BIOPLYNOVÁ STANICE JAKO SOUÁST EKOLOGICKÉ FARMY

Transkript

1 BIOPLYNOVÁ STANICE JAKO SOUÁST EKOLOGICKÉ FARMY Biogas Station as a Part of Ecological Farm Luboš Babika, Lenka Kouimská Katedra kvality zemdlských produkt, eská zemdlská univerzita v Praze Summary: Problems of application of organic materials and wastes from agriculture for production of biogas and anaerobic fermented substrate as an organic fertilizer in system of organic agriculture are discussed in this contribution. Key words: agriculture, biogas, anaerobic fermentation, digestate, substrate, fugate, fertilizer, slurry, ecological farm, pathogenic microorganisms, hygienic safety, air pollution, water pollution, ammonia, nitrogen, nitrate, organic waste, by products, organic agriculture Souhrn: Píspvek se zabývá problematikou využití organických materiál a odpad ze zemdlství k výrob bioplynu a anaerobn fermentovaného substrátu jako organického hnojiva v systému ekologického zemdlství. Klíová slova: bioplyn, anaerobní fermentace, digestát, substrát, fugát, hnojivo, kejda, ekologická farma, patogenní mikroorganismy, hygienická nezávadnost, zneištní ovzduší, zneištní vody, pavek, dusík, dusinany, organický odpad,vedlejší produkty, zemdlství, ekologické zemdlství Úvod V posledních létech výrazn stoupá zájem o technologii výroby bioplynu, která pedstavuje ekonomicky perspektivní zpsob likvidace nebo hygienizace biologicky rozložitelných odpad ze zemdlské výroby (nap. chlévského hnoje, kejdy, odpadních rostlinných materiál, podestýlky, z chov drbeže apod. Vstupem mže být jakákoli organická hmota zkvasitelná v prbhu procesu anaerobní fermentace. Lze tedy využít zbytky z potravináského prmyslu a jiné biologicky rozložitelné odpady kategorií 3 a upravené materiály kategorie 2, v souladu s naízením Evropského parlamentu. 1774/02. O zvýšeném zájmu o výrobu bioplynu svdí nejen rostoucí poet projektovaných a budovaných stanic, ale stále se zvtšující zájem zemdlc, firem a obcí. Situace se podstatn zlepšila se zavedením decentralizace výroby proudu a státní podporou a schválením zákona. 180/2005 Sb., o podpoe výroby elektiny z obnovitelných zdroj energie, který garantuje výkupní ceny na dobu patnácti let. Technologie k výrob bioenergie tak ztrácejí stigma rizikových investic. Pro ekologického zemdlce má technologie výroby bioplynu význam z mnoha dvod. Hlavní dvody využití bioplynu na vlastní farm jsou: získání zdroje energie, produkce kvalitních organických hnojiv, Pínos bioplynové stanice pro ekologicky hospodaící farmu Pínosem pro ekologicky hospodaící farmu je: Získání hodnotné energie Zmenšení zatížení pachem Zmenšení žíravého úinku kejdy Zlepšení tekutosti Zmenšení zatížení ovzduší metanem a pavkem Zabránní ztrátám na živinách Zmenšení vyplavování dusíku snížení ztrát na živinách, odstranní negativního vlivu na pracovní a životní prostedí (pachem kejdy a hnoje). Rozvoj využití biomasy i jejího pstování pro energetické úely jako souásti ešení ekologických otázek energetiky, problém zemdlské politiky a politiky rozvoje venkova je intenzivn podporován i v Evropské unii. Zárove si je nutné uvdomit, že energetický potenciál zemdlství je obrovský a v podob organických hmot vhodných k výrob bioplynu pedstavuje % celkové výroby. V rámci této politiky by do roku 2010 mla výroba elektiny a tepla z obnovitelných zdroj energie výrazn stoupnout. eská republika se zavázala, že do roku 2010 stoupne podíl elektrické energie z obnovitelných zdroj v hrubé spoteb na 8 %. V souasné dob leží v eské republice ladem kolem pl milionu hektar zemdlské pdy. Pro naplnní cíle roku 2010 by postailo využívat pibližn polovinu této výmry. Podle údaj Ministerstva zemdlství R se poítá s výmrou 1,5 milionu ha pdy pro pstování biomasy pro energetické úely. Zlepšení odolnosti rostlin Zlepšení zdravotního stavu rostlin Hygenizace kejdy Omezení klíivosti semen plevel Zpracování organických zbytk Neplacení stoného Získání hnojiva splujícího podmínku ekologického zemdlství Proceeding of conference Organic farming 2007,

2 Princip procesu tvorby bioplynu Bioplyn je produktem látkové výmny metanových bakterií metanogen za nepístupu vzduchu ve vlhkém prostedí. Tento proces, tzv. anaerobní fermentace je biochemickým procesem, sestávajícím z celé ady na sebe navazujících fyzikálních, fyzikáln-chemických a biologických proces. Tvorba bioplynu je konenou fází biochemické konverze organických látek v anaerobních podmínkách na bioplyn a zbytkový fermentovaný materiál. Proces probíhá pi teplotách od 0 C do 70 C. Na rozdíl od jiných proces nevzniká pi anaerobní fermentaci teplo, ale vyvíjí se holavý plyn - metan. Souasn se vytváí oxid uhliitý a voda. Celý proces lze ve své podstat rozdlit do ty základních fází (obr. 1 a 2): fáze I. hydrolýza, zaíná v dob, kdy je v prostedí vzdušný kyslík a dostatená vlhkost pesahující 50 % hm. podílu, kdy dochází k rozkladu polymer na jednodušší organické látky, tzv. monomery (jednoduché cukry, aminokyseliny, mastné kyseliny), fáze II. acidóza, dochází k odstranní zbytk vzdušného kyslíku a vytvoení anaerobního prostedí, prostednictvím fakultativních anaerobních mikroorganizm schopných aktivace v obou prostedích, fáze III. acetogeneze, kdy bhem této fáze pevádjí acidogenní kmeny bakterií vyšší organické kyseliny na kyselinu octovou, vodík a oxid uhliitý, fáze IV. metanogeneze, metanogenní acetotrofní bakterie v alkalickém prostedí rozkládají hlavn kyselinu octovou na metan a oxid uhliitý, hydrogenotrofní bakterie produkují metan z vodíku a oxidu uhliitého. Nkteré kmeny bakterií provádjí obojí. Pi kontinuálním procesu plnní fermentaních vží organickou hmotou probíhá optimální rovnováha v kinetice jednotlivých fází, které probíhajících s odlišnou kinetickou rychlostí, což je dležité pro stabilitu procesu anaerobní fermentace organických materiál. Celý proces anaerobní digesce závisí na rychlosti závrené metanogenní fáze, která probíhá asi ptkrát pomaleji než pedcházející ti fáze. Proto se musejí velikost a konstrukce fermentoru a dávkování surového materiálu této rychlost pizpsobit. Obrázek 1: Blokové schéma prbhu výroby bioplynu (Diagram of biogas production process) tyi fáze procesu vyhnívání hydrolýza fakultativn anaerobní bakterie jednoduché cukry aminokyseliny, mastné kyseliny okyselení kyselinotvorné (acidofilní) bakterie organické kyseliny, oxid uhliitý, vodík tvorba kyseliny octové octotvorné bakterie kyselina octová oxid uhliitý, vodík tvorba metanu metanové bakterie metan, oxid uhliitý voda 196 Sborník z konference Ekologické zemdlství 2007,

3 Obrázek 2: Schéma uspoádání bioplynové stanice (BPS), typ ABC (Diagram of biogas station) Zdroje biomasy pro výrobu bioplynu na ekologické farm Získávání biomasy z hlediska využití digestátu ke hnojení v rámci ekologické farmy lze rozdlit na dv základní skupiny: Biomasou zámrn pstovanou k produkci bioplynu: - energetické plodiny, - olejniny, - kukuice, cukrovka, obilí, brambory. Biomasou odpadní: - rostlinné zbytky ze zemdlské prvovýroby a údržby krajiny, - vedlejší produkty z živoišné výroby, - vedlejší produkty organického pvodu z ekologických potravináských výrob, - vedlejší produkty z lesní výroby. Nelze však použít takové organické materiály, které by mohly zpsobit kontaminaci digestátu do té míry, která by znemožnila jeho využití v rámci ekologicky hospodaícího podniku (nap. komunáln bytový odpad, OV apod.). Jak již bylo uvedeno, anaerobní fermentace, resp. tvorba bioplynu probíhá ve vlhkém prostedí, a proto jsou pro anaerobní zpracování vhodné kapalné materiály nebo materiály s nízkou sušinou, napíklad kejda, hnj, zbytky jídla, tuky apod. Obecn lze íci, že pro produkci bioplynu je optimální obsah sušiny v rozmezí 5 až 15 %. Vyšší obsah sušiny je limitujícím parametrem pro erpatelnost substrátu. Naproti tomu materiály s obsahem sušiny 40 % až 60 % jsou optimální pro kompostování nebo tzv. suchý anaerobní fermentaní proces využívající pouze fytomasu k výrob bioplynu. Jedním z velice dležitých faktor pro rovnomrný chod stanice je také dležitý pomr uhlíku a dusíku (C : N), který by se ml pohybovat v rozmezí 20:1 až 40:1. Pro ekologické zemdlství je dležité, že se vtšina zpracovávaných materiál produkuje v tomto odvtví. Pi výrob bioplynu lze rovnž využívat metodu kofermentace, kdy se s materiálem z živoišné výroby souasn zpracovávají i materiály jiné. V zemdlství picházejí jako kofermenty v úvahu zbytky z rostlinné výroby, vedlejší produkty ze zpracování rostlinných komodit a rostliny pstované jako kofermenty, tedy obnovitelné druhy surovin. Pstování tchto plodin je výhodné na plochách nevyužívaných k zemdlské výrob. Lze rovnž požívat materiály na ladem ležící pd. Využívání kofermentace je zajímavé i pro likvidaci jateních odpad apod. Teoretické studie i pokusy naznaují, že pi anaerobní fermentaci dochází i k likvidaci nebezpených prion. V tabulce.1 jsou uvedeny materiály vhodné pro výrobu bioplynu vetn denní produkce plynu. Proceeding of conference Organic farming 2007,

4 Tab. 1: Orientaní hodnoty denní produkce bioplynu (Orientation values of biogas daily production) Denní produkce Materiál bioplynu (m 3 /DJ nebo m 3 /t) Kejda skotu 1,11 Kejda prasat 0,88 Koský hnj 1,45 Drbeží trus 3,75 Silážní kukuice 240 Corn-Cob-Mix (CCM) 500 Žitný šrot 525 Siláž z celých rostlin obilovin 500 Dalším dležitým materiálem, který je možné za uritých podmínek použít jsou odpady ze živoišné výroby. Ty se znanou mrou podílejí na celkové produkci zemdlských odpad, které svým množstvím ve výší 48 milion tun za rok pedstavují po prmyslu druhý nejvtší zdroj odpad. Podle legislativy R (vyhláška. 381/2001 Sb. a 274/1998 Sb., zákon. 185/2001 Sb., 477/2001 Sb. a 94/2004 Sb.) je kejda zaazena mezi zemdlské odpady, které je nutno likvidovat. Na jedné stran je tedy kejda považována za odpad, na druhé stran je azena mezi organická hnojiva mající svj biologický, energetický a ekonomický potenciál, který je možno elegantn a s ekonomickým pínosem využít práv pi výrob bioplynu. Fermentovaná kejda spolu s ostatními složkami pedstavuje komplexní, organominerální hnojivo s vysokou hnojivou úinností, srovnatelnou s chlévskou mrvou. Využití odpad ze živoišné výroby k výrob bioplynu v BPS je v souladu s požadavky IPPC danými smrnicí EU 96/64/EC. Likvidace odpad ze zemdlství je dále zmiována i v naízení Evropského parlamentu a Rady 92/2005. Využití digestátu jako hnojiva Digestát, resp. anaerobn fermentovanou kejdu lze využít jako vysoce kvalitní organické hnojivo. Krom klasického podzimního hnojení se dnes stále astji využívá podlistové aplikace v prbhu vegetace a v systému dlených dávek. Jednorázová maximální dávka 10 až 20 t/ha kejdy (pi obsahu 0,5 až 0,3 % N) kryje potebu dusíku u rostlin jen pro ást vegetaního období a z tohoto dvodu je teba dávku dvakrát až tikrát opakovat. Píkladem mže být energetická plodina kukuice. Aplikace se doporuuje v dob, kdy je výška Výhody digestátu V porovnání anaerobn fermentované kejdy s neupravenou kejdou je nutné uvést, že anaerobn fermentovaná kejda ve svých kladech jednoznan pedí kejdu neupravenou. Anaerobní fermentaní proces zabrauje ztrátám živin, protože na rozdíl od oteveného skládkování nebo kompostování se sníží ztráty na dusíku o 20 až 40 % (viz tabulka. 2.). kukuice minimáln 20 až 30 cm. Pi použití hadicových aplikátor se obecn pro kukuici považuje za nejvýhodnjší výška porostu 20 až 80 cm, výjimen 100 cm. Pi použití dnes již bžn dostupných speciálních hadicových aplikátor kejdy, u kterého díky systému zapravování do pdy v prbhu vegetace nehrozí vyplavování živin do spodních vod, ani nebezpeí druhotného výskytu plevel. Vzhledem k tomu, že organicky vázaný dusík v anaerobn fermentované kejd je pevážn tvoen odumelými metanotvornými bakteriemi a v pd je pomalu mineralizován a spolu se zlepšenou tekutostí kejdy vede k rychlejšímu vsakování do pdy a tudíž ke zrychlení pijímání živin rostlinami, a tím k vyšším výnosm. Tabulka 2: Zmny podílu dusíkatých složek v kejd vyvolané anaerobní fermentací (Changes of nitrate components ratio in slurry after anaerobic fermentation) Praseí kejda Hovzí kejda erstvá fermentovaná erstvá fermentovaná Obsah sušiny (%) 8,38 3,45 10,03 6,76 Obsah organické sušiny (%) 3,75 2,01 7,35 4,66 ph 7,37 8,02 7,42 7,75 N celk. (%) 0,48 0,45 0,41 0,38 Obsah NH 4 -N (%) 0,33 0,36 0,20 0,22 Stupe rozkladu org. sušiny (%) 46,4 36,56 Podíl pavku (%) 68,8 80,0 48,8 57,9 Zvýšení podílu pavku (%) 16,3 20,3 198 Sborník z konference Ekologické zemdlství 2007,

5 Obsah fosforu, draslíku a vápníku zstává zachován a uhlíkaté sloueniny ve form celulózy a ligninu napomáhají k tvorb humusu. Jelikož rostliny anaerobn fermentovanou kejdu lépe pijímají a využívají, je její vyplavování do vody v prbhu vegetaního období výrazn nižší. Vzhledem k tomu, že v prbhu anaerobní fermentace dochází k zahátí substrátu až na teplotu Závr O vhodnosti hnojení kejdou z BPS svdí z literatury mnoho dostupných informací vetn výroku držitele Nobelovy ceny za rok 1988 José Lutzenbergera: Bioplynovou kejdou lze nejen zúrodnit pdu tak, že na 70 C dochází ke ztrát klíivosti semen, což napomáhá v boji s plevely. Využití anaerobní fermentace je dležité i z hlediska hygienizace použitého substrátu. Stanice, které pracují v termofilní oblasti snižují výskyt relevantních patogen a choroboplodných zárodk pod hranici prokazatelnosti. Toto zjištní je dležité pro použitelnost digestátu z hlediska jeho zdravotní nezávadnosti. ní rostou zdravé rostliny, odolné proti škdcm, ale lze ji dokonce využít jako ochranný prostedek pro rostliny. Použije-li se jako hnojivo na list, posiluje rostliny; škdci mizí, nebo rostlina získává na odolnosti. Použitá literatura BABIKA, KOCURKOVÁ, BENEŠ, STRAKA: Problematika hygieny pi zpracování živoišných produkt do krmiv a likvidace odpad z VAU. Brno BABIKA, L., ZAJÍEK, BABIKA,P.: Další možnosti využití bioplynu v rámci zemdlsko-potravináského komplexu. Sborník ze semináe Bioplyn v zemdlství a rozvoj venkova na obou stranách esko-rakouské hranice. eské Budjovice BABIKA, STRAKA: Bioplynová stanice jako nedílná souást zemdlsko-potravináského komplexu. Mezinárodní konference BIOPLYN 2006, eské Budjovice. BABIKA: Najde cukrovka využití pi výrob bioplynu a palivového lihu? Listy cukrovarnické a epaské, 122(3) str , BABIKA: Energie ukrytá v chlév. Náš chov, 3/2006, str BABIKA: Líh a nepotravináské využití obilovin. Euromagazín, 5/2006, str BABIKA: Bioplyn v zemdlství a rozvoj venkova na obou stranách esko-rakouské hranice. Farmá, 2/2006, str DOHÁNYOS, ZÁBRANSKÁ: Bilance metanizace výpoet maximální výtžnosti bioplynu. Vodní hospodáství B 38, 2., 1988GRUBER: Biogasanlagen in der Landwirtschaft, MOHAMED ABDEL-HADI: Methangewinnung aus Nahrungsmittelabfällen und Betarüben durch Kofermetation, MORAR: Verfahrenstechnische Untersuchungen zur anaeroben Behandlung von Brennereischlempe, PASTOREK, KÁRA, JEVI: Biomasa - obnovitelný zdroj energie, SCHULZ, EDER: Bioplyn v praxi, STRAKA: Bioplyn - píruka pro výuku, projekci a provoz bioplynových systém, TECHAGRO 2004, mezinárodní seminá: Biopaliva, methylestery a smsná paliva, sborník pednášek, TRIMBORN, GOLDBACH, CLEMENS, CUHLS, BREEGER: Reduktion von klimawirksamen Spurengasen in der Abluft von Biofiltern auf Bioabfallbehandlungsanlagen, WEGER, HAVLÍKOVÁ: Biomasa - obnovitelný zdroj energie v krajin, Bericht das 10. Alpenländische Expertenforum: Biogasproduktion - alternative Biomassenutzung und Energiegewinnung in der Landwirtschaft, sborník, Die Landwirtschaft als Energieerzeuger, sborník pednášek, Energetické využívání biomasy, esko-nmecká obchodní a prmyslová komora, sborník pednášek, Možnosti energetického využití biomasy, sborník píspvk ze semináe Ostrava, VÚZT Praha, Sborník pednášek - Zemdlská technika a biomasa, Výroba a využití bioplynu, esko-nmecká obchodní a prmyslová komora, sborník pednášek, Zákon. 180/2005 Sb., Sbírka zákon R, ástka 66 ze dne o podpoe výroby elektiny z obnovitelných zdroj energie Adresa autora Doc. Ing. Luboš Babika, CSc. Katedra kvality zemdlských produkt eská zemdlská univerzita v Praze Kamýcká 129, Praha 6 - Suchdol, R Tel.: Fax: babicka@af.czu.cz Proceeding of conference Organic farming 2007,