BIOWĘGIEL ODPOWIEDZIĄ NA AKTUALNE PROBLEMY OCHRONY ŚRODOWISKA

Transkrypt

1 Seminarium: Piroliza biomasy zrównoważona technologia wytwarzania biowęgla i energii odnawialnej 6 grudzień 2013, Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych, Opole BIOWĘGIEL ODPOWIEDZIĄ NA AKTUALNE PROBLEMY OCHRONY ŚRODOWISKA Instytut Inżynierii Środowiska Wydział Inżynierii Środowiska i Biotechnologii POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA

2 Biowęgiel czyli? Definicja Wg Interna'onal Biochar Ini'a've biowęgiel (ang. biochar, agrichar, biocarbon) definiowany jest jako drobnoziarnisty karbonizat o wysokiej zawartości węgla i niskiej podatności na rozkład. Jest otrzymywany w procesie pirolizy biomasy roślinnej oraz odpadów organicznych. Biowęgiel a karbonizat biorąc pod uwagę właściwości fizyko- chemiczne biowęgiel i karbonizat zasadniczo stanowią ten sam materiał. Agrokarbonizat/agrokarbon zastosowanie rolnicze. Tradycyjny karbonizat zyskał nową markę zastosowania w ochronie środowiska. 2

3 Biowęgiel i jego właściwości Właściwości biowęgla różnią się znacznie i zależą od: - rodzaju biomasy użytej do produkcji biowęgla, - warunków prowadzenia procesu pirolizy. Do najważniejszych właściwości biowęgla należą: - skład chemiczny, - stabilność, - powierzchnia właściwa i porowatość (wpływa na wodochłonność, zdolności sorpcyjne oraz retencję składników pokarmowych w glebie), - ph, - pojemność jonowymienna, - gęstość nasypowa. 3

4 Biowęgiel w ochronie środowiska Rysunek 1. Potencjalne obszary zastosowań biowęgla (Lehmann J., Joseph S. (ed). Biochar for Environmental Management: Science and Technology, Earthscan, London paliwo odnawialne w bioenergetyce, - odpady biodegradowalne surowcem do produkcji biowęgla, - materiał strukturalny i funkcjonalny w kompostowaniu, - komponent mieszanek nawozowych, - sekwestracja węgla w glebie, - dodatek do gleb polepszający ich właściwości, - sorbent do usuwania zanieczyszczeń (alternatywa dla węgli aktywnych) i remediacji zanieczyszczonych gleb, 4

5 Biowęgiel w procesie kompostowania Zastosowanie: optymalizacja procesu kompostowania i/lub nadanie kompostom nowych właściwości. W zależności od właściwości biowęgiel w kompostowaniu może pełnić funkcję: - materiału strukturotwórczego, - dodatku funkcjonalnego (np. ograniczającego emisję gazów cieplarnianych, a także strat azotu w finalnym produkcie), - nośnika dla mikroorganizmów, - wypełniacza do filtrów/biofiltrów (oczyszczanie powietrza z gazów procesowych np. z kompostowni). Krystyna Malińska 5

6 Przydatność biowęgla w procesie kompostowania O przydatności biowęgla do kompostowania będą przede wszystkim decydowały takie właściwości fizyko- chemiczne jak: - porowatość powietrzna, powierzchnia właściwa oraz wielkość cząstek, które to wpływają na wodochłonność, zdolności sorpcyjne i retencję składników odżywczych. Do celów rolniczych za najważniejsze właściwości biowęgla uznaje się: - skład chemiczny głównie zawartość węgla w formie stabilnej i zawartość składników odżywczych, - zawartość popiołu, - właściwości sorpcyjne w stosunku do związków organicznych i nieorganicznych, - retencję wody, - powierzchnię właściwą, porowatość i rozmiar cząstek oraz - gęstość nasypową. 6

7 Biowęgiel w procesie kompostowania Tabela 1. Właściwości fizyko-chemiczne wybranych rodzajów biowęgla użytych w procesie kompostowania Rodzaj biowęgla Temp. ZW C N GN ph Pow. wł. [ C] [%] [g/kg] [g/kg] [g/cm 3 ] [m 2 /g] Biowęgiel ze zrębek sosnowych ,7 2, Biowęgiel z bambusa , ,40 8,82-8,86 359,0 Biowęgiel z dębu kasztanolistnego ,5 37,6-7,23 255,0 Biowęgiel z eukaliptusa ,1 497,8 6,1-7,64 - Temp. temperatura pirolizy, ZW zawartość wody, C węgiel całkowity, N azot całkowity, GN gęstość nasypowa, Pow. wł. powierzchnia właściwa Na podstawie: Jindo K., Suto K., Matsumoto K., Garcia C., Sonoki T., Sanchez- Monedero M.A Chemical and biochemical characterizabon of biochar- blended composts prepared from poultry manure. Bioresource Technology 110, Steiner C., Melear N., Harris K., Das K.C Biochar as bulking agent for poultry lifer composbng. Carbon Management 2(3) Chen Y- X., Huang X- D., Han Z- Y., Hu B., Shi D- Z., Wu W- X Effects of bamboo charchoal and bamboo vinegar on nitrogen conservabon and heavy metals immobility during pig manure composbng. Chemosphere 78, Dias B.O., Silva C.A., Higashikawa F.S., Roig A., Sanchez- Monderea M.A Use of biochar as bulking agent for the composbng of poultry manure: effect on organic mafer degradabon and humificabon. Bioresouce Technology 101,

8 Kompostowanie mieszanki osadów ściekowych i słomy z dodatkiem biowęgla (1) Osady ściekowe + ścinki drzewne (80%:20%) (2) Osady ściekowe + ścinki drzewne + biowęgiel (80%:16%:4%) 1! 2!! Rysunek 2. Laboratoryjne stanowisko do kompostowania Krystyna Malińska 8

9 Wpływ biowęgla na dynamikę procesu podczas kompostowania w warunkach laboratoryjnych Temperatura, C Czas kompostowania, dni OŚ+ŚD OŚ+ŚD+B (1) OŚ+ŚD+B (2) CO 2 mg NH 3 g ,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 OŚ+ŚD OŚ+ŚD+B (1) OŚ+ŚD+B (2) Czas kompostowania, dni Czas kompostowania, dni OŚ+ŚD OŚ+ŚD+B (1) Żródło: Malińska K., Zabochnicka-Świątek, Dach J Effects of selected amendments on ammonia emission during composting of sewage sludge. Ecological Engineering (w recenzji) 9

10 Wpływ biowęgla na dynamikę procesu kompostowania Dodatek biowęgla do mieszanek kompostowych może spowodować: - wzrost temperatury i wydłużenie fazy termofilowej, - ograniczenie emisji gazów cieplarnianych, np. CH 4, N 2 O czy CO 2 podczas kompostowania materiałów bogatych w azot, - ograniczenie strat azotu w produkcie finalnym, - wzrost aktywności mikroorganizmów, - ograniczenie biodostępności zanieczyszczeń organicznych i metali ciężkich dla żywych organizmów (wermikompostowanie), - wzrost retencji wody podczas kompostowania. 10

11 Kierunki dalszych badań (1) Dalsze badania będą obejmowały zarówno obszar badań podstawowych, jak i aplikacyjnych z uwzględnieniem analizy ekonomicznej i potencjału rynkowego. Niezbędne będzie: - poznanie właściwości fizyko- chemicznych biowęgli otrzymywanych z różnych substratów pod kątem ich zastosowania do kompostowania, - analiza potencjalnych zagrożeń, jakie mogą powodować związki toksyczne obecne w biowęglu (np. WWA, dioksyny, furany, które mogą powstawać podczas pirolizy) na aktywność mikroorganizmów podczas kompostowania, - opracowanie jednolitej metodyki wyznaczania właściwości fizyko- chemicznych biowęgli umożliwiającej porównanie i wybór odpowiedniego rodzaju biowęgla do kompostowania, 11

12 Kierunki dalszych badań (2) - określenie systemu klasyfikacji i certyfikacji biowęgli w zależności od rodzaju substratu, właściwości fizyko- chemicznych i kryteriów zastosowań otrzymanych biowęgli, - określenie wpływu dodatku biowęgla na zachodzące podczas kompostowania przemiany biochemiczne (tj. rozkład materii organicznej, humifikacja, adsorpcja gazów, retencja składników odżywczych), - określenie optymalnego udziału biowęgla jako materiału strukturalnego w mieszankach kompostowych, - analiza możliwości doboru odpowiednich substratów i parametrów prowadzenia procesu pirolizy w celu nadania biowęglom właściwości fizyko- chemicznych przydatnych w kompostowaniu, np. materiałów o wysokiej zawartości azotu, 12

13 Kierunki dalszych badań (3) - analiza zmian właściwości fizyko- chemicznych biowęgla na skutek zachodzących przemian podczas kompostowania, - określenie kosztów produkcji biowęgla i przygotowywania mieszanek kompostowych z jego dodatkiem, - określenie wpływu kompostów na bazie biowęgla na właściwości gleb i wzrost roślin, - określenie możliwości wykorzystania różnych rodzajów biowęgla jako nośnika dla mikroorganizmów czy też jako materiału filtracyjnego stosowanego w filtrach/biofiltrach np. do oczyszczania powietrza z gazów procesowych z kompostowni. 13

14 KONTAKT dr inż. Instytut Inżynierii Środowiska Wydział Inżynierii Środowiska i Biotechnologii Politechnika Częstochowska Ul. Brzeźnicka 60A, Częstochowa E: kmalinska@is.pcz.czest.pl W: