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In der US-PS 37 58 287 (1973) von S c h e e I wird der Versuch unternommen,
sowohl Küchenabfälle als auch Faulschlamm zur Erzeugung eines Düngemittels zu verwenden.
In diesem Patent wird ein spezielles Mineral, das aus Magnesium und Eisenoxlden
(Olivin) zusammengesetzt ist, mit einer konzentrierten Schwe-
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felsäure gemischt, um eine Paste herzustellen, die anschließend mit
einer Kombination aus zerkleinerten Küchenabfällen und Faulschlamm gemischt wird.
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Stoffmischungen, die die physikalischen Eigenschaften von Pflanzenerde
nachbilden, sind jedoch bisher nicht bekannt. Insbesondere ist die Nachbildung einer
molekularen Gitterstruktur, die eine kontinuierliche Versorgung der Pflanzenwurzeln
mit den für das Pflanzenwachstum wichtigen mineralischen Nährstoffen gewährleistet,
bisher nicht gelungen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Pflanzenerde-Ersatzstoff anzugeben,
der alle für das Pflanzenwachstum wesentlichen Eigenschaften besitzt und in einfacher
Weise und wirtschaftlich auch in größerem Umfang herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Pflanzenerde-Ersatzstoff
aus einer entwässerten und auf einen Teilchendurchmesser von nicht größer als 2
mm zerkleinerten Mischung von Abfällen des Erzabbaus, organischem Faulschlamm, pulverisierten
Küchenabfällen und pulverisiertem Müll besteht.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung bestehen darin, daß dem
Pflanzenerde-Ersatzstoff zusätzlich noch Sand und/oder Kalk hinzugefügt ist.
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Die erfindungsgemäße Pflanzenerde stellt ein synthetisches Erdmedium
mit Mutterbodenqualität dar. Die Kosten der Herstellung der Pflanzenerde werden
durch Verwendung von Stoffkomponenten, die als Abfallprodukte vorkommen, verringert.
Außerdem werden viele bei der Beseitigung von organischen Abfallprodukten nach bekannten
Methoden auftretenden Probleme eliminiert, während gleichzeitig ein großer Anteil
des organischen Nährwerts dieser Abfallstof'e konserviert und auf wirtschaftliche
Weise zu einem synthetischen Mutterboden verarbeitet wird. Neben der Erzeugung der
synthetischen Pflanzenerde wird als weiterer erfindungsgemäßer Vorteil eine wirtschaftlich
sinnvolle Beseitigung von Küchenabfällen, Faulschlamm und Minenabfällen erreicht.
Durch die Verarbeitung von Küchenabfällen, Faulschlamm und Minenabfällen wird die
Notwendigkeit der Verbrennung von Küchenabfällen bzw. der Errichtung von Müllkippen
erheblich reduziert, ebenso erübrigt sich die Eingabe von Faulschlamm in Flüsse
oder andere Gewässer. Durch die Erzeugung des Pflanzenerde-Ersatzstoffes lassen
sich große Mengen von Küchenabfällen, Müll und Faulschlamm mit geringeren als bisher
üblichen Kosten beseitigen. Der Pflanzenerde-Ersatzstoff bildet die Matrix der natürlich
vorkommenden Pflanzenerde unter Verwendung von organischen und anorganischen Materialien
nach, die bisher als Abfallprodukte angesehen wurden.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der
Zeichnung näher beschrieben.
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Es zeigt F i g. 1 ein Flußdiagramm des Verfahrens zur Erzeugung des
erfindungsgemäßen Pflanzenerde-Ersatzstcffes, F i g. 2 ein Flußdiagramm der verschiedenen
Resourcen, Operationen und Produkte, die bei der vorliegenden Erfindung Verwendung
finden, F i g. 3 eine dreiecksförmige Darstellung der Erdtexturklassifikation, Fig.4
eine Darstellung der Kristallstruktur eines lehmigen Mutterbodens und F i g. 5 eine
chemische Darstellung der in F i g. 3 dargestellten physikalischen Struktur.
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Die vorliegende Erfindung gestattet eine Verwen-
dung eines weiten
Spektrums von Abfallmaterialien, die durch industrielle und häusliche Quellen erzeugt
werden. Die möglichen Quellen für derartige Abfallmaterialien sind in dem Flußdiagramm
nach F i g. 2 dargestellt. Die Transporteinrichtungen, mittels derer die verschiedenen
Materialien zum Fabrikationsort des Mutterbodens gebracht werden, bestehen z. B.
aus Rohrleitungen, Lastschiffen, Güterzug- und -straßenverkehrseinrichtungen.
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Zusätzlich zur Herstellung des Mutterbodens lassen sich mehrere andere
wertvolle Produkte aus den Materialquellen des in F i g. 2 dargestellten Systems
wiedergewinnen. So befinden sich z. B. verschiedene Schwermetalle, entgiftetes Wasser,
Papier und Glas unter der Vielzahl der Produkte, die bei einem totalen Recycling
System wiedergewonnen werden.
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In F i g. 1 sind die Minenabfälle 10 dargestellt, die bei der physikalischen
Gewinnung von Mineralien aus Erz entstehen, wie sie von Minenabfall-Trichterwagen
entladen werden. Die Abfälle können entweder von Tagebauminen oder von Untertagminen
herrühren, wobei die Abfälle dann durch Tunnel-, Stollentreib- oder Füllarbeiten
entstehen.
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Unabhängig von dem Ort, an dem sich die Mine befindet, lassen sich
die Minenabfälle leicht an einen Ort transportieren, an dem eine Faulschlammbehandlung
und eine Müllkippe oder Müllgrube für feste Abfälle geführt werden. An einem derartigen
Ort wird der Faulschlamm 12 in einen Tank 14 eingegeben, in dem die Minenabfälle
10 etwa 5 bis 30% ihres Gewichts Faulschlamm absorbieren.
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Die Vermischung der Abfälle 10 mit dem Faulschlamm 12 dient zwei
Säcken. Erstens werden die Pflanzennahrungsstoffe innerhalb des Schlammes in die
Abfälle eingeführt, wobei sich ein organisch angereichertes Material ergibt. Zweitens
werden durch den Tank 14 die flüssigen Bestandteile des Faulschlammes durch ein
Filterbett 15 herausgefiltert, das sich natürlich am Boden des Tanks 14 befindet
Eine gereinigte Flüssigkeit 16, die im wesentlichen aus Wasser besteht, fließt durch
den Boden des Tanks 14 in einen Auffangtank 18, in dem sich irgendwelche Sedimente
oder andere festen Ablagerungen in eine Position 19 am Tankboden begeben. Vom Auffangtank
18 wird das gereinigte Wasser durch eine Röhre 20 in einen Fluß oder ein Reservoir
gegeben, wo es nach einer Behandlung, als Trink- oder Industriewasser weiterverwendet
werden kann.
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Es ist ersichtlich, daß eine zweifache Verwendung des Faulschlammes
erfolgt: Einmal werden die organischen Mineralnährstoffe den Minenabfällen hinzuaddiert,
um ein angereichertes Material herzustellen, zum anderen wird das Filtrat oder die
flüssige Komponente für eine erneute Verwendung in die regionale Wasserversorgung
zurückgegeben.
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Vom Tank 14 werden die angereicherten Minenabfälle in einen Misch-
und Dehydriertank 22 eingegeben. Im Tank 22 werden die angereicherten Abfälle sorgfältig
mit 10 bis 50 Gewichtsprozent pulverisierter Küchenabfälle und Müll gemischt, die
in den Tank 22 aus einer Zerkleinerungs- und Homogenisiereinheit 24 für feste Abfälle
zugeführt werden.
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Bezüglich der entsprechenden Mengen der einzelnen Komponenten des
Mutterbodens besteht eine wünschenswerte allgemeine Regel darin, daß das Verhältnis
des Gewichts der Minenabfälle zu den Gewichtszusätzen des (a) Faulschlamms und (b)
der Küchenabfälle und/oder des Mülls größer oder gleich eins sein sollten.
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Ein derartiges Verhältnis stellt sicher, daß in einer genügend großen
Menge des Erd-Grundmaterials, insbesondere der Minenabfälle, die entscheidende physikalische
Matrix eines natürlichen Mutterbodens im Endprodukt vorhanden ist.
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Durch Experimente wurde herausgefunden, daß der nach der Konzentration
des organischen Materials. das für eine bestimmte landwirtschaftliche Anwendung
erwünscht ist, die folgenden Verhältnisgruppen von (a) Minenabfällen zum (b) Faulschlamm
zu (c) den Tischenabfällen und dem Müll als erstrebenswerte Verhältnisse gelten:
100:5: 100 :5:10,80 :30 :50, 100 :30:10, 100:5:10,100:10:5 und 80 :50:30. In Prozentzahlen
ausgedrückt wurde festgestellt, daß sich günstige Erdzusammensetzungen ergeben,
wenn die Minenabfälle zwischen 51 und 87 Gewichtsprozent der Mischung liegen, die
Faulschlammbestandteile zwischen 4 und 16 Gewichtsprozent liegen, und wobei die
zerkleinerten Küchenabfälle und Müll zwischen 9 und 33 Gewichtsprozent betragen.
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Aus den Tankzeilen 20 wird die flüssige Komponente durch eine Röhre
23 zurück in das Filterbett 15 zurückgepumpt.
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Die feste Komponente der im Tank 22 enthaltenen Mischung wird auf
ein Fließband 26 geladen, auf dem die Mischung erhitzt werden kann, um eventuell
in der Mischung verbliebene Feuchtigkeit zu verdampfen. Das Erzeugnis auf dem Band
26 enthält pulverisierte Küchenabfälle und Müll mit einer bevorzugten Korngröße
von kleiner 10 mesh oder bis einer maximalen Korngröße von 2,0 mm.
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In dem in der Einheit 24 stattfindenden Zerkleinerungsprozeß, der,
sofern gewünscht, nach der Verwendung des Fließbandes 26 noch einmal wiederholt
werden kann, wird ein wählbares Zerkleinern des festen Materials in der gegebenen
Mischung auf eine uniforme Partikelgrößenverteilung durchgeführt, die Teilchen mit
im wesentlichen kolloidaler Größe bis zu Teilchen mit einem Durchmesser von 2,0
mm besitzt. Wie aus der folgenden Tabelle hervorgeht, gewährleistet eine derartige
Verteilung der Teilchengröße das Vorhandensein eines Spektrums verschiedener und
erwünschter physikalischer und chemischer Eigenschaften innerhalb der schließlich
hergestellten synthetischen Muttererde.
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Tabelle 1 Erdbestandteil Durchmesserbereich Sehr grober Sand 2,0-1,0
Grober Sand 1.0-0,5 Mittlerer Sand 0,5-0,25 Feiner Sand 0,25-0,10 Sehr feiner Sand
0,10-0,05 Schlamm 0,05-0,002 Lehm (Ton) <0,002 Wird eine spezielle Texturklasse
der Erde gewünscht, so kann ein geeignetes Sieb mit entsprechender Maschengröße
vor oder hinter dem Förderband 26 (vgl.
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F i g. 1) angebracht sein, um irgendeinen der Erddurchmesser nach
Tabelle 1 zu erzielen. Nachdem diese Durchmesser der Erdbestandteile erreicht wurden
und geeignet getrennt wurden, lassen sie sich entsprechend der dreieckförmigen Darstellung
der F i g. 3 mischen, um irgendeine gewünschte Texturklasse der Erde zu gewinnen.
Beispiele von Mischungen, die zur Herstellung drei üblicher Typen von Muttererde
verwendet
werden können, sind in der folgenden Tabelle dargestellt: Tabelle 2 Sand
Schlamm Ton Texturklasse 65 25 10 sandiger Lehm 20 20 60 Ton 20 70 10 Schlamm-Lehm
Es sei darauf hingewiesen, daß die Teilchen der Lehm(Ton)-Größe notwendige Komponenten
jeder Erdmischung darstellen. Dadurch ist sichergestellt, daß die Erde eine genügend
große molekulare Oberfläche und eine Gitterstruktur besitzt, die die genügend große
Wasser- und Nährmittelaufnahme und einen lonenaustausch sicherstellt, der für eine
umfassende physikalische und chemische Unterstützung des Pflanzenwachstums erforderlich
ist.
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Durch die Verwendung von Faulschlamm und pulverisierten Küchenabfällen
werden Kohlenwasserstoffe und andere organische Nährstoffe, die für das Wachstum
erwünschter Erdbakterien und Algen erforderlich sind. Die organischen Bestandteile
im Faulschlamm sind außerdem für die Wasser- und Nährstoffaufnahme des Endproduktes,
das unter dem Handelsnamen Protosoil bekannt ist, förderlich.
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Zum Zeitpunkt der Verwendung werden im allgemeinen Sand und feiner
Kies der erfindungsgemäßen Mischung beigefügt. Auf diese Weise wird die für eine
Luft- und Wasserbewegung erforderliche Permeabilität und Erdtextur erzielt, außerdem
wird dadurch die Bröckligkeit und die Lockerheit hergestellt, die für ein leichtes
Pflanzenwachstum und eine mechanische Bearbeitung des Bodens erforderlich sind.
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Unter den verschiedenen Arten von Minenabfällen, die in dem erfindungsgemäßen
Verfahren verwendet werden können, befinden sich: a) kieselsäurehaltiges Material,
d. h. Materialien, die hauptsächlich aus Silikat (Siliciumdioxid) SiO2 bestehen.
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Diese Materialien umfassen auch Quartz SiO2 und Opal SiO2 H2 kieselhaltiges
Material enthält im allgemeinen etwa 90% Silikat mit etwa 10% Tonerde und Magnesium.
Alle diese Materialien sind chemisch relativ inert. In dem Umfang, in dem kieselsäurehaltiges
Material in dem vorliegenden Verfahren verwendet wird, stellt diese Verwendung die
Wiederentdeckung eines Gegenstandes dar, der ansonsten eine geringe, wenn überhaupt
eine Rolle im Lebenszyklus der Umwelt spielt.
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Es sei bemerkt, daß die Rolle des kieselsäurehaltigen Materials in
dem Mutterboden in erster Linie physikalischer (im Gegensatz zu chemischer) Natur
ist, da es die feine Erdtextur liefert, die zur Wasser- und Nährstoffaufnahme erforderlich
ist. Diese Aufnahme oder Speicherung leitet sich von der größeren Oberfläche pro
Volumeneinheit her, die durch die kleine Teilchengröße vorhanden ist, in der die
kieselsäurehaltigen Materialien im allgemeinen auftreten. Die Verwendung derartiger
Materialien als ein Grundmaterial des erfindungsgemäßen Mutterbodens ist insbesondere
für diejenigen Erdanwendungen angezeigt, bei denen eine gewisse Stärke und Festigkeit
der Erdstruktur erforderlich ist, z. B. in denjenigen Verwendungszwecken, bei denen
Bäume, Büsche und andere Pflanzen mit großen physikalischen Abmessungen als hauptsächlicher
landwirtschaftlicher Gegenstand derjenigen Region in Frage kommt, in der der synthetische
Mutterboden
Verwendung finden soll.
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b) Feldspathaltige Materialien, d. h. Materialien, die im wesentlichen
aus Aluminiumsilikat bestehen, wie z. B.
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(l) Orthoklas und Mikroklinerfeldspat, dessen bekannte Formel KAL2Si30x
lautet, (2) die Plagioklasgruppe des Albits Na2AL3Si30s und (3) Anorthit CaAlzSizOs.
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Sofern feldspathaltige Materialien verwendet werden, bestehen die
resultierenden Minenabfälle im allgemeinen aus feinzerkleinerten Aluminiumsilikaten
des Caliums, Sodiums oder Calciums. Diese Feldspate besitzen zusätzlich zu den kleinen
Partikelgrößen noch chemische Eigenschaften, von denen eine der lonenaustausch ist.
Das heißt in Gegenwart eines Kohlendioxids (aus der Luft), das sich in dem in die
Erde eingedrungenen Oberflächenwasser auflöst, entsteht eine Kohlensäurelösung H2CO3,
die den Feldspat in einen wäßrigen Aluminiumsilikatton umsetzt, wie sich aus folgender
Gleichung ergibt: 2KAI2Si30s (Feldspat) + H2C03(Kohlensäure) + H20 (Wasser) <
K2C03 (Pottasche) +AI2O3 2SiO2 2H20(Ton) +4SiO2(Silikat).
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Die Pottasche düngt den Ton mit Nährstoff- und Wassereinschlüssen
und stellt auf diese Weise einen lonenaustausch her. In anderen Worten, die Gitterstruktur
des aus feldspathaltigem Material gebildeten Tons ist so ausgebildet, daß dessen
chemische Gitterstruktur große Mengen von Feuchtigkeit und mineralischen Nährstoffen
absorbiert. Die Abgabe dieser Feuchtigkeit und dieser Nährstoffe erfolgt nicht auf
schnelle Weise, wie z.B. bei konventionellen Düngern, sondern sie erfolgt über einen
ausgedehnten Zeitbereich, mit einer von der Wechselwirkung der Pflanzenwurzel mit
der Gitterstruktur bestimmten Geschwindigkeit, wobei eine Nährstoffbelieferung der
Pflanzen über eine Periode von mehreren Jahren ermöglicht wird. Gemäß diesen Eigenschaften
eignet sich feldspathaltiges Material als Grundstoff für den synthetischen Mutterboden
bei solchen landwirtschaftlichenAnwendungen, bei denen eine jährliche Nahrungsmittelernte,
z. B. bei Weizen, Roggen, Mais oder Gerste über einen ausgedehnten Zeitraum angepflanzt
wird.
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c) Lehmhaltiges Material, d. h. solche Materialien, die im wesentlichen
aus beschichteten, wäßrigen Aluminium (oder Magnesium) Silikaten bestehen. Diese
Materialien enthalten Tonmineralien aus Kaolinit Si205 (OH4 und Montmorillonit AlSi20s(0H)
x x(H20), in denen die dominierenden Verunreinigungen aus Calcium, Magnesium oder
Eisen bestehen. Die Verwendung von lehmhaltigen Materialien als Basis für den synthetischen
Mutterboden ist für solche landwirtschaftlichen Verwendungszwecke angezeigt, bei
denen eine schnelle Nährstoffzufuhr erforderlich ist. So könnten z. B. so extreme
Bedingungen des Ursprungsbodens, wie sie z. B. in Wüsten gegeben sind, ein lehmhaltiges
Basismaterial erforderlich machen, um eine schnelle und unmittelbare Matrix aus
Tonmaterialien herzustellen, die geeignet sind, ihre Eigenschaften direkt an die
Erde abzugeben.
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Ein Beispiel eines lehmhaltigen Materials aus
Montomorillonit-Ton
erscheint in den F i g. 4 und 5. Die F i g. 4 ist eine Darstellung eines lehmhaltigen
Montomorillonit-Tonminerals. das aus einer dreischichtigen Einheitszelle 30 und
30' besteht, die zwei Siliciumatomtetraeder 34 auf jeder Seite eines Aluminiumatomtreaders
34 enthält, die durch Sauerstoffatome (nicht dargestellt) angekoppelt sind. Der
Zwischenraum 36 zwischen den Einheitszellen 30 und 30' ist ausdehnbar und gestattet
das Vorhandensein sich ändernder Mengen von Wasser und austauschbarer lonen, wie
z. B.
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Calcium, Magnesium und Sodium und anderer lebenswichtiger Pflanzennährstoffe.
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In Fig. 5 ist eine zweidimensionale chemische Darstellung der Kristallstruktur
von F i g. 4 gezeigt, die den ausdehnbaren Zwischenraum 36 zwischen den dreischichtigen
Einheitszellen 30 und 30' angibt.
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An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, daß der expandierbare Zwischenraum
36, in dem sich die Feuchtigkeit und die lebenswichtigen Pflanzennährstoffe speichern
und nach einer ausgedehnten Zeitperiode wieder abgegeben werden, den wesentlichen
Funktionsunterschied zwischen dem erfindungsgemäßen synthetischen Mutterboden und
einem reinen Erddünger darstellt. Die Bedeutung dieser Tatsache muß erkannt werden,
um die landwirtschaftliche und damit auch für die menschliche Existenz entscheidende
Wichtigkeit der vorliegenden Erfindung voll zu verstehen.
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Verwendungsseitig sollten dem synthetischen Mutterboden, um einen
geeigneten pH-Wert (6,0 bis 8,0) zu erhalten, geeignete Dünger und Erdverbesserungsmaterialien,
wie z. B. Kalk, hinzugefügt werden. Der Zusatz von Kalk CaCO3 liefert nicht nur
einen Zusatz des Nährstoffes Calcium, sondern hebt auch den pH-Wert auf einen Wert
an, der für das Wachstum der Erdmikroorganismen günstig ist. Zusätzlich hilft der
Kalk bei der Erzeugung der Kohlensäure H2CO3, die die Umwandlung des Silikats und
des Aluminiumsilikats in Tonmineralien fördert.
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Bezüglich des Wertes der Stoffdichte, die für die meisten Anwendungen
wünschenswert ist, wurde herausgefunden, daß durch Zerkleinern und Mischen des synthetischen
Mutterbodens ein geeigneter Wert erreichbar ist, bei dem das Volumen des festen
Materials das Volumen der Luftzwischenräume innerhalb eines gegebenen Volumens annähert.
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Im Rahmen der Erfindung ist es besonders vorteilhaft, daß ansonsten
vollständig weggeworfene Materialien in solcher Weise zusammengemischt werden, daß
eine geeignete Nachbildung eines Mutterbodens entsteht.
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Aus einem anderen Blickwinkel läßt sich auch sagen, daß die zur Erzeugung
von Abfallmaterialien eingesetzte Energie auf die erfindungsgemäße Weise durch Erzeugung
eines synthetischen Mutterbodens eine Weiterverwendung findet, wobei der Mutterboden
zur Erzeugung lebenserhaltender landwirtschaftlicher Produkte dient. Diese Produkte
beinhalten dann eine zeitlich über den Jahreslauf integrierbare Energiequelle von
erheblicher Größe.