Unser Ansatz: Nachhaltiges Nährstoffmanagement

Nährstoffe wie Stickstoff, Phosphor, Kalium, Calcium und Schwefel sind für das Wachstum aller Lebewesen essenziell, besonders für Pflanzen. Deshalb sind Nährstoffe die Hauptbestandteile von Düngemitteln und unverzichtbar für die weltweite Nahrungsmittelproduktion. Bisher werden Nährstoffe nur teilweise in einem geschlossenen Kreislauf geführt. Stattdessen werden sie mit der Ernte der Pflanzen aus dem Agrarökosystem entfernt. Eine Rückführung der Nährstoffe über die Reststoffe der Nahrungsmittelproduktion findet praktisch nicht statt.

 

Nachhaltiges Ressourcenmanagement durch Nährstoff-Rückgewinnung und -Recycling

Für ein zukunftsfähiges Wirtschaften ist die Rückgewinnung von Nährstoffen essenziell. Das Fraunhofer IGB beschäftigt sich daher mit der Entwicklung und Umsetzung nachhaltiger, kosteneffizienter Technologien und Strategien für ein integriertes Ressourcenmanagement.

Schwerpunkt ist die Entwicklung neuartiger Technologien zur Rückgewinnung von Nährstoffen aus Abwasser und organischen Reststoffen. In den letzten Jahren haben wir Abwasser, Gülle und Gärreste sowie verschiedene weitere feste oder flüssige Reststoffe charakterisiert, in Hinblick auf die Rückgewinnung von Nährstoffen untersucht und erfolgreich patentierte Verfahren entwickelt.

In unseren Produktionsprozessen werden die Nährstoffe so ausgefällt oder pelletiert, dass sie als vollwertiges und spezifisches Produkt durch Industriepartner vermarktet und in verschiedenen landwirtschaftlichen Sektoren eingesetzt werden können. Düngemittel können sowohl als Feststoff als auch in flüssiger Form hergestellt und vertrieben werden. Wir bieten die Möglichkeit, entsprechende Produktformulierungen zu entwickeln, Mustermengen herzustellen und entsprechend zu charakterisieren.

Nährstofffließbild für nachhaltiges Kreislaufsystem.

Herausforderung: Steigender Nährstoffbedarf

Die industrielle Produktion von Phosphatdüngern basiert auf em Einsatz nicht erneuerbarer Rohphosphate, deren Vorkommen beständig abnehmen.Weiterhin erfordert die Herstellung von Stickstoffdünger über das Haber-Bosch-Verfahren einen sehr hohen Energieeinsatz, insbesondere in der Form von Erdgas. Gleichzeitig wird die Nachfrage nach Düngemitteln in Zukunft drastisch ansteigen, um den wachsenden Bedarf an Pflanzen für die Nahrungsmittelherstellung und für die Bereitstellung nachwachsender Rohstoffe zur Gewinnung von Bioenergie oder Basischemikalien zu decken. Aus diesen Gründen sind die Preise für industriell hergestellte mineralische Dünger bereits in den letzten Jahren gestiegen – dieser Trend wird erwartungsgemäß anhalten.

Herausforderung: Nährstoffverluste und Überdüngung

Zurückgewonnene MAP-Kristalle
Nach einem biologischen Klärprozess zurückgewonnene MAP-Kristalle.

Obwohl die Rohstoffe für die Düngerproduktion immer knapper werden, gehen gleichzeitig grosse Nährstoffmengen über das Abwassersystem und unter weiterem Energieverbrauch verloren. Stand der Technik in den meisten kommunalen Kläranlagen ist die Entfernung von Stickstoffverbindungen wie Ammonium (NH4+) und Nitrat (NO3) mithilfe von Nitrifikations- und Denitrifikationsprozessen. Unter hohem Energieverbrauch werden diese Verbindungen in gasförmigen Stickstoff umgewandelt, der in die Luft entweicht. Phosphat wird mittels chemischer Fällung durch Zugabe von Aluminium- oder Eisensalzen entfernt. Diese Phosphatsalze werden deponiert, da sie nicht pflanzenverfügbar sind bzw. Eisen und Aluminium in für die Pflanzen toxischen Konzentrationen freisetzen können. Schätzungen gehen davon aus, dass auf diese Weise weltweit ca. 4,3 Millionen Tonnen Phosphor pro Jahr verloren gehen [1].

Landwirtschaftlich genutzte Böden sind oft mit mineralischen Nährstoffen überdüngt. Falsch oder überschüssig aufgebrachte Mineraldünger werden aus dem Boden ausgewaschen und gelangen so in das Grundwasser oder in Oberflächengewässer, wo der Nährstoffeintrag zu einer unerwünschten Eutrophierung führt. Der direkte Einsatz von Gülle oder Gärresten aus der Biogasproduktion als Düngemittel kann ebenfalls von Nachteil für den Boden sein, da die Nährstoffzusammensetzung von Stickstoff, Phosphor und Kalium (N:P:K) dieser organischen Reststoffe nicht dem jeweiligen Bedarf der Pflanzen entspricht. Beim Einsatz von Gülle oder Gärresten als Düngemittel wird daher ein Nährstoffbedarf berechnet, der nur auf einen Nährstoff, normalerweise Stickstoff, bezogen wird. Dies führt zu einer Überdosierung der anderen Nährstoffe im Boden. Der Einsatz unkontrollierter Nährstoffmengen in organischen Düngern kann insbesondere in Gebieten mit intensiver Tierhaltung zu einer Nährstoffübersättigung im Boden führen und damit Umweltschäden hervorrufen. Beispielsweise stammten über 70 Prozent der Stickstoff- und 50 Prozent der Phosphoreinträge in die Oberflächengewässer Deutschlands in der Zeit von 2003 bis 2005 aus der Landwirtschaft [2].

Herausforderung: Wohin mit der Gülle?

Gülle-Pellets
© Fraunhofer IGB
Das BioEcoSIM-Verfahren liefert neben mineralischen Ammonium- und Phosphordüngern auch humusbildende Bodenverbesserer.

Das Ausbringen von Gülle, Gärresten aus Biogasanlagen und anderen landwirtschaftlichen Abfällen versorgt Ackerböden mit wertvollen organischen Bestandteilen und notwendigen Nährstoffen. Diese dienen dazu, den Nährstoffbedarf der Pflanzen zu decken und die Fruchtbarkeit der Böden zu erhalten [3]. In Gegenden mit intensiver Tierhaltung ist die Ausbringung auf dem Feld allerdings nicht immer möglich, da die Böden bereits einen hohen Nährstoffgehalt aufweisen. Eine konventionelle landwirtschaftliche Biogasanlage mit einer Leistung von 500 kWel erzeugt mittels Vergärung beispielsweise ca. 100 Tonnen Stickstoff (N) pro Jahr. Bei einer Düngung mit 170 kg N/ha wären 588 Hektar Landfläche nötig, um die erzeugte Menge an Stickstoff aufzunehmen [4]. Deshalb müssen Gärreste und überflüssige Gülle aus Regionen mit intensiver Tierhaltung entweder abtransportiert oder für lange Zeit gelagert werden.

Herausforderung: Abnahme der organischen Bodensubstanz

Bodendegradation.

Des Weiteren wird die Bodendegradation aufgrund der wachsenden Nachfrage an Produkten aus nachwachsenden Rohstoffen und Bioenergie zu einem ernsthaften Problem in Europa. So wurden in den vergangenen Jahren zahlreiche Waldflächen und Dauergrünlandflächen in Ackerland umgewandelt. Dies führte zu einer Abnahme der organischen Bodensubstanz und in Verbindung damit zu einem verminderten Wasserrückhaltevermögen, niedrigerer Bodenfruchtbarkeit und einer Unterbrechung der Nährstoffkreisläufe [5].

Zurzeit ist der Verlust der Bodenfruchtbarkeit durch die Überdüngung mit synthetischen Düngemitteln noch überkompensiert, allerdings ohne die Verluste an organischer Substanz auszugleichen. Auf lange Sicht jedoch wird der Eintrag mineralischer Düngemittel nicht ausreichen, um die Bodenfruchtbarkeit zu erhalten. Der Rückgang der Bodenfruchtbarkeit wird sich unmittelbar auf die Sicherung der Nahrungsmittelproduktion auswirken, zumal Boden keine erneuerbare Ressource ist [6].

Lösungen

Das Fraunhofer IGB entwickelt daher Technologien zur Rückgewinnung von Nährstoffen und organischen Bestandteilen aus Abwasser, aus landwirtschaftlichen Abfällen und aus Reststoffen der Lebensmittelindustrie, um hochwertige und kompakte organische und mineralische Düngemittel zu erzeugen.

Literatur

[1] Dockhorn, T. (2009). About the economy of phosphorus recovery. Conference proceedings: International Conference on Nutrient Recovery, Vancouver

[2] Mohaupt, V. et al. (2010) Gewässerschutz in der Landwirtschaft, Umweltbundesamt

[3] Stoll, M. S. et al. (2012) Evaluation of Treated Manure as Fertilizer. Proceedings - 8th International Conference ORBIT 2012;Rennes, France 12.-15 Juni 2012

[4] Fuchs, W. and Drosg, B. (2010) Technologiebewertung von Gärrestbehandlungs- und Verwertungskonzepten, pp 10. Universität für Bodenkultur Wien, Wien

[5] Communication from the Commission to the Council, The European Parliament, the European Economic and Social Committee and the Committee of the Regions - Thematic Strategy for Soil Protection. (2006)

[6] Soil. European Commission: Environment http://ec.europa.eu/environment/soil/index_en.htm Access Date: February 10, 2012