Ziel der vorliegenden Arbeit war es, natürliche Rohstoffe als potentielle Bodenverbesserungsmittel zu identifizieren und zu charakterisieren. Es sollte deren Eignung überprüft werden, ein sandiges Substrat in seinen chemischen, physikalischen und biologischen Eigenschaften messbar zu beeinflussen. Anhand von Versuchsreihen im Gewächshaus und im Freiland ist die differenzierte Wirkung der Rohstoffe auf Mais und Weizen getestet worden. Aufgrund einer Literaturrecherche wurden Rohwolle, Schafwollpellets und Biertreber betrachtet. Es zeigte sich für Biertreber, dass dieser große Mengen an Stickstoff (Nt=3,95%; C/N=12,74) bereitstellen kann. Zudem enthält er vergleichsweise viel Phosphor und Magnesium (8,68 g kg-1 und 4,05 g kg-1) aber nur geringe Mengen an Kalium (1,40 g kg-1). Weiterhin lässt sich bei Aufwandmengen von 0,5 M.-% eine kurzfristige Verbesserung der Wasserspeicherfähigkeit sandiger Substrate feststellen. Rohwolle weist im Vergleich zu Biertreber mit Nt=13,56% höhere Mengen an Stickstoff auf. Weiterhin lassen sich mit 35,41 g kg-1 höhere Mengen an Kalium aber mit nur 0,23 g kg-1 bzw. 0,34 g kg-1 geringere Mengen an Magnesium und Phosphor feststellen. Die Mineralisierung der Rohwolle erfolgt im Vergleich zu Biertreber langsam, sodass die enthaltenen Nährstoffe nur langsam pflanzenverfügbar werden. Rohwolle weist zunächst einen stark hydrophoben Charakter auf. Mit zunehmendem Abbau des Lanolins führen Aufwandmengen von 0,1 M.-% zu einer messbaren Erhöhung der Wasserspeicherfähigkeit des sandigen Substrates. Pflanzenverfügbare Nährstoffe stehen bei den industriell aufbereiteten Schafwollpellets im Vergleich zu reiner Rohwolle schneller zur Verfügung. Ähnlich wie bei der Rohwolle werden auch durch Schafwollpellets langfristig Nährstoffe freigesetzt und die Beeinflussung der bodenphysikalischen Parameter ist über längere Zeiträume nachweisbar. Allerdings müssen Aufwandmengen von 0,5 M.-% erbracht werden. / The aim of the study was to identify and characterize natural raw materials as a potential soil improver. The capacity for measurable influence on the chemical, physical and biological properties of sandy substratum was investigated. The differentiated affect of the raw materials has been tested for maize and wheat using test series in a greenhouse as well as in open fields. Raw wool, sheep wool pellets and spent grains were considered based on comprehensive literature research. It was observed that spent grains can provide large amounts of nitrogen (N=3.95\%; C/N=12.74). Moreover, it contains relatively high levels of phosphorus and magnesium (8.68 g kg-1 and 4.05 g/kg, respectively), but only small amounts of potassium (1.40 g/kg). Furthermore, a short-term improvement of the water storage capacity of sandy substratum using a application rate of 0.5 M.-\% was observed. Raw wool has higher amounts of nitrogen with Nt=13.56\% compared to spent grains. Moreover, higher levels of potassium with a value of 35.41 g/kg were observed, but spent grains have lower levels of magnesia and phosphor with values of 0.23 g/kg and 0.34 g/kg, respectively. The mineralization of the raw wool occurs slowly compared to (malt) spent grains, such that nutrients are slowly available to plants. Initially, raw wool has a highly hydrophobic character with increasing depletion of Lanolin a measurable improvement of the water storage capacity of sandy substratum using an application rate of 0.1 M.-\% was observed. Nutrients available to plants are provided quicker by industrially remanufactured sheep wool pellets in comparison to raw wool. Nutrients are released on a long-term basis by sheep wool pellets similar to the raw wool and the influence on the soil-physical properties are verifiable for longer periods of time. However, an application rate of 0.5 M.-\% is necessary.

Im Rahmen dieser Arbeit sollten Einsatzmöglichkeiten und -grenzen von kompostierten und durch Agglomeration oder Pelletierung weiter aufbereiteten Bioabfall-Gärresten untersucht werden. Außerdem sollte geprüft werden, ob durch verschiedene Zuschlagstoffe die Eigenschaften der Produkte so verbessert werden können, dass ein marktfähiges Düngeprodukt entsteht. Dazu wurden ein Feldversuch, Gefäß-, Rhizoboxen- und Bodenatmungsversuche, phytotoxikologische Tests und Regenwurm-Vermeidungstests durchgeführt. Die Ergebnisse können wie folgt zusammengefasst werden: Die Stickstoffverfügbarkeit von kompostierten Gärprodukten aus Bioabfällen ist gering, der Gehalt an Phosphor und Kalium aber hoch. Langfristig sind so der Aufbau eines Nährstoffdepots im Boden und die Einsparung anderer Dünger möglich. Die Produkte enthalten zudem basisch wirksame Bestandteile, welche die Kalkung teilweise ersetzen können. Komposte und Gärprodukte aus Bioabfällen können zur Steigerung der Humusgehalte im Boden beitragen. Ca. 80 % des enthaltenen Kohlenstoffs liegt in stabilisierter Form vor und kann im Boden sequestriert werden. Problematisch sind hohe Schwermetall- und Störstoffgehalte. Die gesetzlich vorgegebenen Grenzwerte wurden in 50 % der getesteten Chargen überschritten. Phytotoxische Effekte wurden nur in Einzelfällen festgestellt und waren nicht dosisabhängig, sondern traten punktuell auf. Die Aktivität der Mikroorganismen im Boden wurde durch Anwendung der Gärprodukte gefördert. Der Einfluss der Gärprodukte auf Regenwürmer konnte nicht eindeutig bestimmt werden. Eine Einschränkung der Habitatfunktion nach Gärproduktanwendung wurde nicht festgestellt. Die Aufbereitung durch Agglomeration oder Pelletierung ist möglich, ohne dass die wesentlichen positiven Eigenschaften davon beeinträchtigt werden. Durch Beimengung von Zuschlagstoffen können die Düngewirkung und die physikalischen Eigenschaften der Produkte verändert werden. Dies reduziert jedoch auch den Gehalt an stabiler organischer Substanz. / The scope of the present work was to determine the possibilities and limits for the application of composted digestates from biowaste on agricultural land. Furthermore it was tested whether it is possible to enhance the properties of the products by adding different amendments and to thereby create a marketable fertilizer product. A field trial, pot and rhizobox experiments, phytotoxicity tests and avoidance tests with earthworms were carried out. The results can be summarized as follows: The nitrogen availability of composted biowaste digestates is limited but they have high contents of phosphorus and potassium. Repeated application of biowaste digestate can help to establish a stable nutrient pool in the soil save up on other fertilizers. In addition, the products are characterized by basic constituents who can partly replace liming. Composts and fermentation products made from organic waste can contribute significantly to the increase of humus content in the soil. Approx. 80 % of the contained carbon is in stabilized form and can be sequestered in the soil. High concentrations of heavy metals and other contaminants are problematic. The legal limits were exceeded in 50 % of the tested batches. Phytotoxic effects were observed only in isolated cases and were not dose-dependent. The activity of the microorganisms in the soil was significantly promoted by the application of the digestates. The influence of the digestate products on earthworms could not be determined unequivocally. A restriction of the habitat function after digestate application was not detected. Processing by agglomeration or pelletizing to increase transportability and storage stability is possible without impairing the essential positive properties of the digestates. The addition of amendments can be used to adjust the fertilizing and physical properties of the products. This, however, reduces the content of stable organic matter.

Im Laborversuch konnte der positive Einfluss einer thermobarischen Vorbehandlung auf die Hydrolysier- und Vergärbarkeit von Rinderfestmist und Rindergülle nachgewiesen werden. Die Laborergebnisse wurden innerhalb eines theoretischen Modells in den Praxismaßstab übertragen, um den Einfluss auf Treibhausgasemissionen, Energiebilanz und Ökonomie zu bewerten. Die Vorbehandlungstemperaturen im Labor lagen zwischen 140 und 220°C in Schritten von 20 K und einer Vorbehandlungszeit von jeweils 5 Minuten. Die höchste Methanmehr¬ausbeute von 58 % konnte bei einer Temperatur von 180°C ermittelt werden. Das Auftreten von Inhibitoren und nicht vergärbaren Bestandteilen führte bei einer Aufbereitungstemperatur von 220°C zu Methanausbeuten, die geringer waren als die des unaufbereiteten Einsatzstoffes. In einer erweiterten Analyse konnte ein funktioneller Zusammenhang zwischen der Methanausbeute nach 30 Tagen und der Methanbildungsrate und -ausbeute während der Beschleunigungsphase gezeigt werden. Mittels einer Regressionsanalyse der so ermittelten Werte wurde nachgewiesen, dass die optimale Aufbereitungstemperatur 164°C ist und die minimale größer als 115°C zu sein hat. Treibhausgasemissionen und Energiebilanz wurden im Rahmen einer Ökobilanz nach ISO 14044 (2006) ermittelt, sowie eine Kosten-Nutzen-Analyse durchgeführt. Dazu wurde eine Anlage zur thermobarischen Vorbehandlung entwickelt und innerhalb eines Modells in eine Biogasanlage integriert. Weiterhin wurde in diesem Modell Maissilage durch Rinderfestmist und / oder Rindergülle als Einsatzstoff ersetzt. Rinderfestmist, ein Einsatzstoff mit hohem organischen Trockenmassegehalt, der ohne Vorbehandlung nicht einsetzbar wäre, erreichte eine energetische Amortisationszeit von 9 Monaten, eine Vermeidung in Höhe der während der Herstellung emittierten Treibhausgase innerhalb von 3 Monaten und eine ökonomische Amortisationszeit von 3 Jahren 3 Monaten, wohingegen Rindergülle keine positiven Effekte zeigte. / Hydrolysis and digestibility of cattle waste as feedstock for anaerobic digestion were improved by thermobarical treatment in lab-scale experiments. The effects of this improvement on greenhouse gas emissions, energy balance and economic benefit was assessed in a full-scale model application. Thermobarical treatment temperatures in lab-scale experiments were 140 to 220°C in 20 K steps for a 5-minute duration. Methane yields could be increased by up to 58 % at a treatment temperature of 180°C. At 220°C, the abundance of inhibitors and other non-digestible substances led to lower methane yields than those obtained from untreated material. In an extended analysis, it could be demonstrated that there is a functional correlation between the methane yields after 30 days and the formation rate and methane yield in the acceleration phase. It could be proved in a regression of these correlation values that the optimum treatment temperature is 164°C and that the minimum treatment temperature should be above 115°C. The theoretical application of a full-scale model was used for assessing energy balance and greenhouse gas emissions following an LCA approach according to ISO 14044 (2006) as well as economy. A model device for thermobarical treatment has been suggested for and theoretically integrated in a biogas plant. The assessment considered the replacement of maize silage as feedstock with liquid and / or solid cattle waste. The integration of thermobarical pretreatment is beneficial for raw material with high organic dry matter content that needs pretreatment to be suitable for anaerobic digestion: Solid cattle waste revealed very short payback times, e.g. 9 months for energy, 3 months for greenhouse gases, and 3 years 3 months for economic amortization, whereas, in contrast, liquid cattle waste did not perform positive replacement effects in this analysis.

Die bei der Biogasproduktion anfallenden Gärreste werden als organische Dünger im Pflanzenbau eingesetzt. Infolge des Vergärungsprozesses unterscheiden sich Gärreste von herkömmlichen organischen Düngern. Daraus könnten sich spezifische positive oder negative Wirkungen auf Bodenfruchtbarkeit und Pflanzen ergeben, die Gegenstand dieser Arbeit sind. In einem sechsjährigen Feldversuch (Energiepflanzenfruchtfolge, sandiger Boden) wur- den die Düngeeffekte von fünf verschiedenen Gärresten mit denen von Rindergülle, Stallmist und mineralischem Dünger (KAS) verglichen. Zur umfassenden Charakterisie- rung der Bodenfruchtbarkeit erfolgten Untersuchungen aus den Bereichen Bodenchemie, -physik, -mikrobiologie und Pflanzenbau, wobei die Humusdynamik einen Schwerpunkt bildete. Die Mengenkalkulation der Düngung basierte auf der gleichen Gabe organi- schem C mit einem N-Ausgleich durch KAS. Es ergaben sich für Gärreste gegenüber KAS überwiegend positive Effekte auf Hu- musgehalt, Aggregatstabilität und bakterielle Aktivität und Diversität. Diese Effekte waren denen von Rindergülle und Stallmist ähnlich. Möglicherweise besteht aber durch Gärrestdüngung ein erhöhtes Risiko von P- und K-Überschüssen sowie N-Verlusten. Eine erhöhte Benetzungshemmung wurde nicht gefunden. Die mikrobielle Gemeinschaft des Bodens zeigte eine spezifische Beeinflussung durch die Gärreste in der funktionellen, jedoch nicht in der genetischen Struktur. Die N-Verfügbarkeit war deutlich geringer als die von KAS, wodurch sich für Grünroggen Mindererträge ergaben. Für Silomais und Sorghum fand sich bei kombinierter Anwendung mit KAS ein zu KAS ähnliches Ertragsniveau. Gärreste haben analog zu herkömmlichen organischen Düngern bei effizientem Einsatz das Potential zu KAS vergleichbare Erträge zu erzielen und gleichzeitig die Bodenfrucht- barkeit zu fördern. Diese Schlussfolgerung ist im Kontext der spezifischen Standort- und Versuchsbedingungen zu sehen und sollte durch eine längere Versuchszeit abgesichert werden. / Digestates arising during biogas production are used as organic fertilizers in agriculture. Due to the fermentation process, digestates have different properties from traditional organic fertilizers. This may result in specific positive or negative effects on soil fertility and plants, which are subject of this work. In a six year field experiment (energy crop rotation, sandy soil) fertilizer effects of five different digestates were compared with cattle slurry, farm yard manure and mineral fertilizer (KAS). For a comprehensive characterization of soil fertility effects, methods from the fields of soil chemistry, physics, microbiology and plant science were applied. One special focus of these investigations was humus dynamics. Manure doses were based on the same dose of organic carbon, resulting different N-doses were compensated by KAS. Compared with KAS, digestates showed predominantly positive effects on humus con- tent, soil aggregate stability and bacterial activity and diversity. These effects of di- gestates were similar to those of cattle slurry and farm yard manure. There may be an increased risk of P and K oversupply and N losses as a result of digestate fertilization. An increased soil water repellency was not found. The soil bacterial community was specifically influenced by digestates regarding its functional, but not regarding its genetic structure. Saprotrophic fungy were reduced by some digestates in comparison to KAS. N availability was considerably lower than of KAS, resulting in yield depressions of forage rye. For silage maize and sorghum, digestates combined with KAS equaled the yield level of KAS. If efficiently applied, digestates have like other organic fertilizers the potential to produce equal yields as KAS whilst enhancing soil fertility. This conclusion is restricted to the specific conditions of experimental site and design and must be verified during a longer experimental period.