H - FAPA

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
C6H12O6 3CO2 + 3CH4
CcHhOoNnSs + yH2O
nNH3 + sH2S + xCH4 + (c-x)CO2
Fazy fermentacji beztlenowej
- biogazowania
procesy
Surowce organiczne
Fazy:
Hydrolityczna
hydroliza
Związki rozpuszczalne w wodzie
zakwaszanie
Acydofilna
H2
CO2
kwas org. Alkohole
kwas oct.
acetogeneza
Octanogenna
Kwas octowy
metanogeneza
metanogenna
CH4, CO2
Metanogeneza – podstawowe
reakcje
CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O
dwutlenek węgla + wodór metan + woda
2CH3CH2OH + CO2 CH4 + 2CH3COOH
etanol + dwutlenek wegla metan + kwas octowy
CH3COOH CH4 + CO2
Składniki do produkcji biogazu koferment
Odpady
PR-S1
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
Problemy technologiczne
Zakłócenia
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 NH3
Piana
Słaba rozpuszczalność
w wodzie
1) wzrost
VFA1
2) spadek pH
Słaba rozpuszczalność
w wodzie
Inhibicja
niektórych
grup bakterii
Tłuszcze
VFA
1lotne
kwas tłuszczowe
Tłuszcze,
smary, oleje
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, NH3;
Zbyt szeroki stosunek C : N wydłuŜenie
czasu retencji (dni od rozpoczęcia fermentacji
do początku produkcji biogazu).
Zbyt wąski i zbyt szeroki spadek pH;
Parametry operacyjne surowców1
Surowiec
Gnojowica
świńska
bydlęca
drobiowa
Zawartość materii
organicznej,
%
s.m.
Stosunek
C:N
Produkcja biogazu
m3·VS1 kg-1
3-8
5-12
3-10
6-20
0,25-0,50
0,20-0,30
10-30
3-10
0,35-0,60
Serwatka
1-5
-
0,80-0,95
Odpady4
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
1źródło:
Ileleji (2008); 2Volatile substances – związki lotne (%); 3objaśnienia w tekście; 4przemysł spoŜywczy
Etapy kontroli procesu produkcji
biogazu
Odpady
PR-S1
Odpady
zwierzęce
Odpady roślinne
lub
rośliny
2) Procesu
1)
kofermentu
technologicznego
reaktor
koferment
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)
2)
3)
składem kofermentu;
formulacją fizyczną odpadu;
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
bydlęcy
trzody chlewnej
Gnojowica
pofermentacyjna
Makroskładnik, g · kg-1 s.m.
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
3,5
5,3
4,9
Mo
Sager, 2007
Rolnicze zagospodarowanie
gnojowicy pofermentacyjnej
Część III c.
Skutki produkcyjne
Reakcja kukurydzy na stosowanie
gnojowicy pofermentacyjnej na tle
wzrastających dawek azotu
10
przyrost plonu ziarna
9,5
9
plon ziarna, t ha-1
8,5
8
0
GP
7,5
7
6,5
GPgnojowica
6
5,5
5
0
Esteban i in., 2007
45
90
135
dawki azotu, kg N ha-1
180
225
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-NH3 z nawozów naturalnych i
gnojowicy pofermentacyjnej
16
14
kumulatywna utrata N-NH3, % zastosowanego N
gnojowica pofermentacyjna, GP
12
gnojowica świńska, Gś
10
ob.
8
Gś
GP
obornik, ob.
6
4
2
12 h
0
0
10
20
30
40
50
okres od zastosowania, h
60
70
80
90
Koncentracja bakterii Coli zaleŜnie od
sposobu traktowania odpadu
pofermentacyjnego
Albin i Vinneras, 2007
Straty N-N2O 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