Applikation mit viel höheren Verlusten zu rechnen als z. B. bei der Ausbringung mit Injektor, Schleppstiefel oder auch Schleppschlauch. Mit steigender Temperatur bzw. höherer Einstrahlung muss in der Regel von höheren Stickstoffverlusten über Ammoniakabgasung ausgegangen werden. Die Ammoniakemissionen können mithin deutlich verlangsamt werden, wenn die Ausbringung bei bedecktem Himmel und folglich geringer Einstrahlung erfolgt. Niederschläge, insbesondere langanhaltende Schwachregen vermindern bzw. stoppen die Ammoniakemissionen. LAZBW Aulendorf 2

3 Die Art und Beschaffenheit der Gülle hat starken Einfluss auf die gasförmigen Stickstoffverluste. So ist z.b. die Ammoniakfreisetzung aus Schweinegülle unter vergleichbaren Bedingungen in der Regel beträchtlich geringer als aus Rindergülle. Dies ist u.a. auf das unterschiedliche Fließverhalten zurückzuführen. Dünnflüssige Gülle fließt besser an den Pflanzen ab und dringt schneller in den Boden ein. Das Fließverhalten hängt vom Trockensubstanzgehalt und bei Rindergülle vor allem vom Schleimstoffgehalt ab. Mit steigendem Trockensubstanzgehalt zeigt Rindergülle ein mehr plastisches Verhalten, reagiert zäher, läuft schlechter vom Pflanzenbewuchs ab und kann als Güllefilm an der Oberfläche der Pflanze antrocknen. Die Fließfähigkeit der Gülle kann entweder durch Verdünnung mit Wasser, durch Separierung oder durch aerobe oder anaerobe Fermentation verbessert werde. Durch die Methangärung wird der Trockensubstanzgehalt um % vermindert, da ein Teil der Kohlenstoffverbindungen der organischen Trockensubstanz (ots) als Methan (CH 4 ) und Kohlendioxid (CO 2 ) abgebaut und als technisch verwertbares Gas (Biogas) aufgefangen und verbraucht wird. Die Abbaurate der in der frischen Gülle enthaltenen organischen Substanz ist je nach Tierart unterschiedlich. Der Abbaugrad wird aber vom Gärverlauf beeinflusst, insbesondere durch die Temperatur, Raumbelastung und Verweilzeit des Gärgutes im Fermenter. Abgebaut werden auch die für die Zähigkeit, insbesondere bei Rindergülle, verantwortlichen Schleimstoffe. Alles zusammen bewirkt, verstärkt bei dickflüssigen Güllen, eine Verbesserung der Fliessfähigkeit und der Homogenisierbarkeit. Dadurch ergeben sich deutlich weniger Probleme beim Umpumpen, Homogenisieren und Ausbringen der Gülle. Vor allem wirkt sich dies bei der zur Minderung der Ammoniakemissionen notwendigen anspruchsvollen Gülle-Applikationstechnik (Schleppschläuche, Schleppstiefel, Injektor u.ä.) aus. Gülle wird also durch die Fermentation in Biogasanlagen insgesamt dünner und flüssiger. Diese deutliche Verbesserung der Fliessfähigkeit (Abb. 1) kommt ganz wesentlich dem Infiltrationsvermögen in den Boden zugute. Zudem läuft insbesondere Gülle mit einem TS-Gehalt unter 4-5 % besser am Bewuchs ab, dringt schneller in den Boden ein und verursacht dadurch weniger Ammoniakverluste. Untersuchungsergebnisse zeigen, dass die Ammoniakemissionen bei der Applikation von Rindergülle bis zu einem TS-Gehalt von etwa 6 % linear ansteigen. Infolge der Fermentation ändert sich auch die spezielle Düngewirkung, denn Nährstoffe werden durch den Ab- LAZBW Aulendorf 3

4 bau organischer Substanzen schneller freigesetzt und daher leichter pflanzenverfügbar. Beim anaeroben Abbau von organischer Substanz zu Methan und Kohlendioxid wird ein Teil des organisch gebundenen Stickstoffs in die Ammoniumform (Ammoniumcarbonat) überführt. Die daraus resultierende Erhöhung des Ammoniumanteils in der ausgefaulten Gülle von ca %-Punkten ist wiederum abhängig von Substrat und Prozessführung (Temperaturbereich, Verweildauer u.ä.). Abb. 1: Ablaufverhalten anaerob fermentierter und nicht fermentierter Ausgangsgülle Einfluss der anaeroben Fermentation auf die Ammoniakverluste Bedingt durch die hohe Pufferkapazität liegt der ph-wert von Rindergülle um den Neutralpunkt bzw. im schwach alkalischen Bereich. Nach der Methangärung ist i. d. Regel eine Erhöhung der ph-werte im Gärrest (vergorener Flüssigmist) zu verzeichnen. In Verbindung mit der erhöhten Ammoniakkonzentration und der i. d. Regel höheren Temperatur des Gärrestes kann dies zu erhöhten Ammoniakverlusten während und vor allem nach dem Ausbringen der Biogasgülle führen. Gärreste sollten also nicht direkt aus dem Nachgär-Fermenter appliziert werden. Dieses Substrat hat i. d. Regel, bedingt durch die höhere Temperatur, eine höhere Ammoniakkonzentration mit einer dadurch bedingten höheren NH 4 -Verlustrate. LAZBW Aulendorf 4

5 Messungen im Windtunnel (Darstellung 1) ergaben bei Gärresten eine höhere NH 3 - Emissionsrate als bei nichtfermentierter Gülle (MANNHEIM, 1995), bzw. bei günstigeren Applikationsbedingen (Darstellung 2) ist die NH 3 -Verlustrate genau umgekehrt (Leick, 1997). Bei einem ph-wert um 7,0 liegt der nichtorganische Stickstoffanteil in der Gülle hauptsächlich als Ammoniumstickstoff vor und nicht als Ammoniak. Mit steigendem ph-wert nimmt der Ammoniakanteil in der Gülle zu, wohingegen der Anteil an Ammonium proportional dazu abnimmt. Bei einem ph-wert von 8.5 beträgt der Ammoniakanteil schon etwa 15 % bei ph %. Mit zunehmendem NH 3 -Anteil steigt der NH 3 -Partialdruch stark an. Dieser Prozess ist allerdings auch temperaturabhängig. Wenn sich z.b. obenaufliegende Gülle nach der Ausbringung, insbesondere bei starker Sonneneinstrahlung, stark (bis zu 50 0 C ) erwärmt, kann verstärkt NH 3 abgasen. Bei einer höheren Ammoniakkonzentration im Flüssigmist können also höhere gasförmige Stickstoffverluste auftreten. Demnach sind Verfahren, die den ph-wert in der Gülle erhöhen, kritisch zu betrachten bzw. bei der Ausbringung derartiger Gülle müssen die anderen o. a. dünge- bzw. verlustrelevanten Faktoren noch sorgfältiger beachtet werden. U.a. deshalb muss z.b. Ammoniakemissionen aus Faulschlamm und Rohgülle (MANNHEIM, 1995) NH3-Emissionen in % Gülleart Rohgülle (Ausgangsgülle) Biogas-Faulschlamm Stunden nach Applikation Darstellung 1 und 2: Ammoniakemissionen fermentierter und nicht fermentierter Rindergülle bei unterschiedlichen Applikationsbedingungen Gülle im Ackerbau sofort eingearbeitet oder auf Grünland während der weniger emissionsträchtigen Zeiten (bedeckter Himmel am Nachmittag oder Abend) bodennah und großtropfig appliziert werden. LAZBW Aulendorf 5

6 Im Ackerbau, insbesondere bei Gülleausbringung zu Silomais vor der Aussaat, kann je nach Bodentyp, der hohe Anteil des mit Gülle und insbesondere des mit den Gärresten applizierten Ammoniumstickstoffs durch Nitrifikationshemmer, bis zum Bedarf der Maispflanzen, im Boden quasi konserviert werden (60-Tage-Regel nach Amberger). Didin (Dicyandiamid) z. B. hemmt die bakterielle Oxidation (Bakterium Nitrosomonas) des Ammoniums zum Nitrit. Diese hemmende Wirkung dauert bei 20 C ca Wochen, bei niedrigeren Bodentemperaturen (< 10 C) und höheren Konzentrationen (> 20 kg DIDIN/ha) wird dieser Zeitraum verlängert (AMBERGER, 1984, ). Zu anderen "Stickstoffstabilisatoren" wie z. B. PIADIN wurden am Bildungs- und Wissenszentrum (LVVG) Aulendorf keine Untersuchungen durchgeführt. Mit Ausnahme von vernachlässigbaren Mengen Stickstoff und von Schwefel, der in Form von Schwefelwasserstoff in Spuren mit dem Biogas entweicht, gehen die im Frischsubstrat enthaltenen Nährstoffe durch die Fermentation nicht verloren. Das C/N-Verhältnis wird infolge der Methangärung entsprechend dem Ausfaulungsgrad enger. Dies wirkt sich bei der Düngung bekanntlich günstig aus, denn dadurch wird durch die Verengung des C/N-Verhältnisses, von etwa 9:1 auf ca. 5-6:1, die N-Immobilisation im Boden herabgesetzt. Es ist jedoch schwierig, die Wirkungsänderung zu bewerten, da die Verfügbarkeit namentlich des Stickstoffes in der methanvergorenen Gülle nach dem Ausbringen u.a. von der Bodentemperatur und dem Porenvolumen mitbeeinflusst wird. Trotz Verlusten von Ammoniak durch das Ausbringen der Gülle ist insgesamt zu erwarten, dass die Stickstoffverfügbarkeit bei fermentierter Gülle verbessert wird, da der Anteil an kurzfristig wirksamem Stickstoff zunimmt. Die humusbildende Wirkung der Gülle bleibt andererseits weitgehend erhalten, da Humusbildner, wie lignininkrustierte Zellulose, während der Methangärung kaum abgebaut werden. Beim Einsatz von maßgeblichen Anteilen von festen Kosubstraten wie Maissilage, Grassilage, Getreide, Stallmist usw. sind einige düngerelevanten Eigenschaften im Vergleich zum Gärrest ohne oder mit nur geringen Mengen an Kosubstraten anders zu bewerten. Nach REINHOLD ( 2005) hat die Reduzierung der Güllemenge auf ca. 98 % keine relevante Bedeutung. Die Abbauraten von Gülle und Kosubstraten sind in Tabelle 1 dargestellt. LAZBW Aulendorf 6

7 Tabelle 1: Richtwerte für den Masseabbau und den TS-Gehalt nach der Vergärung für unterschiedliche Einzelsubstrate (Auszug aus REINHOLD, 2005). Einheit Schw.- gülle Stall- mist Rindergülle Maissilage Ge- 2) GPS 1) CCM TS-Gehalt % ots-gehalt % d. TS Masseabbau % 2,3 2, ots-abbau % TS-Gehalt nach der Vergärung treide % 5,9 3,8 14,5 10,8 17,0 14,7 14,7 1) GPS = Ganzpflanzensilage 2) CCM = Corn-Cob-Mix Die in den Substraten enthaltenen Strukturbestandteile werden nur zum Teil bzw. kaum abgebaut. Nach WELLINGER et al.(1984) liegt z. B. die Abbaurate der in der Rindergülle enthaltenen Zellulose bei 22,5 % und die von Lignin gegen 0 %. Die Abbauraten sind substratspezifisch. Anhand der in den Abbildungen 2 u. 3 dargestellten Demonstrationsbeispiele ist das unterschiedliche Ablaufverhalten der in Tab. 2 beschriebenen Substrate ersichtlich. Substrat 1 ist ein Gärrest aus einer Biogasanlage die mit ca. 6 m 3 Rindergülle pro Tag und hohem NaWaRo-Anteil (ca. 13 t/tag Maissilage, GPS-Roggen, Grasschnitt und Körnergetreide) gefahren wurde. Substrat 2 ist ein Gärrest aus einer Biogasanlage mit relativ dünner Rindergülle (ca. 6 % TS-Gehalt) und sehr geringen Mengen Maissilage (ca. 250kg/Tag). Substrat 3 ist unbehandelte Gülle aus einem Milchviehbetrieb. Optische Veränderungen unterschiedlicher Güllesubstrate nach der Ausbringung Beim in Abbildung 2 dargestellten Beispiel wurden 1,5 l Gärrest auf ein Sieb (42cm x 35cm) mit einer Maschenweite von 1cm x 1cm verteilt und anschließend mit ca. 3 l Wasser eingespült. Beim Substrat mit hohen NaWaRo-Anteilen als Kofermentat sind hohe Faseranteile im Sieb verblieben, die insbesondere bei der für Gärreste unbedingt erforderlichen bodennahen streifenförmigen Ausbringung bei Grünlandbeständen Beeinträchtigungen der Narbe und der Futterqualität bewirken können. LAZBW Aulendorf 7

8 Abb. 2: Nicht abgebaute Bestandteile der Gärreste 1 (hoher Anteil Nawaros) und 2 (ohne Kofermentation) fotografiert am: um 14 fotografiert am: um 14 Abbildung 3 zeigt dies deutlich. Hier wurden umgerechnet ca. 20 m 3 Substrat pro ha auf eine leicht geneigte Fläche (Styroporplatten) streifenförmig appliziert und anschließend in bestimmten Abständen fotografiert. Bei der Biogasgülle ohne nennenswerte Kofermentation waren nach wenigen Stunden kaum noch Rückstände zu sehen, bei den Substraten 1 und 3 lag noch massiv Material an der Oberfläche. Der Gärrest aus der Fermentation mit hohem NaWaRo-Anteil lief bei etwa gleichem TS-Gehalt besser von der geneigten Fläche ab. Es ist anzunehmen, dass durch den Abbau der Schleimstoffe das Substrat insgesamt fließfähiger war. Auf der Fläche verblieben die nicht vergorenen Faserstoffe. Die nicht fermentierte Rindergülle zeigte ein weniger gutes Ablaufverhalten. Die in ihr enthaltenen Schleimstoffe bewirkten eine bessere Haftung auf der Fläche. LAZBW Aulendorf 8

9 Abb. 3: Ablaufverhalten der Substrate sofort, 2, 3 und 6 Tage nach der Applikation (von links nach rechts: Nawaro-Gärrest, vergorene Rindergülle, Rindergülle) fotografiert am: um 14 fotografiert am: um fotografiert am: um 14 fotografiert am: um 12 Daraus ist zu folgern, dass bei zähen Rindergüllen entweder verdünnt oder separiert werden muss um eine bestandschonende streifenförmige Applikation des Substrate zu ermöglichen. Bei Gärresten mit hohen Feststoff bzw. Faseranteilen nutzt eine Verdünnung i. d. R. wenig, hier bleibt eigentlich nur die Ausbringung auf Ackerflächen oder aber bei der Düngung von Grünlandbeständen die Separation des Gärrestes. LAZBW Aulendorf 9

10 Tabelle 2: Inhaltsstoffe der verwendeten Substrate Nr. ph-wert TS % N -ges. NH 4 -N NH 4 -N % kg/m 3 kg/m 3 von N -ges. P 2 O 5 K 2 O CaO MgO Asche % i. TM 1 7,8 7,51 5,22 3,40 66,1 3,30 4,70 4,50 1,30 32,5 2 7,6 3,35 2,44 1,62 66,5 2,34 2,65 1,15 0,61 31,9 3 7,1 7,7 3,21 1,51 47,0 1,48 3,38 1,40 0,56 19,2 Abbildung 4 zeigt einige mit Kofermentations-Gärrest streifenförmig abdüngte Dauergrünland bzw. Ackerfutterflächen. Abb. 4: Streifenförmig (Schleppschlauch) auf Grünland applizierter Gärrest LAZBW Aulendorf 10

11 Fazit Gülle bzw. Gärrest aus landwirtschaftlichen Biogasanlagen ist i. d. R. ein sehr guter, effizienter Wirtschaftsdünger wenn er mittels Schlitzgeräte in bzw. über Schleppschlauch oder Schleppstiefel an den Boden appliziert wird. Bei Breitverteilung, insbesondere bei kleintropfiger Verteilung und ungünstigen Witterungs- oder Bodenbedingungen können die Stickstoffverluste über Ammoniakabgasung deutlich höher sein, als bei nicht fermentierter Gülle. Dies gilt insbesondere für Grünlandbestände. Bei Gärresten aus Biogasanlagen mit hohem Anteil von NaWaRo`s als Kofermentat kann die Separierung Abhilfe schaffen. Im Ackerbau, insbesondere bei Gülleausbringung zu Silomais vor der Aussaat, kann mittels Nitrifikationshemmern eventuell eine noch bessere Ausnutzung des applizierten Ammoniumstickstoffs erreicht werden. LAZBW Aulendorf 11