ROLNICZE ZAGOSPODAROWANIE ŚCIEKU POFERMENTACYJNEGO Z BIOGAZOWNI ROLNICZEJ - OGRANICZENIA I SKUTKI Witold Grzebisz Katedra Chemii Rolnej Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu
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
Produkcja biogazu róŝnorodność celów Część I
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.
Wsad fermentacyjny wymagania jakościowe Część II
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
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
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
Składniki do produkcji biogazu - koferment Odpady PR-S 1 Odpady zwierzęce koferment reaktor Odpady roślinne lub rośliny Ściek pofermentacyjny Na podstawie Nielsen i in., 2009 1 odpady przemysłu rolno-spoŝywczego
Pierwszy składnik kofermentu Chlewnia rusztowa Laguna z gnojowicą
Surowce rolnicze roślinne
Podstawowe związki węgla a wydajność fermentacji metanowej Związki węgla Biogaz m³/kg VS Zawartość metanu, % Problemy Węglowodany 0.747 50 Zakwaszenie Tłuszcze 1.250 68 Piany, VFA Białka 0.700 71 Zakwaszenie, amoniak VS volatile substances biodegradowalne związki węgla
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
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 20-30 : 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;
Surowiec Gnojowica świńska bydlęca drobiowa Parametry operacyjne surowców 1 Zawartość materii organicznej, % s.m. Stosunek C:N Produkcja biogazu m 3 VS 1 kg -1 3-8 3-10 0,25-0,50 5-12 6-20 0,20-0,30 10-30 3-10 0,35-0,60 Serwatka 1-5 - 0,80-0,95 Odpady 4 15-20 35 0,25-0,50 Liście 80 30-80 0,10-0,30 Słoma 70 90 0,35-0,45 Trawa 20-25 12-25 0,55 Kiszonka traw 15-25 10-25 0,46 1 źródło: Ileleji (2008); 2 Volatile substances związki lotne (%); 3 objaśnienia w tekście; 4 przemysł spoŝywczy
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., 2009 1 odpady przemysłu rolno-spoŝywczego
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.
Kontrola jakościowa procesu technologicznego Temperatura; Odczyn; Zawartość amoniaku; Zawartość wodoru; Zawartość siarkowodoru;
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
Rolnicze zagospodarowanie gnojowicy pofermentacyjnej Część III Ściek pofermentacyjny
Produkty końcowe procesu fermentacji beztlenowej woda Produkty gazowe i stałe biogaz Frakcja stała
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%;
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;
Surowce do przygotowania wsadu fermentacyjnego - kofermentu biogaz 1) Odpady produkcji rolniczej: - chowu zwierząt - roślinne Komposty komunalne 2) Rośliny jednoroczne na cele energetyczne Odpady przemysłowe
Rolnicze zagospodarowanie gnojowicy pofermentacyjnej Część III b. Wartość nawozowa
Jakość nawozowa gnojowicy pofermentacyjnej - parametry Zawartość azotu ogółem; Zawartość węgla organicznego; Stosunek C:N; Zawartość pierwiastków składników pokarmowych.
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
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 1970 2080 3600 Mn 180 358 289 Zn 164 1156 349 Cu 51 282 94 Mo 3,5 5,3 4,9 Sager, 2007
Rolnicze zagospodarowanie gnojowicy pofermentacyjnej Część III c. Skutki produkcyjne
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., 2007 5 0 45 90 135 180 225 dawki azotu, kg N ha-1
Biomasa i akumulacja azotu przez jęczmień nawoŝony gnojowicą pofermentacyjną Therhoeven-Urselmans i in., 2009
Rolnicze zagospodarowanie gnojowicy pofermentacyjnej Część III d. Skutki środowiskowe
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)
obornik C - CO2 N-NH3 Jakość
Straty N-NH 3 z nawozów naturalnych i gnojowicy pofermentacyjnej 16 14 gnojowica pofermentacyjna, GP kumulatywna utrata N-NH3, % zastosowanego N 12 10 8 6 4 gnojowica świńska, Gś obornik, ob. ob. Gś GP 2 12 h 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 okres od zastosowania, h
Koncentracja bakterii Coli zaleŝnie od sposobu traktowania odpadu pofermentacyjnego Albin i Vinneras, 2007
Straty N-N 2 O zaleŝnie od sposobu obróbki gnojowicy trzody chlewnej Bertora i in., 2009
Podsumowanie Produkcja biogazu pozwala na realizację zasad zrównowaŝonej gospodarki zasobami nieodnawialnymi, rozwaŝanymi w ujęciu 1) produkcyjnym, produkcja metanu; 2) środowiskowym wielorakość realizowanych celów.
dziekuję