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Herstellung wasserlöslicher NPK-Dünger sowie NK, PK auf Basis von Biogas Gärrest und Gülle, Teilvorhaben 1: Extraktion von Stickstoff- und Phosphorverbindungen aus Biogas-Gärresten und biologische Nitrifizierung von Ammoniumstickstoff

Überschuss der Stickstoff-Flächenbilanz der Landwirtschaft in den Kreisen für die Jahre 1995-2023 (3-jährige Mittelwerte) (Datensatz)

Die Stickstoff-Gesamtbilanz (synonym: Hoftorbilanz, Sektorbilanz, Stoffstrombilanz) für die Landwirtschaft umfasst die drei Komponenten: Flächenbilanz (Pflanzen- bzw. Bodenproduktion), Stallbilanz (tierische Erzeugung) und Biogasbilanz (Erzeugung von Biogas). Für regionale Gliederungen unterhalb der Ebene des Bundesgebietes, das heißt für Bundesländer, Kreise oder Gemeinden, können nach wie vor aufgrund der eingeschränkten Datenverfügbarkeit im Regelfall nur Flächenbilanzen ermittelt werden. Grundsätzlich ist an regionalisierte Bilanzierungen die Forderung zu stellen, dass sich mit der jeweiligen Methodik ein annähernd identischer Wert des Flächenbilanzüberschusses berechnet (in der Summe über alle regionalen Einheiten im Bundesgebiet) wie für Deutschland als Ganzes. Die Zeitreihe des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL 2024) für das Bundesgebiet ist dabei als Referenzwert anzusehen. Der N-Überschuss der Flächenbilanz entspricht der Differenz zwischen den N-Zufuhren und den N-Abfuhren auf der landwirtschaftlich genutzten Fläche der Kreise während eines Bilanzjahres. In der vorliegenden Berechnung beinhaltet der Flächenbilanz-Überschuss den Eintrag von Stickstoff in den Boden (i) ohne Abzug der NH3-Verluste, die bei der Ausbringung von Wirtschaftsdünger, Gärresten und Mineraldünger auf der Fläche auftreten, sowie (ii) ohne Abzug von N2-, NOX- und N2O-Emissionen aus dem Boden, die in Folge von Nitrifikation und Denitrifikation entstehen. Weiterhin werden die N-Verluste infolge des Abbaus der organischen Bodensubstanz in anmoorigen und Moor-Böden unter Acker- und Grünland-Nutzung nicht berücksichtigt.

Betriebliche Abwasserreinigung im Kombibecken

Die Mindestanforderungen fuer die Einleitung von kommunalem Abwasser sind durch die Novelle des Anhang 1 der Rahmen-Abwasser-Verwaltungsvorschrift vom 08.09.89 verschaerft worden. Fuer die Phosphor- und Stickstoffelimination bedeutet dies, dass nahezu alle Klaeranlagen mit unterschiedlichem Aufwand saniert bzw. erweitert werden muessen. Das hier entwickelte Kombibecken soll durch Modifikation der Prozessfuehrung sowie durch konstruktive Aenderungen den neuen Anforderungen angepasst werden. Das nach dem Submersverfahren arbeitende einstufige Kombibecken im Pilotmassstab ist fuer die betriebliche Abwasserreinigung konzipiert worden und besteht aus einem Belebungsteil mit integriertem Sedimenter sowie einer Ueberschussschlammtasche. Ruehrer und Tauchstrahlbeluefter ermoeglichen das Einstellen definierter Sauerstoffpartialdruecke. In ersten orientierenden Versuchen wird der CSB von Abwaessern aus der Lebensmittelindustrie in Hoehe von 4.000 bis 7.000 mg O2/l um etwa 70 Prozent gesenkt; beim Einsatz in einem Berliner Klaerwerk betraegt die CSB-Reduktion des kommunalen Abwassers etwa 90 Prozent. Die Nitrifikation entspricht der des Klaerwerkes. Die intermittierende Denitrifikation laesst sich hier zunaechst bis zu Raumbelastungen von 0,39 kg BSB 5/m3 realisieren und wird durch periodische Belueftungsintervalle aufrechterhalten. Zur Zeit werden Mehrkammersysteme mit integrierter Phosphorelimination erprobt.

Toximeter: Toxizitätsmessungen zur Bewertung des Risikos gewerblicher Abwässer für die Abwasserreinigung

Der Cocktail an verschiedenen Stoffen im Abwasser hemmt die sehr empfindlichen Bakterien beim biologischen Abbauprozess in unseren Kläranlagen (z.B. Nitrifikation). Das führt zu ökologischen und wirtschaftlichen Schäden. Ziel war es nun, durch eine Überwachung der Industrie bestimmte toxische Stoffe zu lokalisieren und eine Einleitung in die Biologie der Kläranlage zu verbieten, um so die Umwelt zu schützen. Im Forschungsprojekt Toximeter wird seit 2009 ein Nitrifikanten-Toximeter kontinuierlich mit einem Abwasserteilstrom befüllt und die Aktivität der Bakterien ermittelt. Sobald diese um mehr als 80 Prozent gehemmt werden, wird automatisch eine Probe gezogen und im Labor auf toxische Einzelstoffe untersucht. Mit dem DWA-Netzwerk, unserem Industriekataster und akkreditierten Labor steht erstmals ein Konzept zur Verfügung, um verursachende Einleiter in die Verantwortung zu nehmen. Neben der Kontrollmöglichkeit für Kläranlagenbetreiber könnte das Überwachungssystem als Vorsorge bereits beim Indirekteinleiter installiert werden. Frühzeitig wird stoffbezogen eine Vorbehandlung durchgeführt und die Ableitung verhindert. Ergebnisse des Projekts: Das im Projekt verwendete Nitrifikanten-Toximeter wurde im Kanal und Klärwerk betrieben und mit dem Standardtestverfahren für Nitrifikationshemmung DIN EN ISO 9509 verglichen. Messungen wurden durchgeführt - im Abwasserstrom waren deutliche Hemmungen nachweisbar. Mit Hilfe der gezielten, rückgestellten Probe aus dem Toximeter und umfangreichen Recherchen gelang die erfolgreiche Auflösung der wiederholt auftretenden Hemmung im Klärwerk Waßmannsdorf. Allerdings gibt es immer noch Unwägbarkeiten, z.B. die Beeinflussung der Toxizität durch Ablagerungen im Ansaugschlauch und Störungen der Sauerstoffsonde. Um mit dieser Methode eine hohe Zuverlässigkeit zu erreichen, ist der Wartungsaufwand hoch und die Wirtschaftlichkeit für einen flächendeckenden Einsatz nicht gegeben. Hier gab und gibt es auf dem Markt eine stetige Neu- und Weiterentwicklung kommerzieller aktiver oder auch passiver Testsysteme, die zu beobachten ist.

Phosphor- und Stickstoffelimination von Abwasser in einer Bio-P/N-Reaktoranlage

Eine vierstufige Laborreaktorkaskade zur kontinuierlichen aeroben CSB-Reduktion ist unter dem Aspekt konzipiert worden, fuer spezifische betriebliche Fragestellungen passende Anlagenschaltungen zur biologischen Phosphor- und Stickstoffelimination zu entwickeln. Die hier vorgeschlagene Anlagenschaltung im Hauptstromverfahren ermoeglicht eine nahezu vollstaendige Phosphor- und Stickstoffelimination von Abwaessern mit erhoehten Ammonium- und Nitratfrachten. Sie basiert auf dem A/O-Verfahren, ergaenzt durch zwei anoxe Reaktoren, in denen der Zulauf, der Rueckschlamm sowie die im aeroben Reaktor durch Nitrifikation erzeugten Nitratverbindungen denitrifiziert werden. Bei einer Substratzulaufkonzentration (DOC) von etwa 100 mg/l betraegt der Substratabbaugrad 95 bis 100 Prozent, der Phosphateliminationsgrad bei einem Zulauf PO4-P von etwa 5 mg/l 85 bis 100 Prozent. Die stufenweise bis auf 25 mg/l erhoehten NH4-N Zulaufkonzentrationen werden nach einer Einfahrphase bis zu 100 Prozent abgebaut, der Nitratabbaugrad liegt bei 0,9 und 1,0.

Freisetzung von Stickstoffmonoxid von Gebaeudeoberflaechen in die Atmosphaere

Natursteinmaterial gibt aus der verwitterten Oberflaeche von Gebaeuden Stickstoffmonoxid-N mit Raten von 0.42 bis 4.2 ng/(h x g), trotz deren hohen Feuchtegehalte, ph-Wertes und Gehaltes an Ammonium, Nitrit und Nitrat, ab. Die Netto-Abgaberaten) von NO sind unabhaengig von dem NO-Anteil in der Umgebungsatmosphaere bis zu einem Wert von 1 ppm NO. Die Aufnahme von NO2 erfolgte bei allen untersuchten Natursteinen, NO wurde hingegen nur bei einer von fuenf Natursteinarten aufgenommen. Die NO-Abgaberaten waren an der Steinoberflaeche am hoechsten und nahmen stark bis zu einer Tiefe von mehr als 1 cm ab. Die NO-Abgabe wurde bis mehr als 3 Monate nach der Probenentnahme von den Gebaeuden beobachtet. NO entsteht hauptsaechlich durch biogene Oxidation des Ammoniums zu Nitrat an der Gesteinsoberflaeche, vermutlich durch endolithische nitrifizierende Bakterien. Die chemische Zersetzung von Nitrit zu NO und NO2 wurde nur unter sauren Bedingungen beobachtet.

Abbau von hohen Nitratgehalten in vorwiegend anorganisch belasteten Abwaessern

Zahlreiche Industrieabwaesser weisen einen hohen Gehalt von anorganischen N-Verbindungen auf. Diese muessen vor Einleitung in den Vorfluter beseitigt werden, da sie sowohl fuer die Gewaesser-Biologie (Eutrophierung) als auch fuer die Trinkwassergewinnung Probleme aufwerfen. Hierfuer kommen in erster Linie mikrobiologische Verfahren in Frage: verschiedene Bakterien koennen Nitrat unter aneroben Bedingungen zu N2 reduzieren, das als Gas entweicht (Denitifikation); Ammonium kann von sog. Nitrifikanten zu Nitrat unter aeroben Verhaeltnissen oxidiert werden, das dann anschliessend (wie o. erwaehnt) zu N2 reduziert werden kann. - Ziel des Projektes ist es, diese Prozesse mit belasteten Abwaessern unter Verwendung besonders geeigneter Bakterien zu untersuchen. Dabei sollen die einzelnen Parameter zunaechst im Labormasstab (und zwar im kontinuierlichen Betrieb) ermittelt werden. Fuer die Denitrifikation sollen Thiobacillen eingesetzt werden, deren Verwendung besonders praktisch und oekonomisch ist, da sie keine organische C-Quelle benoetigen.

Spezielle Untersuchungen zum Sauerstoffhaushalt von Fliessgewaessern

Einzelfragen des Sauerstoffhaushalts von Fliessgewaessern werden untersucht, um die Grundlagen fuer wasserwirtschaftliche Berechnungen zu verbessern. Schwerpunkte: der Einfluss der Primaerproduktion auf den Stoffhaushalt. Der Einfluss der Nitrifikation auf den Stoffhaushalt. Beteiligung der Gewaessersohle am Stoffhaushalt. Sauerstoffhaushalt von Altarmen.

Linking nutrient cycles, land use and biodiversity along an elevation gradient on Mt. Kilimanjaro

To understand impacts of climate and land use changes on biodiversity and accompanying ecosystem stability and services at the Mt. Kilimanjaro, detailed understanding and description of the current biotic and abiotic controls on ecosystem C and nutrient fluxes are needed. Therefore, cycles of main nutrients and typomorph elements (C, N, P, K, Ca, Mg, S, Si) will be quantitatively described on pedon and stand level scale depending on climate (altitude gradient) and land use (natural vs. agricultural ecosystems). Total and available pools of the elements will be quantified in litter and soils for 6 dominant (agro)ecosystems and related to soil greenhouse gas emissions (CO2, N2O, CH4). 13C and 15N tracers will be used at small plots for exact quantification of C and N fluxes by decomposition of plant residues (SP7), mineralization, nitrification, denitrification and incorporation into soil organic matter pools with various stability. 13C compound-specific isotope analyses in microbial biomarkers (13C-PLFA) will evaluate the changes of key biota as dependent on climate and land use. Greenhouse gas (GHG) emissions and leaching losses of nutrients from the (agro)ecosystems and the increase of the losses by conversion of natural ecosystems to agriculture will be evaluated and linked with changing vegetation diversity (SP4), vegetation biomass (SP2), decomposers community (SP7) and plant functional traits (SP5). Nutrient pools, turnover and fluxes will be linked with water cycle (SP2), CO2 and H2O vegetation exchange (SP2) allowing to describe ecosystem specific nutrient and water characteristics including the derivation of full GHG balances. Based on 60 plots screening stand level scale biogeochemical models will be tested, adapted and applied for simulation of key ecosystem processes along climate (SP1) and land use gradients.

Nebenwirkungen von Pflanzenschutzmitteln auf Stickstoffumsetzungen im Boden und die Stickstoffversorgung von Pflanzen

Es wird die Beeinflussung von Nitrifikationsvorgaengen durch die Anwendung von Pflanzenschutzmitteln geprueft und die Auswirkung auf die Naehrstoffversorgung von Pflanzen sowie deren Entwicklung verfolgt.

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