Funktionssichere FlüssigentmistungFunktionssichere Flüssigentmistung

Funktionssichere Flüssigentmistung

Wie es in der Praxis gelingen kann, die Anforderungen des Tierschutzlabels "Für Mehr Tierschutz" zu erfüllen, wird im Projekt "Label-Fit" untersucht. Dabei geht es unter anderem um verfahrenstechnische Lösungen für die Flüssigentmistung von Schweineställen.

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.

Forschende der Universität Hohenheim arbeiten derzeit an technischen Verfahren, die das Entsorgungsproblem der organischen Masse lösen sollen. Mit Hilfe eines Versuchsstandes wollen sie den Entmistungsvorgang simulieren, nach potenziellen Verstopfungspunkten suchen und Möglichkeiten zu deren Auflösung finden. 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.

Im ersten Teil des Projekts konzentrierten sich die Forschenden auf die Entwicklung eines kompakten Moduls, das in die Güllekanäle von Schweineställen eingesetzt werden kann, um dort für eine funktionssichere Entmistung zu sorgen. Das Modul soll vor allem dazu dienen, die auf der Gülle schwimmende Schicht aus langfaserigem Material aufzulösen und sie konstant in den abfließenden Güllestrom einzumischen.

Entmistungsvorgang mit Hilfe eines Versuchsstandes simulieren

Aus der Praxis ist bekannt, dass Schwimmschichten unterschiedlich dicht sein können und nicht immer zusammenhängen. Dicke Matratzen aus Einstreumaterial (z. B. Häckselstroh) finden sich vor allem unter den Liegeflächen der Tiere und unter den Futterstellen. Dazwischen tauchen immer wieder Büschel aus langfaserigem Beschäftigungsmaterial auf (z. B. Heu und Langstroh) auf. Um die unterschiedlichsten Situationen durchspielen zu können, die sich bei der Entmistung eines Schweinestalles ergeben, entwickelte das Wissenschaftlerteam einen speziellen Versuchsstand. Dieser besteht aus drei funktionellen Einheiten:

  1. Becken aus transparentem Acrylglas
  2. Rohrsystem aus transparentem PVC (Polyvinylchlorid)
  3. Spülpumpe

Das Becken (Länge: 6 Meter, Breite: 0,6 Meter, Höhe: 0,4 Meter) ist das Hauptelement des Versuchsstandes. Mit ihm wird der Güllekanal nachgebildet. Weil das Becken aus transparentem Acrylglas besteht und demzufolge durchsichtig ist, können die Wissenschaftler das Verhalten der (Modell-) Flüssigkeiten und des langfaserigen Materials bei einem nachgestellten Entmistungsvorgang genau beobachten. Das gilt auch für das Rohrsystem aus transparentem PVC, das ebenfalls Einblicke in sein Inneres gestattet.

Das fünf Meter lange Hauptrohr des Systems verläuft parallel unter dem Becken und mündet in einen präparierten Zwischenbehälter mit Siebeinlage (Fassungsvermögen des Behälters: 1000 Liter). Mit dem Becken und mit dem Rohrsystem wird eine Schwerkraftentmistung ohne Steigung nachgebildet. Die Spülpumpe als dritte funktionelle Einheit des Versuchsstandes ist an den Zwischenbehälter gekoppelt. Mit ihr kann die Modellflüssigkeit zurück in das Becken gepumpt werden.

Im Gegensatz zu Praxisversuchen in realen Güllekanälen erlaubt die offene Bauweise des Versuchsstandes eine Auswertung per Videoaufnahme. Wiederholbare Versuchsreihen lassen sich auf diese Weise schneller und präziser durchführen. Weitere Vorteile des Versuchstandes sind:

  • Die Versuchsreihen stören nirgends den Ablauf eines praktischen Schweinebetriebes.
  • Das in den Tests verwendete Fasermaterial kann leichter entfernt werden.
  • Allein 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 bislang 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 Stress (Druck, Rühren, Fließen) dünnflüssiger und fließfähiger wird.

Aus diesem Grund konnten die Hohenheimer Wissenschaftler bei ihren Versuchen auch kein reines Wasser als Modellflüssigkeit verwenden. Sie testeten deshalb verschiedene Verdickungsmittel, und zwar Johannisbrotkernmehl, Guarkernmehl, Gummi Arabicum, Xanthan und Carboxymethylcellulose (CMC). Letztere kam den Fließeigenschaften von Gülle am nächsten, speziell den Fließeigenschaften von Gülle mit einer hohen Viskosität. Doch auch sehr dünne Gülle konnte mit diesem Material gut nachgestellt werden.

Versuchserfahrungen sammeln

Die ersten Erfahrungen mit dem Versuchsstand zeigen, dass damit die Situation der verschiedensten Schweineställe realitätsnah nachgestellt werden kann. Um dies zu erreichen, nutzen die Forschenden unterschiedliche Aufsätze – zum Beispiel diverse Rühr- und Rupfeinheiten oder Tauch- und Spülmodule, die sie an den Stand montieren. Zusätzlich variieren 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

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 (Durchmesser: 10 Zentimeter), die sie mit je zwanzig Rührelementen ausstatteten. Um das Modul im Stall und in den Kanälen versetzen zu können, versahen sie es mit einem mobilen Rahmen.

Die Tests mit dem Pilotmodul erbrachten folgende Ergebnisse:

  • Im praktischen Einsatz (Pilotanlage, realer 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 herausgehoben werden müssen, um das Modul einzusetzen, erhöht sich der Arbeitsaufwand und benötigt mindestens zwei Leute. Für einen ähnlichen Arbeitsablauf wie beim Einsatz eines Spaltenrührwerks wären aufklappbare Bodenelemente von Vorteil (wahrscheinlich am einfachsten mit Dreikantrosten umzusetzen).
  • 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.
  • Das Rohrsystem hat sich als Schwachstelle des Entmistungssystems herauskristallisiert. Insbesondere der Einsatz von Heu ist problematisch. Vor allem Heureste, die in konzentrierter Form antransportiert werden (zum Beispiel, weil sie sich in großen Mengen unter Heukörben angesammelt haben). Diese können im Kanal zwar gut aufgefasert werden, bilden im Rohrsystem aber leicht Pfropfen, die das System verstopfen.

Heu-Entmistung mit Schleusensystemen

Besonders im Hinblick auf die funktionssichere Entmistung von Heuresten erprobten die Hohenheimer Wissenschaftler deshalb auch eine passive Entmistungsmethode – 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 (Schleusensystem). 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. Mit dem Prinzip der Toilettenspülung konnte dieses Problem gelöst werden: 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.
  • Unterschiedliche Wannenprofile (V-Form) und Wandverkleidungen (Edelstahl) hatten keinen oder sogar einen nachteiligen Effekt für eine funktionssichere Entmistung. So begünstigte die V-Form die Brückenbildung.

Fazit und Ausblick

  1. Langfaseriges Material lässt sich leichter entsorgen, wenn es großflächig über die ganze Bucht verteilt ist.
  2. Die Entmistung von Häckselstroh über Flüssigmistsysteme ist grundsätzlich möglich. Je kürzer die Fasern sind, desto besser funktioniert die Entmistung. Bis 30 Gramm Häckselstroh pro Tier und Tag können mit Hilfe eines Spaltenrührwerks und einer Intervallentmistung zuverlässig entsorgt werden, was allerdings im Vergleich zu einem konventionellen Flüssigmistsystem ohne organischem Einstreu- und Beschäftigungsmaterial zeitaufwändiger ist.  Ein Entmistungsmodul arbeitet schneller.
  3. 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.
  4. 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.
  5. Wenn faserreiches (Beschäftigungs-)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.
  6. Bei Heueinsatz arbeiten Schleusensysteme am zuverlässigsten. Sie sind zudem langlebig und erfordern wenig Wartung. Für ihren Einsatz ist jedoch meist ein größerer Umbau notwendig, der durch eine intelligente Platzierung der Körbe (linear über den Entmistungskanälen) begrenzt werden kann.
  7. Soll dennoch Heu eingesetzt werden, ist es ratsam, das Material in Auffangschalen, Beschäftigungstürmen oder Trögen anzubieten und diese lange in den Buchten zu belassen. Auf diese Weise werden eine höhere Aufnahme sowie eine stärkere Zerkleinerung durch Kauen, Rupfen oder Mahlen unterstützt. Das Aufhängen der Heukörbe über Kotflächen sollte möglichst vermieden werden, da heruntergefallenes Heu im Kot nicht mehr aufgenommen wird. Darüber hinaus ist ein mehrfaches Umhängen der Heukörbe empfehlenswert. So werden konzentrierte Ansammlungen des Heus im Güllekanal vermieden.
  8. Aus Sicht der Entmistung sind vor allem Pellets, Briketts, Stroh, Holz und (Hanf)seile als Beschäftigungsmaterialien in Schweineställen zu befürworten. Langstroh ist in Maßen geeignet.

Letzte Aktualisierung 20.01.2022

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