Aktuelles aus dem Teilprojekt Grüngutkompost

Los geht‘s! Zwei Jahre nach Projektbeginn und diverse Vorversuche später hatten wir alle Erkenntnisse zusammen, die wir für einen ersten Versuch im neu entwickelten Reaktorsystem benötigten. In luftdichten Gefäßen mit 80 L Gesamtvolumen soll nun der Einfluss einer Schwefelapplikation auf die Entwicklung verschiedener Spurengase, wie z. B. Lachgas (N₂O), Ammoniak (NH₃), Methan (CH₄), Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Schwefelwasserstoff (H₂S) untersucht werden. Um die vorgeschriebene Hygienisierung im Rottegut bei Temperaturen ≥ 60 °C zu gewährleisten, werden jeweils zwei thermoisolierte Gefäße in einer mit Cellulosefasern ausgefüllte Thermobox platziert. Diese Thermoboxen stehen wiederrum in einer konstant beheizten Klimakammer, um Temperaturschwankungen im Tag- Nachtrhythmus zu vermeiden. Im Beitrag Januar 2024 ist der schematische Aufbau des Systems noch einmal genauer beschrieben. 

In insgesamt sechs Reaktoren werden nun jeweils 3 Wiederholungen einer Kontrollvariante ohne Schwefel und einer Variante mit 3 g Schwefel je L Grüngut kompostiert. Befüllt wurden die Reaktoren mit je 60 L aufbereitetem Grüngutmaterial. Auch in diesem System wird das Rottegut zur Bildung neuer Luftkanäle und zur gleichmäßigen Durchmischung der Mikroorganismenpopulationen regelmäßig umgesetzt. Bei jedem Umsetzvorgang wird die Feuchtigkeit überprüft und bei Bedarf Wasser hinzugegeben. Die Kompostierungsdauer wird voraussichtlich 5 - 6 Monate betragen. Im Anschluss daran sind erste Keimpflanzentests mit dem (hoffentlich) reifen Kompostmaterial geplant, um die Pflanzenverträglichkeit des behandelten Komposts zu überprüfen.

105 Tage nach Versuchsbeginn wurde auch der zweite Inkubationsversuch beendet. Dieser Versuch hat uns noch einmal gezeigt, wie sehr einzelne Prozesse im System Kompost miteinander zusammenhängen und wieso die Betrachtung eines einzelnen Parameters wenig Sinn ergibt. Neben dem Einfluss einer mehrmaligen Schwefelgabe wurde in diesem Versuch auch das Ausgangsmaterial genauer unter die Lupe genommen. Das Ausgangsmaterial stellt die Grundlage zur Nährstoff- und Energieversorgung der Mikroorganismen während der Kompostierung dar. Die größte Bedeutung kommt hierbei dem Kohlenstoff/Stickstoff-Verhältnis (C/N-Verhältnis) zu. In der Literatur werden optimale C/N-Verhältnisse für die Kompostierung unterschiedlicher Ausgangsmaterialien diskutiert. Je nach Material wird ein C/N-Verhältnis zwischen 20:1 - 35:1 als optimal angegeben. Ein zu weites C/N-Verhältnis führt zu einer Verlangsamung des Rotteprozesses, die Einengung geht hingegen mit höheren Stickstoffverlusten, z. B. in Form von Ammoniak, einher.

Und hier zeigte sich: Je holziger das Ausgangsmaterial ist, z.B. bei einem C/N-Verhältnis von 34:1, desto weniger passiert im Rottegut während der Kompostierung. Dies schließt nicht nur die Bildung von Carbonaten ein, wodurch der pH-Wert weniger anstieg, sondern auch die Schwefel-Umsetzung in pH-reduzierendes Sulfat. So stieg der pH-Wert in der Kontrollvariante ohne Schwefelzugabe mit einem anfänglichen engen C/N-Verhältnis (27:1) auf 8,5 an, während das Grüngutmaterial mit einem hohen Holzanteil und damit einem weiten C/N-Verhältnis (34:1) nur einen pH-Wert von 7,5 im Maximum erreichte, vgl. Abb. 1. Außerdem war die Sulfat-Wiederfindung aus den 1, 2 und 3 Schwefelgaben im Material mit engem C/N-Verhältnis durchschnittlich 16 % höher als im Material mit weitem C/N-Verhältnis (43 % ± 4), dargestellt in Abb. 2. Deutlich zu erkennen war die Verlangsamung des Rotteprozesses zudem an der Entwicklung der Sauerstoffgehalte im Rottegut (hier nicht dargestellt) und dem Verlust von organischer Substanz über den Kompostierungszeitraum (Abb. 3). 

Auch die Aufteilung der Schwefelgabe zeigte deutliche Einflüsse auf die pH-Entwicklung und moderat auch auf den Kompostierungsprozess. Während im ersten Inkubationsversuch die einmalige Schwefelgabe von 4,5 g S/L den pH-Wert auf 3,9 (Tag 50) sinken ließ und damit zu einer Akkumulation von Ammonium führte (Beitrag Januar 2025), fiel der pH-Wert bei einer dreimaligen Schwefelgabe von je 1,5 g S/L im selben Material zwar auf einen ähnlichen pH-Wertebereich ab (4,2 nach 105 Tagen), eine Ammonium-Akkumulation blieb jedoch aus. Allerdings deuteten Stickstoffgehalte unterhalb der Nachweisgrenze zu Versuchsende darauf hin, dass der Kompostierungsprozess nicht final abgeschlossen war.

Nun sind wir gespannt, wie sich eine Schwefelbehandlung auch auf die NH₃-Verflüchtigung und die Freisetzung klimarelevanter Spurengase (N₂O und CH₄) auswirkt. Dazu soll die Kompostierung dieses Mal in unserem neu entwickelten Reaktorsystem stattfinden.
 

Nach dem Versuch ist vor dem Versuch! Während wir im ersten Inkubationsversuch die grundlegenden Fragestellungen nach der Schwefelproduktform und der -dosierung bearbeitet haben, widmen wir uns im zweiten Versuch dem Zeitpunkt der Schwefelapplikation und dem Einfluss des Ausgangsmaterials auf die pH-Entwicklung im Rottegut.

Als Maß für die Kompostierbarkeit organischer Stoffe wird oftmals das C/N-Verhältnis, also das Massenverhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff, im Ausgangsmaterial herangezogen. Ein hoher Kohlenstoffanteil bei gleichzeitig niedrigem Stickstoffangebot hemmt den mikrobiellen Umbau und führt so zu einer Verlangsamung des Rotteprozesses. Andererseits führt ein zu hohes Stickstoffangebot wiederum zu höheren Stickstoffverlusten, z.B. in Form von Ammoniak. Da der verfügbare Kohlenstoff die Hauptenergiequelle für die Mikroorganismen darstellt, wird er im Laufe der Kompostierung stärker verbraucht als Stickstoff. Deshalb wird das C/N-Verhältnis während der Rotte enger. Ein anfänglich optimales C/N-Verhältnis im Ausgangsmaterial geht demnach mit einer hohen mikrobiellen Aktivität einher und beeinflusst damit indirekt auch weitere Prozesse, wie z.B. die Temperatur- und Nährstoffdynamik im Rottegut.

Um den Einfluss des C/N-Verhältnisses auf die pH-Entwicklung unserer Schwefelbehandelten Varianten zu überprüfen, wurden in den vergangenen Monaten zwei Ausgangsmaterialien separiert voneinander gesammelt: Ein eher grünes Material mit einem C/N-Verhältnis von 25:1 und ein Material, das sich aus überwiegend holzigen Bestandteilen zusammensetzt und damit ein C/N-Verhältnis von 34:1 aufweist.

An bis zu drei Terminen wird nun jeweils 1,5 g S/L Grüngut in Form von Schwefelpulver zu den zwei aufbereiteten Ausgangsmaterialien gegeben: Zu Beginn der Kompostierung, unmittelbar nach Abschluss der Heißrotte und während der Nachrotte. Jeweils eine Variante pro Ausgangsmaterial erhält während des gesamten Versuchs keinen Schwefel und dient somit als Kontrolle.

Auch in diesem Versuch werden die Varianten über mindestens 11 Wochen im Klimaschrank inkubiert (Beitrag September 2024) und in regelmäßigen Abstänen substratanalytisch untersucht.

84 Tage nach Beginn haben wir den ersten Inkubationsversuch beendet. Zwar war der Kompostierungsprozess noch nicht vollständig abgeschlossen, trotzdem hat sich in diesen Monaten viel getan! Durch die Schwefelgabe konnten während der Kompostierung entstehende Carbonate nachweislich neutralisiert werden. Dies hatte zur Folge, dass der pH-Wert in der Kontrollvariante ohne Schwefelapplikation wie erwartet auf 8,3 anstieg, während die pH-Werte in den übrigen Varianten auf bis zu 3,9 abfielen, vgl. Abb.1. In solch einem sauren Milieu wurde die mikrobielle Aktivität stark eingeschränkt, was sich in deutlich erhöhten Ammoniumgehalten niedergeschlagen hat, Abb. 2. 

Zudem zeigte sich eine etwas schwächere pH-Reduktion nach Applikation von Schwefellinsen gegenüber dem Einsatz von Schwefelpulver. Trotz gleicher Schwefeldosierung war die Freisetzung gelösten Schwefels aus den Linsen im Durchschnitt um 27 % geringer als aus dem Pulver, vgl. Abb. 3. Die verminderte Löslichkeit schlug sich auch in den Salzgehalten nieder, welche mit zunehmender Schwefeldosierung ebenfalls anstiegen. Auch eine Messung im gesättigten Gipsextrakt zeigte einen leichten Anstieg der Salzgehalte. Eine Beeinflussung der Messung durch den pH-Wert kann an dieser Stelle nicht ausgeschlossen werden und wird weiterhin untersucht. Nach Erreichen des pH-Minimums zwischen Tag 4 und Tag 50 stiegen die pH-Werte leicht wieder an. Somit konnte in keiner Variante die entstehende Menge basisch wirksamer Substanzen durch eine einmalige Schwefelapplikation neutralisiert werden. 

Tendenziell verbrauchte die Variante ohne Schwefelbehandlung etwas mehr Sauerstoff in den ersten 7 Kompostierungstagen als die übrigen Varianten, anschließend pendelten sich die Werte aller Varianten auf einem Niveau ein. Hierbei deuten die weiteren Daten allerdings darauf hin, dass die Gabe von Schwefelpulver in höchster Dosierung (4,5 g S/L) zu einer leichten Reduktion des mikrobiellen Abbaus geführt hat, während eine Behandlung mit Schwefellinsen den mikrobiellen Abbau etwas zu fördern schien, vgl. Abb. 4. Diese Ergebnisse stehen im Einklang mit der Entwicklung des C/N-Verhältnisses. Erfahrungsgemäß wird das C/N-Verhältnis durch den Abbau organischer Kohlenstoffketten enger. Nach der Behandlung mit Schwefellinsen fiel das C/N-Verhältnis in diesem Versuch auf 16:1 ab und war damit etwas enger als ohne oder nach der Behandlung mit Schwefelpulver (17:1). Etwas weiter fiel das C/N-Verhältnis nach Applikation von Schwefelpulver in der höchsten Dosierungsstufe (4,5 g/L) aus (19:1), was wiederrum auf eine verminderte mikrobielle Aktivität in dieser Variante schließen lässt. 

Ein weiterer Versuch soll nun zeigen, inwieweit das C/N-Verhältnis des Ausgangsmaterials sowie der Zeitpunkt der Schwefelapplikation die pH-Entwicklung während der Kompostierung beeinflusst.

Nach langer und intensiver Methodenarbeit ist es endlich soweit: Der erste Versuch mit Schwefelappliziertem Grüngutmaterial ist gestartet!

Hierbei soll sowohl der Einfluss der Schwefelmenge als auch der Schwefelproduktform auf die pH-Entwicklung während der Grüngutkompostierung geprüft werden. Dafür haben wir zwei Schwefelprodukte ausgewählt: Das mutmaßlich schnell wirksame Schwefelpulver und die etwas günstigeren Schwefellinsen. Beide Formen wurden direkt zu Beginn der Kompostierung in drei Dosierungen in das Grüngutmaterial (1,5 - 4,5 g S/L) eingemischt. Nun werden die Varianten über mindestens 11 Wochen im Klimaschrank inkubiert (Beitrag September 2024). Neben dem pH-Wert untersuchen wir in regelmäßigen Abständen eine Reihe weiterer Parameter, um den Einfluss der Schwefelapplikationen auf den Kompostierungsprozess bewerten zu können.

Das Ergebnis aus diesem Versuch soll die Ausgangsbasis für die Folgeversuche bilden, in denen wir z.B. Fragen nach dem richtigen Applikationszeitpunkt und der Emission umweltrelevanter Gase nachgehen wollen. Es bleibt spannend!

Da die Kompostierung im Reaktorsystem lediglich in einer Klimakammer umgesetzt werden kann (Beitrag November 2023 und Januar 2024), wird die Anzahl der parallel zu testenden Varianten stark eingeschränkt. Dadurch ließen sich nicht alle Fragestellungen im vorgegebenen Projektzeitraum umfassend beantworten. Somit haben wir in den vergangenen Monaten daran gearbeitet, ein zusätzliches Kompostierungssystem im Kleinstmaßstab zu entwickeln, um die Kompostierung im Reaktorsystem sinnhaft zu ergänzen.

Inspiriert durch Forschungsarbeiten anderer Wissenschaftler:innen haben wir uns für ein Inkubationssystem entschieden, das in einem automatisierten Klimaschrank Anwendung findet. Inkubiert werden jeweils zwei Liter Rottegut bei einer Luftfeuchtigkeit von 96 %. In den ersten zwei Kompostierungsphasen (Vor- und Heißrotte) folgt die Temperatureinstellung des Klimaschranks der Selbsterwärmung des Rotteguts bis auf 60 °C. Während dieser Zeit muss das Material deutlich häufiger umgesetzt und befeuchtet werden als in der sich anschließenden Nachrottephase. In dieser letzten und längsten Phase wird das Rottegut schließlich bei Temperaturen von 25 - 30 °C inkubiert. Potenziell austretende Gase werden mit einer Säure- bzw. Basefalle neutralisiert.

Da die einzelnen Inkubationsgefäße nicht luftdicht verschlossen sind, ist es in diesem System nicht möglich, Gasproben zu ziehen. Daher dient die Inkubation im Klimaschrank lediglich zur Vorauswahl vielversprechender Varianten, welche anschließend im Reaktorsystem auf „Herz und Nieren“ geprüft werden.  

Besonders im Gartenbau entscheidet die Qualität eines Komposts über die Möglichkeit und den Nutzen im jeweiligen Einsatzbereich. Diese Qualität steht und fällt mit den eingesetzten Inputmaterialien zu Kompostierungsbeginn. Durch sie wird der Gehalt an org. Substanz, die Struktur, das C/N-Verhältnis und der Nährstoffgehalt im fertigen Kompost bestimmt¹. Gewünscht sind daher Inputstoffe, die sich zum Teil leicht abbauen lassen, für eine vorteilhafte Struktur sorgen und keine bedenklichen Nähr- und Schwermetallgehalte aufweisen. Zudem muss das Inputmaterial ausreichend Feuchtigkeit bei möglichst hoher Sauerstoffzufuhr bieten².

Grünabfälle aus z.B. öffentlichen Grün-/Parkanlagen weisen im Vergleich zu Bioabfällen relativ niedrige Salz- und Schwermetallgehalte auf und werden für Substratkomposte entsprechend bevorzugt. Obwohl über die getrennte Sammlung von Grünabfällen und Bioabfällen bestimmte Standards gewährleistet werden können, ist die Homogenität des Komposts von Charge zu Charge häufig schwer sicherzustellen. Bedingt wird dies durch jahreszeitliche Schwankungen in der Zusammensetzung oder durch Inputstoffe verschiedener Herkünfte², was die Wahl eines geeigneten Inputmaterials für unsere Versuche deutlich erschwert.

Aus dem Grund haben wir uns dafür entschieden, über ca. 4 Monate ein möglichst breites Spektrum an Grüngutabfällen zu sammeln, zu schreddern und einem Trocknungsprozess für die weitere Lagerung zu unterziehen. So können wir im späteren Einsatz gewährleisten, dass unterschiedliche Ergebnisse aus den Versuchen nicht auf unterschiedliche Inputmaterialen zurückzuführen sind. Außerdem können wir durch die eigene Aufbereitung die Ausgangseigenschaften des Komposts genau beeinflussen. So entstehen aktuell z.B. zwei separate Haufen aus überwiegend Grünabfällen (niedriges C/N-Verhältnis) oder holzigen Materialien (hohes C/N-Verhältnis), während wir weiterhin Kompostierungseinheiten im Labormaßstab prüfen.

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¹ Leifert, I. (2002): Vom Bioabfall zum qualitätsgeprüften Kompostprodukt. In: Zentralverband Gartenbau e.V. (ZVG) (Hrsg.) "Handbuch Kompost im Gartenbau". Bonn: FGG Förderungsgesellschaft Gartenbau mbH, 17-46.

² Schmilewski, G. K. (ohne Jahr): Kultursubstrate und Blumenerden - Eigenschaften, Ausgangsstoffe, Verwendung. Industrieverband Garten e.V..

Ein Teilerfolg: In dem modifizierten Reaktorsystem konnte über kurze Zeit eine Kompost-Temperatur von 59,7 °C generiert werden! Mithilfe einer kontstant eingestellten Raumtemperatur und einer zusätzlichen Isolation der Reaktoren erreichte der Grüngutkompost während der Intensivrotte zumindest annähernd die praxisübliche Zieltemperatur von 60 - 65 °C. Da das System allerdings nur in einer Klimazelle funktioniert, können an der Hochschule maximal 6 Reaktoren gleichzeitig zum Einsatz kommen. In dem Umfang können zwar mit wenigen Varianten Gasmessungen vorgenommen werden, um jedoch den Einfluss von Additiven auf den Kompostierungsprozess mit einer repräsentativen Anzahl an Wiederholungen testen zu können, muss noch ein anderes System entwickelt werden.

Anfang Januar startete der zweite Vorversuch. Unter leicht veränderten Ausgangsbedingungen sollen die Komposttemperaturen nun in drei Varianten deutlich höher steigen als im ersten Vorversuch. Unter anderem wurde das Ausgangsmaterial feiner geschreddert, die Luftzufuhr halbiert und die Temperatur in der Klimakammer auf 25 °C angehoben. Außerdem wurde in zwei Varianten die Thermobox jeweils mit Cellulosefaser ausgepolstert, um dem Temperaturverlust der verhältnismäßig kleinen Kompostvolumina so gut wie möglich entgegenzuwirken.

Um die Kompostierung im Labormaßstab nachstellen zu können, wurden vorerst 3 doppelwandige Thermobehälter mit einem Füllvolumen von 80 L beschafft. Zwischen den beiden Edelstahlwänden befindet sich eine isolierende Wärmedämmschicht. Die Thermobehälter sind luftundurchlässig und wurden mit mehreren Durchlässen zur Messung der Temperatur, des Sauerstoffgehalts sowie zur Belüftung und zum Ausleiten des Abluftstroms ausgestattet, an denen zuküftig auch die Gasprobenahme erfolgen soll. Als zusätzliche Isolation waren die Thermobehälter von einer Thermobox aus Polystyrol umgeben. Als Ausgangsmaterial wurde frisch geschreddertes Grüngut (0-100 mm) aus einem Komposterwerk im Umland von Osnabrück verwendet. Mit einem Wassergehalt von 50 % und einem C/N-Verhältnis von 24:1 lagen die Ausgangswerte des Materials im optimalen Bereich. Während des Versuchs wurden verschiedene Parameter variiert, um so viele Informationen wie möglich zu erhalten.