DE69320473T2 - Verfahren zur Behandlung eines flüssigen stickstoffreichen Abfallprodukts,nach diesem Verfahren hergestellte Düngemittellösung sowie seine Herstellung - Google Patents

Description

Verfahren zur Behandlung eines flüssigen stickstoffreichen Abfallprodukts, nach diesem Verfahren hergestellte Düngemittellösung sowie ihre Verwendung
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verarbeiten eines flüssigen, stickstoffreichen, organischen Abfallproduktes zu einer wäßrigen Lösung, bei welchem Verfahren das Abfallprodukt einem biologischen Umwandlungsvorgang in der Weise unterzogen wird, daß eine biologisch im wesentlichen stabile wäßrige Lösung erhalten wird, wobei der Umwandlungsvorgang mindestens einen Nitrifikationsschritt beeinhaltet, bei welchem nitrifizierbarer Ammonium-Stickstoff aus dem Abfallprodukt in einem Nitrifikationsreaktor mittels Nitrifikationsbakterien in Nitratstickstoff umgewandelt wird, wobei in dem Falle, daß der Nitratgehalt in der auf diese Weise erhaltenen nitrifizierten Fraktion einen vorbestimmten Stickstoffgehalt übersteigen sollte, der Nitratgehalt auf einen Gehalt beschränkt wird, bei welchem die Nitrifikationsbakterien aktiv sind, indem mindestens ein Teil einer zuvor nitrifizierten Fraktion einem Denitrifikationsschritt und im Anschluß daran dem genannten Nitrifikationsschritt zusammen mit einer weiteren zu nitrifizierenden Fraktion unterzogen wird.
• Der Ausdruck "flüssiges, stickstoffreiches organisches Abfallprodukt", wie er in der vorliegenden Patentanmeldung verwendet wird, bezieht sich insbesondere auf flüssige Jauche-(Gülle-)Produkte, wie sie direkt auf den Bauernhöfen anfallen, beispielsweise als halbflüssige Jauche, flüssige Jauche und dergleichen, aber möglicherweise auch als weitere Verarbeitungsprodukte dieser Jaucheprodukte, wie zum Beispiel die wäßrige Fraktion, wie sie nach Entfernung der Festfraktion aus der halbflüssigen Jauche oder den Restprodukten anfallen, wie sie nach einer partiellen Fermentierung des Jaucheproduktes erhalten werden, beispielsweise für die Produktion von Biogas. Selbstverständlich werden auch Jaucheprodukte humanen Ursprungs von diesem Ausdruck umfaßt. Ferner schließt der Ausdruck auch andere flüssige, stickstoffreiche organische Abfallprodukte ein, wie zum Beispiel Abwässer aus Kompostieranlagen.
• Die EP-A-0 423 889, die auf den Namen eines der beiden Anmelder lautet, offenbart bereits ein Verfahren zur Verarbeitung halbflüssiger Jauche oder fermentierter halbflüssiger Jauche des obenstehend genannten Typs. Bei diesem bekannten Verfahren wird von einer Wasserreinigungsanlage Gebrauch gemacht, bei welcher das Jaucheprodukt nacheinander einem Nitrifikationsschritt und im Anschluß daran einem Denitrifikationsschritt in der Weise unterworfen wird, daß eine gereinigte wäßrige Lösung gewonnen wird, worin der Stickstoff und das organische Material soweit wie möglich im Hinblick darauf entfernt werden, daß anschließend die denitrifizierte Fraktion abgelassen wird.
• Zu der möglichst vollständigen Entfernung des Stickstoffes aus der Jauche wird ein Anteil an denitrifizierter Fraktion in den Nitrifikationsreaktor wieder in der Weise eingeleitet, daß der Nitratgehalt in diesem Reaktor vorzugsweise auf einen Wert zwischen 1000 und 1400 mg NO&sub3;-N/l beschränkt wird. Innerhalb dieser Grenzwerte läßt sich eine optimale Umwandlung von Ammonium- in Nitratstickstoff erzielen. Aus dem gleichen Grunde wird ferner von Methanol als notwendige Kohlenstoff- und Energiequelle für die denitrifizierenden Bakterien Gebrauch gemacht. Falls hierfür das genannte Jaucheprodukt verwendet werden sollte, wird während der Denitrifikation wiederum Ammoniumstickstoff produziert, welcher Stickstoff daher in dem Abfluß der Reinigungsanlage enden würde. Bei dem Verfahren gemäß dieser europäischen Patentanmeldung wird gereinigtes Abwasser als Abfluß aus dem Denitrifikationsreaktor erhalten.
• Ein derartiges Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß alle Pflanzennährstoffelemente verlorengehen. Darüberhinaus ist eine derartige Reinigung niemals vollständig, so daß stets eine gewisse Menge an Verunreinigungen in die Oberflächengewässer einmünden. Zur Wiedergewinnung eines Teiles dieser Nährstoffelemente läßt sich die Festfraktion im voraus aus der Jauche abtrennen und trocknen, was jedoch eine Menge an Energie erforderlich macht. In diesem Falle gilt es, die Flüssigfraktion darüber hinaus zu reinigen und auch noch abzuleiten.
• Ein erfindungsgemäßes Ziel besteht deshalb darin, ein neues Verfahren zur Verarbeitung von flüssigen, stickstoffreichen, organischen Abfallprodukten zu schaffen, wodurch die obenstehend genannten Nachteile überwunden werden und wodurch die Verwendung insbesondere der in diesem Abfallprodukt vorhandenen Nährstoffelemente in einer sinnvollen Weise ermöglicht wird.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die in dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 definierten Maßnahmen charakterisiert. Im Gegensatz zu dem Verfahren gemäß der EP-A-0423889 wird eine wäßrige Lösung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nach dem Nitrifikationsschritt abgetrennt, insbesondere eine wäßrige Düngemittellösung mit einem Gehalt an Pflanzennährstoffelementen einschließlich Nitraten. Ein Denitrifikationsschritt zur Beschränkung des Stickstoffgehalts wird nur dann durchgeführt, wenn dieser Nitratgehalt nach der Nitrifikation einen bestimmten Maximalwert überschreiten sollte, bei dem die Nitratkonzentration die biologischen Prozesse allzusehr beeinträchtigen würde. In der Tat werden die Pflanzennährstoffelemente einschließlich des Stickstoffs vorzugsweise so gut wie möglich zurückgehalten.
• Aufgrund der Tatsache, daß das erhaltene Produkt biologisch im wesentlichen stabil ist, läßt es sich beispielsweise zu einer Nährstofflösung für eine Hydrokultur ohne Einsatz aerober biologischer Prozesse hinzufügen, welche der Nährstofflösung allzuviel Sauerstoff entziehen würden, der für die Pflanzen von essentieller Bedeutung ist. Darüberhinaus ist auch der Nitrifikationsschritt von Bedeutung. In der Tat wird der in dem Abfallprodukt hauptsächlich in Form von Ammonium vorhandene Stickstoff bei diesem Schritt in Nitratstickstoff umgewandelt. In einer Hydrokultur hat die Anwesenheit von Ammonium einen hemmenden Einfluß auf die Aufnahme anderer Kationen, wie zum Beispiel Kalium. Eine hohe Ammoniumkonzentration ist darüber hinaus sogar für die Pflanzen schädlich. Aufgrund der Tatsache, daß das Abfallprodukt, wie zum Beispiel die halbflüssige Jauche, einen hohen Ammoniumgehalt aufweist, ist es infolgedessen klar, daß ein derartiges Produkt nicht als solches in einer Hydrokultur verwendet werden kann, nicht einmal dann, wenn die Festfraktion entfernt wurde oder wenn das organische Material darüber hinaus in einer herkömmlichen aeroben Wasserreinigungsanlage oder in einer Fermentierungsanlage zersetzt wurde. In der Tat verbleibt in den letztgenannten Fällen ein noch zu hoher Ammoniumgehalt. Eine genügend weitreichende Nitrifikation ist weiterhin auch insofern von Bedeutung, als die Düngemittellösung im wesentlichen frei von Nitriten sein sollten, und zwar deswegen, weil die Nitrite sogar noch schädlicher für die Pflanzen sind als das Ammonium.
• Ein bedeutsamer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß es die Umwandlung eines stickstoffreichen, organischen Abfallproduktes in eine wertvolle Düngemittellösung ermöglicht, die insbesondere für die Ernährung von Pflanzen in einem Hydrokultursystem oder zur Verwendung bei der Blatternährung geeignet ist. Durch den Einsatz eines derartigen Abfallproduktes lassen sich bedeutende Einsparungen im Hinblick auf Rohmaterialien, wie zum Beispiel anorganische Salze, die normalerweise zur Herstellung von Düngemittellösungen verwendet werden, realisieren. Weiterhin werden Energieeinsparungen aufgrund der Tatsache realisiert, daß die Herstellung von synthetischen Düngemitteln hohe Energiemengen erforderlich machen. Andererseites benötigt das erfindungsgemäße Verfahren nur geringe Energiemengen, da die in dem Abfallprodukt vorhandenen Nährstoffelemente hauptsächlich durch biologische Prozesse in eine durch die Pflanze absorbierbare Form umgewandelt werden.
• Bei dem Verfahren gemäß der DE-C-39 20 539 zum Verarbeiten halbflüssiger Jauche (Gülle), wird diese Jauche ebenfalls zuerst nitrifiziert, ebenso wie gemäß EP-A-0 423 889, und im Anschluß daran denitrifiziert, um darin vorhandenem Stickstoff zu entfernen. Das auf diese Weise gewonnene denitrifizierte Produkt stellt jedoch keine Düngemittellösung dar, sondern weist noch dieselben Applikationsweisen auf, wie die ursprüngliche halbflüssige Jauche; diese läßt sich somit verständlicherweise nicht in Hydrokultursystemen oder für die Blatternährung verwenden. In der Tat enthält das gewonnene Produkt neben einer Menge an festem, organischem Material aufgrund des hohen Anteils an organischem Material noch einen bedeutenden Anteil an Ammonium und möglicherweise sogar an Nitrit, wobei dessen Oxydation während des Nitrifikationsschrittes viel Sauerstoff verbrauchen wird.
• Die DD-A-154 693 offenbart ebenfalls ein Verfahren zum Verarbeiten von halbflüssiger Jauche. Bei diesem bekannten Verfahren wird zunächst das Feststoffmaterial aus der Jauche abgetrennt. Die daraus resultierende Flüssigkeit wird anschließend denitrifiziert und nitrifiziert, wobei die nitrifizierte Fraktion erneut in diesen Reinigungsprozeß eingeschleust wird. Ein Anteil der nitrifizierten Fraktion wird nämlich in den Denitrifikationreaktor wieder eingeleitet, während der verbleibende Anteil der halbflüssigen Jauche in der Stallung hinzugefügt wird, so daß eine vorherige Denitrifikation erzielt wird. Das Verhältnis zwischen den beiden Anteilen wird durch die Abhängigkeit der pH-Wertveränderungen in beiden Reaktoren und in Abhängigkeit der Nitratmenge festgelegt, die in dem Denitrifikationsreaktor zum Zersetzen des organischen Materials benötigt wird. Aufgrund des äußerst hohen Gehalts an organischem Material wird wohl ein großer Anteil des Stickstoffes als Folge davon in dem Denitrifikationsreaktor entfernt, wogegen das verbleibende organische Material in der Einspeisung in den Nitrifikationsreaktor die nitrifizierenden Bakterien davon abhält, die vollständige Menge an nitrifizierbarem Stickstoff komplett in Nitrat umzuwandeln, so daß die nitrifizierte Fraktion einen relativ hohen Gehalt an Ammonium und sogar an Nitrit aufweisen dürfte.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es von Bedeutung, daß von einem stickstoffreichen, organischem Abfallprodukt Gebrauch gemacht wird. Ein derartiges Abfallprodukt enthält beträchtlich mehr Stickstoff, als die für gewöhnlich zu reinigenden Abwässer. In der Tat enthält das stickstoffreiche Abfallprodukt mindestens 1500 mg N/l, vorzugsweise mindestens 2000 mg N/l, wogegen Gemeinde-(Kommunal-)Abwasser beispielsweise lediglich 30 bis 50 mg N/l enthält.
• Diesbezüglich ist es bekannt, derartige Abfallwässer durch einen Nitrifikations-/Denitrifikationsprozeß zu reinigen, wodurch gemäß M. Boës in "Korrespondenz Abwasser", 38, (1991), Februar, Nr. 2, gereinigtes Wasser mit weniger als 5 mg N/l erhalten werden kann. Bei dem in dieser Veröffentlichung offenbarten Reinigungsverfahren wird das organische Material während des Denitrifikationsschrittes, der vor dem Nitrifikationsschritt durchgeführt wird, zersetzt. Der niedrige Stickstoffgehalt in dem Abwasser macht eine ausreichende erneute Zirkulation und selbstverständlich ebenso einen niedrigen Stickstoffgehalt in dem Abfallwasser erforderlich.
• Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Ammoniumgehalt in diesen Nitrifikationsschritt auf einen Gehalt von höchstens 100 mg NH&sub4;&spplus;-N/l, insbesondere auf einen Höchstgehalt von 75 mg NH&sub4;&spplus;-N/l vermindert. Nach einer beispielsweise 20-bis 25-fachen Verdünnung läßt sich ein passender Ammoniumgehalt in der Nährstofflösung für die Substratkultur erzielen, die keinen schädlichen Einfluß auf das Pflanzenwachstum ausübt. Ein möglichst niedriger Ammoniumgehalt ist zu bevorzugen.
• Der mögliche Denitrifikationsschritt läßt sich sowohl in dem genannten Nitrifikationsreaktor als auch in einem separaten Denitrifikationsreaktor durchführen.
• Im Gegensatz zu dem Verfahren gemäß EP-A-0 423 889 läßt sich das stickstoffreiche Jaucheprodukt in dem erfindungsgemäßen Verfahren als Kohlenstoff und Energiequelle für die denitrifizierenden Bakterien aufgrund der Tatsache einsetzen, daß die denitrifizierte Fraktion in jedem Falle in den Nitrifikationsreaktor wieder eingeleitet wird. Auf diese Weise entstehen keine Kosten für eine separate Kohlenstoff und Energiequelle, wie zum Beispiel für Methanol, wobei gleichzeitig eine Zersetzung des in dem Abfallprodukt vorhandenen Materials erzielt wird. Falls gewünscht, läßt sich jedoch eine separate Kohlenstoff- und Energiequelle ebenso bei dem erfindungsgemäßen Verfahren einsetzen. Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt ferner keine exakte Kontrolle der Menge an organischem Material, das in den Denitrifikationsreaktor eingebracht wird. Tatsächlich wird die denitrifizierte Fraktion in den Nitrifikationsreaktor, worin eine mögliche Restmenge an organischem Material im Anschluß daran weiter durch einen aeroben Zersetzungsprozeß abgebaut wird, wieder eingeleitet.
• Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in dem genannten flüssigen Abfallprodukt vorhandene Feststoffpartikel entfernt, beispielsweise durch eine Filterpresse oder Dekantierzentrifuge, bevor das Abfallprodukt dem Nitrifikationsschritt oder möglicherweise dem Denitrifikationsschritt unterzogen wird. Auf diese Weise werden suspendierte Teilchen aus dem Abfallprodukt davon abgehalten, an die Stelle von Bakterien in dem Biomasseschlamm zu treten, was zu einem Rückgang des Leistungsvermögens des Reaktors führen würde.
• Das flüssige organische Abfallprodukt wird vorzugsweise vorher fermentiert, um den Gehalt an organischem Material in diesem Produkt zu vermindern, insbesondere dann, wenn dieses flüssige Abfallprodukt einen Trockenmassegehalt von mehr oder gleich 4 bis 5 Gew.-% aufweist. Bei niedrigerem Gehalt an Trockenmasse ist die Durchführung einer vorherigen Fermentierung weniger passend, weil ein jeweils derartig niedriger Trockenmassegehalt in dem Nitrifikations- und/oder Denitrifikationsreaktor auch biologisch zersetzlich ist. Ein Vorteil einer vorherigen weitreichenden Fermentierung des stickstoffreichen Abfallproduktes (wobei die Fermentierung nach Möglichkeit sogar so vollständig wie möglich ist) besteht darin, daß im Falle der Anwendung eines Denitrifikationsschrittes dieser Denitrifikationsschritt besser gesteuert werden kann. In der Tat läßt sich in diesem Falle eine unterschiedliche Kohlenstoff und Energiequelle beispielsweise in Abhängigkeit vom gewünschten pH-Wert in dem Denitrifikationsreaktor auswählen. Gleichzeitig läßt sich die Dosierung dieser Kohlenstoff- und Energiequelle exakter auf das gewünschte Denitrifikationsniveau einstellen, und zwar dann, wenn eine allzu große Menge an nitrifizierter Fraktion der Denitrifikation unterzogen wird, so daß diese Denitrifikation nur bis zu einem vorher bestimmten Denitrifikationsniveau ausgeführt werden kann. Ein weiterer Vorteil dieser vorgeschalteten Fermentierung ist die Tatsache, daß auf diese Weise der Stickstoff und auch andere in dem Abfallprodukt in organisch gebundener Form vorhandene Pflanzennährstoffelemente in der Flüssigphase ankommen. Der organisch gebundene Stickstoff wird insbesondere in anorganischen Ammoniumstickstoff umgewandelt, der somit für die Nitrifikation verfügbar ist. Dies ist besonders dann von Bedeutung, wenn die Feststoffteilchen im Anschluß daran aus dem Jaucheprodukt entfernt werden, da sonst eine große Menge an wertvollen Pflanzennährstoffelementen auf diese Weise mit der Feststofffraktion verloren ginge.
• Nach einer weitreichenden Fermentierung ist der BSB-Wert (Biochemical Oxygen Demand / biochemi scher Sauerstoffbedarf) des Abfallprodukts im Vergleich zu dem Stickstoffgehalt gering. In diesem Falle wird das fermentierte Abfallprodukt im Falle der Durchführung eines Denitrifikationsschrittes vollständig als Kohlenstoff- und Energiequelle für die denitrifizierenden Bakterien dem Denitrifikationsreaktor, möglicherweise zusammen mit einer zusätzlichen Kohlenstoff und Energiequelle, zugeführt. In diesem Falle ist ein Reaktor, der sowohl als Nitrifikations- als auch als Denitrifikationsreaktor dient, ausreichend. Auf diese Weise lassen sich der notwendige Pumpenbetrieb und die Anzahl der Leitungen beträchtlich reduzieren. Ferner stellt das in dem Fermentierungsreaktor produzierte Biogas eine wertvolle zusätzliche Energiequelle dar.
• Die Erfindung betrifft auch eine durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltene Düngemittellösung, die durch die in dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 14 definierten Maßnahmen gekennzeichnet ist.
• Wie bereits obenstehend ausgeführt ist, läßt sich eine derartige Düngemittellösung als Blattnährlösung und insbesondere auch für die Herstellung einer verdünnten Nährstofflösung für Hydrokultursysteme verwenden.
• In einem derartigen System befinden sich die Wurzeln der Pflanzen in einem künstlichen Milieu. Ein derartiges künstliches Milieu bietet den Vorteil für den Züchter, daß sich die Zusammensetzung dieses Milieus konstant überwachen läßt, so daß eine maximale Produktivität realisierbar ist. Ein Nachteil im Vergleich zu einem natürlichen Bodenmilieu ist jedoch darin zu sehen, daß dieses künstliche Milieu weit weniger sowohl chemisch als auch biologisch gepuffert ist. Gleichzeitig bietet dieses künstliche Milieu die Möglichkeit für eine schnelle Entwicklung, aber speziell in einem N. F. T-System (Nährstoff-Film-Technik) auch die Möglichkeit für ein rasches Ausbreiten sogenannter bodenursächlicher Erkrankungen. Darüber hinaus sind die unter Streßbedingungen befindlichen Pflanzen empfindlicher gegenüber diesen Erkrankungen als Pflanzen, die in einem optimalen natürlichen Milieu gedeihen.
• Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Düngemittellösung ist die Tatsache, daß diese gelösten organischen Substanzen insbesondere Humussubstanzen, beispielsweise Humus- und Fulvinsäuren, enthält. Derartige Verbindungen sind auch in dem natürlichen Bodenmilieu vorhanden. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Düngemittellösung in einer Hydrokultur werden die Pflanzen und auch deren Früchte in derselben Weise durch die Anwesenheit dieser organischen Verbindungen beeinflußt wie Pflanzen, die im Boden gezogen werden, und somit auch durch Art und Weise der Aufnahme von Nährstoffelementen, der Pflanzenentwicklung, des Geschmacks der Fruchte usw. Insbesondere konnte klar beobachtet werden, daß Humusverbindungen das Wachstum von Pflanzen in einer Hydrokultur verbessern können.
• Die erfindungsgemäße Düngemittellösung weist in einer Hydrokultur auch einen günstigen Effekt gegen die Entwicklung von Krankheiten, insbesondere von sogenannten bodenursächlichen Erkrankungen auf, die durch die Wurzeln in die Pflanzen eindringen. In der Tat wird die Entwicklung von pathogenen Mikroorganismen durch die Anwesenheit von Mikroorganismen in der Wurzelumgebung vermindert. Einige der anwesenden Mikroorganismen können sogar möglicherweise eine antagonistische Aktivität entfalten.
• Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Düngemittellösung enthält diese Lösung zwischen 0,01 und 0,5 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,3 Gew.-% und insbesondere zwischen 0,15 und 0,25 Gew.-% Humusverbindungen.
• Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung einiger Ausgestaltungen eines Verfahrens zum Verarbeiten von flüssigem, stickstoffreichen organischen Abfallprodukt in eine erfindungsgemäße Düngemittellösung offenbar. Es wird allerdings zunächst eine erfindungsgemäße Düngemittellösung beschrieben, die sich durch dieses Verfahren gewinnen läßt. Diese Beschreibungen werden lediglich anhand von Beispielen gegeben und beschränken den erfindungsgemäßen Schutzumfang nicht. Die Bezugsziffern beziehen sich auf die beigefügten Zeichnungen, worin: die Abb. 1, 2, 3 und 4 vier verschiedene Diagramme eines Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Düngemittellösung zeigen, das von halbflüssiger Jauche (Gülle) ausgeht.
• Bei diesen vier Abbildungen beziehen sich dieselben Bezugsziffern auf die gleichen oder analoge Komponenten.
• Die Erfindung betrifft eine Düngemittellösung, die insbesondere für die Zusammenstellung einer verdünnten Nährstofflösung für Hydrokulturen geeignet ist. Die Düngemittellösung läßt sich allerdings auch für die Blatternährung und möglicherweise sogar zum Bodendüngen verwenden. Im Vergleich zur Bodendüngung bietet die Blatternährung den Vorteil, daß die Pflanzennährstoffelemente direkt auf die Pflanze appliziert werden und so nicht länger durch Auslaugen verlorengehen. Das Auslaugen dieser Bestandteile, wie zum Beispiel von Nitraten, ist darüber hinaus eine bedeutende Quelle der Verunreinigungen von Grundwasserschichten. Ein wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen Düngemittellösung besteht darin, daß diese Lösung ein nitrifiziertes stickstoffhaltiges organisches Abfallprodukt enthält, das durch den biologischen Umwandlungsprozeß biologisch stabilisiert ist. Aufgrund der Nitrifikation enthält die Düngemittellösung bis zu höchstens 150 mg NH&sub4;&spplus;-N/l. Ferner werden die Feststoffteilchen aus dieser Düngemittellösung durch eine Auftrennung in Feststoffmasse/Flüssigkeit entfernt. Wie bereits obenstehend beschrieben wurde, besteht bereits die Möglichkeit, das stickstoffreiche Abfallprodukt einer Anzahl von Prozessen, wie zum Beispiel einer Fermentierung oder einer Entfernung der Feststoffmasse, zu unterziehen. Das biologisch stabilisierte organische Abfallprodukt stellt nicht nur anorganische Nährbestandteile, wie zum Beispiel die für die Pflanze wichtigen Nährstoffbestandteile Kalium und Nitrat, in der Düngemittellösung zur Verfügung, sondern darüber hinaus auch eine Menge an biologisch im wesentlichen nicht abbaubarem, gelösten organischen Material einschließlich von Humusverbindungen.
• Aufgrund der Anwesenheit dieses organischen Materials in der Nährstofflösung für Hydrokulturen reicht die Zusammensetzung dieses Nährmittels an die natürliche Zusammensetzung des Wurzelmilieus im Boden heran. Es hat sich herausgestellt, daß die Verwendung einer Düngemittellösung mit einem Gehalt zwischen 0,01 und 0,5 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,3 Gew.-% und insbesondere zwischen 0,15 und 0,25 Gew.-% an Humusverbindungen einen jeweils günstigen Einfluß auf die Entwicklung des Ernteertrags hat, insbesondere im Hinblick auf eine 20-bis 25-fache Verdünnung dieser Lösung. Diese Humusverbindungen schließen sowohl Humussäuren als auch Fulvinsäuren (Fulvosäuren) ein. Vorteilhafterweise enthält die Düngemittellösung höchstens bis zu 1,3 Gew.-%, vorzugsweise höchstens bis zu 0,8 Gew.-% organisches Material.
• Die Anwesenheit von Mikroorganismen in der Düngemittellösung sorgt für eine Hemmung der Entwicklung möglicher, pathogener Mikroorganismen. In einem Rückfluß-N.F.T.-System konnte beispielsweise beobachtet werden, daß die Verwendung einer erfindungsgemäßen Düngemittellösung das Algenwachstum stark hemmt. In neuen, im wesentlichen sterilen Gewächshäusern ist andererseits eine sehr schnelle Entwicklung pathogener Keime möglich. Gemäß einer effizienten Ausgestaltung hat die erfindungsgemäße Düngemittellösung eine aerobe Keimausbreitungszahl, wie sie bei einer Temperatur von etwa 22ºC gemessen wird, die mehr als 300.000 Keime/ml beträgt und vorzugsweise im Bereich zwischen 400.000 und 600.000 Keime/ml liegt.
• Ein bedeutender Anteil an in der Düngemittellösung vorhandenen Nährstoffelementen besteht aus Nitratstickstoff. Im Hinblick auf eine 20- bis 25-fache Verdünnung der Dungemittellösung erschien es bezüglich der Mehrzahl der Pflanzen zweckmäßig, daß die Düngemittellösung mindestens 1500 mg NO&sub3;&supmin;-N/l, vorzugsweise 2000 bis 4000 mg NO&sub3;&supmin;-N/l und insbesondere 3000 bis 4000 mg NO&sub3;&supmin;-N/l beträgt. Derartige Stickstoffmengen lassen sich mindestens teilweise über das biologisch stabilisierte flüssige, stickstoffreiche organische Abfallprodukt in der Düngemittellösung zur Verfügung stellen. Es ist jedoch klar, daß die Zusammensetzung dieser Lösung durch den Zusatz weiterer anorganischer Substanzen noch weiter an die Erfordernisse der Pflanze angepaßt werden kann. Die genannten Substanzen sind für die Zusammenstellung der existierenden, anorganischen Düngemittellösungen für Hydrokulturen an sich bekannt. Die folgende Tabelle 1 gibt ein Beispiel für eine Düngemittelbasislösung, hergestellt auf der Grundlage halbflüssiger Schweinegülle ohne Zusatz zusätzlicher anorganischer Pflanzennährstoffelemente. TABELLE I Zusammensetzung einer erfindungsgemäßen Düngemittellösung. die ausschließlich auf der Grundlage halbflüssiger Schweinegülle hergestellt wurde.
• Es lassen sich zu dieser Düngemittelbasislösung weitere Pflanzennährstoffbestandteile, beispielsweise in Abhängigkeit von den Erfordernissen eines bestimmten Ernteertrags hinzusetzen. Es besteht die Möglichkeit, diese zusätzlichen Pflanznährstoffbestandteile neben der Düngemittelbasislösung separat für die Erntepflanze hinzuzudosieren.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Düngemittellösung wird das flüssige, stickstoffreiche, organische Abfallprodukt einem biologischen Umwandlungsprozeß in der Art unterzogen, daß ein biologisch im wesentlichen stabiles Produkt gewonnen wird. Unter einem biologisch stabilen Produkt wird hierin verstanden, daß dieses Produkt im Falle der Verwendung in einem Hydrokultursystem im wesentlichen nicht weiter in der Nährstofflösung abgebaut wird, so daß eine ausreichende Menge an für die Pflanzen essentiellem Sauerstoff in dieser Nährstofflösung verbleibt. Der biologische Umwandlungsprozeß schließt mindestens einen Nitrifikationsschritt ein, bei dem nitrifizierbarer Ammoniumstickstoff mittels der aeroben, nitrifizieren den Bakterien in einem belüfteten Nitrifikationsreaktor in Nitratstickstoff umgewandelt wird. Nach der Nitrifikation wird die Düngemittellösung aus dem Nitrifikationsreaktor separiert.
• Der Nitrifikationsschritt stellt einen wesentlichen Schritt in dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgrund der Tatsache dar, daß das organische Abfallprodukt, insbesondere ein Jaucheprodukt, hauptsächlich Ammoniumstickstoff enthält, wogegen die Pflanzen hauptsächlich Nitratstickstoff aufnehmen. In höheren Konzentrationen ist das Ammonium für die Pflanzen sogar toxisch. Zur Vermeidung dieses Umstandes wird der Ammoniumgehalt bei dem Nitrifikationsschritt auf einen Gehalt von höchstens 150 mg NH&sub4;&spplus;-N/l, vorzugsweise auf einen Gehalt von höchstens 100 mg NH&sub4;&spplus;-N/l vermindert. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht insbesondere die Verringerung des Ammoniumgehalts auf einen Gehalt von weniger als 75 mg NH&sub4;&spplus;-N/l. In Versuchen wurde bereits ein Ammoniumgehalt von beispielsweise etwa 15 NH&sub4;&spplus;-N/l erzielt.
• Die Nitrifikation des Ammoniumstickstoffs läßt sich anhand eines Respirometers, beispielsweise eines WAZU-Respirometers gemäß der Beschreibung in der niederländischen Patentanmeldung Nr. 8600396 verfolgen. Sobald die Atmung der nitrifizierenden Bakterien auf ein endogenes Respirationsniveau zurückgefallen ist, endet die Nitrifikation. Das Ende der Atmung läßt sich auch durch das Verfolgen der Entwicklung des Sauerstoffgehalts, einem Ansteigen des Sauerstoffgehalts bei konstanter Belüftung verfolgen, was einen Abfall der Atmung anzeigt. Ferner ist es auch möglich, einen konstanten Sauerstoffgehalt mittels einer Belüftungseinrichtung aufrechtzuerhalten. Ein Abfall der erforderlichen Belüftungskapazität zeigt dann einen Rückgang der Atmung an.
• Der Nitrifikationsreaktor wird durch einen sogenannten Chargenprozeß, vorzugsweise durch einen sogenannten Einspeisungschargenprozeß befüllt, bei dem die zu nitrifizierende Fraktion im Nitrifikationsreaktor in mindestens zwei Schritten hinzugegeben wird. Während des Nitrifikationsschrittes wird der pH-Wert der Lösung im wesentlichen auf einem pH-Wert konstant gehalten, der zwischen pH 6 und pH 8,5 liegt, so daß die nitrifizierenden Bakterien Nitrosomonas und Nitrobakter ausreichend aktiv sind. Für diese pH-Kontrolle muß eine basische Substanz zu der Lösung hinzugefügt werden, da die Nitrifikation eine Ansäuerung der Lösung zur Folge hat. Zur möglichst weitgehenden Vermeidung des Ausfällens bestimmter Substanzen, wie zum Beispiel von Phosphaten, wird der pH-Wert vorzugsweise auf einem pH-Wert konstant gehalten, der gleich oder unterhalb von pH 7 liegt, vorzugsweise auf einem pH-Wert, der zwischen pH 6 und pH 7 beträgt, insbesondere auf einem pH-Wert von etwa 6,5.
• Im Gegensatz zu dem bekannten Verfahren zur Verarbeitung von stickstoffreichen Düngerprodukten wird ein Denitrifikationsschritt zur Beschränkung des Nitratgehalts des Nitrifikationsreaktors bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nur dann durchgeführt, wenn die zu nitrifizierende Fraktion einen Gehalt an nitrifizierbarem Stickstoff aufweist, der höher ist als ein zuvor festgelegter maximaler Stickstoffgehalt von wenigstens 3000 mg nitrifizierbarem Stickstoff pro Liter. Dieser nitrifizierbare Stickstoff umfaßt sowohl den Ammoniumstickstoff als auch den biologisch abbaubaren Kjeldahl-Stickstoff. Dadurch, daß eine Teilmenge der nitrifizierten Fraktion einem Denitrifikationsschritt unterworfen wird und im Anschluß daran zusammen mit einer weiteren zu nitrifizierenden Fraktion nitrifiziert wird, läßt sich der Nitratgehalt der nitrifizierten Fraktion auf einen Gehalt im Bereich zwischen 1500 mg NO&sub3;&supmin;-N/l und dem genannten, vorher festgelegten Nitratgehalt beschränken.
• Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Nitratgehalt in der nitrifizierten Fraktion auf einen Nitratgehalt im Bereich zwischen 2000 mg NO&sub3;&supmin;-N/l und dem genannten maximalen Stickstoffgehalt, vorzugsweise auf einen Nitratgehalt zwischen 3000 mg NO&sub3;&supmin;-N/l und dem genannten maximalen Stickstoffgehalt be schränkt. Dieser Nitratgehalt wird vorzugsweise auf einen Gehalt beschränkt, der im wesentlichen gleich dem vorher festgelegten, maximalen Stickstoffgehalt entspricht, um den verfügbaren Stickstoff so wertvoll wie möglich zu machen. Dieser maximale Stickstoffgehalt ist vorteilhafterweise geringer als 6000 mg N/l, um den nitrifizierenden Bakterien die Nitrifikation des größten Teils an nitrifizierbarem Stickstoff zu ermöglichen. Vorzugsweise liegt dieser im Bereich zwischen 3000 und 4000 mg an nitrifizierbarem Stickstoff pro Liter, insbesondere zwischen 3500 und 4000 mg nitrifizierbarem Stickstoff pro Liter.
• Gemäß einer ersten besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden sowohl der Nitrifikations- als auch der mögliche Denitrifikationsschritt in ein und demselben Reaktor durchgeführt, insbesondere in dem obenstehend erwähnten Nitrifikationreaktor. Während des Nitrifikationsschrittes wird ein Sauerstoff enthaltendes Gas, beispielsweise Luft, in diesen Reaktor eingeleitet. Dieser Reaktor wird insbesondere durch Oberflächenbelüftungseinrichtungen oder Gasdiffusionssysteme belüftet. Nach der Belüftung kann sich die vorhandene Biomasse absetzen, wobei eine Teilmenge der nitrifizierten Fraktion im Anschluß daran entfernt wird, so daß eine vorher festgelegte Menge an nitrifizierter Fraktion in dem Reaktor verbleibt. Zu dieser verbleibenden Menge an nitrifizierter Fraktion wird dann eine Kohlenstoff und Energiequelle für die denitrifizierenden Bakterien, wie zum Beispiel eine Menge an gegebenenfalls fermentiertem Abfallprodukt und/oder eine Menge an weiteren organischen Substanzen, z. B. Methanol, hinzugefügt. Die Biomasse wird unter sauerstofffreien Bedingungen in die zu denitrifizierende Fraktion in der Weise eingemischt, daß die denitrifizierenden Bakterien die Denitrifikation beginnen können. Andererseits sind die nitrifizierenden Bakterien unter diesen sauerstofffreien Bedingungen nicht aktiv. Für den Nitrifikationsschritt wird eine weitere Menge an stickstoffreichem, organischen Abfallprodukt dem Reaktor hinzugefügt, zumindest dann, wenn dieses nicht schon als Kohlenstoff- und Energiequelle vor der Denitrifikation hinzugefügt worden war.
• Die Durchführung des Nitrifikations- und Denitrifikationsschrittes in ein und demselben Reaktor ist speziell dann von Interesse, wenn das in diesen Reaktor einzutragende Abfallprodukt einen niedrigen BSB-Wert aufweist, insbesondere einen BSB-Wert, ausgedrückt in ml O&sub2;/l, der höchstens etwas höher ist als das 3,5-fache der Verminderung des Stickstoffgehalts, ausgedrückt in mg N/l, der mittels Denitrifikation erzielt werden soll. Ein derartiger BSB-Wert läßt sich durch eine vorherige Fermentierung des Abfallproduktes erzielen. Auf diese Weise macht das erfindungsgemäße Verfahren daher zwei Reaktoren erforderlich, das heißt einen anaeroben Fermentierungsreaktor, worin das organische Material in Biogas umgesetzt wird, und einen Nitrifikations-/Denitrifikationsreaktor. Vor dem Eintrag des gegebenenfalls fermentierten Abfallproduktes in den Nitrifikations und/oder Denitrifikationsreaktor werden die Feststoffteilchen vorzugsweise daraus entfernt, so daß diese daran gehindert werden, an die Stelle der Biomasse zu treten.
• Gemäß einer zweiten besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der mögliche Denitrifikationsschritt in einem separaten Denitrifikationsreaktor durchgeführt. Diese Ausgestaltung schließt auch die Maßnahme ein, daß die Nitrifikation und Denitrifikation in verschiedenen Zonen des gleichen Reaktors ausgeführt werden. Als Kohlenstoff und Energiequelle für die denitrifizierenden Bakterien wird vorzugsweise das genannte stickstoffreiche Abfallprodukt zum Einsatz gebracht, dessen Feststoffteilchen insbesondere im voraus schon entfernt wurden. Falls dieses Abfallprodukt einen hohen BSB-Wert aufweist, oder anders ausgedrückt, falls keine vorherige Fermentierung durchgeführt wurde, benötigt die Denitrifikation lediglich eine relativ kleine Menge an Abfallprodukt. Insbesondere wird eine derartige Menge an Abfallprodukt in den Denitrifikationsreaktor eingetragen, der auf diese Weise eine Menge an organischem Material für die denitrifizieren den Bakterien bereitstellt, wobei diese Menge dazu ausreicht, diese Bakterien in die Lage zu versetzen, die benötigte Menge an Nitratstickstoff zu denitrifizieren. Aufgrund der Tatsache, daß die denitrifizierte Fraktion nicht abgelassen wird, vielmehr in den Nitrifikationsreaktor wieder eingetragen wird, ist es nicht erforderlich, die Gesamtmenge an verfügbarem Nitrat zu denitrifizieren. Darüber hinaus kann die hinzugefügte Menge an organischem Material größer sein als die Menge, die für die Ernährung der denitrifizierenden Bakterien benötigt wird, und zwar aufgrund der Tatsache, daß die denitrifizierte Fraktion im Anschluß daran in dem belüfteten Nitrifikationsreaktor behandelt wird, worin dieses organische Material weiter unter aeroben Bedingungen abgebaut wird.
• Das stickstoffreiche, organische Abfallprodukt kann deshalb in seiner Gesamtmenge in den Denitrifikationsreaktor eingetragen werden. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn dieses Produkt einen BSB-Wert, ausgedrückt in ml O&sub2;/l, aufweist, der höchstens etwas höher ist als das 3,5fache an zu denitrifizierendem Nitratgehalt, ausgedrückt in mg N/l. Bei einem höheren BSB-Wert darf das Abfallprodukt nicht vollständig in den Denitrifikationsreaktor eingetragen werden, wobei die Kapazität dieses Reaktors als Folge davon verringert werden kann.
• Das Abfallprodukt wird vorzugsweise im voraus fermentiert, nämlich vor dessen Eintrag in den Nitrifikationsreaktor, so daß nur ein beschränkter Abbau an organischem Material in diesem Nitrifikationsreaktor zur Erzielung eines biologisch stabilen Produkts erforderlich ist. Eine derartige Fermentierung ist insbesondere dann effizient, wenn das flüssige Abfallprodukt einen Trockensubstanzgehalt von mehr oder gleich 4 bis 5 Gew.-% aufweist. Bei einem niedrigeren Trockensubstanzgehalt sollte anstelle einer zusätzlichen Fermentierungseinrichtung vorzugsweise ein aerober Nitrifikationsreaktor bereitgestellt werden, der eine ausreichende Abbaukapazität besitzt. Nach der Fermentierung wird das Feststoffmaterial vorzugsweise beispielsweise mittels einer Zentrifuge entfernt. Durch die Fermentierung wird nicht nur eine Menge anorganisches Material abgebaut, sonderen durch diesen Abbau wird auch eine Menge an nitrifizierbarem Ammoniumstickstoff eingebracht, wobei auch die Möglichkeit besteht, noch weitere Pflanzennährstoffbestandteile in die Lösung einzubringen.
• Die Denitrifikationsverfahren führen zu einem Anstieg des pH-Wertes in dem Denitrifikationsreaktor während der Denitrifikation. Um bestimmte Substanzen, wie zum Beispiel Phosphate, so gut wie möglich daran zu hindern, aufgrund dieses pH-Anstiegs ausgefällt zu werden, wird der pH-Wert in dem Denitrifikationsreaktor vorzugsweise durch die Zugabe einer sauren Substanz, beispielsweise durch die Zugabe einer organischen Säure, oder durch die Auswahl der Kohlenstoff- und Energiequelle für die denitrifizierenden Bakterien gesteuert. Insbesondere wird der pH-Wert im wesentlichen bei einem pH-Wert von weniger als pH 7 konstant gehalten, vorzugsweise bei einem pH-Wert, der im Bereich zwischen pH 6 und pH 7, insbesondere bei einem pH- Wert von etwa 6,5 liegt.
• Gemäß einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird die aus dem Nitrifikationsreaktor abgetrennte Düngermittellösung weiter zur Entfernung der in dieser Lösung vorhandenen Teilchen behandelt, wie zum Beispiel herumschwimmende Bakterienflocken und dergleichen. Geeignete Techniken hierfür stellen beispielsweise die Filtrations- und/oder Präzipitationstechniken dar, bei denen die Möglichkeit besteht, daß Ausflockungsmittel, wie zum Beispiel Polyelektrolyten, zum Einsatz gelangen können. Aufgrund der Tatsache, daß die Düngemittellösung keine gesättigte Lösung darstellt, lassen sich ferner zusätzliche anorganische Pflanzennährstoffbestandteile in diese Lösung einarbeiten. Auf diese Weise läßt sich die Zusammensetzung der Dünge mittellösung auf die Nahrungserfordernisse der Pflanzen einstellen.
• Es werden einige Beispiele für die Umwandlung verschiedener Arten von stickstoffreichen, organischen Abfallprodukten, insbesondere Dungprodukten tierischen Ursprungs, durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Düngemittellösung gegeben, die insbesondere für Hydrokultursysteme zweckmäßig sind. Bei diesen Beispielen werden sowohl der Nitrifikationsschritt als auch der mögliche Denitrifikationsschritt bei einer Temperatur im mesophilen Temperaturbereich ausgeführt.
Beispiel 1
• Bei diesem Beispiel gelangt halbflüssiger Schweinedung mit einem Trockensubstanzgehalt von etwa 10 Gew.-% und einem Gehalt an nitrifizierbaren Stickstoff von etwa 6800 mg NH&sub4;&spplus;-N/l zum Einsatz. Aufgrund dieses hohen Stickstoffgehalts ist ein Denitrifikationsschritt erforderlich, beispielsweise derart, daß der Stickstoffgehalt halbiert wird. Im Hinblick auf den hohen Gehalt an organischem Material eignet sich auch ein Fermentierungsschritt.
• Die Abb. 1 zeigt ein mögliches Diagramm der Umwandlung dieses halbflüssigen Schweinedungs. In einem ersten Schritt wird Dung 1 in einem Fermenter 2 unter anaeroben Bedingungen unter Produktion des Biogases 3 fermentiert. Nach der Fermentierung werden Polyelektrolyte 4 hinzugefügt und die Feststofffraktion 6 von der fermentierten Fraktion durch die Dekantierungszentrifuge 5 abgetrennt. Die so erhaltene Lösung weist noch einen BSB-Wert von etwa 12.000 mg O&sub2;/l auf.
• Wenn ein Endnitratgehalt von 3400 mg NO&sub3;&supmin;-N/l angestrebt wird, sind im wesentlichen 3400 mg NO&sub3;&supmin;-N/l (= 6800 - 3400) zu denitrifizieren. Aufgrund der Tatsache, daß der obenstehend erwähnte BSB-Wert nur geringfügig höher als das 3,5-fache des zu denitrifizierenden Nitratgehalts ist, wird die Gesamtmenge an fermentierter Fraktion vorzugsweise in den Denitrifikationsreaktor 7 eingeleitet. Da der Stickstoffgehalt auf 3400 mg N/l zu halbieren ist, wird eine Teilmenge einer Fraktion, die bereits zuvor in dem Nitrifikationsreaktor 8 nitrifiziert wurde, in den Denitrifikationsreaktor pro Teilmenge an fermentierter Fraktion eingeleitet. Das Nitrat wird anschließend in dem Denitrifikationsreaktor 7 zu dem N&sub2;-Gas 9 denitrifiziert, wobei die größte Teilmenge an den verfügbaren biologisch abbaubaren, organischen Substanzen im Anschluß daran ebenfalls abgebaut wird. Nach der Denitrifizierung enthält das Gemisch aus fermentierter Fraktion und bereits nitrifizierter Fraktion etwa 3400 mg nitrifizierbares N/l. Diese beiden Teilmengen des Gemisches werden anschließend in dem Nitrifikationsreaktor nitrifiziert, so daß der nitrifizierbare Stickstoff in Nitratstickstoff umgewandelt wird. Zu diesem Zwecke wird Luft 10 in den Nitrifikationsreaktor eingeblasen, bis die Atmung der nitrifizierenden Bakterien auf das endogene Respirationsniveau abgefallen ist.
• Nach der Sedimentierung wird eine Teilmenge der nitrifizierten Fraktion in den Denitrifikationsreaktor zurückgeleitet und eine zweite Teilmenge als Düngermittellösung 11 abgetrennt. Es ist klar, daß in diesem vereinfachten Beispiel die geringen Mengen an Stickstoff, die über die abgetrennten Feststofffraktionen entfernt werden, nicht in Betracht gezogen sind.
Beispiel 2
• Bei diesem Beispiel wird halbflüssiger Schweinedung derselben Zusammensetzung wie in Beispiel 1 in einem ersten Schritt ebenfalls auf dieselbe Weise fermentiert. Wie in der Abb. 4 angegeben ist, werden der Nitrifikations- und der Denitrifikationsschritt allerdings in diesem Beispiel in ein und demselben Reaktor 7, 8 durchgeführt.
• In einem ersten Schritt wird eine Teilmenge an fermentiertem halbflüssigem Dung in den Nitrifikations/ Denitrifikationsreaktor 7, 8 gepumpt, worin noch eine Menge an bereits zuvor nitrifizierter Fraktion vorhanden ist. Im Reaktor 7, 8 erfolgt anschließend Rühren, jedoch keine Belüftung. Die Biomasse und die Flüssigphase sind daher in intensivem Kontakt miteinander. Diese Biomasse besteht aus einem Gemisch aus mesophilen, nitrifizierenden und denitrifizierenden Bakterien. Während dieser Prozeßphase wandeln die denitrifizierenden Bakterien das Nitrat aus einer früheren Dungcharge, die bereits einer Belüftungsphase unterzogen war, in Stickstoffgas um, während organisches Material (BSB) aus der neuen Charge fermentierten Tierdungs Verwendung findet.
• Nach einer zuvor festgelegten Zeit oder nachdem eine Nitratanalyse gezeigt hat, daß kein Nitrat mehr abgebaut wird (BSB-erschöpft) oder nachdem die Nitratanalyse gezeigt hat, daß das gewünschte Stickstoffniveau in der Flüssigkeit erreicht worden ist, wird die Belüftung begonnen. Die nitrifizierenden Bakterien aus dem Biomassegemisch wandeln nun den durch die neue Charge eingebrachten Ammoniumstickstoff in Nitrat um. Gleichzeitig wird das möglicherweise noch verfügbare organische Material weiter unter aeroben Bedingungen abgebaut. Die Steuerungsmethode ist die gleiche wie für den getrennten Nitrifikationsreaktor.
• Im Anschluß daran wird die Belüftung gestoppt, die Biomasse setzt sich ab und eine Teilmenge an Düngemittellösung wird aus dem Reaktor 7, 8 separiert, während eine Teilmenge an nitrifizierter Fraktion noch in dem Reaktor verbleibt. Anschließend beginnt der Zyklus mit dem ersten Schritt von neuem.
• Wenn die halbflüssige Jauche zuerst auf einen niedrigeren BSB-Wert fermentiert wurde, muß eine zusätzliche Kohlenstoff und Stickstoffquelle für die denitrifizierenden Bakterien, wie zum Beispiel nichtfermentierte, halbflüssige Jauche oder Methanol, hinzugefügt werden. Dies bietet den Vorteil, daß der Denitrifikationsschritt besser steuerbar ist. In der Tat läßt sich in diesem Falle eine bestimmte Kohlenstoff- und Energiequelle in Abhängigkeit des gewünschten pH-Werts auswählen. Es läßt sich auch seine Dosierung exakter auf das gewünschte Denitrifikationsniveau einstellen.
Beispiel 3
• Bei diesem Beispiel gelangt derselbe halbflüssige Schweinedung wie in Beispiel 1 zur Verwendung, wobei dieser Dung allerdings anhand eines etwas unterschiedlichen Verfahrens in eine erfindungsgemäße Düngermittellösung umgewandelt wird. Dieses Verfahren ist schematisch in der Abb. 2 dargestellt.
• Ein bedeutender Unterschied zu Beispiel 1 ist darin zu sehen, daß bei diesem dritten Beispiel der größte Anteil der halbflüssigen Jauche bis zu einem niedrigen BSB-Wert herunterfermentiert wird, beispielsweise auf weniger als 4000 mg O&sub2;/l. Als Kohlenstoff und Energiequelle für die denitrifizierenden Bakterien wird deshalb eine Menge an nichtfermentierten halbflüssigen Dung (Jauche/Gülle) verwendet. Die fermentierte Fraktion wird direkt in den Nitrifaktionsreaktor zusammen mit einer solchen Menge an denitrifizierter Fraktion eingetragen, daß der Stickstoffendgehalt nach dem Nitrifikationsschritt etwa 3400 NO&sub3;&supmin;-N/l aufweist. Falls ein jeweils höherer Nitratgehalt gewünscht wird, läßt- sich dieser beispielsweise sogar bis herauf zu einem Gehalt an 5000 bis 6000 NO&sub3;&supmin;-N/l erzielen.
Beispiel 4
• Bei diesem Beispiel wird halbflüssiger Dung (Jauche/Gülle) von Muttersauen und Ferkeln mit einem Trockensubstanzgehalt von etwa 5 Gew.-% und einem Gehalt an nitrifizierbarem Stickstoff von etwa 4000 mg NH&sub4;&spplus;-N/l verwendet. Diese halbflüssige Jauche wird im Anschluß daran anhand desselben Diagramms wie in Beispiel 3 (Abb. 2) in eine Düngermittellösung umgewandelt. Der bedeutendste Unterschied zu Beispiel 3 ist der, daß bei diesem vierten Beispiel lediglich eine Teilmenge an nitrifizierter Fraktion pro sechs Anteile in den Denitrifikationsreaktor eingeleitet wird. Nach der Denitrifikation wird diese eine Teilmenge mit etwa fünf weiteren Teilmengen fermentierter Fraktion in den Nitrifikationsreaktor zurückgeleitet, so daß der Nitratendgehalt etwa 3330 mg NO&sub3;&supmin;-N/l aufweist.
Beispiel 5
• Bei diesem Beispiel wird halbflüssiger Dung (Jauche(Gülle) von Muttersauen und Ferkeln mit einem Trockensubstanzgehalt von etwa 4 Gew.-% verwendet. In einem ersten Schritt werden daraus die Feststoffteilchen entfernt. Das so erhaltene organische Abfallprodukt weist einen Gehalt an nitrifizierbarem Stickstoff von etwa 4000 mg NH&sub4;&spplus;-N/l und einen BSB-Wert von etwa 100.000 mg O&sub2;/l auf. Das folgende Verfahren ist in der Abb. 3 schematisch dargestellt. Im Gegensatz zu den vorangehenden Beispielen schließt dieses Verfahren keinen Fermentationsschritt ein.
• Zur Erzielung eines Nitratendgehaltes von 3500 mg NO&sub3;&supmin;-N/l, muß etwa 1/8 der nitrifizierten Fraktion in dem Denitrifikationsreaktor 7 denitrifiziert werden. Bei diesem Beispiel wird halbflüssige Gülle (Jauche), woraus die Feststoffteilchen entfernt wurden, direkt sowohl in den Denitrifikationsreaktor 7 als auch in den Nitriflkationsreaktor 8 eingeleitet. Es werden pro Teilmenge an nitrifizierter Fraktion; die denitrifiziert wird, etwa sieben Anteile Dung insgesamt in den Denitrifikationsreaktor und den Nitrifikationsreaktor zur Verringerung des Stickstoffgehalts auf 7/8 des ursprünglichen Stickstoffgehalts in dem Tierdung eingeleitet. Aufgrund der Tatsache, daß die Denitrifikation von 1 mg NO&sub3;&supmin;-N eine Verminderung des BSB-Werts um etwa 3,5 mg O&sub2; bedeutet, läßt sich ausrechnen, welche Mindestmenge an Dung in den Denitrifikationsreaktor zur Gewährleistung einer ausreichenden Menge an organischem Material für die denitrifizierenden Bakterien eingeleitet werden muß. Die zu denitrifizierende Teilmenge an nitrifizierter Fraktion enthält etwa 3500 mg NO&sub3;&supmin;-N/l, so daß eine Menge an Tierdung mit einem BSB-Wert von mindestens 3500 · 3,5 = 12.250 mgO&sub2; dafür benötigt wird. Dies entspricht einer Minimalmenge von 0,123 l Tierdung pro Liter (BSB-Wert = 100.000 mg O&sub2;/l) an zu denitrifizierender Fraktion. Bei diesem Beispiel wird etwa eine Teilmenge von 0,5 an Dung aus Sicherheitsgründen in den Denitrifikationsreaktor und die verbleibenden 6,5 Teilmengen in den Nitrifikationsreaktor eingeleitet. Bei dieser Reaktion wird ausreichend Sauerstoff zur Verminderung des Ammoniumgehalts bis auf einen Wert von weniger als 150 mg NH&sub4;&spplus;-N/l zur Verfügung gestellt. Zur Verminderung dieses Sauerstoffbedarfs wird eine vorherige Fermentierung bevorzugt.
Beispiel 6
• Bei diesem Beispiel wird halbflüssiger Dung (Jauche/Gülle) von Fleischkälbern mit einem Trockensubstanzgehalt von etwa 2 Gew.-% und einem Gehalt an nitrifizierbarem Stickstoff von etwa 3000 mg NH&sub4;&spplus;-N/l nach dem biologischen Abbau biologisch abbaubaren organischen Materials verwendet.
• Aufgrund dieses niedrigen Stickstoffgehaltes ist keine Denitrifikation erforderlich. Infolgedessen muß auch kein organisches Material als Nährstoffquelle für die Denitrifizierenden Bakterien verfügbar sein. Dieser halbflüssige Dung kann deshalb zuerst fermentiert werden und nitrifiziert werden, nachdem die Feststoffteil chen entfernt wurden, wodurch während der aeroben Nitrifikation nicht nur der Ammoniumstickstoff in Nitratstickstoff umgewandelt, sondern darüber hinaus auch noch ein weiteren in diesem Fall aerober Abbau des organischen Materials eintritt. Der in diesem organischen Material vorhandene Stickstoff, der während des aeroben Abbaus in Form von Ammoniumstickstoff freigesetzt wird, wird ebenfalls in Nitratstickstoff bei diesem Nitrifikationsschritt umgewandelt und stellt daher ebenfalls nitrifizierbaren Stickstoff dar. In diesem Fall wird vorzugsweise aufgrund des niedrigen Trockensubstanzgehalts des halbflüssigen Dungs keine Fermentierung durchgeführt. Das organische Material wird andererseits ausschließlich in dem belüfteten Nitrifikationsreaktor abgebaut. Zu diesem Zwecke mag es erforderlich sein, eine größere Belüftungskapazität vorzusehen, die jedoch durch die Kosten für eine separate Fermentierungseinrichtung aufgewogen wird. Aufgrund des niedrigen Gehalts an organischem Material ist es möglich, sowohl das organische Material abzubauen als auch eine ausreichende Umwandlung des Ammoniumstickstoffs in Nitratstickstoff in dem Nitrifikationsreaktor zu erreichen.
• Es ist klar, daß die Erfindung in keiner Weise auf die obenstehend beschriebenen Ausgestaltungen beschränkt ist, vielmehr in vielerlei Weise ohne Abweichung vom Schutzumfang dieser Patentanmeldung modifiziert werden kann.

Claims (19)

1. Verfahren zum Verarbeiten eines flüssigen, stickstoffreichen, organischen Abfallprodukts zu einer wäßrigen Lösung, bei welchem Verfahren das Abfallprodukt einem biologischen Umwandlungsvorgang in der Weise unterzogen wird, daß eine biologisch im wesentlichen stabile wäßrige Lösung erhalten wird, wobei der Umwandlungsvorgang mindestens einen Nitrifikationsschritt beinhaltet, bei welchem nitrifizierbarer Ammonium-Stickstoff aus dem Abfallprodukt in einem Nitrifikationsreaktor mittels Nitrifikationsbakterien in Nitratstickstoff umgewandelt wird, wobei in dem Falle, daß der Nitratgehalt in der auf diese Weise erhaltenen nitrifizierten Fraktion einen vorbestimmten Stickstoffgehalt übersteigen sollte, der Nitratgehalt auf einen Gehalt beschränkt wird, bei welchem die Nitrifikationsbakterien aktiv sind, indem mindestens ein Teil einer zuvor nitrifizierten Fraktion einem Denitrifikationsschritt und danach zusammen mit einer weiteren zu nitrifizierenden Fraktion dem genannten Nitrifikationsschritt unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Nitrifikationsschritt so ausgeführt wird, daß eine biologisch stabile nitrifizierte Fraktion erhalten wird, die bis zu höchstens 150 mg NH&sub4;&spplus;-N/l enthält, wobei nach dem Nitrifikationsschritt die nitrifizierte Fraktion aus dem Nitrifikationsreaktor heraus als wäßrige Düngemittellösung abgetrennt wird, und der Denitrifikationsschritt nur durchgeführt wird, um den Stickstoffgehalt zu beschränken, wenn die zu nitrifizierende Fraktion einen Gehalt an nitrifizierbarem Stickstoff hat, welcher höher ist als ein vorbestimmter maximaler Stickstoffgehalt von mindestens 3000 mg nitrifizierbarem Stickstoff pro Liter, in welchem Fall der Nitratgehalt in der nitrifizierten Fraktion durch den Denitrifikationsschritt auf einen Gehalt von zwischen 1500 mg NO&sub3;&supmin;-N/l und dem vorbestimmten maximalen Stickstoffgehalt beschränkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nitratgehalt in der nitrifizierten Fraktion durch den Denitrifikationsschritt auf einen Nitratgehalt von zwischen 2000 mg NO&sub3;&supmin;-N/l und dem vorbestimmten maximalen Stickstoffgehalt, vorzugsweise zwischen einem Nitratgehalt von zwischen 3000 mg NO&sub3;&supmin;-N/l und dem vorbestimmten maximalen Stickstoffgehalt und insbesondere auf einen Nitratgehalt beschränkt wird, welcher im wesentlichen gleich dem vorbestimmten maximalen Stickstoffgehalt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte maximale Stickstoff gehalt zwischen 3000 und 4000 mg nitrifizierbarem Stickstoff pro Liter und vorzugsweise zwischen 3500 und 4000 mg nitrifizierbarem Stickstoff pro Liter liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Nitrifikationsschritt der Ammoniumgehalt auf einen Gehalt von höchstens 100 mg NH&sub4;&spplus;-N/l und insbesondere auf einen Gehalt von höchstens 75 mg NH&sub4;&spplus;-N/l reduziert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sauerstoff enthaltendes Gas in dem Nitrifikationsreaktor während des Nitrifikationsschrittes zugeführt wird, wobei die Atmung der Nitrifikationsbakterien während dieses Nitrifikationsschritts verfolgt wird und die Nitrifikation gestoppt wird, nachdem diese Atmung auf einen endogenen Atmungspegel zurückgefallen ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß, falls ein Denitrifikationsschritt ausgeführt werden soll, sowohl der Nitrifikationsschritt als auch der Denitrifikationsschritt in dem Nitrifikationsreaktor ausgeführt werden, wozu ein Sauerstoff enthaltendes Gas in den Nitrifikationsreaktor während des Nitrifikationsschrittes eingeführt wird, diese Gaszufuhr dann gestoppt wird, eine Menge von nitrifizierter Fraktion entfernt wird, so daß der genannte Teil der nitrifizierten Fraktion in dem Nitrifikationsreaktor verbleibt, eine Kohlenstoff und Energiequelle für Denitrifikationsbakterien, die sich in dem Nitrifikationsreaktor befinden, diesem Nitrifikationsreaktor hinzugefügt wird, insbesondere mindestens ein Teil des flüssigen organischen Abfallprodukts, und der Denitrifikationsschritt insbesondere durch Rühren der in dem Nitrifikationsreaktor befindlichen Flüssigkeit, im wesentlichen ohne Zugabe von Sauerstoff durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß, falls ein Denitrifikationsschritt ausgeführt werden soll, dieser Denitrifikationsschritt in einem separaten Denitrifikationsreaktor ausgeführt wird und das flüssige Abfallprodukt zumindest teilweise diesem Denitrifikationsreaktor als eine Kohlenstoff- und Energiequelle für Denitrifikationsbakterien, die sich in dem Denitrifikationsreaktor befinden, insbesondere in einer solchen Menge zugegeben wird, daß diese Menge an flüssigem Abfallprodukt eine Kohlenstoff und Energiemenge für die Denitrifikationsbakterien bereitstellt, welche dazu ausreicht, daß diese Bakterien die erforderliche Menge von Nitratstickstoff denitrifizieren.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Abfallprodukt im wesentlichen vollständig dem Denitrifikationsreaktor hinzugefügt wird, insbesondere, wenn dieses Abfallprodukt einen in mg O&sub2;/l ausgedrückten BSB-(BOD)-Wert hat, welcher höchstens etwas größer ist als die 3,5-fache Verringerung des Stickstoffgehalts, ausgedrückt in mg N/l, welche durch Denitrifikation erhalten werden muß.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß während der Nitrifikation der pH-Wert der sich in dem Nitrifikationsreaktor befindenden Flüssigkeit auf oder unter pH 7, und insbesondere auf einem pH-Wert von zwischen pH 6 und pH 7 gehalten wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß feste Teilchen, welche sich in dem flüssigen Abfallprodukt befinden, zuvor entfernt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, das das flüssige Abfallprodukt zuvor fermentiert wird, derart, daß der Gehalt an organischer Substanz dieses Produktes reduziert wird, insbesondere, wenn dieses flüssige Abfallprodukt einen Gehalt an Trockensubstanz von 4 bis 5 Ge wichtsprozent oder mehr hat.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Düngemittellösung durch Entfernen von festen Teilchen und/oder Flocken aus der nitrifizierten Fraktion, insbesondere durch Sedimentation und/oder Membran-Filtertechniken, abgetrennt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche anorganische Pflanzen-Nährgrundstoffe der Düngemittellösung hinzugefügt werden.

14. Düngemittellösung (Düngermittellösung), erhalten durch Anwenden des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein nitrifiziertes stickstoffreiches Abfallprodukt aufweist, welches durch einen biologischen Umwandlungsvorgang biologisch stabilisiert ist und einer Trennung von festen/flüssigen Stoffen unterzogen wurde, wobei die Düngemittellösung eine Menge einer biologisch im wesentlichen nicht abbaubaren, aufgelösten, organischen Substanz mit Humus-Verbindungen von dem stickstoffreichen Abfallprodukt und bis zu höchstens 150 mg NH&sub4;&spplus;-N/l enthält.

15. Düngemittellösung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwischen 0,01 und 0,5 Gewichtsprozent, vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,3 Gewichtsprozent und insbesondere zwischen 0,15 und 0,25 Gewichtsprozent Humus- Verbindungen enthält.

16. Düngemittellösung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß sie bis zu höchstens 1, 3 Gewichtsprozent und vorzugsweise bis zu höchstens 0,8 Gewichtsprozent organische Substanz enthält.

17. Düngemittellösung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mikroorganismen enthält und insbesondere eine aerobe Keimzahl, gemessen bei einer Temperatur von ca. 22ºC, von mehr als 300000 Keime/ml und vorzugsweise zwischen 400000 und 600000 Keime/ml hat.

18. Düngemittellösung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Nitratgehalt von mindestens 1500 mg NO&sub3;&supmin;-N/l, vorzugsweise von zwischen 2000 und 4000 mg NO&sub3;-N/l und insbesondere zwischen 3000 und 4000 mg NO&sub3;&supmin;-N/l hat.

19. Verwendung einer Düngemittellösung nach einem der Ansprüche 14 bis 18 zur Nährstoffzufuhr für Pflanzen, insbesondere zum Bilden einer verdünnten Nährlösung für eine erdlose Kultur oder als Blattnahrung.