Funktionssichere Flüssigentmistung

Funktionssichere Flüssigentmistung für mehr Tierwohl

Versuchsstand der Uni Hohenheim, mit dem der Entmistungsvorgang in Schweineställen mit Flüssigentmistung simuliert werden kann. Bild: Bastian Kolb

Wie es in der Praxis gelingen kann, die Anforderungen des Tierschutzlabels "Für Mehr Tierschutz" zu erfüllen, wurde im Projekt "Label-Fit" untersucht. Auch wie in Schweineställen Flüssigentmistung trotz mehr organischem Material funktionieren kann.

Schweinemäster, die das Tierschutzlabel "Für Mehr Tierschutz" führen möchten, müssen ihren Tieren organisches Beschäftigungsmaterial anbieten.

In Ställen mit Spaltenboden und Gülleentmistung birgt dies jedoch ein verfahrenstechnisches Problem: Stroh, Heu oder Maissilage können auf der Gülle dichte Schwimmschichten ausbilden, die den Abfluss behindern. Die Entmistungskanäle, die in der Regel auf Flüssigmist und nicht auf die erhöhten Trockensubstanz- und Fasergehalte von organischen Beschäftigungsmaterialien ausgerichtet sind, können dann verstopfen.

Deshalb sind Methoden gefragt, die auch dann eine funktionssichere Entmistung gewährleisten, wenn dem System neben der Gülle zusätzlich langfaseriges, organisches Material zugeführt wird.

Versuchsstand zur Simulierung von Schweinegülle mit Schwimmschicht aus organischem Material. Klick führt zu Großansicht im neuen Fenster. — Simulierung von Schweinegülle mit Schwimmschicht aus organischem Material in einem Versuchsstand. Bild: Bastian Kolb

Forschende der Universität Hohenheim arbeiteten an technischen Verfahren zur Entsorgung der organischen Masse. Anhand eines Versuchsstandes simulierten sie den Entmistungsvorgang, suchten potenzielle Verstopfungspunkte und Möglichkeiten, diese aufzulösen.

Die Versuche der Hohenheimer Wissenschaftler sind Teil des Projektes "Label-Fit: Schweinehaltung fit für das Tierschutz-Label". Neben der Universität Hohenheim beteiligen sich das Bildungs- und Wissenszentrum Boxberg (Landesanstalt für Schweinezucht), das Institut für Tierschutz und Tierhaltung des Friedrich-Loeffler-Instituts, der Deutsche Tierschutzbund und die VION GmbH an dem Forschungsvorhaben.

In einem offenen Güllekanal ist eine Schwimmschicht zu erkennen. Klick führt zu Großansicht im neuen Fenster. — Schwimmschicht mit Heu. Bild: Bastian Kolb

Zunächst stand die die Entwicklung eines kompakten Moduls im Fokus, das in die Güllekanäle von Schweineställen eingesetzt werden kann. Dort sollte es für eine funktionssichere Entmistung sorgen. Vor allem sollte es die auf der Gülle schwimmende Schicht aus langfaserigem Material auflösen und sie konstant in den abfließenden Güllestrom einmischen.

Entmistungsvorgang mit Hilfe eines Versuchsstandes simulieren

Gesamtansicht des Versuchsstandes. Klick führt zu Großansicht im neuen Fenster. — Gesamtansicht des Versuchsstandes. Bild: Bastian Kolb

Schwimmschichten sind oft unterschiedlich dicht und hängen nicht immer zusammen. Vor allem unter den Liegeflächen der Tiere und unter den Futterstellen bilden sich dicke Matratzen aus Einstreumaterial, wie zum Beispiel Häckselstroh. Dazwischen tauchen Büschel aus langfaserigem Beschäftigungsmaterial wie Heu und Langstroh auf.

Um unterschiedliche Situationen durchzuspielen, die sich bei der Entmistung eines Schweinestalles ergeben, entwickelte das Wissenschaftlerteam einen speziellen Versuchsstand. Dieser bestand aus drei funktionellen Einheiten:

Becken aus transparentem Acrylglas
Rohrsystem aus transparentem PVC (Polyvinylchlorid)
Spülpumpe

Das Becken mit einer Länge von sechs 6 Metern, einer Breite von 0,6 Metern und einer Höhe von 0,4 Metern war das Hauptelement des Versuchsstandes. Er bildete den Güllekanal nach. Das transparente Acrylglas ermöglichte es das Verhalten der Flüssigkeiten und des langfaserigen Materials bei einem nachgestellten Entmistungsvorgang genau zu beobachten.

Mit dem Becken und mit dem Rohrsystem wurde eine Schwerkraftentmistung ohne Steigung nachgebildet. Die Spülpumpe als dritte funktionelle Einheit des Versuchsstandes war an den Zwischenbehälter gekoppelt. Mit ihr wurde die Modellflüssigkeit zurück in das Becken gepumpt.

Im Gegensatz zu Praxisversuchen in realen Güllekanälen erlaubte die offene Bauweise des Versuchsstandes eine Auswertung per Videoaufnahme und erleicherte wiederholbare, präzise Versuchsreihen.

Weitere Vorteile des Versuchsstandes:

Die Versuchsreihen stören nicht den Ablauf eines praktischen Schweinebetriebes.
Das in den Tests verwendete Fasermaterial kann leichter entfernt werden.
Die Möglichkeit, das System gezielt zu überlasten und Verstopfungen zu provozieren, bringt einen sehr großen Erkenntnisgewinn.

Versuchsparameter für die Tests mit dem Entmistungsmodul

Pegelstand:	circa 20 bis 23 Zentimeter (Maßstab 1:2), dies entspricht in etwa einem Pegelstand von 45 Zentimetern in der Praxis¹⁾
Materialmenge:	1.Versuchsanstellung mit Häckselstroh: 15 Gramm, 30 Gramm und 45 Gramm Häckselstroh pro Tier und Tag als Einstreumaterial, 2.Versuchsanstellung mit Heu (Simulierung des Extremfalles): 5 Gramm pro Tier und Tag plus 45 Gramm pro Tier und Tag Stroh
Spülpumpenleistung:	bis zu 11 Kubikmeter pro Stunde
Kanalvolumen:	720 Liter, bei einem Pegel von 20 Zentimeter
¹⁾ bei 0,5 Kubikmeter Flüssigmist pro Tier und Mastdurchgang (120 Tage)

Herausforderung Schweinegülle

Die Suche nach einer geeigneten Modellflüssigkeit, mit welcher die besonderen Fließeigenschaften von Gülle abgebildet werden können, erwies sich als die größte Herausforderung der Versuchsanstellung. Denn Schweinegülle unterscheidet sich hinsichtlich ihrer Fließeigenschaften sehr von anderen Flüssigkeiten: Sie ist ein so genanntes pseudoplastisches Fluid, das in Ruhe dickflüssig oder gelartig ist und unter Druck, Rühren und Fließen dünnflüssiger und fließfähiger wird.

Versuchserfahrungen sammeln

Die ersten Erfahrungen mit dem Versuchsstand zeigen, dass bei Zugabe von Verdickungsmitteln die Situation der verschiedensten Schweineställe realitätsnah nachgestellt werden kann. Zusätzlich variierten sie mit dem Füllstand der Flüssigkeit, dem Anteil des langfaserigen Materials, der Durchflussmenge der Spülpumpe und den Ablassintervallen. Zur Funktionalität des Entmistungsmoduls lässt sich bislang folgendes festhalten:

Querschnittsverringerungen oder Versuche der Strömungslenkung um den Auslass oder das Modul herum können zu Totzonen und zu größeren Mengen an Reststoffen im Kanal führen.
Horizontale Rühreinheiten oder Walzen benötigen viel Energie und lassen sich schlecht steuern. Arbeiten sie zu langsam (z. B. wenn große Mengen an faserreichem Material anfallen), bilden sich Blockaden vor dem Modul. Laufen sie zu schnell, entstehen große Haufen um den Auslass herum. Außerdem neigen horizontale Rührsysteme zur Komprimierung der Schwimmschicht.
Vertikale Rühreinheiten sind die beste Lösung. Je mehr gegenläufige Wellen eingebaut sind, desto besser arbeiten die Rührwerke. Erforderlich sind mindestens vier Wellen. Dicke Wellen verhindern, dass sich langfaseriges organisches Material (Heu) um die Rühreinheit wickelt. Lange "Paddel" oder Rührelemente verbessern die Strömung und Auffaserung des Materials. Kurze Paddel besitzen dagegen kaum Einzugssog und schleusen ganze Heukissen durch den Kanal. Das führte im Versuch sogar zum Versagen des gesamten Systems.
Dickflüssigere Gülle separiert sich nur sehr langsam und hält das zu entmistende Material besser in der Flüssigkeit. Weil dicke Gülle träge ist, dauert es auch länger, bis die Schwimmschicht am Modul ankommt. Doch wenn das Material einmal in Bewegung ist, fließt es schneller als es das Rohrsystem aufnehmen kann. Die Folge sind Verstopfungen des Rohrsystems und des Auslasses. Wenn die Schwimmschichtverteilung nicht gleichmäßig ist, können aufgrund das langsame Abfließen verstärkt Verstopfungen auftreten, wenn kurzfristig zu viel Material durchgeschleust wird.
Ein entscheidender Faktor für die Funktionsfähigkeit des Entmistungsmoduls in Güllekanälen ist die Fallhöhe des Auslasses. Denn besonders bei hohem Pegelstand und dünner Gülle kommt es nach dem Modul zu einem Stau der aufgelösten Schwimmschicht, wenn der Sog des Auslasses nicht bis an die Oberfläche reicht. Die Strömung der Gülle bewirkt, dass sich die Schwimmschicht zu einer Matratze verdichtet, die sich über den Auslass legt und ihn verdeckt.

Praktische Erprobung des Entmistungsmoduls

Skizze des Pilotmoduls für eine funktionssichere Flüssigentmistung. Klick führt zu Großansicht im neuen Fenster. — Skizze eines Pilotmoduls mit aufklappbarem Bodenelement und kleinerem Kranwagen. Bild: Bastian Kolb

Aus der erfolgversprechendsten Version des Versuchsmoduls entwickelten die Hohenheimer Forschenden ein Pilotmodul im Maßstab 1:1. Dessen Funktionsfähigkeit erprobten sie in den Güllekanälen des Bildungs- und Wissenszentrums Boxberg (Landesanstalt für Schweinezucht).

Ziel war es, die Zuführung des organischen Materials zu optimieren. Das Pilotmodul konfigurierten sie mit vier gegenläufigen Wellen, die sie mit je zwanzig Rührelementen ausstatteten.

Die Tests mit dem Pilotmodul erbrachten folgende Ergebnisse:

Im praktischen Einsatz der Pilotanlage in einem realen Stall bereitete die Größe des Entmistungsmoduls Probleme. Um es kommerziell einsetzen zu können, müssten entweder Änderungen am Stall- beziehungsweise Buchtendesign vorgenommen, oder die Maße des Moduls und Wagens reduziert werden. Da Bodenelemente müssten herausgehoben werden, um das Modul einzusetzen. Das erhöht den Arbeitsaufwand und benötigt mindestens zwei Leute. Für einen ähnlichen Arbeitsablauf wie beim Einsatz eines Spaltenrührwerks wären aufklappbare Bodenelemente von Vorteil.
Schwimmschichten aus langfaserigem Material Heu werden vom Modul sehr schnell und gut aufgefasert. Weder mit frischem noch mit aufgeweichtem Heu kommt es zu Umwicklungen der Wellen.
Eine hohe Modulleistung und Wellen mit vielen Rührelementen erzeugen durch die gegenläufige Anordnung auch Strömungen entgegen der Abflussrichtung. Dies kann beim Anfahren des Entmistungsvorgangs die Schwimmschicht fernhalten. Sanftes Anfahren des Modules hilft hier. Sobald das System einmal in Bewegung ist, besteht das Problem nicht mehr.

Klick führt zu Großansicht im neuen Fenster. — Geöffnetes Pilotmodul ohne Motor. Bild: Bastian Kolb

Das Rohrsystem erwies sich als Schwachstelle des Entmistungssystems. Insbesondere der Einsatz von Heu ist problematisch. Vor allem Heureste, die in konzentrierter Form antransportiert werden. Diese können im Kanal zwar gut aufgefasert werden, bilden im Rohrsystem aber leicht Pfropfen, die das System verstopfen.

Heu-Entmistung mit Schleusensystemen

Blick in eine Schleuse zur Erprobung der Kanalform. Klick führt zu Großansicht im neuen Fenster. — Schleuse zur Erprobung der Kanalform und des Kanalmaterials. Bild: Bastian Kolb

Besonders im Hinblick auf die funktionssichere Entmistung von Heuresten erprobten die Hohenheimer Wissenschaftler deshalb auch eine passive Entmistungsmethode. Gestestet wurde eine Kombination aus Kanalunterteilung, Schleusensystem sowie Spül- und Intervallentmistung.

Für die Versuche unterteilten sie den Kanal längs in vier Abteile von je 33 Zentimetern Breite. Diese Abteile lassen sich sowohl am Auslass als auch im Bereich der Spülpumpe verschließen und unsichtbar unter dem Spaltenboden einbauen.

Die Erkenntnisse aus den Versuchen sind folgende:

Bei der Unterteilung des Kanals in vier Abteile erübrigt sich das Auffasern der Schwimmschicht, da diese durch die Unterteilung automatisch geviertelt wird.
Mit Hilfe unterschiedlicher Staustufen in den Abteilen lassen sich relativ leicht Gefälle erzeugen. So werden bei gleichem Güllevolumen höhere Fließgeschwindigkeiten im Kanal erzielt.
Beim ersten Versuch mit dem Schleusensystem floss die Gülle schnell ab, ohne die Schwimmschicht komplett mitzureißen. Die Schwimmschicht blieb an den Wänden der Abteile kleben und bildete Brücken im Kanal. Eine Spülung konnte dieses Problem lösen: Hierzu wird ein Abteil komplett abgelassen, sodass die Schwimmschicht auf den Boden sinken kann. Im weiteren Verlauf werden der hintere Kanalbereich und der parallele Staukanal verschlossen und die Gülle so lange angestaut, bis das Abteil voll ist. Nun wird die Abtrennung gezogen, die Gülle fließt mit hoher Geschwindigkeit ab, spült dabei die Reststoffe aus und wirbelt sie über dem Auslass auf. Dieser Vorgang lässt sich bei Bedarf mit den weiteren Abteilen wiederholen. Im Versuch wies diese Variante die höchste Funktionssicherheit aller getesteten Lösungsansätze auf. Selbst Heukissen ließen sich diese Weise auflösen.

Fazit und Ausblick

Langfaseriges Material lässt sich leichter entsorgen, wenn es großflächig über die ganze Bucht verteilt ist.
Die Entmistung von Häckselstroh über Flüssigmistsysteme ist grundsätzlich möglich. Je kürzer die Fasern sind, desto besser funktioniert die Entmistung.
Die größte Herausforderung bei der Entmistung langfaserigen Materials stellt das Heu dar. In Kombination mit Häckselstroh genügten im Versuch bereits geringe Mengen, um in den Gülleleitungen Verstopfungen zu provozieren. Heupfropfen in den Pumpleitungen können bis zum Rohrbruch führen. Das Hauptproblem: Heu kann nicht mit einem Spaltenrührwerk gerührt und homogenisiert werden, weil bei diesem Material stets die Gefahr von Umwicklungen besteht.
Rohrsysteme sind die Schwachpunkte der Flüssigentmistung. Engstellen, Winkel und Kreuzungen begünstigen die Pfropfenbildung, wenn langfaseriges Material in den Entmistungskanal eingetragen wird. Deshalb müssen die Systeme leicht zugänglich sein, um im Fall einer Verstopfung schnell handeln zu können. Bei kleineren Blockaden leisten die Rohrreinigungsdüsen von Hochdruckreinigern gute Dienste.
Wenn faserreiches Material über Stausysteme entmistet werden soll, ist eine Spülpumpe unbedingt erforderlich. Spülkreislauf und Rührwerke in der Güllegrube fördern die Homogenisierung des Materials. Um Reststoffe erfolgreich auszuspülen, müssen die Kanäle meist mehrmals aufgefüllt werden.
Bei Heueinsatz arbeiten Schleusensysteme am zuverlässigsten.
Soll dennoch Heu eingesetzt werden, ist es ratsam, das Material in Auffangschalen, Beschäftigungstürmen oder Trögen anzubieten und diese lange in den Buchten zu belassen.
Aus Sicht der Entmistung sind vor allem Pellets, Briketts, Stroh, Holz und Hanfseile als Beschäftigungsmaterialien in Schweineställen zu befürworten. Langstroh ist in Maßen geeignet.