ROLNICZE ZAGOSPODAROWANIE ŚCIEKU POFERMENTACYJNEGO Z BIOGAZOWNI ROLNICZEJ - OGRANICZENIA I SKUTKI. Witold Grzebisz

Transkrypt

1 ROLNICZE ZAGOSPODAROWANIE ŚCIEKU POFERMENTACYJNEGO Z BIOGAZOWNI ROLNICZEJ - OGRANICZENIA I SKUTKI Witold Grzebisz Katedra Chemii Rolnej Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu

2 Plan prezentacji Produkcja biogazu róŝnorodność celów; Wsad fermentacyjny koferment - wymagania jakościowe; Rolnicze zagospodarowanie gnojowicy pofermentacyjnej Odpad pofermentacyjny jako bio-nawóz wartość nawozowa skutki plonotwórcze skutki środowiskowe

3 Produkcja biogazu róŝnorodność celów Część I

4 Cele Produkcyjne: pozyskiwanie metanu z tzw. surowców odnawialnych; produkcja bio-nawozu; Ekologiczno-środowiskowe: ochrona klimatu ziemskiego zmniejszona presja związków gazowych węgla i azotu na środowisko; kontrolowany recykling materii organicznej; ochrona lokalnego klimatu i środowiska: sanitacja odchodów zwierzęcych; eliminacja odorów. Ekonomiczne: dywersyfikacja zaopatrzenia w paliwo; nowe, stałe miejsca pracy; nowe źródło dochodu dla przedsiębiorstwa rolnego.

5 Wsad fermentacyjny wymagania jakościowe Część II

6 Istota fermentacji beztlenowej C 6 H 12 O 6 3CO 2 + 3CH 4 C c H h O o N n S s + yh 2 O nnh 3 + sh 2 S + xch 4 + (c-x)co 2

7 Fazy fermentacji beztlenowej - biogazowania Surowce organiczne procesy Fazy: Hydrolityczna Związki rozpuszczalne w wodzie hydroliza Acydofilna H 2 CO 2 kwas org. Alkohole kwas oct. zakwaszanie Octanogenna metanogenna Kwas octowy CH 4, CO 2 acetogeneza metanogeneza

8 Metanogeneza podstawowe reakcje CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O dwutlenek węgla + wodór metan + woda 2CH 3 CH 2 OH + CO 2 CH 4 + 2CH 3 COOH etanol + dwutlenek wegla metan + kwas octowy CH 3 COOH CH 4 + CO 2

9 Składniki do produkcji biogazu - koferment Odpady PR-S 1 Odpady zwierzęce koferment reaktor Odpady roślinne lub rośliny Ściek pofermentacyjny Na podstawie Nielsen i in., odpady przemysłu rolno-spoŝywczego

10 Pierwszy składnik kofermentu Chlewnia rusztowa Laguna z gnojowicą

11 Surowce rolnicze roślinne

12 Podstawowe związki węgla a wydajność fermentacji metanowej Związki węgla Biogaz m³/kg VS Zawartość metanu, % Problemy Węglowodany Zakwaszenie Tłuszcze Piany, VFA Białka Zakwaszenie, amoniak VS volatile substances biodegradowalne związki węgla

13 Surowce, biodegradowalność, problemy technologiczne Związki organiczne Źródła surowcowe Biodegradacja Zakłócenia Problemy technologiczne Inhibicja Węglowodany Całe rośliny, słoma, liście Od bardzo dobrej do słabej Pienienie się lignina Spadek ph Białka Zwierzęta i produkty zwierzęce Bardzo dobra Pienienie się 1)spadek ph 2) Wzrost H 3 wzrost NH 3 Tłuszcze Piana Słaba rozpuszczalność w wodzie 1) wzrost VFA 1 2) spadek ph VFA 1 lotne kwas tłuszczowe Tłuszcze, smary, oleje Słaba rozpuszczalność w wodzie Inhibicja niektórych grup bakterii

14 Stosunek C : N w kofermencie - skutki technologiczne O szybkości rozkładu wsadu fermentacyjnego, tzw. kofermentu decyduje stosunek C : N; Optymalny stosunek C : N mieści się w zakresie : 1 Zbyt wąski stosunek C : N nadmiar uwalnianego amoniaku, NH 3 ; Zbyt szeroki stosunek C : N wydłuŝenie czasu retencji (dni od rozpoczęcia fermentacji do początku produkcji biogazu). Zbyt wąski i zbyt szeroki spadek ph;

15 Surowiec Gnojowica świńska bydlęca drobiowa Parametry operacyjne surowców 1 Zawartość materii organicznej, % s.m. Stosunek C:N Produkcja biogazu m 3 VS 1 kg ,25-0, ,20-0, ,35-0,60 Serwatka ,80-0,95 Odpady ,25-0,50 Liście ,10-0,30 Słoma ,35-0,45 Trawa ,55 Kiszonka traw ,46 1 źródło: Ileleji (2008); 2 Volatile substances związki lotne (%); 3 objaśnienia w tekście; 4 przemysł spoŝywczy

16 Etapy kontroli procesu produkcji biogazu Odpady PR-S 1 1) kofermentu 2) Procesu technologicznego Odpady zwierzęce koferment reaktor Odpady roślinne lub rośliny 3) Jakościowa odpadu Odpad pofermentacyjny Na podstawie Nielsen i in., odpady przemysłu rolno-spoŝywczego

17 Kontrola jakościowa surowców uŝytych do fermentacji Sanitarno-higieniczna: zanieczyszczenia mechaniczne (gleba, piasek, części metalowe maszyn, itd..) zanieczyszczenia organiczne (farmaceutyki, dioksyny, zarodniki patogenów, itd.); metale cięŝkie. Technologiczna: Określenie zawartości: suchej masy; materii organicznej, w tym biodegradowanej VS (volatile substances); Zawartość azotu ogólnego Ustalenie stosunku C:N w surowcach do fermentacji; Ustalenie składu-kompozycji kofermentu.

18 Kontrola jakościowa procesu technologicznego Temperatura; Odczyn; Zawartość amoniaku; Zawartość wodoru; Zawartość siarkowodoru;

19 Kontrola jakościowa odpadu pofermentacyjnego Zawartość suchej masy; Zawartość azotu; Zawartość materii organicznej węgla; Określenie stosunku C : N; Zawartość pierwiastków: składników pokarmowych; metali cięŝkich; Obecność patogenów Obecność niepoŝądanych związków organicznych

20 Rolnicze zagospodarowanie gnojowicy pofermentacyjnej Część III Ściek pofermentacyjny

21 Produkty końcowe procesu fermentacji beztlenowej woda Produkty gazowe i stałe biogaz Frakcja stała

22 Ściek pofermentacyjny Faza ciekła związki mineralne rozpuszczone w wodzie; odczyn roztworu, ph 7,0 związki organiczne i mineralne nierozpuszczone w wodzie. Zawartość suchej masy zawiera się w przedziale od 2 do 5%;

23 Ściek pofermentacyjny bio-nawóz - nawóz organiczny?! Czy ściek pofermentacyjny z biogazowni moŝna traktować jako: nawóz organiczny płynny gnojowica pofermentacyjna?!; PrzynaleŜność prawna ścieku do grupy nawozów organicznych winna wynikać z toku procesu technologicznego, wyznaczonego 1) składem kofermentu; 2) formulacją fizyczną odpadu; 3) obecnością związków potencjalnie toksycznych dla roślin i środowiska;

24 Surowce do przygotowania wsadu fermentacyjnego - kofermentu biogaz 1) Odpady produkcji rolniczej: - chowu zwierząt - roślinne Komposty komunalne 2) Rośliny jednoroczne na cele energetyczne Odpady przemysłowe

25 Rolnicze zagospodarowanie gnojowicy pofermentacyjnej Część III b. Wartość nawozowa

26 Jakość nawozowa gnojowicy pofermentacyjnej - parametry Zawartość azotu ogółem; Zawartość węgla organicznego; Stosunek C:N; Zawartość pierwiastków składników pokarmowych.

27 Jakość materii organicznej gnojowicy trzody chlewnej przed i po fermentacji Pierwiastek Surowa przed fermentacją Po fermentacji w biogazowni C 57,96 48,13 H 8,32 6,52 O 27,48 39,83 N 6,15 5,42 S 0,09 0,00 C:N 9,46 8,89 Marcato i in., 2009

28 Zawartość składników pokarmowych w nawozach naturalnych i gnojowicy pofermentacyjnej Pierwiastki Gnojowica Gnojowica bydlęcy trzody chlewnej Makroskładnik, g kg -1 s.m. pofermentacyjna P 8,4 28,0 13,5 K 44,7 75,5 67,1 Ca 20,6 32,1 31,0 Mg 9,3 14,4 7,6 S 5,1-4,6 Mikroskładniki, mg kg -1 s.m. Fe Mn Zn Cu Mo 3,5 5,3 4,9 Sager, 2007

29 Rolnicze zagospodarowanie gnojowicy pofermentacyjnej Część III c. Skutki produkcyjne

30 Reakcja kukurydzy na stosowanie gnojowicy pofermentacyjnej na tle wzrastających dawek azotu 10 9,5 przyrost plonu ziarna 9 8,5 plon ziarna, t ha-1 8 7,5 7 0 GP 6,5 6 GPgnojowica 5,5 Esteban i in., dawki azotu, kg N ha-1

31 Biomasa i akumulacja azotu przez jęczmień nawoŝony gnojowicą pofermentacyjną Therhoeven-Urselmans i in., 2009

32 Rolnicze zagospodarowanie gnojowicy pofermentacyjnej Część III d. Skutki środowiskowe

33 Zalety środowiskowe gnojowicy pofermentacyjnej Eliminacja odoru z nawozów naturalnych; Zmniejszenie emisji metanu z nawozów naturalnych do atmosfery; Zmniejszenie strat azotu do środowiska w procesie fermentacji nawozów naturalnych; Zmniejszenie zapotrzebowanie gospodarstwa rolnego na energię pochodzenia kopalnego; Unieszkodliwienie (co najmniej częściowe patogenów i i nasion/owoców chwastów)

34 obornik C - CO2 N-NH3 Jakość

35 Straty N-NH 3 z nawozów naturalnych i gnojowicy pofermentacyjnej gnojowica pofermentacyjna, GP kumulatywna utrata N-NH3, % zastosowanego N gnojowica świńska, Gś obornik, ob. ob. Gś GP 2 12 h okres od zastosowania, h

36 Koncentracja bakterii Coli zaleŝnie od sposobu traktowania odpadu pofermentacyjnego Albin i Vinneras, 2007

37 Straty N-N 2 O zaleŝnie od sposobu obróbki gnojowicy trzody chlewnej Bertora i in., 2009

38 Podsumowanie Produkcja biogazu pozwala na realizację zasad zrównowaŝonej gospodarki zasobami nieodnawialnymi, rozwaŝanymi w ujęciu 1) produkcyjnym, produkcja metanu; 2) środowiskowym wielorakość realizowanych celów.

39 dziekuję