Streszczenie. Abstract. Potencjał biogenny odpadów z hodowli trzody chlewnej

Transkrypt

1 Archives of Waste Management and Environmental Protection Archiwum Gospodarki Odpadami Potencjał biogenny odpadów z hodowli trzody chlewnej Monika CZOP Politechnika lska, Wydział Inynierii rodowiska i Energetyki Katedra Technologii i Urzdze Zagospodarowania Odpadów tel monika.czop@polsl.pl Streszczenie Rolnictwo, obok przemysłu jest jednym z głównych ródeł zanieczyszcze rodowiska przyrodniczego. Problemy zwizane z hodowl zwierzt gospodarskich dotycz nie tylko zagroe, jakie stwarza nadmierne wydzielanie amoniaku, ale take zagospodarowania płynnych i stałych odchodów. Odchody trzody chlewnej s bogate w składniki pokarmowe pochodzenia organicznego i nieorganicznego. Gnojowica jest nawozem azotowo- fosforowo- potasowy. Odchody trzody chlewnej wykorzystywane jako nawóz zawieraj przecitnie 8% suchej masy, zastosowanie ich w dawce 10 m 3 /ha powoduje dostarczenie do gleby pierwiastków biogennych w dawkach: 64 kg azotu, 40 kg fosforu i 30 kg potasu. Celem bada było okrelenie stenia zwizków biogennych (azotu i fosforu) w odchodach trzody chlewnej, powstajcych w hodowli przemysłowej. Abstract Biogenic potential of waste from pig farms Agriculture, together with the Industry is one of the main sources of natural environment pollution. Problems related to the breeding of farm animals concern not only threats posed by the excessive emission of ammonia but also management of the liquid and solid droppings. Swine droppings are rich with organic and non-organic nutrients. Liquid manure is a nitrogen phosphorus potassium fertilizer. Swine droppings used as a fertilizer contain average 8% of dry matter. If used in proportions of 10 m 3 /ha they provide biogenic elements to the soil in the following doses: 64 kg of nitrogen, 40 kg of phosphorus and 30 kg of potassium. The purpose of the research was determining the concentration of biogenic elements (nitrogen and phosphorus) in swine droppings which come from industrial farming.

2 54 1. Wstp!"#$%"#"#%&'"!$#( Odpady trzody chlewnej powszechnie nazywane gnojowic s płynnym nawozem organicznym, budzcym negatywne skojarzenia ze wzgldu na swój specyficzny, nieprzyjemny zapach, towarzyszcy rejonom chlewni oraz obszarom jej magazynowania, które nie zawsze odbywa si w odpowiednich warunkach. Do odchodów zwierzt gospodarskich dostaje si z reguły pewna ilo wody uytkowanej, słuca głównie do mycia kojców, zwierzt i innych czynnoci sanitarnych. Ilo wody nie powinna przekracza 10-20% iloci odchodów, czyli około 10 dm 3 na dob. W praktyce iloci wody s znacznie wiksze, szczególnie na fermach trzody chlewnej oraz tam, gdzie wspomagany jest spływ gnojowicy wod. Zalenie od iloci wody w odchodach, gnojowic dzieli si na: gst i rozcieczon, Gnojowic rozcieczon otrzymuje si, jeeli dodatek wody przekracza 20% odchodów, a zawarto suchej masy jest mniejsza ni 8%. Tradycyjne metody zagospodarowania płynnych odpadów wykorzystywanych w rolnictwie s oparte na ich gromadzeniu, a nastpnie przechowywaniu w zbiornikach do momentu rozplantowania na polu. Głównym problemem w zakresie ochrony rodowiska dotyczcym działalnoci rolniczej jest gospodarka nawozami naturalnymi, ze szczególnym uwzgldnieniem ich składowania. Majc na uwadze pojcie szeroko rozumianej ochrony rodowiska w przypadku stosowania nawozów naturalnych naley zwróci uwag na wysok emisj odorów uciliwych dla otoczenia, amoniaku do powietrza oraz emisji azotanów i fosforanów do gleb, wód gruntowych i powierzchniowych [1, 2]. Niewtpliwie gnojowica trzody chlewnej jest zarówno nawozem naturalnym, jak równie stosowanym w rolnictwie. Odchody trzody chlewnej s nawozem bogatym w pierwiastki biogenne, które z kolei s niezbdne do prawidłowego funkcjonowania wszystkich organizmów ywych w tym rolin. Skład chemiczny odchodów trzody chlewnej zaley od wielu czynników midzy innymi takich jak: rodzaju zwierzt, ich wieku oraz od sposobu ich ywienia. Przyjmuje si, e przecitny skład odchodów trzody chlewnej, przy 8% zawartoci suchej masy, zawiera w 1 m 3 objtoci 6,5 kg N, 4 kg P 2 O 5, 3 kg K 2 O, 1-2 kg CaO, 0,5 kg Na 2 O i 0,3-0,7 kg MgO. W odrónieniu od obornika czy kompostu, odchody trzody chlewnej maj właciwoci zblione do nawozów mineralnych, gdy szybciej uwalniaj do gleby substancje mineralne. Azot jest składnikiem decydujcym o wartoci nawozowej gnojowicy, połowa azotu w niej zawartego wystpuje w formie łatwo rozpuszczalnego azotu amonowego, natomiast niewielka ilo azotu jest w formie gazowej [1, 2]. Obok azotu pozostałe składniki nawozowe to fosfor (którego jest najmniej) i potas [1, 2].

3 ()!*+#!,)-##.)),#"/(),#0,),(!!) Biorc pod uwag właciwoci biologiczne gnojowicy najbardziej charakterystyczny jest duy udział bakterii oraz grzybów. Niestety fermentacja zachodzca w mieszaninie kału i moczu zwierzt nie powoduj jej samoodkaenia [1, 2]. 2. Aspekty prawne dotyczce odchodów trzody chlewnej Dyrektywa Rady z dnia 12 grudnia 1991 roku dotyczca ochrony wód przed zanieczyszczeniami powodowanymi przez azotany pochodzenia rolniczego, zwana Dyrektyw Azotanow zobowizywała Pastwa Członkowskie do ustanowienia zbioru lub zbiorów zasad dobrej praktyki rolniczej, które maj zosta dobrowolnie wprowadzane w ycie przez rolników. Celem Dyrektywy Azotanowej jest ograniczenie zanieczyszczenia wód azotanami, które pochodz bezporednio bd porednio ze ródeł rolniczych [1, 2]. Dostosowanie przepisów prawa polskiego do prawa unijnego w zakresie azotanów pochodzenia rolinnego zostało dokonane, przy współpracy Ministerstwa Rolnictwa i Rozwoju Wsi oraz Ministerstwa rodowiska w 2004 roku. Powstał wtedy Kodeks Dobrej Praktyki Rolniczej, który porusza problem pojemnoci zbiorników słucych do przechowywania odchodów zwierzcych. Zbiorniki powinny wystarczy na ich przechowywanie przez okres co najmniej 6 miesicy, zbiorniki powinny by wyposaone w nieprzepuszczalne dno i ciany oraz szczeln pokryw z otworem wejciowym i wentylacyjnym. Do zbiornika z gnojowic nie naley odprowadza substancji, które pochodz z domowych instalacji sanitarnych. Dawki składników mineralnych powinny by dobierane na podstawie potrzeb nawozowych rolin. Głównie dotyczy to azotu, którego dawk naley dobra bardzo precyzyjnie, gdy roczna dawka nawozu naturalnego nie moe przekracza iloci zawierajcej 170 kg azotu całkowitego na 1 ha uytków rolnych. Jeeli ilo ta jest przekroczona wskazuje to na nadmiern obsad inwentarza [1, 2]. Odchody trzody chlewnej naley aplikowa na nie obsian gleb, w okresie wczesnej wiosny. Roczna dawka gnojowicy nie powinna przekracza 45 m 3 (170 kg N) na 1 ha. Wprowadzanie odchodów bezporednio do gleby naley wykonywa za pomoc wy rozlewowych. Z powyszymi wskazówkami naley si zapozna, a nastpnie zastosowa je, aby unikn zarówno skaenia wód, jak i gleby[1, 2]. 3. Charakterystyka analizowanej fermy trzody chlewnej Podstawowa produkcja analizowanej fermy to chów i hodowla trzody chlewnej, która odbywa si w cyklu zamknitym. Obecnie stado liczy sztuk, w tym macior [3]. Na tej bazie ferma produkuje rocznie do stukilowych tuczników (tabela 3.1). Ferma moe si równie pochwali produkcj roln. Na 1250 ha gleb redniej jakoci uzyskuje si 60 g pszenicy z 1 ha, 60 g jczmienia, 70 g kukurydzy, 35 g rzepaku. Produkcja zbó przeznaczona jest w głównej mierze na pasz dla trzody chlewnej[3]. 55

4 56!"#$%"#"#%&'"!$#( Roczna produkcja odchodów trzody chlewnej w rozpatrywanej fermie to Mg, czyli 5000 Mg odchodów powstaje w skali miesica [3]. Powstajce odpady z hodowli trzody chlewnej czasowo magazynowane s na terenie fermy, w otwartym zbiorniku (Rys.3.1). Gromadzenie odchodów trzody chlewnej w taki sposób sprzyja zachodzeniu procesom sedymentacji (osadzanie si zawiesin na dnie zbiornika pod wpływem siły cikoci) i flotacji (proces rozwarstwienia). Powstajcy w czasie magazynowania odpadów na powierzchni zbiornika kouch powoduje przemiany beztlenowe w głbiej połoonych warstwach. W takich warunkach nastpuj straty materii organicznej i azotu (rednio 5-15% w okresie od 180 do 250 dni), ale przez cały czas utrzymuje si wysoka koncentracja azotu amonowego. Powstajce straty materii organicznej oraz azotu wpływaj ujemnie na właciwoci nawozowe odchodów trzody chlewnej[4, 5]. Tabela 3.1. Liczebno stada w cyklu zamknitym analizowanej fermy[3]. 1) Rodzaj zwierzt Stan rednioroczny, szt. Współczynnik przeliczania 1) sztuk rzeczywistych na DJP 2) Stan rednioroczny w przeliczeniu na DJP Knury 50 0,40 20 Maciory , Prosita , Warchlaki , Tuczniki , Suma Rozporzdzenie Rady Ministrów z dnia 9 listopada 2010 r. w sprawie przedsiwzimogcych znaczco oddziaływa na rodowisko, Załcznik do rozporzdzenia (DzU 2010, nr 213, poz. 1397). 2) DJP - dua jednostka przeliczeniowa inwentarza.

5 ()!*+#!,)-##.)),#"/(),#0,),(!!) 57 Rys.3.1. Zbiornik otwarty do magazynowania gnojowicy na terenie fermy (wyk. M. Czop). Procesowi magazynowania odchodów trzody chlewnej w otwartych zbiornikach towarzyszy charakterystyczny i nieprzyjemny zapach. Zapach odchodów zwizany jest z wystpowaniem w niej zwizków przewanie gazowych, typowo wonnych jak: merkaptany, aminomerkaptany, indol, skatol, aminy i kwasy tłuszczowe, a take ich pochodne oraz amoniak (NH 4 ) i siarkowodór (H 2 S). Amoniak i siarkowodór s zwizkami toksycznymi, natomiast pozostałe zwizki powoduj w ogólnej mierze zanieczyszczenie atmosfery w obrbie fermy, gdy wydzielane s bezporednio z ekskrementami przez zwierzta. W odchodach trzody chlewnej wystpuj równie gazy bezzapachowe ditlenek wgla (CO 2 ) toksyczny i metan (CH 4 ) łatwopalny i wybuchowy. Gazy gromadz si na pewnej głbokoci w zbiornikach i nie ujawniaj si ich zapachy, gdy pozostaj w bezruchu. Kade wymieszanie odchodów powoduje falowe wydzielanie si tych gazów i wzmoenie nieprzyjemnych zapachów. Intensywno wydzielania si gazów w trakcie homogenizacji moe by tak dua, e przy braku wentylacji w bliskim otoczeniu moe doj do zatrucia zwierzt czy ludzi. Ze wzgldu na toksyczne oddziaływanie, łatwopalno i moliwo wybuchu gazów powstajcych w trakcie magazynowania odchodów trzody chlewnej, obowizuje szczególna ostrono podczas przebywania w najbliszym obrbie zbiornika. Na rysunku 3.2 prezentowana jest rednia emisja amoniaku (NH 4 ) powstajcego w cyklu hodowlanym trzody chlewnej. Emisja na etapie przechowywania odchodów trzody chlewnej wynosi około 13% całkowitej emisji amoniaku (NH 4 ) powstajcego w cyklu hodowlanym trzody [6].

6 58!"#$%"#"#%&'"!$#( emisja amoniaku podczas nawoenia gleby 41% emisja amoniaku z budynku gospodarczych 46% emisja amoniaku z otwartego zbiorika gnojowicy 13% Rys Emisja amoniaku przy produkcji trzody chlewnej [6]. Obecno amoniaku w czasie magazynowania odchodów trzody chlewnej jest zwizana z procesami biomineralizacji połcze organicznych azotu. 4. Charakterystyka odpadów trzody chlewnej Odchody trzody chlewnej (potocznie zwane gnojowic) okrela si jako niejednorodn, płynn mieszanin czstek odchodów zwierzcych z wod. Słomiasta pasza, ciółka lub inne przypadkowe odpady stanowi najgrubsze czci gnojowicy, które powinny by wydzielone podczas dalszych procesów przerobowych. Do bada pobrano odchody trzody chlewnej ze zbiornika otwartego zlokalizowanego na terenie fermy w województwie lskim. Ze wzgldu na niejednorodny skład odchodów poboru próbki dokonano w trzech miejscach na tej samej głbokoci. Wyniki przeprowadzonej analizy fizykochemicznej odchodów trzody chlewnej przedstawiono w tabeli 4.1. Prezentowane wartoci s rednia arytmetyczn z trzech pomiarów.

7 ()!*+#!,)-##.)),#"/(),#0,),(!!) Tabela 4.1. Właciwoci fizykochemiczne odchodów trzody chlewnej. Wskanik fizykochemiczne Jednostka Próba 1 Próba 2 Próba 3 Gsto objtociowa kg/m Odczyn (ph) 7,2 7,4 7,2 Zawarto suchej masy (s.m) % 8,00 8,00 7,50 Zawarto suchej masy organicznej (s.m.o) % s. m 86,63 86,64 85,98 Zawarto rozkładalnych substancji organicznych % 0,70 0,68 0,71 Zawarto wgla organicznego % 0,33 0,31 0,33 59 Zawarto azotu ogólnego mg/dm , , ,00 Stosunek C/N 1,37 1,35 1,37 Zawarto fosforu ogólnego mg/dm 3 26,14 26,14 29,41 Toksyczno % inhibicja inhibicja inhibicja Gsto odchodów trzody chlewnej według danych literaturowych waha si w przedziale od kg/m 3 i wzrasta wraz ze wzrostem głbokoci poboru próbki. Gsto analizowanych odchodów trzody chlewnej jest rzdu kg/m 3. Zawarto suchej masy w badanych próbach jest rzdu 8%, uzyskana warto pokrywa si z danymi literaturowymi gdzie zawarto suchej masy w gnojowicy trzody chlewnej jest rzdu 8-11%. Natomiast ciepło właciwe odchodów trzody chlewnej zaley od zawartoci suchej masy, im jest jej wicej, tym nisze jest ciepło właciwe. Odchody trzody chlewnej charakteryzuje bardzo wysokie przewodnictwo elektrolityczne, na jego wzrost wpływa zwikszenie suchej masy. Wysoka koncentracja elektrolityczna powoduje obnienie przeywalnoci zarodników mikroorganizmów, które wystpuj w odchodach. Biorc pod uwag czynniki ekologiczne odchody trzody chlewnej s zagroeniem z powodu wysokiej emisji odorów, amoniaku do powietrza oraz emisji azotanów i fosforanów do gleby, wody gruntowej, i powierzchniowej. Przeprowadzony test toksycznoci z zastosowaniem rzeuchy ogrodowej potwierdza negatywny wpływ odchodów trzody chlewnej na roliny, gdy uzyskano w analizowanych próbach 100% inhibicj. Zawarto azotu ogólnego w analizowanym materiale mieci si w przedziale 4037, ,00 mg/dm 3, według danych literaturowych najwysze stenie azotu ogólnego odnotowane dla surowej gnojowicy było rzdu 4000 mg/dm 3 [7].

8 60!"#$%"#"#%&'"!$#( Od stosunku C/N zaley działanie gnojowicy jako nawozu. Korzystny stosunek C/N waha si w granicach 5:1 do 8:1. Jest to zaleno zbliona do tej jak wykazuje substancja organiczna gleb. W analizowanych próbach stosunek C/N był rzdu 1,37. Najwikszym zagroeniem ze strony odchodów trzody chlewnej jest wymywanie azotanów do wód gruntowych, wpływajce na jako wody pitnej oraz spływ powierzchniowy azotanów i fosforanów powodujcych efekt eutrofizacji zbiorników wodnych. 5. Potencjał pierwiastków biogennych Wyniki bada zmian zawartoci pierwiastków biogennych (azotu i fosforu ogólnego) w odchodach trzody chlewnej zachodzce w czasie magazynowania przedstawiono graficzne na rysunkach próba 1 próba 2 próba ,00 zawarto azotu ogólnego [mg/dm 3 ] 5000, , , , ,00 0, czas [doba] Rys.5.1. Zmiana zawartoci azotu ogólnego w odchodach trzody chlewnej. Zawarto azotu ogólnego we wszystkich analizowanych próbach uległa obnieniu w czasie procesu ich magazynowania. Zawarto azotu ogólnego po 30 dniach magazynowani uległa znacznemu obnieniu, wynoszcym około 30% w odniesieniu do surowych odchodów trzody chlewnej, w nastpnym punkcie pomiarowym odnotowano kolejny 30% spadek zawartoci azotu ogólnego. W ostatnim punkcie pomiarowym spadek zawartoci azotu ogólnego był rzdu kilku procent (Rys ). Zmiany zawartoci azotu ogólnego mog mie zwizek z jego transformacj do azotu amonowego. Redukcja zawartoci azotu całkowitego, której towarzysz straty pozostałych obu form tego pierwiastka jest zwizana głownie z namnaaniem mikroflory psychro- i mezofilnej

9 ()!*+#!,)-##.)),#"/(),#0,),(!!) 61 w miejsce termofilnej Zawarto azotu organicznego zmniejsza si w niewielkim stopniu, natomiast ogólnego o kilkadziesit procent. Na tej podstawie mona powiedzie, e straty azotu powstaj głównie we frakcji mineralnej [8]. Skład odchodów trzody chlewnej charakteryzuje si wysokim udziałem azotu organicznego, formy trudno dostpnej dla mikroflory i gorzej rozkładanej przez enzymy[8]. próba 1 próba 2 próba 3 czas [doba] procentowy ubytek zawartoci azotu ogólnego [%] Rys Procentowy ubytek azotu ogólnego w odchodach trzody chlewnej. Zawarto fosforu ogólnego w wszystkich analizowanych próbach, w pierwszym punkcie pomiarowym, wzrasta. rednio jest to wzrost pierwiastka o 80%, moe to by zwizane z obecnoci bakterii hydrolizujcych, rozkładajcych nierozpuszczalne zwizki organiczne, uwalniajc w ten sposób do rodowiska kwasy organiczne, które powoduj lepsze rozpuszczenie zwizków fosforu. W kolejnych punktach pomiarowych odnotowano spadek zawartoci fosforu ogólnego w badanych próbach. W kocowym punkcie pomiarowym zaobserwowano, e zawarto fosforu ogólnego w magazynowanych odchodach trzody chlewnej jest duo nisza, a ubytek zawartoci tego pierwiastka, w zalenoci od próby, jest rzdu od 23 do 80% w odniesieniu do wartoci pocztkowej (Rys ). W trakcie magazynowania odchodów trzody chlewnej dochodzi do znaczcych strat i zmian form czynnych zawartych w nich pierwiastków biogennych. Poziom redukcji zawartoci zwizków biogennych w odpadach trzody chlewnej zwizany jest z przebiegiem warunków pogodowych, a zwłaszcza termicznych.

10 62!"#$%"#"#%&'"!$#( 200,00 próba 1 próba 2 próba 3 zawarto fosforu ogólnego [mg/dm3] 150,00 100,00 50,00 0, czas [doba] Rys Zmiana zawartoci fosforu ogólnego w odchodach trzody chlewnej. próba 1 próba 2 próba 3 100,00 80,00 procentowy wzrost/ ubytek zawarto fosforu ogólnego [%] 60,00 40,00 20,00 0, ,00-40,00-60,00-80,00-100,00 czas [doba] Rys Procentowy przyrost/ ubytek zawartoci fosforu ogólnego w odchodach trzody chlewnej.

11 ()!*+#!,)-##.)),#"/(),#0,),(!!) 6. Podsumowanie Na podstawie przeprowadzonych analiz mona postawi nastpujce wnioski: ilo azotu w gnojowicy wraz z upływem czasu regularnie spada. Rónica midzy wartoci azotu ogólnego w surowych odchodach trzody chlewne, a w etapie kocowym bada (po upływie 90 dni), wynosi około 60%. zawarto fosforu ogólnego w odchodach trzody chlewnej ulega stopniowemu wzrostowi, a nastpnie spada, do wartoci niszej ni w surowych odchodach. Ze wzgldu na obowizki i wymogi jakie nakłada na rolników Dyrektywa Azotanowa, Kodeks Dobrej Praktyki Rolniczej oraz Ustawa o nawozach i nawoeniu, naley przyjrze si bliej innym moliwoci wykorzystania odchodów trzody chlewnej, których znaczne iloci powstaj, a ze wzgldu na zaostrzone przepisy prawne nie zostaj zagospodarowane. Odchody z trzody chlewnej, które postrzegane s obecnie przez włacicieli ferm jako problemem, mog sta si ródłem zysku, gdy stanowi doskonały substrat do produkcji biogazu. Odchody trzody chlewnej mona równie wykorzysta do produkcji pasz. Istnieje moliwo odzyskiwania białka przez drodowanie gnojowicy, hodowl na gnojowicy larw much i ddownic oraz bakterii, grzybów i glonów w procesach hydrolizy ekstrakcji [9]. Literatura [1] Łuka M., Badanie moliwoci przygotowania gnojowicy do magazynowania, Praca dyplomowa magisterska, Politechnika lska [2] Hus S., Kutera J., Rolnicze oczyszczanie i wykorzystanie cieków i gnojowicy, Wydawnictwo Akademii Rolniczej we Wrocławiu, Wrocław 1998 [3] Materiały wewntrzne firmy Danish Farming Consultants Sp. z o.o. w Rzeczycach. [4] Mihułka M, Charakterystyka technologiczna hodowli drobiu i wi w Unii Europejskiej, Ministerstwo rodowiska, Warszawa, wrzesie 2003 r. [5] Zbytek Z, Talarczyk W, Gnojowica a ochrona rodowiska naturalnego, Technika rolnicza ogrodnicza lena 4/2008. [6] Kapłon M., Leniak D., Szurko J., Nie dla ferm trzody chlewnej?, Materiał opracowany przez krajowy zwizek pracodawców Producentów trzody chlewnej, Warszawa [7] Magrel L., Prognozowanie procesu fermentacji metanowej mieszaniny osadów ciekowych oraz gnojowicy, Wydawnictwo Politechniki Białostockiej, Białystok [8] Krawczyk W., Walczak J., Potencjał biogenny obornika jako ródło emisji amoniaku i zagroenia rodowiska, Rocz. Nauk. Zoot., T. 37, z. 2 (2010) [9] Knecht D., Jankowska A., Gnojowica Dobry nawóz, ale, gnojowica -dobry-nawoz-ale, z dnia