Das Sammeln des natürlichen Flüssigdüngers von den landwirtschaftlichen Nutztieren, speziell Rind und Schwein, bei Stallhaltung ist von jeher wegen des Nährstoffgehaltes an Stickstoff, Kali und Phosphor gebräuchlich. Die Methode der Aufbereitung dieses bedeutungsvollen Hofdüngers hat sich im Laufe der Zeit kaum geändert. Schon immer wie heute noch ist die Lagerung ohne Lufteintrag - also die anaerobe Gärung - gebräuchlich. Geändert haben sich bloss seit Ein führung der motorischen Kraft die Rührverfahren zwecks Ver- mischung der festen Stoffe (Kot) mit der Flüssigkeit (Harn) kurz vor dem Ausbringen des Düngers. Anstelle des Rührens mit einem Gerät und menschlicher Kraft kommen jetzt eigentliche Rührwerke oder Umlaufpumpen zur Anwendung.
Das einstige Güllenwerfen von Hand mit dem Schöpfer wurde ebenfalls durch die Jaucheverteilungsanlage oder das Druckfass abgelöst. Bei all den mechanischen Einrichtungen hat aber die Aufbereitung des Flüssigdüngers grundsätzlich keine Änderung erfahren, im besondern wurde von Forschung und Praxis an der anaeroben Gärung festgehalten.
Nun werden im natürlichen Kreislauf der Stoffe durch schädliche Nebenwirkungen des nach herkömmlicher Methode zubereiteten Flüssigdüngers erwiesenermassen nicht nur Bodenorganismen und Pflanzen, sondern mitunter auch Haustiere betroffen. Die offensichtlichen schädlichen Nebenwirkungen des üblich aufbereiteten Flüssigdüngers auf Bodenlebewesen und Pflanzen werden heute vorwiegend durch Wasserzusatz und kleine Düngergaben abgeschwächt. Durch den verhältnismässig kostspieligen Zusatz von Wasser (bis zu einem Verhältnis von 5 Teilen Wasser auf 1 Teil Harn Kotgemisch) lässt sich zwar auch der in Form von flüchtigem Ammoniakgas erfolgende Stickstoffverlust einigermassen herabsetzen, der nur partielle Erfolg jedoch macht diese Methode - ganz abgesehen von den Unkosten - im Grunde unbefriedigend.
Vom Standpunkte des Umweltschutzes schliesslich drängt sich die Beseitigung des intensiven, widerwärtigen Geruches des anaerob vergorenen Flüssigdüngers auf. Nebst der Anwendung geruchverdeckender (biocide Deodoranten) und geruchhemmender Mittel werden auch Wirkstoffe vorgeschlagen, welche die gerucherzeugenden Stoffe in geruchlose Verbindungen verwandeln. Man weiss heute, dass aerobe Gärung den Geruch des Flüssigdüngers vollständig beseitigt.
Zur Zeit werden von Forschungsanstalten im In- und Ausland diesbezügliche Methoden auf ihre praktische Anwendbarkeit geprüft, wobei aber immer die Geruchsbeseitigung im Vorder- grund steht.
Betrachtet man nun die bereits erwähnten Ergebnisse, so wird es klar, dass bisher noch keine Methode vorliegt, welche zugleich alle drei Probleme der Verwendung von organischem Hofdünger zu lösen vermag, nämlich: - Behebung der schädlichen Nebenwirkungen, - Vermeidung des Stickstoffverlustes und ¯vollständige Geruchlosigkeit.
Es wurde jetzt ein Verfahren gefunden, durch welches flüssiger Hofdünger von den bekannten schädlichen Nebenwirkungen auf Bodenlebewesen und Pflanzen befreit, der ursprünglich vorhandene Stickstoffgehalt vollständig aufrechterhalten und der Dünger gleichzeitig völlig geruchlos gemacht wird. Der erfindungsgemäss erhaltene, in jeder Hinsicht einwandfreie Hofdünger kann in flüssiger, flüssig konzentrierter oder in fester Form erhalten werden.
Das Herstellungsverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass man im Harn- und Kotgemisch von der landwirtschaftlichen Tierhaltung, frisch oder anaerob vergoren, durch kontinuierliche Belüftung oder Intervallbelüftung eine aerobe Gärung einleitet und zugleich durch Zugabe von Kohlenstoffquellen das Kohlenstoff/Stickstoff-Gewichtsverhältnis auf einen Wert von mindestens 5:
:1 erhöht, bis der pH-Wert der Flüssigkeit auf 6,5 oder darunter fällt, im entstandenen, vergärenden Gemisch durch kontinuierliche Belüftung oderlntervallbelüftung und unter Einhaltung einer Temperatur von 20 bis höchstens 350 C und kontinuierlicher Zufuhr des täglich anfallenden Harn- und Kotgemisches die aerobe Gärung aufrechterhält und dabei durch weitere Zugabe von Kohlenstoffquellen das Kohlenstoff/Stickstoff Gewichtsverhältnis so steuert, dass der pH-Wert der Flüssigkeit 7,5 nicht überschreitet. Gewünschtenfalls kann man den aerob vergorenen flüssigen Hofdünger weitgehend oder vollständig entwässern.
Die Aufgabe bestand also darin, ein Verfahren zur Aufbereitung des Flüssigdüngers nach mikrobiologischen und speziell nach bodenbiologischen Aspekten auszuarbeiten. Erstmalig war hierbei die Verwendung des Regenwurmes als Indikator. Dieses bedeutende, nützliche Bodentierchen erwies sich dabei - gleich dem Fisch für das Wasser - als ausgezeichneter Indikator, da sein Verhalten gegenüber allen toxischen Stoffen absolut eindeutig und verlässlich ist. Es kann nämlich mit dem Regenwurm nicht nur das Vorkommen von Giftstoffen rasch nachgewiesen werden, sondern es lässt sich auch die Giftigkeitsgrenze ebenso rasch bemessen. In der Tat zeigt der Regenwurm mit seiner Überlebenszeit genau an, wann ein Flüssigdünger absolut frei von Giftstoffen ist.
Die Versuche mit dem Regenwurm erfolgten in Petrischalen; als Feuchtlufttier ist der Wurm auf Sauerstoff angewiesen, deshalb darf die Flüssigkeit den Körper nicht vollständig decken. Die Anwendung dieses Hilfsmittels hatte noch den Vorteil einer unmittelbaren Aussage über die allfällig schädigende Wirkung des untersuchten Hofdüngers; man hatte nicht erst die Dauer einer Vegetationszeit abzuwarten, um die bei Pflanzen feststellbaren Schädigungsmerkmale zu beobachten.
Somit war der Regenwurm der unerlässliche Wegbereiter zur umfassenden Behandlung und Lösung der drei, bei der Verwendung von flüssigem Hofdünger auftretenden und bereits besprochenen Probleme, d. h. die schädlichen Nebenwirkungen, der Stickstoffverlust und der Geruch. Die drei Faktoren stellen eine natürliche Ganzheit dar, und als solche sind sie denn auch hier erstmals erforscht worden.
Es konnte zwar festgestellt werden, dass bei aerober Gärung des Hofdüngers keine giftigen Fäulnisprodukte entstehen, wie insbesondere Benzoesäure, Phenole und Schwefelwasserstoff; sind solche bereits vorhanden, werden sie zu ungiftigen Verbindungen oxydativ abgebaut (siehe Tabelle I).
Die Überlebensdauer des Regenwurms in aerob vergorenem und entsalztem Hofdünger (1 bis 10 Tage) lässt mit Sicherheit darauf schliessen, dass diese Gärungsform praktisch sämtliche Giftstoffe in ungiftige Verbindungen umwandelt.
Anderseits aber führt die aerobe Gärung zu sehr beträchtlichen Stickstoffverlusten in Form von Ammoniakgas. Aerob vergorener Hofdünger enthält praktisch keinen Ammoniakstickstoff mehr; nach eigenen Versuchen beträgt die Einbusse 80 bis 90% (siehe Tabelle I). Somit geht bei diesem Gärungsverlauf der wichtigste Pflanzennährstoff des natürlichen Düngers, der Stickstoff, praktisch verloren. Es ist vor allem darauf zurückzuführen, dass der Regenwurm beim Ausbringen von aerob vergorenem Hofdünger nicht an die Oberfläche drängt und keinen Schaden nimmt, und dass auf den Pflanzen keine Ätzwirkung beobachtet wird.
Tabelle I
Verlust an Stickstoff und an toxischen Stoffen durch aerobe Gärung
Dauer der Gärung: 22 Tage (22. Mai bis 13. Juni 1973)
Höchste Flüssigkeitstemperatur: 320 C Bezeichnung Schweinegülle (1461.11) Rindergülle (1463.18)
Gehalt Gehalt Verlust/Abnahme Gehalt Gehalt Verlust/Abnahme am Anfang am Ende absolut in % am Anfang am Ende absolut in % Gesamtstickstoff 3800 mg/l 950 mg/l 2850 mg/l 75 2890 mg/l 262 mg/l 2628 mg/l 90 Ammoniakstickstoff 3300 mg/l 605 mg/l 2695 mg/l 81 2690 mg/l 200 mg/l 2490 mg/l 92 Benzoesäure 1037 mg/l 49 mg/l 988 mg/l 95 1549 mg/l 24 mg/l 1525 mg/l 98 Phenole (Millon's Reakfion#) ++ 100 ++ - 100 Schwefelwasserstoff 23 mg/l < 1 mg/l 23 mg/l 100 23 mg/l < 1 mg/l 23 mg/l 100 pH-Wert 7,7 9,2 8,55 9,0 Dünnschichtchromatographischer Nachweis Überraschenderweise wurde nun festgestellt,
dass sich der Stickstoffverlust bei aerober Gärung gänzlich vermeiden lässt, wenn dem eingesetzten oder in Gärung begriffenen Hofdünger eine Kohlenstoffquelle zugesetzt wird. Dadurch wird im Hofdünger eine Erweiterung des Kohlenstoff/Stickstoff-Gewichtsverhältnisses erreicht und hiermit offenbar auch die primäre Bedingung für eine optimale mikrobielle Aktivität erfüllt. Durch Zufuhr von assimilierbarem Kohlenstoff soll also das C/N-Gewichtsverhältnis auf einen Wert von mindestens 5:1 gebracht und hierbei aufrechterhalten werden. Es wurde ferner festgestellt, dass das optimale C/N-Gewichtsverhältnis zwischen 5:1 und etwa 15:1 liegt. Wird die aerobe Gärung unter Einhaltung dieser ersten Bedingung durchgeführt, bleibt der Stickstoffgehalt im Endprodukt voll erhalten. Die folgende Tabelle veranschaulicht diese Zusammenhänge.
Tabelle II
Stickstoffgehalt bei gesteuerter aerober Gärung Bezeichnung Kohlenstoffgehalt in mg/l Gesamtstickstoff Verhältnis
Probe 1 Probe 2 in mg/l C/N Rinderharn, frisch (1463.H.8) 11,2 11,4 4,480 2,6:1 Schweinegülle, erfindungsgemäss vergoren (1460.25.8) 20,6 22,4 1,510 14,8:1 Rindergülle, erfindungsgemäss vergoren (1463.9.8) 33,6 38,4 2,700 14,2:1
Im folgenden soll das Verfahren ausführlicher beschrieben werden.
Als Kohlenstoffquellen oder -lieferanten eignen sich u. a.
Stroh, Sägemehl, Maisspindelmehl, Maiskolbenschrot, Melasse, Zucker usw. Darunter zeichnen sich vor allem die Zukker und Melassen durch ihre verhältnismässig rasche Wirkung als Kohlenstoffquellen aus, bei Verwendung der anderen Substanzen stellt sich das gewünschte C/N-Gewichtsverhältnis langsamer ein. Selbstverständlich wird man jenen Kohlenstoffquellen den Vorzug geben, welche auf dem Bauernhof als Abfallprodukte vorkommen oder nach den örtlichen Begebenheiten am billigsten sind.
Der aerobe Gärungsverlauf ist für den zuvor erwähnten, umfassenden Erfolg des Verfahrens Voraussetzung, ansonsten Fäulnisprozesse eintreten, bei welchen Verbindungen mit toxischer Wirkung entstehen. Die aerobe Gärung wird durch Belüftung des Flüssigdüngers eingeleitet und aufrechterhalten. Wir die Belüftung nicht kontinuierlich, sondern zeitweise durchgeführt, sollen die Intervalle so bemessen werden, dass der aerobe Verlauf der Gärung stets gewährleistet ist.
Die Belüftung kann u. a. mit Injektor, Sogbelüfter oder Druckbelüfter bewerkstelligt werden. Die Belüftungsanlage macht den Bau eines speziellen Behälters als Reaktor nicht erforderlich, es sei denn, die aerobe Gärung bewältige den täglichen Zulauf an Harn- und Kotgemisch nicht vollumfänglich, alsdann sind zwei oder mehr Behälter notwendig.
Als dritte Bedingung für den Erfolg des Verfahrens gilt es, eine Temperatur von 20 bis höchstens 350 C im gärenden Flüssigdünger einzuhalten. Der für den Gärungsverlauf optimale Temperaturbereich liegt bei 20 bis 300 C. In der Regel wird dieser Bereich ohne weiteres Zutun durch die von der Gärung erzeugte Wärmeentwicklung erreicht und aufrechterhalten. Es lässt sich jedoch auf Fig. 1 eine teilweise Abhängigkeit der Innentemperatur des gärenden Hofdüngers von der Aussentemperatur beobachten.
Daher dürfte die Durchführung des Verfahrens mit Vorteil in thermisch isolierten Behältern vorgenommen werden. Nötigenfalls kann man eine Korrektur der Flüssigkeitstemperatur durchführen, beispielsweise, indem man die Intensität der Belüftung oder deren Intervalle erhöht bzw.
herabsetzt und/oder zur Belüftung Warmluft bzw. Kaltluft anstelle der normalen Luft verwendet.
Die Dauer des aeroben Gärungsprozesses ist zum Teil von der Aussentemperatur abhängig. Die Gärungsdauer beträgt, auf Grund der durchgeführten Serienversuche, im allgemeinen 10 bis etwa 22 Tage.
Es wurde weiterhin festgestellt, dass der pH-Wert des vergärenden Hofdüngers in schwach saurem bis neutralem Bereich - in der Regel um 6,5 und höchstens bis 7,5 - liegt, wenn die Gärung in bezug auf C/N-Gewichtsverhältnis.
Innentemperatur und Belüftung des Hofdüngers richtig durchgeführt wird. Dieser Umstand ist das verlässliche Merkmal der mikrobiellen Umwandlung von flüchtigem Ammo niakgas in gebundenen Stickstoff. Er bietet die Möglichkeit zu einer einfachen Kontrolle des Gärungsvorganges, indem der pH-Wert leicht, z. B. mit Lackmuspapier, festgestellt werden kann.
Es gilt also, gleichzeitig mit dem Einsetzen der Belüftung in der Flüssigkeit einen pH-Wert von 6,5 oder darunter anzustreben und alsdann das pH um diesen Wert aufrechtzuerhalten, jedenfalls aber nicht über 7,5 ansteigen zu lassen.
Beides lässt sich erfindungsgemäss durch Steuerung des C/N-Gewichtsverhältnisses mittels Zugabe von assimilierbarem Kohlenstoff erreichen. Übrigens ist nicht das absolute C/N-Gewichtsverhältnis an sich für den Erfolg des Verfahrens massgebend, sondern der Nachschub von Mikrobennährstoffen in Form der erwähnten Kohlenstoffquellen.
Fig. 2 veranschaulicht die oben geschilderten Bedingungen und die bei entsprechendem Gärungsverlauf ermittelten Ergebnisse. Der Versuch (Nr. 1460.17.9) wurde mit Schweinegülle durchgeführt, deren C/N-Gewichtsverhältnis durch Zugabe von Maisspindelmehl und Zucker auf den gewünschten Wert hin gesteuert wurde.
Zu Beginn der Gärung steigt der pH-Wert zufolge des Entweichens von Kohlensäure an, mit der einsetzenden mikrobiellen Bildung organischer Säuren als Folge des Kohlenhydratabbaus sinkt er auf ca. 6,5 und darunter, womit die Verflüchtigung von Ammoniak unterbunden wird. Jede Zugabe von assimilierbarem Kohlenstoff (Erweiterung des C/N-Gewichtsverhältnisses) bewirkt ein Absinken des pH Wertes und zugleich eine Steigerung der mikrobiellen Aktivität; dieser entsprechend steigt oder fällt die Flüssigkeitstemperatur. Die beiden Temperaturanstiege am 1., 2. und am 5. Tage sind auf zwei Zugaben von Kohlenhydraten zurückzuführen, desgleichen das Absinken des pH-Wertes unter 6,5. Der Gesamtstickstoffgehalt von 4480 mg/l am 1. Tage ist am 5. Tage der gesteuerten aeroben Gärung erhalten (4360 mg/l).
Bei korrekter Durchführung des Verfahrens bleibt also der ursprüngliche Stickstoffgehalt im vergorenen Hofdünger erhalten, zudem aber ist der vergorene Hofdünger geruchlos. Somit ist die Geruchlosigkeit des Produktes ein Hinweis dafür, dass die Gärung richtig verlaufen ist. Schliesslich entstehen dabei keine toxischen Stoffe, was - zusammen mit dem Ausbleiben der Ammoniakgas-Bildung - die Überlebensdauer des Regenwurms (nach Entsalzung 4 bis 6 Wochen) zu erklären vermag.
Die erwähnte Unschädlichkeit des erfindungsgemäss hergestellten Hofdüngers stellt nicht nur einen bedeutenden technischen Fortschritt gegenüber dem Hofdünger herkömmlicher (anaerober) Aufbereitungsart dar, sie bedingt es auch, dass der neue Hofdünger im Moment des Ausbringens keiner Verdünnung mit Wasser bedarf. Daraus ergibt sich für den Landwirt beim Ausbringen und Verteilen eine beträchtliche Einsparung an Zeit und Arbeit.
Es liessen sich zudem andere Vorteile erwarten, insbesondere bei Transport und Handel, wenn der neue Hofdünger unter einem kleinen Volumen oder sogar in fester Form hergestellt werden könnte. Unerlässliche Bedingung wäre dabei selbstverständlich, dass die Geruchlosigkeit erhalten bliebe und dass die Zusammensetzng, ganz besonders in bezug auf den Stickstoffgehalt, keine Veränderung erführe.
Mit diesem Ziel sind also weitere Versuche angestellt worden und es wurde dabei gefunden, dass sich der verfahrensgemäss erhaltene flüssige Hofdünger leicht in flüssige.
aber konzentrierte oder in feste Form überführen lässt, indem man ihn einer weitgehenden oder vollständigen Entwässerung unterwirft. Hierbei werden die zuvor genannten Bedingungen voll erfüllt, denn die Entwässerung verursacht weder eine Geruchsentwicklung, noch eine Änderung der ursprünglichen Zusammensetzung.
Die Entwässerung ist nicht an eine besondere Einrichtung der Technik gebunden, vielmehr eignen sich dafür im Prinzip alle Methoden zur Entwässerung einer wässrigen Flüssigkeit. Beispielsweise kann man den vergorenen Hofdünger in einem Kessel eindampfen und den entstehenden Wasserdampf im Freien entweichen lassen. Mit Rücksicht auf die Kosten wird man jene Methoden vorziehen, welche mit einer möglichst geringen Energiezufuhr einhergehen.
Daher erscheint eine Methode besonders interessant, bei welcher der Flüssigdünger im Freien, bei Lufttemperatur verdunsten gelassen und das verbleibende Material hierauf bis zur gewünschten Konzentration oder zur Trockne eingedampft wird.
Gerade in dieser Geruchlosigkeit der letzten, allfälligen Verfahrensstufe und des Endproduktes liegt ein bedeutender technischer Fortschritt, denn: Trocknen ist nur für Substrate mit hohem Feststoffanteil sinnvoll; das Problem der Geruchsbeseitigung belastet jedoch dieses Verfahren sehr [W. Bader und Mitarb., Berichte über Landwirtschaft 50 (1972), 6235].
In der so erhaltenen Form eignet sich der Hofdünger vorzüglich zur Aufbewahrung, auch über längere Zeit, zum Transport und zum Verkauf. Er kann ohne Schwierigkeit in Büchsen oder Kannen abgefüllt und verpackt werden und so in Blumenbeete vor dem Haus, in Gärten, städtischen Grünanlagen und dergleichen unbedenklich zur Anwendung kommen.
Ferner erschien es von Interesse, näheren Aufschluss über die chemische Natur des im erfindungsgemäss erhaltenen Hofdüngers verbliebenen, gebundenen Stickstoffs zu erhalten. Qualitative und quantitative Analysen führten zum unerwarteten Befund, dass der Stickstoff weitgehend oder sogar fast vollständig in Form von Aminosäuren vorliegt, wie aus Tabelle III hervorgeht.
Berücksichtigt man die Aufschlüsselung in Tabelle III näher, fällt zuerst das sehr breite Spektrum an Aminosäuren auf; fast alle im pflanzlichen Eiweiss vorkommenden, essentiellen Aminosäuren sind darin anzutreffen. Aus der Tabelle kommt sodann die mengenmässige Bedeutung des Gesamtgehalts an Aminosäuren in der Trockensubstanz eindrücklich zum Vorschein, zumal wenn mit den entsprechenden Werten bei anaerober Gärung und ungesteuerter aerober Gärung verglichen wird.
Nun stellen die Aminosäuren für Pflanzen und Bodenmikroorganismen die bevorzugte Stickstoffquelle dar; in dieser Form nämlich wird die Stickstofllzufuhr bei den biochemischen Grundvorgängen am besten ausgenutzt. Hierin liegt letztendlich der Grund des hohen Nutzeffektes vom neuen Hofdünger bei seiner Verwendung als Düngemittel. Selbstverständlich leisten auch die in jedem Hofdünger normalerweise vorkommenden Kalium-, Calcium- und Magnesiumsalze zum erwähnten Nutzeffekt ihren Beitrag.
Auch der Verlauf der aeroben Gärung im erfindungsgemässen Verfahren wird jetzt besser verständlich: durch die fortlaufende Bildung von Aminosäuren an Stelle von Ammoniak, aus dem ursprünglich in Form von Harnstoff und Ammoniumcarbonat vorhandenen Stickstoff, finden das anfängliche Absinken des pH-Wertes vom schwach alkalischen zum schwach sauren Bereich und hernach seine Konstanthaltung eine zwanglose Erklärung. Bei der beschriebenen, spezifischen Form der Gärung handelt es sich also überraschenderweise um eine eigentliche Aminosäure Fermentation , vergleichbar etwa mit der alkoholischen oder der Essigsäure-Fermentation auf anderen Gebieten.
Aus dem zuvor erwähnten Aminosäuren-Spektrum und -Gesamtgehalt ergibt sich für den erfindungsgemäss erhaltenen Hofdünger eine neue Verwendungsmöglichkeit, nämlich als Futtermittel. Erste Fütterungsversuche scheinen den
Tabelle III
Aminosäuren in Flüssigdünger bei verschiedenen Gärverfahren (In Bakterieneiweiss gebundene und freie Aminosäuren,
nach Hydrolyse) Gehalt an Schweinegülle (1460) Rindergülle (1463) Aminosäuren in % 1460 R 1460 1460 1463 R 1463 1463 der Trockensubstanz 14.2 17.9 18.2 25.8 anaerobe ungesteuerte gesteuerte anaerobe ungesteuerte gesteuerte
Gärung aerobe Gärung aerobe Gärung Gärung aerobe Gärung aerobe Gärung Asparaginsäure 0,89 0,02 2,64 0,58 0,09 1,96 Threonin 0,44 0,02 1,28 0,29 0,02 0,73 Serin 0,33 0,02 1,02 0,23 0,02 0,64 Glutaminsäure 0,98 0,02 3,32 0,63 0,11 2,06 Prolin 0,37 0,02 0,70 0,20 0,02 0,50 Glycin 0,45 0,02 1,38 0,31 0,07 0,84 Alanin 0,56 0,02 3,24 0,43 0,07 1,16 Cystin 0,02 0,02 - 0,02 0,02 Valin 0,50 0,02 1,42 0,29 0,04 0,82 Methionin 0,02 0,02 0,44 0,14 0,02 0,15 Isoleucin 0,46 0,02 1,24 0,28 0,04 0,64 Leucin 0,77 0,02 1,96 0,41 0,06 1,10 Tyrosin 0,45 0,02 0,9 0,23 0,02 0,43 Phenylalanin 0,50 0,02 1,32 0,28 0,04 0,96 Lysin 0,50 0,02 1,56 0,30 0,03
0,98 Histidin 0,12 0,02 0,36 0,07 0,02 0,21 Arginin 0,72 0,02 0,82 0,19 0,03 0,79 Gesamtgehalt an Aminosäuren in % 8,08 0,34 23,60 4,88 0,72 13,97 der Trockensubstanz Wert des neuen Futtermittels als Aminosäuren- bzw. Eiweissquelle in der Tierernährung zu bestätigen. In einer Zeit, da sich auf dem Weltmarkt ein Mangel an Futtereiweiss abzeichnet, kommt besagter Verwendungsmöglichkeit unermessliche Bedeutung zu.
Gerade in der verfahrensgemäss erhaltenen Form, d. h. als Konzentrat oder als Pulver, kann das Produkt zur Tierfütterung verwendet werden, ohne zuvor irgend eine weitere Aufarbeitung zu benötigen.
PATENTANSPRUCH 1
Verfahren zur Herstellung, durch aerobe Gärung, eines für Pflanzen und Bodenlebewesen unschädlichen, zugleich vollwertigen und geruchlosen Hofdüngers, dadurch gekennzeichnet, dass man im Harn- und Kotgemisch von der landwirtschaftlichen Tierhaltung, frisch oder anaerob vergoren, durch kontinuierliche Belüftung oder Intervallbelüftung eine aerobe Gärung einleitet und zugleich durch Zugabe von Kohlenstoffquellen das Kohlenstoff/Stickstoff-Gewichtsverhältnis auf einen Wert von mindestens 5:
:1 erhöht, bis der pH-Wert der Flüssigkeit auf 6,5 oder darunter fällt, im entstandenen, vergärenden Gemisch durch kontinuierliche Belüftung oder Intervallbelüftung und unter Einhaltung einer Temperatur von 20 bis höchstens 350 C und kontinuierlicher Zufuhr des täglich anfallenden Harn- und Kotgemisches die aerobe Gärung aufrechterhält und dabei durch weitere Zugabe von Kohlenstoffquellen das Kohlenstoff/Stickstoff-Gewichtsverhältnis so steuert, dass der pH-Wert der Flüssigkeit 7,5 nicht überschreitet.
UNTERANSPRÜCHE
1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass als Kohlenstoffquellen Stroh, Sägemehl, Maisspindelmehl, Maiskolbenschrot, Melasse oder Zucker verwendet werden.
2. Verfahren nach Patentanspruch I oder Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlenstoff/Stickstoff-Gewichtsverhältnis auf einen Wert von 5:1 bis 15:1 gebracht und hierbei aufrechterhalten wird.
3. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Einhaltung der Temperatur durch Regulieren der Belüftungsintensität, der Belüftungsintervalle und/ oder Zufuhr von Warmluft bzw. Kaltluft gesteuert wird.
4. Verfahren nach Patentanspruch I oder Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur auf 20 bis 30 C eingehalten wird.
5. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass man den erhaltenen Hofdünger weitgehend oder vollständig entwässert.
6. Verfahren nach Unteranspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Entwässerung durch Eindampfen oder durch Verdunstenlassen und anschliessendes Eindampfen durchgeführt wird.
PATENTANSPRUCH II
Verwendung des nach dem Verfahren gemäss Patentanspruch I hergestellten Hofdüngers als Futtermittel.
**WARNUNG** Ende DESC Feld konnte Anfang CLMS uberlappen**.
The collection of the natural liquid fertilizer from the farm animals, especially cattle and pigs, has always been common because of the nutrient content of nitrogen, potash and phosphorus. The method of processing this important farm manure has hardly changed over time. As is still the case today, storage without air entry - i.e. anaerobic fermentation - is common. The only thing that has changed since the introduction of the motorized force is the agitation method for the purpose of mixing solid substances (excrement) with the liquid (urine) shortly before the fertilizer is applied. Instead of stirring with a device and human strength, actual stirrers or circulation pumps are now used.
The former manure throwing by hand with the scoop was also replaced by the liquid manure distribution system or the pressure barrel. With all of the mechanical devices, however, the processing of the liquid fertilizer has basically not undergone any change; in particular, research and practice have maintained anaerobic fermentation.
In the natural cycle of substances, it has been proven that not only soil organisms and plants, but sometimes also pets, are affected by the harmful side effects of the liquid fertilizer prepared using conventional methods. The obvious harmful side effects of the commonly prepared liquid fertilizer on soil organisms and plants are now mainly weakened by adding water and small amounts of fertilizer. The relatively expensive addition of water (up to a ratio of 5 parts water to 1 part urine feces mixture) can also reduce the loss of nitrogen in the form of volatile ammonia gas to some extent, but this method is only partially successful - not to mention the Expenses - basically unsatisfactory.
Finally, from the point of view of environmental protection, the elimination of the intense, disgusting odor of the anaerobically fermented liquid fertilizer is essential. In addition to the use of odor-masking (biocidal deodorants) and odor-inhibiting agents, active ingredients are also proposed which convert the odor-producing substances into odorless compounds. We now know that aerobic fermentation completely eliminates the odor of liquid fertilizers.
At the moment, research institutes in Germany and abroad are testing methods in this regard for their practical applicability, but the focus is always on eliminating odors.
If one now looks at the results already mentioned, it becomes clear that there is as yet no method that can solve all three problems of the use of organic farm manure at the same time, namely: - Elimination of the harmful side effects, - Avoidance of nitrogen loss and ¯ complete absence of smell .
A process has now been found by which liquid farm manure is freed from the known harmful side effects on soil organisms and plants, the originally present nitrogen content is completely maintained and the fertilizer is made completely odorless at the same time. The farm manure obtained according to the invention, which is perfect in every respect, can be obtained in liquid, liquid concentrated or in solid form.
The manufacturing process is characterized in that aerobic fermentation is initiated in the urine and faeces mixture from agricultural animal husbandry, freshly or anaerobically fermented, through continuous aeration or interval ventilation and, at the same time, by adding carbon sources, the carbon / nitrogen weight ratio to a value of at least 5 :
: 1 increased until the pH value of the liquid falls to 6.5 or below, in the resulting fermenting mixture by continuous aeration or interval aeration while maintaining a temperature of 20 to a maximum of 350 C and continuously adding the daily urine and faeces mixture maintains aerobic fermentation and thereby controls the carbon / nitrogen weight ratio by further addition of carbon sources so that the pH of the liquid does not exceed 7.5. If desired, the aerobically fermented liquid farm manure can be largely or completely drained.
The task was therefore to develop a process for processing the liquid fertilizer according to microbiological and especially soil biological aspects. The earthworm was used as an indicator for the first time. This important, useful bottom animal turned out to be an excellent indicator - like the fish for the water - because its behavior towards all toxic substances is absolutely clear and reliable. Not only can the occurrence of toxins be detected quickly with the earthworm, but the toxicity limit can also be measured just as quickly. In fact, with its survival time, the earthworm shows exactly when a liquid fertilizer is absolutely free of toxins.
The experiments with the earthworm were carried out in Petri dishes; As a humid animal, the worm is dependent on oxygen, so the liquid must not completely cover the body. The use of this aid also had the advantage of a direct statement about the possible harmful effects of the farm manure examined; one did not have to wait for the duration of a vegetation period to observe the signs of damage that could be detected in plants.
Thus, the earthworm was the indispensable forerunner for the comprehensive treatment and solution of the three problems which arise with the use of liquid farm manure and which have already been discussed, i. H. the harmful side effects, nitrogen loss and odor. The three factors represent a natural whole, and as such they have been explored here for the first time.
It could indeed be established that aerobic fermentation of the farm manure does not result in any toxic putrefaction products, such as benzoic acid, phenols and hydrogen sulfide in particular; if these are already present, they are oxidatively degraded to non-toxic compounds (see Table I).
The survival time of the earthworm in aerobically fermented and desalinated farmyard manure (1 to 10 days) suggests with certainty that this form of fermentation converts practically all toxins into non-toxic compounds.
On the other hand, however, aerobic fermentation leads to very considerable nitrogen losses in the form of ammonia gas. Aerobically fermented farm manure contains practically no ammonia nitrogen; according to our own tests, the loss is 80 to 90% (see Table I). This means that the most important plant nutrient in the natural fertilizer, nitrogen, is practically lost during this fermentation process. It is mainly due to the fact that when aerobically fermented farm manure is applied, the earthworm does not push to the surface and is not damaged, and that no corrosive effects are observed on the plants.
Table I.
Loss of nitrogen and toxic substances through aerobic fermentation
Fermentation duration: 22 days (May 22 to June 13, 1973)
Highest liquid temperature: 320 C Description Pig manure (1461.11) Cattle manure (1463.18)
Content Content loss / decrease Content Content loss / decrease at the beginning at the end absolute in% at the beginning at the end absolute in% Total nitrogen 3800 mg / l 950 mg / l 2850 mg / l 75 2890 mg / l 262 mg / l 2628 mg / l 90 Ammonia nitrogen 3300 mg / l 605 mg / l 2695 mg / l 81 2690 mg / l 200 mg / l 2490 mg / l 92 Benzoic acid 1037 mg / l 49 mg / l 988 mg / l 95 1549 mg / l 24 mg / l 1525 mg / l 98 phenols (Millon's Reaction #) ++ 100 ++ - 100 hydrogen sulfide 23 mg / l <1 mg / l 23 mg / l 100 23 mg / l <1 mg / l 23 mg / l 100 pH value 7.7 9.2 8.55 9.0 Detection by thin layer chromatography Surprisingly, it has now been found
that the loss of nitrogen during aerobic fermentation can be completely avoided if a carbon source is added to the farm manure used or in the process of fermentation. As a result, the carbon / nitrogen weight ratio in farm manure is expanded and the primary condition for optimal microbial activity is apparently met. By supplying assimilable carbon, the C / N weight ratio should therefore be brought to a value of at least 5: 1 and thereby maintained. It has also been found that the optimal C / N weight ratio is between 5: 1 and about 15: 1. If the aerobic fermentation is carried out in compliance with this first condition, the nitrogen content in the end product is fully retained. The following table illustrates these relationships.
Table II
Nitrogen content with controlled aerobic fermentation Description Carbon content in mg / l total nitrogen ratio
Sample 1 Sample 2 in mg / l C / N bovine urine, fresh (1463.H.8) 11.2 11.4 4.480 2.6: 1 Pig slurry, fermented according to the invention (1460.25.8) 20.6 22.4 1.510 14 , 8: 1 cattle manure, fermented according to the invention (1463.9.8) 33.6 38.4 2.700 14.2: 1
The method is described in more detail below.
Suitable sources or suppliers of carbon include: a.
Straw, sawdust, corncob meal, corncob meal, molasses, sugar, etc. Among these, the sugars and molasses in particular are characterized by their relatively rapid action as carbon sources; when the other substances are used, the desired C / N weight ratio is slower. It goes without saying that preference will be given to those carbon sources which occur as waste products on the farm or which are cheapest according to local conditions.
The aerobic fermentation process is a prerequisite for the aforementioned, comprehensive success of the process, otherwise putrefaction processes occur, in which compounds with a toxic effect are formed. Aerobic fermentation is initiated and maintained by aeration of the liquid fertilizer. If the ventilation is not carried out continuously, but intermittently, the intervals should be measured so that the aerobic process of fermentation is always guaranteed.
The ventilation can u. a. can be accomplished with an injector, suction vent or pressure aerator. The ventilation system does not require the construction of a special tank as a reactor, unless the aerobic fermentation does not fully manage the daily intake of urine and faeces mixture, in which case two or more tanks are necessary.
The third condition for the success of the process is to maintain a temperature of 20 to a maximum of 350 C in the fermenting liquid fertilizer. The optimal temperature range for the fermentation process is 20 to 300 C. As a rule, this range is reached and maintained without further action by the heat generated by fermentation. However, a partial dependence of the internal temperature of the fermenting farm manure on the external temperature can be observed in FIG.
Therefore, the process should advantageously be carried out in thermally insulated containers. If necessary, the liquid temperature can be corrected, for example by increasing the intensity of the ventilation or its intervals.
reduces and / or uses warm air or cold air instead of normal air for ventilation.
The duration of the aerobic fermentation process depends in part on the outside temperature. Based on the series tests carried out, the fermentation period is generally 10 to about 22 days.
It was also found that the pH of the fermenting farm manure is in the weakly acidic to neutral range - usually around 6.5 and at most up to 7.5 - when the fermentation is in relation to the C / N weight ratio.
Indoor manure temperature and ventilation is carried out correctly. This fact is the reliable characteristic of the microbial conversion of volatile ammonia gas into bound nitrogen. It offers the possibility of a simple control of the fermentation process by changing the pH value slightly, e.g. B. with litmus paper, can be determined.
It is therefore important to aim for a pH value of 6.5 or below in the liquid at the same time as the onset of aeration and then to maintain the pH around this value, but in any case not to let it rise above 7.5.
According to the invention, both can be achieved by controlling the C / N weight ratio by adding assimilable carbon. Incidentally, it is not the absolute C / N weight ratio itself that is decisive for the success of the process, but the replenishment of microbial nutrients in the form of the carbon sources mentioned.
Fig. 2 illustrates the conditions described above and the results obtained with a corresponding fermentation process. The experiment (No. 1460.17.9) was carried out with pig manure, the C / N weight ratio of which was controlled to the desired value by adding corncob meal and sugar.
At the beginning of fermentation, the pH value rises due to the escape of carbonic acid, with the onset of microbial formation of organic acids as a result of the breakdown of carbohydrates, it drops to about 6.5 and below, which prevents the volatilization of ammonia. Every addition of assimilable carbon (expansion of the C / N weight ratio) causes the pH value to drop and, at the same time, an increase in microbial activity; the liquid temperature rises or falls accordingly. The two temperature rises on the 1st, 2nd and 5th day are due to two additions of carbohydrates, as well as the drop in pH below 6.5. The total nitrogen content of 4480 mg / l on the 1st day is obtained on the 5th day of the controlled aerobic fermentation (4360 mg / l).
If the process is carried out correctly, the original nitrogen content in the fermented farm manure is retained, but the fermented farm manure is also odorless. The fact that the product is odorless is an indication that fermentation has proceeded correctly. Ultimately, this does not produce any toxic substances, which - together with the lack of ammonia gas formation - explains the earthworm's survival time (4 to 6 weeks after desalination).
The mentioned harmlessness of the farm manure produced according to the invention not only represents a significant technical advance compared to the farm manure of conventional (anaerobic) processing, it also means that the new farm manure does not need to be diluted with water at the moment of application. This results in a considerable saving of time and work for the farmer when spreading and distributing.
Other benefits could also be expected, particularly in terms of transport and trade, when the new farm manure could be produced in a small volume or even in a solid form. It goes without saying that an indispensable condition would be that the odorlessness be preserved and that the composition, especially with regard to the nitrogen content, does not change.
With this aim, further experiments have been made and it was found that the liquid farm manure obtained according to the method easily turns into liquid.
but can be converted into concentrated or solid form by subjecting it to extensive or complete drainage. Here, the aforementioned conditions are fully met, because the drainage does not cause an odor or a change in the original composition.
The drainage is not tied to a special technical device; in principle, all methods for draining an aqueous liquid are suitable for it. For example, the fermented farm manure can be evaporated in a boiler and the resulting water vapor can escape outdoors. In view of the costs, one will prefer those methods that are associated with the lowest possible energy input.
Therefore, a method seems particularly interesting in which the liquid fertilizer is allowed to evaporate outdoors at air temperature and the remaining material is then evaporated to the desired concentration or to dryness.
It is precisely in this odorlessness of the last, possible process stage and of the end product, that there is a significant technical advance, because: drying only makes sense for substrates with a high proportion of solids; however, the problem of odor elimination is a major burden on this process [W. Bader et al., Reports on Agriculture 50 (1972), 6235].
In the form obtained in this way, the farm manure is ideal for storage, even over a longer period of time, for transport and for sale. It can be filled and packaged in cans or jugs without difficulty and can thus be safely used in flower beds in front of the house, in gardens, urban green spaces and the like.
It also appeared of interest to obtain more detailed information about the chemical nature of the bound nitrogen remaining in the farm manure obtained according to the invention. Qualitative and quantitative analyzes led to the unexpected finding that the nitrogen is largely or even almost entirely in the form of amino acids, as can be seen from Table III.
If one takes into account the breakdown in Table III, the first thing that is striking is the very broad spectrum of amino acids; almost all of the essential amino acids found in vegetable protein can be found in it. The table then clearly shows the quantitative importance of the total content of amino acids in the dry matter, especially when comparing with the corresponding values for anaerobic fermentation and uncontrolled aerobic fermentation.
Amino acids are the preferred nitrogen source for plants and soil microorganisms; In this form, namely, the nitrogen supply is best used in the basic biochemical processes. This is ultimately the reason for the high efficiency of the new farm manure when it is used as a fertilizer. It goes without saying that the potassium, calcium and magnesium salts that are normally found in every farm manure also make their contribution to the aforementioned beneficial effect.
The course of aerobic fermentation in the process according to the invention is now easier to understand: through the continuous formation of amino acids in place of ammonia, from the nitrogen originally present in the form of urea and ammonium carbonate, the pH value initially drops from weakly alkaline to weak acidic range and then keeping it constant is an informal explanation. The specific form of fermentation described is therefore, surprisingly, an actual amino acid fermentation, comparable for example to alcoholic or acetic acid fermentation in other areas.
From the aforementioned amino acid spectrum and total content, the farm manure obtained according to the invention can be used in a new way, namely as animal feed. The first attempts at feeding seem to be
Table III
Amino acids in liquid fertilizer in various fermentation processes (free amino acids bound in bacterial protein,
after hydrolysis) content of pig manure (1460) cattle manure (1463) amino acids in% 1460 R 1460 1460 1463 R 1463 1463 of the dry matter 14.2 17.9 18.2 25.8 anaerobic uncontrolled controlled anaerobic uncontrolled controlled
Fermentation aerobic fermentation aerobic fermentation fermentation aerobic fermentation aerobic fermentation aspartic acid 0.89 0.02 2.64 0.58 0.09 1.96 threonine 0.44 0.02 1.28 0.29 0.02 0.73 serine 0 , 33 0.02 1.02 0.23 0.02 0.64 Glutamic acid 0.98 0.02 3.32 0.63 0.11 2.06 Proline 0.37 0.02 0.70 0.20 0 .02 0.50 Glycine 0.45 0.02 1.38 0.31 0.07 0.84 Alanine 0.56 0.02 3.24 0.43 0.07 1.16 Cystine 0.02 0.02 - 0.02 0.02 valine 0.50 0.02 1.42 0.29 0.04 0.82 methionine 0.02 0.02 0.44 0.14 0.02 0.15 isoleucine 0.46 0 .02 1.24 0.28 0.04 0.64 Leucine 0.77 0.02 1.96 0.41 0.06 1.10 Tyrosine 0.45 0.02 0.9 0.23 0.02 0 , 43 phenylalanine 0.50 0.02 1.32 0.28 0.04 0.96 lysine 0.50 0.02 1.56 0.30 0.03
0.98 Histidine 0.12 0.02 0.36 0.07 0.02 0.21 Arginine 0.72 0.02 0.82 0.19 0.03 0.79 Total amino acid content in% 8.08 0 , 34 23.60 4.88 0.72 13.97 of the dry substance value of the new feed as a source of amino acids or protein in animal nutrition. At a time when the world market is showing signs of a shortage of feed protein, this possibility of use is of immeasurable importance.
Just in the form obtained according to the method, d. H. as a concentrate or as a powder, the product can be used for animal feeding without the need for any further processing.
PATENT CLAIM 1
Process for the production, by aerobic fermentation, of a farm manure which is harmless to plants and soil organisms, but is also wholesome and odorless, characterized in that aerobic fermentation is initiated in the urine and faeces mixture from agricultural animal husbandry, freshly or anaerobically fermented, through continuous ventilation or interval ventilation and at the same time by adding carbon sources, the carbon / nitrogen weight ratio to a value of at least 5:
: 1 increased until the pH value of the liquid falls to 6.5 or below, in the resulting fermenting mixture by continuous aeration or interval aeration and while maintaining a temperature of 20 to a maximum of 350 C and continuous supply of the daily urine and faeces mixture maintains aerobic fermentation and controls the carbon / nitrogen weight ratio by adding further carbon sources so that the pH of the liquid does not exceed 7.5.
SUBCLAIMS
1. The method according to claim I, characterized in that straw, sawdust, corncob meal, corncob meal, molasses or sugar are used as carbon sources.
2. The method according to claim I or dependent claim 1, characterized in that the carbon / nitrogen weight ratio is brought to a value of 5: 1 to 15: 1 and is maintained here.
3. The method according to claim I, characterized in that the maintenance of the temperature is controlled by regulating the ventilation intensity, the ventilation intervals and / or supply of warm air or cold air.
4. The method according to claim I or dependent claim 4, characterized in that the temperature is maintained at 20 to 30 C.
5. The method according to claim I, characterized in that the farm manure obtained is largely or completely drained.
6. The method according to dependent claim 5, characterized in that the dehydration is carried out by evaporation or by evaporation and subsequent evaporation.
PATENT CLAIM II
Use of the farm manure produced by the process according to claim I as animal feed.
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