INSTITUT FÜR UMWELT UND NATÜRLICHE RESSOURCEN Einfluss von Pflanzenkohle und Sauerkrautsaft auf den Stickstoffmetabolismus in Güllegruben Semesterarbeit 1 von Nyffenegger Marc Bachelorstudiengang 2011 Abgabedatum: 11. Juli 2013 Studienrichtung Umweltingenieurwesen Fachkorrektoren: Mathis Alex ZHAW, IUNR, Grüental, CH-8820 Wädenswil Prof. Dr. Baier Urs ZHAW, IBT, Reidbach, CH-8057 Zürich Agr. Ing. HTL Abächerli Fredy Heiterstalden 1, CH-6313 Edlibach ZÜRCHER HOCHSCHULE FÜR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN DEPARTEMENT LIFE SCIENCES UND FACILITY MANAGEMENT
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Einfluss von Pflanzenkohle und Sauerkrautsaft auf den ... · Influence of biochar on nitrogen metabolism of the manure Nitrogen in the manure exists mainly in the form of ammonium
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Transcript
INSTITUT FÜR UMWELT UND NATÜRLICHE RESSOURCEN
Einfluss von Pflanzenkohle und Sauerkrautsaft auf den
Stickstoffmetabolismus in Güllegruben
Semesterarbeit 1
von
Nyffenegger Marc
Bachelorstudiengang 2011
Abgabedatum: 11. Juli 2013
Studienrichtung Umweltingenieurwesen
Fachkorrektoren:
Mathis Alex
ZHAW, IUNR, Grüental, CH-8820 Wädenswil
Prof. Dr. Baier Urs
ZHAW, IBT, Reidbach, CH-8057 Zürich
Agr. Ing. HTL Abächerli Fredy
Heiterstalden 1, CH-6313 Edlibach
ZÜRCHER HOCHSCHULE FÜR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN
DEPARTEMENT LIFE SCIENCES UND FACILITY MANAGEMENT
Impressum
Zitiervorschlag:
Nyffenegger, M. (2013): Einfluss von Pflanzenkohle und Sauerkrautsaft auf den
Stickstoffmetabolismus in Gülle. Semesterarbeit. Institut für Umwelt und natürliche Ressourcen,
Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften, unveröffentlicht
In der vorliegenden Arbeit wurden Methoden ausgearbeitet, die die Möglichkeit bieten, den Effekt
von Pflanzenkohle auf den Stickstoffmetabolismus in Gülle aufzuzeigen. Es wurden drei
verschiedene Versuche vorgenommen. Der erste Versuch besteht aus 4 Proben wofür rund 3,2
Liter Rohgülle verwendet werden, der zweite Versuch aus fünf Proben und insgesamt 4 benötigten
ZHAW Departement N Material und Methoden
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Litern Rohgülle und der dritte Versuch aus drei Proben aus insgesamt 2,4 Liter Rohgülle. Die rund
40 Liter Rindergülle (Rohgülle) werden aus der Güllegrube aus dem Betrieb von Pirmin Koller
entnommen. Für jeden Versuch wurde die jeweils benötigte Menge Rohgülle entnommen,
anschliessend homogenisiert und gleichmässig auf die jeweiligen Proben verteilt, damit innerhalb
eines Versuchs eine möglichst grosse Homogenität erreicht werden kann. Die Proben werden
jeweils auf Magnetrührer gestellt, um eine gewisse Umwälzung zu erreichen. Dabei dürfen keine
Blasen oder Trichter entstehen.
Vorgenommene Messungen
Die pH-Messungen werden jeweils in allen Versuchen direkt in den Proben vorgenommen. Für die
Ammonium, Gesamtstickstoffmessungen, sowie die CNH-Analysen, wird eine unbestimmte Menge
Probe in ein Falcontube pipettiert. Die Falcontubes werden anschliessend in einer Zentrifuge
sedimentiert. Dadurch entsteht in den Falcontubes jeweils eine Sedimentschicht, sowie der
Überstand. Die Gesamtstickstoff- und Ammoniumwerte werden mittels Hach-Lange Photometrie
Tests aus dem Überstand ermittelt. Um die Gesamtstickstoff und NH4-N-Werte zu ermitteln,
werden die Messproben aus dem Überstand jeweils im Verhältnis 1:20 mit deionisierten Wasser
verdünnt.
Die Stickstoff-, Wasserstoff- und Kohlenstoffwerte der Sedimente wurden mittels CNH-Analyse
ermittelt.
Aufbau Versuch 1
Abbildung 7 Aufbau Versuch 1. Probe 1: links hinten; Probe 2: Ganz links vorne; Probe 3: 2.v. rechts; Probe 4: ganz rechts (Foto M. Nyffenegger, 2013)
ZHAW Departement N Material und Methoden
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Probe 1: Rohgülle (Kontrolle der unbelüfteten Probe)
Probe 2: Rohgülle mit 2 m.% Kohle versetzt
Probe 3: Rohgülle mit 2 m.% Kohle und Luft (mittels Fischpumpe) versetzt
Probe 4: Rohgülle mit Luft (mittels Fischpumpe) versetzt (Kontrolle der belüfteten Probe)
Die Proben von Versuch 1 wurden in Kunststoffbehältern gehalten (Abbildung 7). Es fand eine
Startmessung von NH4-N und Gesamtstickstoff im Überstand statt, sowie nach 0,5h., 1,5h., 18h.
und 72h. Zudem wurde der Start- sowie End-pH ermittelt. Dadurch soll der Effekt der PK auf den
Stickstoffmetabolismus von Rohgülle untersucht werden. Um den Effekt der PK bei belüfteter
Rohgülle zu testen, wurden jeweils eine PK-versetzte, sowie eine Probe ohne PK als Kontrolle,
mittels einer Fischpumpe mit Sauerstoff versetzt.
Aufbau Versuch 2
Probe 1: Rohgülle (Kontrolle der unbelüfteten Probe)
Probe 2: Rohgülle mit 2 m.% PK versetzt
Probe 3: Rohgülle mit 2 m.% PK und Luft (mittels Fischpumpe) versetzt
Probe 4: Rohgülle mit Luft (mittels Fischpumpe) versetzt (Kontrolle der belüfteten Proben)
Probe 5: Rohgülle 2vol.% PK versetzt und in Kunststoffbehälter.
Es fand eine Startmessung von NH4-N und Gesamtstickstoff im Überstand statt, sowie nach 17h,
70h und 90h. Im Gegensatz zum Versuch 1 wurde bei jeder Messung zusätzlich noch der pH-Wert
Abbildung 8 Aufbau Versuch 2: Von links nach rechts: Probe 5; Probe 1; Probe 2; Probe 3; Probe 4 (Foto M. Nyffenegger, 2013)
ZHAW Departement N Material und Methoden
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gemessen und auf einen ursprungsnahen Wert mittels einer verdünnten HCl-Lösung eingestellt.
Durch das Einstellen des pH-Wertes sollte der Einfluss des pH-Effekts auf den
Stickstoffmetabolismus eingeschränkt werden.
Probe 5 wird in einem Kunststoffbehälter gehalten und mit 2vol.% resp. 0,68m.%-PK aber nicht mit
Sauerstoff versetzt. Damit liegt Probe 5 mit ihrem Mengenanteil an PK zwischen Probe 1(keine
PK-Zugabe) und Probe 2 (2m.%PK). Der Kunststoffbehälter der Probe 5 hat zudem ein kleineres
Oberflächen/ Volumenverhältnis als die verwendeten Bechergläser der Proben 1-4 (Abbildung 8).
Probe 5 soll aufzeigen, wie gross der Einfluss verschiedener Behälter auf den
Stickstoffmetabolismus und pH-Wert ist und gibt ein Indiz für Vergleichbarkeit von Versuch 1 und
Versuch 2.
Die Sedimente wurden nach 17h und am Ende des Versuchs (90h) mittels C-H-N Analyser
ausgewertet (unter Feststoffanalyse bei den Resultaten zu finden).
Vergleich der durchschnittlichen Werte aus Versuch 1 und 2
Um den Einfluss der jeweiligen Säurezugabe beim Versuch 2 sichtbar zu machen, werden die die
durchschnittlichen Ammonium- und Gesamtstickstoffverluste der jeweiligen Versuche berechnet.
Anschliessend werden die durchschnittlichen Verluste von Versuch 1 und Versuch 2 miteinander
verglichen.
Versuch 3
Dieser Versuch soll zeigen, wie PK den pH-Wert von Gülle beeinflusst und wieviel Sauerkrautsaft
benötigt wird, um eine klare Absenkung des pH-Wertes zu erzielen.
Um den pH-Effekt von PK aufzuzeigen, wurde je eine Probe Rohgülle (bei Probe 1) und eine
Probe deionisiertes Wasser (bei Probe 2) mit PK zugesetzt (Abbildung 9).
Zusätzlich wurde geprüft, wie sich der pH-Wert von mit Kohle versetzter Rohgülle über die Zeit
verhält, wenn man diese auf einen Wert von 5,85 mit Sauerkrautsaft einstellt. Des weiteren soll
geprüft werden, ob durch die Zugabe der in Sauerkrautsaft enthaltenen Milchsäurebakterien eine
weitere Absenkung des pH-Wert über die Zeit erzielt werden kann. Um den Mikroorganismen
zusätzliches Milieu zu bieten, wurde ebenfalls PK dazugegeben.
Dazu wurde der pH-Wert am Anfang, sowie nach 0,5h, 1h, 2h, 2,5h und 72h. gemessen. Am Ende
(nach 72h) wurden noch Ammonium und Gesamtstickstoff aus dem Überstand der Proben 1 und 3
ermittelt.
ZHAW Departement N Material und Methoden
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Probe 1 (KG): Rohgülle wurde anfangs Messung mit 2m.% PK versetzt. Nach einer Stunde wurde
der Anteil weiter auf 5 m.% PK erhöht.
Probe 2 (WG): Deionisiertes Wasser mit 2 m.% PK versetzt
Probe 3 (SG): Rohgülle wurde mit 2 m.% PK versetzt. Nach der Zugabe von PK wurde die Probe
mit 27,1% Sauerkrautsaft (pH-Wert 3,5) auf einen pH-Wert von 5,85 angesäuert.
Abbildung 9 Aufbau Versuch 3. Von links nach rechts: Probe 3 (SG); Probe 1 (KG); Probe 2 (WG) (Foto M. Nyffenegger, 2013)
ZHAW Departement N Resultate und Interpretation der Resultate
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5. Resultate und Interpretation der Resultate
5.1 Versuch 1
Tabelle 4 Entwicklung pH-Wert über 72h. Grau hinterlegt sind belüftete Proben; Proben mit PK rot
geschrieben
Belüftete Proben zeigen bei Versuch 1 einen höheren pH-Wert auf, als unbelüftete Proben
(Tabelle 4). Des weiteren zeigten mit PK versetzte Proben einen höheren pH-Wert auf als die
jeweiligen Kontrollen. Zwischen P2, P3 und P4 gab es allerdings nur einen kleinen Unterschied.
Interpretation: In diesem Versuch konnte der pH-Effekt durch Güllebelüftung schön aufgezeigt
werden. Durch den basischen Effekt von PK, sind auch die Werte der PK-haltigen Proben höher
als derjenigen der Kontrollen. Der überaus hohe Wert von P2 lässt auf eine geringe Pufferwirkung
der verwendeten Rohgülle schliessen oder auf Luftzutritt durch einen falsch eingestellten
Magnetrührer (konnte aber nicht beobachtet werden). Auch zwischen P3 und P4 könnten Einfluss
von Sauerstoffzufuhr und unterschiedlich eingestellte Magnetrührer das Resultat entscheidend
beeinflusst haben.
Abbildung 10 Verlauf NH4-N in mg/l. des Überstandes
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NH
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in m
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Stunden
P1: Rohgülle
P2: Rohgülle mit 2m.-% PK
P3: Rohgülle mit 2m.-% PKund belüftet
P4: Rohgülle belüftet
Probe Anfangs-pH End-pH
P1 Rohgülle 7,3 7,44
P2 Rohgülle mit 2m.% PK 7,3 8,56
P3 Rohgülle mit 2m.% PK und belüftet 7,3 8,84
P4 Rohgülle belüftet 7,3 8,76
ZHAW Departement N Resultate und Interpretation der Resultate
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Wie aus Abbildung 10 ersichtlich ist, zeigt die Rohgülle einen konstanten NH4-N Verlauf. Die
beiden belüfteten Proben hingegen zeigten jeweils die grössten Verluste. Die Unterschiede von P3
und P4 sind zu klein, um daraus Tendenzen zu bilden.
Interpretation: Die NH4-N-Werte der einzelnen Proben verhalten sich korrelativ zu den pH-
Werten aus Tabelle 4. Ob NH4-N an die Kohle sorbiert und so dem Überstand zusätzlich entzogen
wurde, kann nicht signifikant nachgewiesen werden.
Abbildung 11 Verlauf N-Ges. in mg/l. im Überstand
Die Proben mit zugesetzter PK hatten tendenziell die höchsten Verluste an Gesamtstickstoff im
Überstand aufzuweisen (Abbildung 11).
Interpretation:
Die Verluste durch die Belüftung sind bei den Gesamtstickstoffmessungen (Abbildung 11) nicht so
deutlich ersichtlich wie bei den NH4-N Messungen aus Abbildung 10. Dies könnte darauf
schliessen, dass Ammonium in P4 teilweise in Nitrat umgewandelt wurde und so noch mit der
Gesamtstickstoffmessung erfasst wird. Diese Tendenz wird durch das Verhältnis zwischen
Ammonium und Gesamtstickstoff in Abbildung 12 noch besser ersichtlich. Da die Resultate jedoch
P1 bis P3 nur kleine Differenzen zeigen, wären Wiederholungen nötig, um die Resultate
bestätigen, resp. verwerfen zu können.
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g/l.
Stunden
P1: Rohgülle
P2: Rohgülle mit 2m.-%PK
P3: Rohgülle mit 2m.-%PK und belüftet
P4: Rohgülle belüftet
ZHAW Departement N Resultate und Interpretation der Resultate
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Abbildung 12 Verlauf Verhältnis NH4-N/ Ges.-N im Überstand
5.2 Versuch 2
Abbildung 13 Verlauf NH4-N in mg/l. im Überstand
Proben P1-P4 waren in ihrem Verlauf so ähnlich, dass keine Tendenzen innerhalb dieser gebildet
werden konnten. P5 unterscheidet sich jedoch deutlich von den restlichen Proben (Abbildung 13).
Der Verlust an NH4-N bei P5 betrug 25,2%.
Interpretation: Die Proben P1 bis P4 wurden in Bechergläsern gehalten. P5 jedoch wurde in
einem Kunststoffbehälter mit kleineren Oberflächen/ Volumen-Verhältnis wie die Bechergläser
gehalten, was zu verminderter Diffusion geführt haben kann, was den NH4-Verlauf erklären
könnte. Um weitere Interpretationen über die Werte P1-P4 zu machen, müssten aufgrund der
fehlenden Signifikanz Wiederholungen angestellt werden. Die annähernd gleichen Werte der
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NH
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in m
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Stunden
P1: Rohgülle
P2: Rohgülle mit 2m.-% PK
P3:Rohgülle mit 2m.-% PKund belüftet
P4: Rohgülle belüftet
P5: Rohgülle mit 2vol.-% PK
ZHAW Departement N Resultate und Interpretation der Resultate
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Proben 1 bis 4, können daher rühren, dass der Einfluss des pH-Wertes im Vergleich zu Versuch 1
teilweise eingeschränkt wurde. Mit vermindertem pH-Einfluss verhalten sich PK-haltige Proben und
nicht PK-haltige Proben sehr ähnlich. Dies könnte als Indiz dienen, dass PK-Zugabe ohne pH-
Effekt keinen grossen Einfluss auf den Stickstoffmetabolismus hat.
Abbildung 14 Verlauf Ges-N in mg/l. im Überstand
Auffällig sind der relativ konstant bleibende Wert der Probe 5 bezüglich Gesamtstickstoff
(Abbildung 14) und Verhältnis zwischen Ammonium und Gesamtstickstoff (Abbildung 15), sowie
das Abfallen der ersten Messung von P2.
Interpretation: Durch die vergleichsweise geringeren Emissionsverluste von P5 an Ammonium,
konnte ein relativ hohes Verhältnis beibehalten werden (Abbildung 15). P1 bis P4 zeigten ein
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s.-N
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g/l
Stunden
P1: Rohgülle
P2: Rohgülle mit 2m.-% PK
P3:Rohgülle mit 2m.-% PKund belüftet
P4: Rohgülle belüftet
P5: Rohgülle mit 2vol.-% PK
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rhäl
tnis
NH
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es.
-N
Stunden
P1: Rohgülle
P2: Rohgülle mit 2m.-% PK
P3:Rohgülle mit 2m.-% PKund belüftet
P4: Rohgülle belüftet
P5: Rohgülle mit 2vol.-% PK
Abbildung 15 Verlauf Verhältnis NH4-N/ Ges.-N im Überstand
ZHAW Departement N Resultate und Interpretation der Resultate
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deutlich gemindertes Verhältnis. Dies könnte teilweise auf den leichteren Gasaustausch der
Bechergläser im Vergleich zum Kunststoffbehälter von P5 zurückzuführen sein. Es müssten
unbedingt Wiederholungen aus diesem Versuch gemacht werden, um Tendenzen zwischen P1 bis
P4 zu bilden, da die Unterschiede bezüglich NH4N/ Ges.-N-Verhältnis zu klein sind. P2 sinkt
auffällig stark am Anfang. Dieses Absinken könnte aufgrund eines Messfehlers entstanden sein.
Weitere Erklärungen wären Sauerstoffeintrag oder erhöhte mikrobielle Tätigkeit durch die Zugabe
der PK.
5.3 Vergleich der durchschnittlichen Verluste zw. Versuch 1 und Versuch 2
Tabelle 5 Vergleich durchschnittlicher Verlust von NH4-N und Gesamtstickstoff in den Überstanden
von Versuch 1 und 2
NH4-N Gesamtstickstoff
Versuch 1 -15,8 -16,4
Versuch 2 -48,8 -24,3
Versuch 2 wies beträchtlich höhere Verluste von Stickstoff im Überstand auf, als Versuch 1
(Tabelle 5).
Interpretation: Bei Versuch 1 wurden die Proben jeweils in Kunststoffbehälter mit nicht
angeschraubten Abdeckung gehalten. Dagegen wurden beim Versuch 2 Bechergläser verwendet.
Versuch 2 fand über 90 Stunden statt, im Vergleich zu 72 Stunden von Versuch 1. Des weiteren
hatten die Bechergläser im Vergleich zu den Kunststoffbehältern ein höheres Oberflächen/
Volumen-Verhältnis, sowie keine Abdeckvorrichtung, was den Luftmassenaustausch und somit die
Diffusion von Stickstoff förderte. Dafür fand beim Versuch 2 eine regelmässige Anpassung des pH-
Wertes statt. Jedoch wurde der pH nicht auf einen Wert eingestellt, bei der kein Ammoniak mehr
vorliegt, sondern auf einen Wert zwischen 7,6 und 7,9. Zudem lag der Anfangs-pH bei Versuch 2
über dem des ersten Versuch. Während der Anfangs-pH Wert bei Versuch 1 bei 7,3 lag, entsprach
der pH-Wert der Rohgülle von Versuch 2 dem Wert von 7,55. Das Resultat zeigt auf, dass der
Einfluss von der Kombination Zeitdauer, Oberflächen/ Volumenverhältnis und Abdeckung einen
grossen Einfluss auf die Emissionen haben. Diese Resultate bestätigen auch die Werte von der
Probe 5 während des zweiten Versuchs. Zusätzlich die Messung mitbeeinflusst hat die
Heterogenität der verwendeten Rohgülle zwischen Versuch 1 und 2, was sich wie schon erwähnt
in einem unterschiedlichen Anfangs-pH-Wert äusserte.
ZHAW Departement N Resultate und Interpretation der Resultate
33
5.4 Versuch 3
Abbildung 16 pH-Verlauf Versuch 3 Ausgangs-pH-Wert der Rohgülle lag bei 7,03.
P1: Rohgülle mit 5m.% PK; P2: Rohgülle mit 2m.% PK und 27vol.% Sauerkrautsaft;
P3: Rohgülle mit 2m.% PK
Die Zugabe von PK führte bei P1 und P2 zu einer Erhöhung des pH-Wertes, wobei der Einfluss auf
den pH-Wert bei deionisierten Wasser deutlich grösser war. Nach der Zugabe von Sauerkrautsaft
zur mit 2m.% PK versetzten Rohgülle kam es zu verzögerten Reaktionen mit basischer Wirkung.
Interpretation: Ohne Zugabe einer leicht verfügbaren Kohlenhydratquelle fand also keine weitere
ansäuernde Wirkung durch eine allfällige Lactatbildung mehr statt. Dieses Resultat lässt sich auch
durch die Untersuchungen von Meier bestätigen (2012). Pufferwirkungen in der Rohgülle
verhinderten einen ähnlich hohen pH-Anstieg durch die PK-Zugabe als bei deionisierten Wasser.
Trotzdem kann, mit Berücksichtigung der Werte von Versuch 1, von einer pH-steigernden Wirkung
durch PK-Zugabe zu Rohgülle ausgegangen werden. Bei P1 wurde die PK-Menge nach einer
Stunde erhöht, was den pH-Wert nochmals ansteigen liess.
Tabelle 6 NH4-N und Gesamtstickstoffgehalt im Überstand am Ende der Messung (72h) Probe 1: Rohgülle mit 5m.% PK; Probe 2:
NH4-N Gesamtstickstoff
Probe 1 292 382
Probe 3 478 654
Wie in Tabelle 6 ersichtlich ist, zeigt Probe 3 die höheren Ammonium- sowie Gesamtstickstoffwerte
als Probe 3.
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pH
-We
rt
Stunden
Rohgülle mit 5m.%Pflanzenkohle
Rohgülle mit 2m.%Pflanzenkohle und 27,1vol.%Sauerkrautsaft
deion. Wasser mit 2m.%Pflanzenkohle
ZHAW Departement N Resultate und Interpretation der Resultate
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Rohgülle 2% Kohle 2% Kohlebelüftet
Rohgülle belüftet
N [%] Sediment
N-Ges Überstand
Interpretation: Durch die höheren pH-Werte in Probe 1 kam es zu erhöhten Stickstoffverlusten im
Überstand.
5.5 Feststoffanalyse
Feststoffanalyse von Versuch 2:
Es konnte Beobachtet werden, dass die Belüftung der Rohgülle einen starken Stickstoffverlust im
Überstand zur Folge hatte. Hingegen führte die Belüftung zu keinem erhöhten Verlust in den
Sedimenten im Vergleich zu den unbelüfteten Versuchen. Die belüfteten Proben hatten in ihren
Sedimenten verhältnismässig einen geringen Verlust resp. sogar Anreicherung an Stickstoff.
Interpretation: In Anbetracht der fehlenden Signifikanz, sowie anhand der Resultate lässt sich
keine Veränderung der Stickstoffmenge durch die Zugabe von PK feststellen. Um allfällige
Tendenzen zu erhärten müssten zwingend Wiederholungen stattfinden.
Abbildung 17 Vergleich der Veränderungen bezüglich N-Gesamt -Werten aus dem Überstand und N(%)-Werten aus der Feststoffanalyse vom Versuch 2 zwischen 17h und 92h nach Messbeginn
ZHAW Departement N Resultate und Interpretation der Resultate
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Sorption von Stickstoff durch Pflanzenkohle
Tabelle 7 Grau unterlegt sind die erhaltenen Werte aus der C-H-N-Analyse; blau hinterlegt sind die
berechneten Sollwerte für die mit 2m.% versetzte Rohgülle(5%ige Abweichung entspricht einem
Wert von 0,13 N(%))
Kontrolle(unbehandelte PK) C [%] H [%] N [%]
78,84 1,770 0,618
Werte der Sedimente der Rohülle C [%] H [%] N [%]
40,06 5,200 4,640
C [%] H [%] N [%]
Werte der Rohülle versetzt mit 2Masse% Kohle 59,39 3,300 2,570
C [%] H [%] N [%]
Sollwerte der Rohülle mit 2% Kohle versetzt 59,39 2,63 2,635
Es wurden die C-N-H-Werte der Sedimente aus dem Versuch 2 bestimmt, sowie die Werte reiner
Pflanzenkohle (tabelle 7). Anhand dieser Daten konnten mittels Mischkreuz Sollwerte berechnet
werden, wie hoch N(%) ausfallen müssten, wenn Pflanzenkohle keinen zusätzlichen Stickstoff
sorbiert (blau hinterlegt in Tabelle 7).
Interpretation: Der Sollwert weicht gegenüber dem mit 2m.% PK versetzten Probe so schwach
vom tatsächlichen Wert ab, dass davon ausgegangen werden kann, dass PK nur wenig
zusätzlichen Stickstoff aus der Rohülle bindet.
5.6 Messungen der Hofgülle
Es wurden Proben mit einem Kessel entnommen, und einige Wochen später untersucht. Die
Rohgülle mit zugesetzten Sauerkrautsaft und Kohle wies einen merklich höheren pH-Wert auf, als
die unbehandelte Rohgülle. Grund dafür ist die Heterogenität der Gülle. Bei der angeimpften Probe
fehlte eine Schwimmschicht aufgrund eines niedrigen Biomasseanteils. Dadurch konnte Sauerstoff
besser eindringen, was zu erhöhten Abbau von Fettsäuren und damit zu einem Anstieg des pH-
Wertes in der Rohgülle führt. Da sich die jeweiligen Proben stark von ihrem TS-Anteil
unterschieden, konnten keine Schlüssigen Ergebnisse aus den Untersuchungen der Hofgülle
gezogen werden.
ZHAW Departement N Diskussion
36
6. Diskussion
6.1 Methodische Diskussion
Im Rahmen der Semesterarbeit wurde entschieden, keine wissenschaftlich abgelegten
Untersuchungen durchzuführen, da diese mit zu hohem Zeitaufwand verbunden gewesen wären.
Durch die erhaltenen Resultate konnten dennoch Tendenzen aufgezeigt werden. Jedoch handelt
es sich nur um Tendenzen und keine Feststellungen. Um die jeweiligen Tendenzen zu bestätigen,
müssen unbedingt künftige Untersuchungen durchgeführt werden, damit diese wissenschaftlich
belegt werden können.
Da die Rohgülle nur innerhalb eines jeweiligen Versuchs homogenisiert und gleichmässig auf die
Proben verteilt wurden, kam es zu einer gewissen Heterogenität zwischen Versuch 1, 2 und 3.
Dies äusserte sich vor allem in unterschiedlichen Biomasseanteilen. Aber auch die pH-Werte
zeigten Unterschiede. Deshalb sind die Resultate bezüglich Stickstoffmenge und pH-Wert von
Versuch 1, 2 und 3 nicht miteinander vergleichbar.
Probe 5 bei Versuch 2 hat zusätzlich gezeigt, dass der Einfluss des Behälters auf den
Stickstoffmetabolismus sehr gross ist. Dadurch ist ein Vergleich der Werte von Versuch 1 und
Versuch 2 bezüglich Stickstoff nicht möglich.
Da es sich nicht um Praxisversuche handelte, sondern um Labormessungen mit relativ kleinen
Probevolumen (600 bis 820ml), können verschiedene Einflüsse, im Verhältnis zu Güllegruben,
grosse Effekte bewirkt haben.
Es wurde unbehandelte PK verwendet. PK, welche schon als Einstreu verwendet wurde, könnte
bezüglich pH-Wirkung und Stickstoffmetabolismus unterschiedlich in der Gülle reagieren.
6.2 Effekt von Pflanzenkohle auf den Stickstoffmetabolismus der Gülle
Die erhaltenen Resultate zeigen vor allem auf, dass PK basisch auf deionisiertes Wasser und auch
die Gülle wirkt. Durch die basische Wirkung der PK, kommt es zu einem erhöhten Stickstoffverlust
im Überstand der Gülle. Eine Kombination mit einer Ansäuerung, der ganzen Gülle oder auch nur
der PK, wäre deshalb von Vorteil. In den Sedimenten konnte keine Stickstoffanreicherung durch
PK-Zugabe festgestellt werden. Mögliche Erklärungen hierfür könnten in der Gülle enthaltene
Inhaltsstoffe, vor allem Kationen wie Calcium oder Magnesium, sein, welche besser an PK binden.
Ammonium und andere Stickstoffmoleküle könnten dadurch evtl. erst vermehrt an der PK
sorbieren, wenn der Anteil gelöster Moleküle, welche ebenfalls an die PK binden, in der Gülle
abnimmt. Ergebnisse von Widmer zeigten indes eine Tendenz, wonach die Adsorptionsfähigkeit
von PK effizienter wurde, je näher 40vol.% PK der Lösung hinzugefügt wurde. Wurde mehr PK als
40vol.% PK eingesetzt, wurde pro Milligramm eingesetzte PK weniger Stickstoff adsorbiert
(Widmer, 2011). Zudem zeigte sich, dass die Adsorptionseffizienz von PK grösser war, je höher
ZHAW Departement N Diskussion
37
die Ammoniumkonzentration in der Lösung lag. Dies könnte darauf schliessen, dass die
eingesetzte Menge an PK von 2m.% (5,7vol.%) in Gülle zu gering war, um eine Adsorption von
Stickstoff zu erzielen resp. zu erkennen. Die Versuche zeigten, dass die unterschiedlich
verwendeten Behälter einen grösseren Einfluss auf den Stickstoffmetabolismus hatten, als die
jeweiligen PK-Zugaben. Laut Schmidt kann PK 0,5-1% des Eigengewichts an Ammonium
aufnehmen (pers. Kommunikation Schmidt, 2013). Um 80% des Ammoniums in der Gülle von
Pirmin Koller mit 480mg/l NH4-N binden zu können, müssten pro Liter Gülle mindestens 110-220%
PK zugesetzt werden.
Da unbehandelte PK den Proben zugesetzt wurden, können evtl. leicht abbaubare Kondensate
und eine allfällige Sauerstofffreisetzung den Stickstoffmetabolismus und so die Resultate mit
beeinflusst haben.
Auch Fehler durch Messungen oder angewendete Methodik können hier nicht ausgeschlossen
werden.
6.3 Effekt von Sauerkrautsaft und Kohle auf den Stickstoffmetabolismus der
Gülle
Um den pH-Wert der mit 2m.% PK versetzten Rohgülle mit einem Ausgangs-pH-Wert von 7,03,
schlussendlich auf einen Wert von 6,45 einzustellen, wurden 27,1% Sauerkrautsaft benötigt. Laut
Organic Standard wäre eine Einsatzmenge bis zu 7% logistisch machbar (pers. Kommunikation
Rippel, 2013). Dieses Ergebnis zeigt auf eine deutliche Art und Weise, dass eine Zugabe von
Melasse, oder einer anderen leicht verfügbaren Kohlenstoffquelle, unbedingt nötig und sinnvoll ist.
Da in der Praxis die Güllegruben regelmässig beschickt werden, würde der pH-Wert mit der Zeit
noch weiter ansteigen, sofern keine Sauerkrautsaftzugabe parallel zur Beschickung erfolgt.
In Kombination mit einer leicht verfügbaren Kohlenstoffquelle kann mit relativ wenig Sauerkrautsaft
resp. anderen Produkten mit Milchsäurebakterien, eine Ansäuerung erreicht werden. Wird parallel
zur Beschickung die Kohlenstoffquelle der Güllegrube hinzugefügt, kann der pH-Wert dauerhaft tief
gehalten werden. Da H2S vor allem bei pH-Werten unter 7 entsteht, sind diese Werte genau zu
beobachten.
Das Bestäuben von Sauerkrautsaft über die Laufflächen, wo sich die unvergorene Frischgülle
befindet, könnte allenfalls emissionsmindernd, sowie Milchsäurebakterienvermehrend wirken.
6.4 Zukunft C-Sequestrierung durch PK
Dass die Ökobilanz von PK negativ bleibt, also mehr Kohlenstoff stabil im Boden gebunden wird
als CO2 für dessen Herstellung und Transport (etc.) benötigt wird, muss Transparenz gewährleistet
sein. Die verschiedenen Zahlen bezüglich Sequestrierungspotential (VCS, Delinat, Lehmann …)
zeigen auf, dass Unklarheiten, vor allem bezüglich des Anteils an stabilen
ZHAW Departement N Diskussion
38
Kohlenstoffverbindungen, bestehen, und noch viele Untersuchungen und Anstrengungen
unternommen werden müssen.
Ein grossangelegter Handel mit Pflanzenkohle als Emissionsminderer, würde das Verkohlen von
Biomasse zusätzlich interessant machen. Lehmann geht davon aus, dass ab einem Preis von 36
US-Dollar pro Tonne fixiertes CO2, die Produktion von PK ökonomisch attraktiv wird (Lehmann,
2007). Neue Monokulturen für die Gewinnung von Ausgangsmaterialien zur PK Herstellung
könnten den Druck auf die Nahrungsmittelproduktion, sowie die Gefahr von Landraub und
Abholzung erhöhen (Biofuelwatch, 2011). Durch den Anbau dieser Monokulturen und der
Verwendung der gesamten Pflanze, wird die Abfuhr organischen Materials aus dem Boden
zusätzlich erhöht, was den Humus- und damit Kohlenstoffanteil im Boden reduzieren kann.
Des weiteren könnte durch diese sogenannte End-of-pipe-Lösung das Bestreben gesenkt werden,
den fossilen Brenn- und Treibstoffverbrauch zu mindern, welche die Hauptverursacher des
anthropogenen CO2-Ausstoss bilden (BAFU, 2013).
Mit verbesserter Technik, aufschlussreichen Studien, Transparenz und einem wohlüberlegten
Einsatz von PK, in der man beispielweise Nebenprodukte aus der Holzschnitzelverarbeitung
verwendet, wie die Verora GmbH, kann PK durchaus eine sinnvolle Möglichkeit darstellen,
Kohlenstoff im Boden zu sequestrieren. Durch die Verwendung regionaler Nebenprodukte als
Ausgangsprodukt der PK können Kreisläufe geschlossen und noch nicht genutzte Biomasse
nutzbar gemacht werden.
6.5 Weitere Untersuchungen
Um einen praxisnahen, wirtschaftlichen Vergleich der in dieser Arbeit genannten
Minderungsmethoden machen zu können, könnten allenfalls die Minderungskosten „pro nicht
emittierter Stickstoff“ berechnet werden.
6.5.1 Wirkung von PK-Zugaben in die Gülle
Um die Auswirkungen von PK auf den Stickstoffmetabolismus zu erfahren, sind Untersuchungen
bezüglich Einfluss anderer Gülleinhaltsstoffe auf die Adsorption von Stickstoffmolekülen an die PK
nötig. Interessant wäre in einer mit PK versehenen Ammoniumlösung zu sehen, wie sich Zugaben
an Kationen wie Calcium oder Magnesium auf die Adsorption von Stickstoff auswirken. Dazu
würden die jeweiligen Mengen an Kationen und PK in den Lösungen variieren.
Interessant wäre der Einfluss von bereits “aktivierter“ PK aus der Fütterung oder Einstreu zu testen
und zu vergleichen. Die Untersuchungen von Scheifele et al. (2012) zeigten bei Ausbringung von
PK auf den Boden eine erhöhte Respiration. Dies legt die Vermutung nahe, dass durch die Zugabe
unbehandelter PK leicht abbaubare Kondensate auch in die Gülleproben der vorliegenden Arbeit
gelangten. Dadurch könnten Mikroorganismen teilweise das gelöste Ammonium in ihre Biomasse
einbauen. Ebenfalls möglich ist, dass nach der Zugabe von PK Sauerstoff in der Gülle freigesetzt
ZHAW Departement N Diskussion
39
wird. Um zu prüfen, wie gross diese Einflüsse auf den Stickstoffmetabolismus ist, müssten weitere
Untersuchungen zeigen.
Bei den Versuchen von Meier blieb ein Teil der Pflanzenkohle in der Schwimmschicht enthalten.
Dadurch könnten allenfalls die Ammoniakemissionen gemindert werden (Meier, 2012). Wie sehr
PK diese Schicht unterstützt, wäre zu prüfen.
6.5.2 Untersuchungen mit Milchsäurebakterien und einer leicht verfügbaren
Kohlenstoffquelle
Die Versuche von Meier zeigten eine Tendenz, dass zugesetzte Kohle das Ansäuern der Gülle
beschleunigen kann. Deshalb wären Messungen von Stickstoffdioxid und Schwefelwasserstoff
während der Lagerung und nach dem Ausbringen durchzuführen, da diese bei tieferen pH-Werten
vermehrt auftreten könnten (Vilsmeier & Amberger, 1988). Die Wirkung der milchsauer vergorenen
Gülle auf den Boden und die Pflanzen müsste dabei ebenfalls untersucht werden. Auch
Alternativen zur Melasse, wie beispielsweise Kartoffelschälabfälle oder Kleie, wären zu prüfen.
6.5.3 Untersuchungen auf den Boden
Weitere Untersuchungen bezüglich Beständigkeit und Dynamik von PK im Boden, sowie
Ausgasungsverhalten und Ammoniakbildung der an PK gebundenen Stickstoffmolekülen im Boden
sollten folgen (Meier, 2012). Nitrat bindet im Gegensatz zu Ammonium nicht an Tonmineralien.
Deshalb könnte die Nitratauswaschung durch PK-Zugabe in die Böden gemindert werden.
Pflanzenkohle kann ein Habitat für humusaufbauende Mikroorganismen darstellen. Es scheint aber
möglich, dass durch das erhöhte Mineralisierungspotential aufgrund von PK-Zugaben in die
Böden, ein erhöhter Abbau organischer Substanz im Oberboden bewirkt werden könnte. Unter
welchen Umständen welche Wirkung auf den Humusgehalt ablaufen, gäben Aufschluss über die
bodenverbessernde Wirkung von PK auf unterschiedliche Standorte.
6.5.4 Kaskadennutzung
Je breiter das Nutzungsspektrum der PK wird, desto interessanter wird deren Herstellung. Deshalb
sind Untersuchungen bezüglich C-Sequestrierungspotential, Ammoniakemissionen innerhalb der
Kettenglieder einer Kaskadennutzung, sowie der Effekt auf den Boden bezüglich Einfluss von PK
auf den Humusgehalt anzustreben.
Bei PK Zugabe zum Futter, sowie der Beimischung zu Silagen könnten nebst Giftstoffen auch
wichtige Nährstoffe dem Verdauungstrakt entzogen werden. Zudem ist eventuell die entgiftende
Wirkung der PK kleiner, aufgrund der erhöhten Sättigung an Anionen und Kationen, sowie der
geringeren Saugwirkung, wenn sie zuerst zur Silage zugesetzt wird, als wenn sie direkt verfüttert
wird.
ZHAW Departement N Schlussfolgerung
40
7. Schlussfolgerung
Mit der Zugabe von 2m.% PK zur Gülle, konnte durch die hier angewendeten Methoden keine
Emissionsminderung durch die PK beobachtet werden. Um eine allfällige Emissionsminderung
durch PK durch Adsorption zu erzielen, müssten beträchtlich höhere Mengen an PK verwendet
werden.
Durch die Verwendung von einem Milchsäurehaltigen Produkt, beispielsweise Sauerkrautsaft,
zusammen mit einer leicht verfügbaren Kohlenstoffquelle wie Melasse, kann eine Ansäuerung der
Gülle erreicht werden. Unter der Beobachtung der H2S-Werte eignet sich diese Kombination als
emissionsmindernde Massnahme. Pflanzenkohle kann durch ihre grosse Oberfläche den
Milchsäurebakterien ein geeignetes Milieu bieten. Durch die zusätzliche Oberfläche kann eine
bestimmte Beschleunigung der mikrobiellen Kohlenstoffumsetzung in Lactat, herbeiführt werden.
Ob es sich bei dieser Methode um eine effektive, wirtschaftliche und ökologische Alternative zu
Grubenabdeckungen handelt, hängt auch von den eingesetzten Milchsäurebakterienprodukten,
sowie Kohlenstoffquellen ab.
Durch die schwammähnlichen Eigenschaften der PK bietet eine Kaskadennutzung entscheidende
Vorteile. In Tiermägen können sie toxische Stoffe der Verdauung entziehen. Die PK kann in
nassen Bereichen von Mist und Kompost Wasser aufnehmen und in trockenen Bereichen Wasser
abgeben. Dadurch werden Denitrifikationprozesse gemindert, die zu einem Verlust an Stickstoff in
molekularer Form sowie Lachgas führen. In kargen Böden erhöhen PK-Zugaben die Wasser-
sowie Nährstoffspeicherfähigkeit. In schweren, nährstoffreichen Böden können Zugaben
möglicherweise den Lufthaushalt verbessern und so ebenfalls die Lachgasemissionen mindern.
Bereits in der Fütterung oder in den Laufflächen verwendete PK könnte in konventionellen
Güllegruben allenfalls die Bildung einer Schwimmschicht unterstützen. Dadurch könnten die
Ammoniakemissionen gemindert werden, weshalb sich eine PK-Zugabe zur Gülle als weiteres
Kettenglied einer Kaskadennutzung durchaus empfiehlt.
ZHAW Departement N Literaturverzeichnis
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8. Literaturverzeichnis
BAFU. (2010). Ammoniakemissionen in der Schweiz: Neuberechnung 1990-2007, Prognose bis
2020. Abteilung Luftreinhaltung und NIS, Sektion Luftqualität, 3003 Bern
BAFU. (2013). Ammoniakemissionen in der Schweiz 1990-2010 und Prognose bis 2020.
Hochschule für Agrar-, Forst-und Lebensmittelwissenschaften
BAFU. (2007). Leitfaden Über Techniken zur Vermeidung und Verringerung von
Ammoniakemissionen. Wirtschaftskomission für Europa
Bayrische Landesanstalt für Landwirtschaft (LfL). (2003). Merkblatt Verminderung gasförmiger
Emissionen in der Tiefhaltung. Ammoniak, Lachgas, Methan. Bayrische Staatsministerien
für Landwirtschaft und Forsten - Landesentwicklung und Umweltfragen
Betzenberger, M., & Kammann, C.: Was ist Biokohle. Abgerufen am 29. Juni 2013 von
[5] Scheifele, M., & Gattinger, A. (Februar 2012). Wie verhält sich Pflanzenkohle in Ackerböden? Kompost Forum Schweiz, 2/2012,
S. 13-14.
Einfluss von Pflanzenkohle und Sauerkrautsaft auf den
Stickstoffmetabolismus in Güllegruben
Die Landwirtschaft gilt mit einem Gesamtanteil von 94% als
Hauptquelle für die Ammoniakemissionen in der Schweiz.
Während seit 1990 die Emissionen beim Ausbringen der
Gülle durch neue Technik erheblich gesenkt werden
konnten, stiegen sie bei der Lagerung weiter an [1]. Um
auch die Lageremissionen zu senken, werden neue
Methoden und Alternativen gesucht.
In dieser Arbeit wurden Literaturrecherchen getätigt, um Möglichkeiten aufzuzeigen, die Emissionen in den Güllegruben zu senken. Über Pflanzenkohle wurde nach möglichen Einsatzgebieten recherchiert. Des weiteren wurde in dieser Arbeit untersucht, welchen Einfluss die Zugabe von Pflanzenkohle alleine und in Kombination mit Sauerkrautsaft auf den Stickstoffmetabolismus der Gülle hat. Diese Untersuchungen gaben einen Anhaltspunkt, ob sich diese Zugaben dazu eignen, die Ammoniakemissionen in Güllegruben zu mindern.
Tabelle 1: Sequestrierungspotential von Pflanzenkohle gemäss Delinat
[4]
Abb. 3: Entwicklung Ammoniakgehalt im Überstand über 72 Stunden.
Abb. 2: Entwicklung pH-Wert über 72 Stunden. Grau hinterlegt sind belüftete Proben;
Ansätze mit Pflanzenkohle rot geschrieben
Abb. 4: pH-Verlauf Versuch 3 P1: Rohgülle mit 5m.% PK;
P2: Rohgülle mit 2m.% PK und 27vol.% Sauerkrautsaft; P3: Rohgülle mit 2m.% PK
Einfluss von Pflanzenkohle auf den Stickstoffmetabolismus der Gülle
Stickstoff in der Gülle liegt vor allem in Form von Ammonium und Ammoniak vor,
welche sich in einem pH-abhängigen Gleichgewicht befinden. Bei den
Untersuchungen stellte sich heraus, dass Pflanzenkohle, eine durch pyrolysierte
Biomasse entstandenes Produkt, basisch auf deionisiertes Wasser und die Gülle
wirkt (Abbildung 4). Durch die basische Wirkung verschiebt sich das pH-
abhängige Gleichgewicht vom Stickstoff in der Gülle. Der Stickstoff liegt vermehrt
in Form von Ammoniak vor [2] , was zu erhöhten Verlusten von Ammonium
(Abbildung 3) und Gesamtstickstoff führt. Die Verluste an Ammonium verhalten
sich daher korrelativ mit den pH-Werten (Abbildung 2). Die Hoffnung, dass
Pflanzenkohle Ammonium und Ammoniak aus der Gülle bindet und so ein
emittieren der Stickstoffmoleküle teilweise verhindert, konnte bei der
eingesetzten Menge nicht beobachtet werden.
Nutzungsspektrum von Pflanzenkohle
Die Struktur und Porosität ermöglicht Pflanzenkohle breite Nutzungsgebiete, die in
einem landwirtschaftlichen Betrieb über Futter-, Dünger, Kompost- und Silagezusatz
bis zum Einsatz als Bodenverbesserer reichen.
Interessant ist Pflanzenkohle auch als CO2- Senke in der Klimadiskussion. Es wird
mittlerweile davon ausgegangen, dass ein Grossteil der Pflanzenkohle über
Jahrhunderte im Boden bleibt [5] . Sofern nicht mehr CO2 für die Herstellung und
den Transport verbraucht wird, als durch die Pflanzenkohle langfristig gespeichert
wird, kann die Pyrolyse von Grüngut CO2 sequestrieren. Das Delinat-Institut hat eine
Sequestrierungspotential von PK offengelegt (Tabelle 1), welche beschreibt, dass
unter optimalen Bedingungen mit einer Tonne Holzschnitzel als Ausgangsmaterial
rund 489 kg CO2 fixiert werden können. Unter der Annahme, dass mit drei Tonnen
Kohlenstoff aus Holzschnitzel rund eine Tonne stabilen Kohlenstoff in PK produziert
wird, fixiert eine Tonne PK rund 1,63 Tonnen CO2. Literaturrecherchen haben
allerdings gezeigt, dass punkto C-Sequestrierung von Pflanzenkohle, grosse
Unsicherheiten und Differenzen bestehen.
Einfluss von Sauerkrautsaft auf die Ammoniakemissionen während der
Güllelagerung
Ebenfalls geprüft wurde in dieser Arbeit, ob sich Sauerkrautsaft dazu eignet, Gülle anzusäuern. Dabei stellte sich heraus, dass mehr Sauerkrautsaft benötigt werden würde, um eine deutliche pH-Senkung zu erreichen, als logistisch machbar wäre (pers. Kommunikation Rippel, 2013). Bei den Untersuchungen dieser Arbeit wurden 27vol.% Sauerkrautsaft benötigt, um den pH-Wert von ursprünglich 7,03 auf 6,45 zu senken (Abbildung 4). In Kombination mit Melasse kann sich die Verwendung von Sauerkrautsaft durchaus zum Ansäuern der Gülle eignen. Literaturrecherchen zeigten, dass Melasse der limitierende Faktor bei der Ansäuerung war. Mit der Zugabe von Pflanzenkohle kann die Umsetzung von Zucker zu Lactat durch die Milchsäure-bakterien beschleunigt werden, was in Versuchen schon beobachtet werden konnte [3] .