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Biogas residues
Elemental composition, effects on organic matter mineralisation and P dynamics in soil
Zirkler, Doreen
Die Biogasbranche ist in den letzten Jahren stark expandiert und produziert große Mengen von Gärresten, die zur Schließung von Nährstoffkreisläufen auf landwirtschaftliche Flächen ausgebracht werden sollten. Bislang sind die Kenntnisse über die Zusammensetzung der Gärreste und ihre Wirkung im Boden, vor allem in wurzelbedingt alkalischem Milieu, jedoch nicht ausreichend.
Die Ziele dieser Arbeit waren daher (1) die Bestimmung der Elementzusammensetzung verschiedener Gärreste (aus Klärschlamm, Gülle oder Mais), insbesondere die zeitliche Variabilität and Veränderung während der Fermentation, (2) die Untersuchung der Wirkung von Gärresten auf die organische Bodensubstanz (OBS) unter künstlichen wurzelnahen Bedingungen und (3) die Prüfung, ob der Anionenaustausch durch eine Modellwurzel die P-Verfügbarkeit in einem mit Gärrest gedüngten Boden erhöht.
Zur Erreichung dieser Ziele wurden Elementanalysen von Gärresten und ihrem Ausgangsmaterial über ein Jahr zusammen mit einer anschließenden Elementbilanzierung vorgenommen, sowie Inkubationsexperimente mit Gärresten, Böden und Anionenaustauscherharzen als Modellwurzeln durchgeführt.
Die Gärreste wiesen eine große Variabilität in Abhängigkeit von ihrem Ausgangsmaterial, aber auch über die Zeit auf. Für eine Elementbilanzierung vom Ausgangsmaterial zum Gärrest sind je nach Gärrest zwei, fünf oder zehn Beprobungstermine erforderlich, um verlässliche Aussagen treffen zu können. Die Bilanzierung ergab eine Abreicherung von Stickstoff (N), Schwefel (S), Magnesium (Mg), Zink (Zn) und Cadmium (Cd) während der Vergärung, vermutlich durch Ausgasung bzw. Ausfällung, während der Abrieb von Rührwerksvorrichtungen zur Anreicherung von Eisen (Fe) und Mangan (Mn) geführt haben kann. Die Mineralisierung der Gärreste im Boden wurde durch die Austauscherharze (die Modellwurzeln), welche Hydrogencarbonat (HCO3-) freisetzten, verstärkt. Gärreste der gleichen Biogasanlage, aber von verschiedenen Beprobungsterminen, zeigten widersprüchliche Mineralisierungsdynamiken. Für die Gärreste aus Klärschlamm und aus Mais wurden Hinweise auf Priming, eine zusätzliche Mineralisierung der OBS aufgrund der Zugabe von organischem Material zum Boden, beobachtet, nicht jedoch für jeden Termin der Gärrestbeprobung von den Biogasanlagen. Vermutlich variieren die Stabilität der Gärreste und somit ihr Potential, Priming im Boden zu begünstigen, ebenfalls über die Zeit. Die Abgabe von HCO3- durch die Harze im Austausch für Anionen der mit Gärresten gedüngten Böden führten zu einem Anstieg des pH-Wertes und der P-Mineralisierung. Infolgedessen entstand ein P-Konzentrations-Maximum, dessen Entfernung vom Harz mit der Zeit anstieg.
Die Ergebnisse verdeutlichen, dass die zeitliche Heterogenität der Zusammensetzung und Stabilität der Gärreste einfache Vorhersagen über ihre Wirkung in Böden und somit Entscheidungen über ihre Verwendung als Dünger erschweren. Zudem sollten Modelle über den P-Transport zu Wurzeln die P-Nachlieferung durch Abbau organischer Substanz berücksichtigen.
The recently growing biogas sector generates large amounts of by-products, the digestates, which should be applied to arable land in order to recycle valuable nutrients. However, knowledge about the composition of digestates and their fate in soils, especially under root-caused alkaline conditions, is not sufficient so far.
Thus, the aims of this thesis were (1) to examine the elemental composition of different digestates (from sewage sludge, slurry or maize), especially the temporal variability and alteration during fermentation, (2) to investigate the effects of digestates on soil organic matter (SOM) under artificial rhizosphere conditions and (3) to test whether the anion exchange of a model root would increase P availability in a digestate amended soil.
These objectives were pursued by a one-year analysis of digestates and their feedstock with subsequent element balancing and by incubation experiments with digestates and soil including anion exchange resins as root models.
Digestates showed a great variability depending on their feedstock but also over time. For an element balancing from feedstock to digestate, two, five or ten sampling dates depending on the particular digestate were needed for reliable results. During fermentation, depletions of nitrogen (N), sulphur (S), magnesium (Mg), zinc (Zn) and cadmium (Cd) were determined, probably due to volatilisation or precipitation, while attrition of stirring devices may have resulted in iron (Fe) and manganese (Mn) accumulations. The mineralisation of digestates in soil was increased by resins (the root models) releasing hydrogen carbonate (HCO3-). Ambivalent mineralisation dynamics were observed for digestates from the same biogas plants, but sampled at different times from these plants. Indications for priming, i.e. an extra mineralisation of SOM due to the addition of OM to soil, occurred for digestates from sewage sludge and maize, but not for each biogas plant sampling date. Presumably, digestate stability after fermentation and thus their potential to promote priming in soils vary over time, as well. The release of HCO3- by the resins in exchange for anions from the digestate amended soils resulted in an increase of pH and P mineralisation. Consequently, a peak of P concentration moving away from the resin with time occurred.
In conclusion, the heterogeneous composition and stability of digestates over time impede simple predictions of their fate in soils and thus decisions about their use as fertilisers. Moreover, models for P transport to roots should account for additional supply of P by OM mineralisation.
