Am Ende des Versuchs wurde im Referenzmaterial von Reaktorbehälter 1 ein Huminsäuregehalt von 10 % der organischen Trockenmasse gemessen, was bedeutet, dass sich der Huminsäuregehalt über die Versuchsdauer verdoppelte. Am Ende der Rotteversuche wies das Referenzmaterial aus den Kleingebinden einen Huminsäuregehalt von 10,6 % der organischen Trockenmasse auf. Neben den herkömmlichen Analysemethoden zur Beurteilung der organischen Substanz, der Infrarotspektroskopie und der Thermoanalyse, wurden vor allem zwei neuere Analysemethoden in der Abfallwirtschaft zur Prozesskontrolle eingesetzt.
Unter Kompostierung oder Verrottung versteht man die Zersetzung organischer Stoffe durch die Aktivität von Mikroorganismen. Unter Mineralisierung versteht man den vollständigen Abbau der organischen Substanz in ihre Endprodukte CO2, H2O, H2S, CH4, NH/ und Schwermetalle.
Unterschied zwischen Kompostierung und Bodenökosystemen
Den Rotteprozess beeinflussende Parameter
Der ideale Wassergehalt für mikrobielle Aktivität liegt im Bereich von 50–60 % und hängt von der Wasserkapazität und der Struktur des Zerfallsmaterials ab. Dies beruht darauf, dass durch den häufigen Wechsel der Luftfeuchtigkeit die Gesteinskörnung zerfällt und die organischen Stoffe durch Desorption freigesetzt werden. Substrattyp: Leicht abbaubare Stoffe führen zu einer Erhöhung der Biomasse und Aktivität, sodass mehr Sauerstoff benötigt wird.
Der optimale pH-Wert für die an der Fäulnis beteiligten Organismen liegt im Bereich von 5,5 bis 8. Nach der Umwandlung dieser sauren Stoffwechselprodukte steigt der pH-Wert auf den Bereich von 7,5 bis 8,5.
Funktion der Mikroorganismen im Rotteprozess
Für den mikrobiellen Abbau ist das Verhältnis zwischen Kohlenstoff und Stickstoff wichtig, da Kohlenstoffverbindungen nur dann von den Mikroorganismen verwertet werden können, wenn ausreichend Stickstoff zur Verfügung steht. Zu Beginn des Abbaus, in der mesophilen Phase, sind viele Säuerungsmittel beteiligt, was zu einer kurzfristigen Anreicherung organischer Säuren führt.
Huminstoffe
- Einteilung und Aufbau der Huminstoffe
- Theorien zur Humlnstoffblldung
- Bedeutung der Huminstoffe
- Huminstoffbildung bei der Kompostierung
Dies kann unter anderem auf die oft sehr unterschiedlichen Ausgangsstoffe und Prozessbedingungen bei der Bildung von Humusstoffen zurückzuführen sein. Nach TAN (2003) bilden Phenole, Chinone und Aminosäuren daher die Schlüsselkomponenten bei der Bildung eines Humus-Molekülkerns. Neben Phenolen, Chinonen und Aminosäuren sind auch monomere Lignine und Ionen wie das NH4-Ion grundlegende Bausteine der Ligno-Protein-Theorie.
Huminstoffe spielen sowohl in der Humusschicht des Bodens als auch im Kompost eine wichtige Rolle. Neben den bereits genannten Faktoren darf auch der mögliche Einfluss einer ausreichenden Sauerstoffversorgung auf die Humifizierung nicht außer Acht gelassen werden.
Kompostierung und Kompostqualität
Grundlagen der Kompostierung
Dies stellt die Grundlage für Eingriffe in die Steuerung der Bildung stabiler und qualitativ hochwertiger Endprodukte dar, wie sie bei der Kompostierung erwünscht sind. Laut GRASSINGER (1996) wirkt sich eine höhere Belüftung positiv auf die Entwicklung und Stabilisierung von Huminsäuren aus. Dies könnte zu der Annahme führen, dass sich starkes Lüften positiv auf die Humifizierung auswirkt.
Hierzu zählen sowohl feste pflanzliche Abfälle aus der Lebensmittelzubereitung als auch natürliche, organische Abfälle aus dem Garten und der Grünanlage, wie zum Beispiel Blätter, Baum- oder Grasschnitt. Beispielsweise werden wie in der vorliegenden Arbeit biogene Abfälle und Abfälle aus der Zellstoffindustrie (Lignin) gemeinsam kompostiert.
Technische Kompostierung
Biogene Abfälle sind Abfälle, die sich aufgrund ihres hohen organischen, biologisch abbaubaren Anteils besonders für die aerobe und anaerobe Verwertung eignen. Bioabfälle aus Haushalten sind ein besonders schwierig zu kompostierendes Substrat, da sie sehr feucht, teilweise sehr leicht abbaubar sind und ihre Zusammensetzung im Jahresverlauf je nach Gartenarbeit variiert (KROGMANN, 1994). Mit der Kompostverordnung gibt es in Österreich eine gesetzliche Regelung bezüglich Mindeststandards für die Kompostqualität und deren Überprüfung.
Die Reife des Kompostes ist ein Maß für die Stabilität und damit für die Qualität des Kompostes. Zur Bestimmung der Reife werden derzeit verschiedene Analysemethoden erprobt, die auch eine Aussage über die Qualität des Kompostes ermöglichen.
Eigenschaften von Kompost
Allerdings ist zu beachten, dass sowohl die Atmungsaktivität als auch die Eigenerwärmung lediglich den Grad der Degradation widerspiegeln. Beispielsweise wurde in der aktuellen Arbeit versucht, mithilfe der FTIR-Spektroskopie Rückschlüsse auf die Qualität des Komposts zu ziehen. Kompostanwendungen wirken sich in der Regel relativ kurzfristig (< 3 Jahre) positiv auf die Aggregatstabilität aus.
Bei einem gezielten Einsatz gegen Pflanzenkrankheiten hängen die idealen Parameter im Wesentlichen von der zu bekämpfenden Pflanzenkrankheit ab. In Versuchen wurde auf Resistenzen gegen durch Kompost induzierte Krankheiten bei Pflanzen hingewiesen.
Untersuchungsmethoden zur Charakterisierung der organischen Substanz
Zudem stellt es einen sehr großen Parameter dar und erlaubt keine qualitative Beurteilung der organischen Substanz. Für die Beurteilung organischer Stoffe ist die Analyse von Ammoniumstickstoff (NH4-N) und Nitrat (NO3-N) wichtig, da sie Rückschlüsse auf den Zerfallsprozess zulässt. Neben einigen der bereits vorgestellten chemischen Testmethoden zur Beurteilung organischer Stoffe gibt es auch biologische Methoden.
Darauf aufbauend können Aussagen über die Reaktivität, Stabilität und Reife der organischen Substanz getroffen werden. Bei der simultanen Thermoanalyse werden zur Charakterisierung der organischen Substanz der Massenverlust (Thermogravimetrie) und der Wärmefluss (Differential-Scanning-Kalorimetrie) gemessen.
II EXPERIMENTELLER TEIL
Kompostierversuche und analytische Methoden
- Versuchsdurchführung im Labor
- Aufbereitung des Versuclismaterials
- Versuchsaufbau Rottereaktoren
Rottebehälter
Versuchsaufbau Kleingefäße und Exsikkatoren
Abbildung 2-3 zeigt die kleinen Behälter mit dem verrottenden Material in der Plastikbox. Im Gegensatz zu den unteren drei Schalen ist das Material in den oberen beiden kleinen Schalen bereits verdrängt. Aufgrund der geringen Substratmenge in den kleinen Behältern konnte es dort nur unter normalen Bedingungen zu Fäulnis kommen.
Der Raum zwischen den beiden Etagen wurde mit Wasser gefüllt, um ein Austrocknen des Materials in den kleinen Behältern zu verhindern. Anschließend wurden die Kunststoffboxen in eine Klimakammer gestellt, deren Temperatur an die Temperatur im Trockner angepasst wurde. Parallel zu den kleinen Gefäßen wurden zwei Exsikkatoren, dargestellt in Abbildung 2-4 und Abbildung 2-5, mit dem Referenzmaterial gefüllt und ebenfalls in die Klimakammer gestellt.
Aufgrund des Materialverlusts in den beiden Trocknern, der durch die Live-Abbrucharbeiten verursacht wurde, wurden sie nach dreiwöchiger Testphase zusammengelegt. Neben der Steuerung der Klimakammer können die Trockner auch zur Messung des CO2-Gehalts der Abluft eingesetzt werden. Um eine ausreichende Sauerstoffversorgung des Materials zu gewährleisten, muss der CO2-Gehalt der Abluft zwischen 10 und 15 % liegen.
Das Gasgemisch gelangte dann durch das Substrat in die Reaktoren, wie in Abbildung 2-6 dargestellt, und wurde anschließend in einer Kühlfalle abgekühlt. gelangte in den IR-Gasanalysator. Dort wurde der CO2-Gehalt der Abluft automatisch alle zwei Stunden, später alle vier Stunden, gemessen.
Material und Methoden
- Probenverzeichnis
- Referenzmaterial
- Zugabematerialien
- Probenaufbereitung
- Analyseverfahren zur Beurteilung der organischen Substanz
- Niedere Carbonsäuren
- Massenbilanz von Kohlenstoff und organischer Substanz
- Abbaugrad der organischen Substanz
- Massenbilanz der organischen Substanz
- Massenbilanz des Kohlenstoffs
Das für die Tests entnommene Material wurde gesiebt, geschreddert, von Metallen getrennt und mit Strukturmaterial vermischt, bevor es an die Kompostierungsanlage geliefert wurde. Zur Bestimmung der niederen Carbonsäuren werden 100 g frische Probe mit 1000 ml entionisiertem Wasser versetzt und die Mischung zwei Stunden lang auf einem Überkopfschüttler eluiert. Bei den für diese Arbeit durchgeführten TOC-Bestimmungen wurden 200 ml/min Sauerstoff für die TC-Bestimmung und 50 ml/min Sauerstoff für die TIC-Bestimmung eingestellt.
Die feste Probe wird mit entionisiertem Wasser im Verhältnis 1:10 gemischt und zwei Stunden lang auf einem Deckenschüttler eluiert. Anschließend wird das Eluat über einen Faltenfilter vom Feststoff getrennt und zur weiteren Analyse in Plastikflaschen abgefüllt. Zur Herstellung des Eluats wurden 100 g Feststoff auf 0,1 g genau abgewogen und 1000 ml entionisiertes Wasser zugegeben.
Zur Analyse von Ammoniumstickstoff werden dem Ausgangseluat 2 ml Salicylatcitratlösung und 2 ml Reagenzlösung zugesetzt. Anschließend muss je nach Herkunft und Reifegrad des Probenmaterials eine optimale Verdünnung für die Messung mit dem Photometer hergestellt werden. Zur Bestimmung des Nitratstickstoffs werden 1 ml Eluat mit einigen Gran Amidosulfonsäure versetzt, wodurch das vorhandene Nitrit zerstört wird.
Zur Herstellung des Ausgangsextrakts werden etwa 10 g der luftgetrockneten und aufbereiteten Probe mit 50 ml der 0,1 molaren Natriumpyrophosphatlösung vermischt und über Nacht auf den Überkopfschüttler gegeben. Für die zweite Extraktion werden dem Zentrifugenrückstand erneut 50 ml Natriumpyrophosphat zugesetzt und auf den Überkopfschüttler gegeben. Der daraus gewonnene Überstand wird in einen 50 ml-Messkolben gegeben, mit 0,6 ml 40 %iger NaOH versetzt und mit Pufferlösung bis zur Marke aufgefüllt.
Ergebnisse und Interpretation
- Kompostierung im Labor - Reaktortonnen und Kleingefäße
- Temperatur
- Wassergehalt
- pH-Wert
- Niedere Carbonsäuren
- Glühverlust und TOO
- C/N-Verhältnis
- Huminstoffe
- Atmungsaktivität
- Fourier Transform Infrarot (FT-IR)-Spektroskopie
- Thermoanalyse (TA) - Thermisches Verhalten
- Bilanzierung des Abbaues von Kohlenstoff und organischer Substanz
- Daten und Analysewerte für die Bilanzierungen
- Abbaugrad der organischen Substanz
- Massenbilanz der organischen Substanz
- Massenbilanz von Kohlenstoff sowie die Massenbilanz der organischen Substanz aufgrund des Kohlenstoffabbaus
- C02-Bilanzierung
- Methodenvergleich
Auch das Verhältnis zwischen Glühverlust und TOC liegt für alle drei Gruppen über die gesamte Versuchsdauer im Bereich von 0,5 bis 0,55. Bei Material aus Reaktorrohr 1 lag das C/N-Verhältnis während des Versuchs konstant zwischen 20 und 23. Material aus Reaktorrohr 2 hatte während des Experiments ein Verhältnis von 18 zu 21 und Material aus Reaktorrohr 3 ein Verhältnis von 17 zu 19.
Eine Verringerung des C/N-Verhältnisses im Vergleich zum Kompost konnte vor allem bei den Kleingefäßen, aber auch bei den Fässern beobachtet werden. Am Ende des Tests betrug der oTM 8,7 %, was einem Anstieg der Huminsäuren um etwa 30 % während des Tests entspricht. Die IR-Spektren ermöglichen eine qualitative Aussage über die Veränderung der Huminsäuren während der Rotte.
Abbildung 3-13 zeigt die Huminsäuren der Kleingefäßmaterialien im IR-Spektrum und deren Veränderung im Verlauf des Tests. Im Material des Reaktorbehälters 1 und der Materialmischung des Reaktorbehälters 2 kann eine Abnahme der beiden aliphatischen Methylenbanden bei 2920 cm'^ und 2850 cm''^ über den Zerfall ebenfalls auf die Abnahme des Zerfalls hinweisen. Bei der Wellenzahl von 1320 cm''\ gibt es in der Materialmischung des Reaktorbehälters 3 kaum eine Änderung der beiden Methylenbanden und der Aminbande über dem Kompost.
3-25: Abbaurate organischer Stoffe in kleinen Behältern und Trocknern (Durchschnitt), basierend auf Glühverlusten, über die Dauer des Tests. Abbildung 3-27 zeigt den Verlauf der Kohlenstoffmassenbilanz über den 56-tägigen Testzeitraum. Dies erfordert jedoch ein konstantes Verhältnis von organischer Substanz (Glühverlust) zu organischem Kohlenstoff (TOC) über die gesamte Zerfallsperiode.
Dieses Verhältnis von GV/TOC während der Kompostierungsperiode wird für drei Tonnen Reaktoren ermittelt und beträgt 1,9. Daher zeigt Abbildung 3-30 die Durchschnittswerte des Kohlenstoffabbaus und die Geschwindigkeit des Kohlenstoffabbaus während des Testzeitraums.
Abbildungsverzeichnis
8-10: Spektrogramme des Referenzmaterials 1 während der Rotteperiode 8-11: Spektrogramme der Materialmischung Lignin A über Rottedaue 8-12: Spektrogramme der Materialmischung Lignin S über Rottedaue.
Tabellenverzeichnis
Quellenverzeichnis
- Literatur
- Quellen aus dem Internet
Contribution of lignin to the build-up of humic substances - A new strategy for high quality marketable compost, Wien, 2006. SMIDT, E., MEISSL, K.: Waste Management: The applicability of Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy in Waste Management, 2006. Humic Matter in Soil and the Environment: Principles and Controverses, Marcel Dekker Inc., New York, Basel, 2003.
Anhang
- Kompostierung in den Reaktortonnen
- Kompostierung in den Kleingefäßen und Exsikkatoren
- Thermogramme
- FT-IR Spektrogramme
