Organominerální hnojivo z odpadů anaerobní digesce travní hmoty

Problematika anaerobní digesce travní hmoty, čili dávno známé anaerobní vyhnívání organického materiálu s produkcí metanu, získává v poslední době zcela mimořádný význam. Nejen proto, že jde o obnovitelný zdroj energie a využití nejlevnějšího zdroje energie - slunce, ale také proto, že relativní nadvýroba potravin ve vyspělých státech, přinesla nutnost zhodnotit využití méně příznivých oblastí pro intenzivní zemědělskou výrobu a uvážit, jakým směrem zde zemědělskou výrobu orientovat. Jde hlavně o horské a podhorské oblasti, v nichž se dynamické prvky půdní úrodnosti při omezení hnojení a vápnění zhoršují 2 - 3x rychleji obr. 1, 2, 3, 4, než je průměr pro půdy ČR (Kolář, Gergel, Ledvina, Kužel 2001).

Mezi dynamické prvky půdní úrodnosti můžeme zahrnout obsah Nmin, Nminer, přijatelných makro- a mikroživin, výměnných kationtů, sorpční kapacitu, obsah Cox, pH, pórovitost a zastoupení velikostních skupin půdních pórů, stav utužení, zastoupení makro- a mikroedafonu, množství škůdců v závislosti na pěstovaných plodinách.

Pro tyto oblasti je všude ve světě typický chov skotu a pícninářství, bohužel trh o další mléko i hovězí maso u nás nemá zájem. A tak z dřívějších 0,8 VDJ/ha máme dnes 0,34 VDJ/ha - a i to je z hlediska našich obchodních možností mnoho - zatímco okolní země Evropy se pohybují v rozmezí 0,9 - 1,2 VDJ/ha (Kolář, Gergel, Ledvina, Kužel, Šindelářová 2000). Je tedy zřejmé, že je málo pravděpodobná představa, že bychom mohli v našich podhorských a horských oblastech založit zemědělství na chovu skotu pro zvýšení výroby masa a mléka (Kolář, Kužel, Gergel 2001)

Z výsledků výzkumu (Ledvina, Kolář, Kužel, Šindelářová 2000) je zřejmé, že při současné ceně hnojiv, techniky hnojení a zemědělských produktů a při existujícím stupni využití živin nebude možno v horských a podhorských oblastech ani hnojit. Protože tyto oblasti jsou potenciální zásobárnou čistých vod, je to na druhé straně z ekologického hlediska velmi výhodné.

Co ale tedy budeme v podhorských a horských oblastech dělat, aby se zde udrželo ekonomicky soběstačné zemědělství, které by zde plnilo svoji krajinářskou funkci a udrželo zde obyvatelstvo?

Ekologické i ekonomické aspekty optimálního působení zemědělství v těchto LFA oblastech (Less favoured areas (VÚMOP 1999) - 100 % ZPF okresu Český Krumlov, 90 % ZPF okresu Prachatice, 68 % ZPF okresu Klatovy) by byly splněny jedině za předpokladu, že zemědělství alespoň na přechodnou dobu by v těchto oblastech neprodukovalo potraviny, ale energii. Energii uvolněnou z travní hmoty, tedy naakumulovanou energii sluneční, z nehnojených, ale sklízených ploch, čímž by byly splněny i náročné ekologické představy o využití těchto oblastí.

Anaerobní digesci se obecně vytýká vysoká investiční náročnost a tím malý ekonomický efekt. Platí to o zařízeních z ocele a železobetonu, která vznikala u kanalizačních čistíren už od počátku minulého století. Vždyť i pražská bubenečská čistírna už před 2. světovou válkou měla vyhnívací komory a kalovým plynem (bioplynem, CH₄) poháněla všechna svá čerpadla! Vývoj však směřuje k levným plastovým vyvíječům, vysoké úrovně dosáhly technologie německé (Schulz 1996).

Po stránce technologické díky především německým firmám a jejich zastoupení v ČR je celý proces nejen zcela vyřešený, ale i dodavatelsky okamžitě realizovatelný. Jsou však zde obrovské možnosti celou anaerobní digesci travní hmoty dále zlevnit aplikací nejnovějších poznatků z oblasti plastů a studiem substrátového složení je možno produkci plynu z 1 t organické hmoty při 40 % konverzi podstatně zvýšit. Obrovských úspor lze dosáhnout omezením obsluhy, možností aplikace technologií, které nevyžadují vysokou kvalifikaci obsluhy a vedením procesu jako bezodpadové technologie, tedy s využitím vyhnilých kalů k výrobě levných organominerálních hnojiv. Tato levná kvalitní hnojiva by mohla snížit vstupy vnější energie do zemědělské soustavy intenzivních zemědělských oblastí ČR, zvýšit stabilitu této soustavy a podstatně zlepšit ekonomiku a tím konkurenceschopnost čs. zemědělství pro potravinářské účely.

Bezodpadovost technologie vyřešili úspěšně Váňa a Slejška (1998), kteří navrhli dvoufázový kontinuální systém biozplynování fytomasy s aerobním kompostováním. Travní fytomasa po mechanické úpravě fermentuje v prvním stupni vysokosušinového fermentoru, z kterého po odvodnění a studené fermentaci jde tuhá frakce na aerobní kompostování, kde se mísí se strukturním organickým substrátem a pak se zakládá kompost. Tekuté produkty hydrolýzy v 1. stupni spolu s plynnými produkty v 1. stupni se fermentují ve fermentoru 2. stupně. Z tohoto fermentoru se odvádí bioplyn a procesní tekutina, která se čerpá zpět ke zkrápění v mechanické úpravě trávy před 1. stupněm fermentace. Tato technologie je výborná a produktem je vynikající kompost.

Kompost je hnojivo téměř ideální, ale relativně velmi drahé. A to tím dražší, čím je kompostárna menší. Je tedy tato technologie určena pro větší jednotky, s kterými autoři této metody bezodpadového zpracování počítají: svozná stanice ve střediskové obci, s kogenerační jednotkou na výrobu elektrické energie, s kompostárnou, s denní produkcí nad 2 000 m³/24 hod. plynu, s objemem fermentorů nad 3 000 - 4 000 m³, s teplotou fermentace nad 40°C.

Tyto jednotky jsou zvlášť výhodné pro nižší a střední polohy, relativně hustě osídlené. V úkolu CEZ J 06/98:122200002 se bohužel musíme zabývat jednotkami podstatně menšími, v řídce osídlených prostorech, s velkými náklady na dlouhou dopravu kompostu do oblastí, kde se má hnojit. Naším cílem bylo vyrobit hnojivo koncentrovanější a tím méně objemné, než je kompost. Samozřejmě v investičně nenáročných a technologicky primitivních podmínkách málo osídlených horských poloh.

Zde nebudeme mít dvoustupňovou fermentaci, ale jednostupňovou a pro úsporu kvalifikované obsluhy kofermentaci s kejdou skotu, tedy nikoliv suchý, ale mokrý proces. Samotná travní hmota není příliš vhodný materiál pro vyhnívání, protože má malou pufrační kapacitu. Substrát se v jednoduchých technologiích prudce okyseluje a celý vyhnívací proces se zastavuje. Kofermentací s výkaly skotu, které samotné také nejsou dobrým materiálem, protože při vyhnívání brzdí proces vyšší koncentrace uvolněného NH₃, se zlepšuje pufrační kapacita substrátu a omezuje záporný efekt NH₃ (Váňa 1997).

Z procesu máme proto další obtížný odpad - větší množství kalové vody. Navrhujeme použít nejlevnější technologický postup DURCHFLUSS-VERFAHREN, s použitím PE/EVA folie na strop fermentoru, kombinovaný s foliovým plynojemem dle Schulze (1996). Teplota fermentace 35°C, zatížení , zatížení reaktoru 3 kg organické sušiny/m³.den, podíl org. sušiny travní hmoty a exkrementů skotu 1 : 1, délka průměrné doby zdržení ve fermentoru je relativně velká, 45 dnů. Jako průměr se udává v zařízeních u nás i v cizině 35,2 dny. Dosažená produkce plynu je mírně nižší než obecný průměr 0,327 m³/kg organické sušiny - pouze 0,295 m³/kg organické sušiny. V nových experimentech však budeme už schopni tuto produkci plynu dosti významně zvýšit. Dosažený stupeň rozložení organické hmoty je naopak lepší než průměrný - 46,2 %. Průměr pro světová zařízení je 43,5 %. Materiál z vyhnívací komory se odvodňuje na pohyblivém sítě, určeném k odvodňování kejdy. Kalová voda se čerpá na začátek technologie, aby se využila její cenná mikroflóra. Přebytek vody se levně likviduje v Pasverově žlabu s Kessenerovým kartáčem. Tuhý odpad se ve velké stavební míchačce sráží páleným vápnem a po měsíčním provzdušnění v tenké vrstvě na drenovaném a izolovaném stanovišti, CaO zde přejde vlivem CO₂ na CaCO₃,, se upraví poměr C : N, nikoli na základě celkového obsahu, jak doporučuje norma pro kompostování, ale na základě stanovení C_hws : N_hws (horkou vodou extrahovatelný uhlík a dusík (Gergel, Kolář 2000). Poměr Chws : Nhws se upravuje na 8 : 1 ve formě močoviny. Fosfor ve formě superfosfátu se doplní na 1,8 % hm. sušiny celkové hmoty, počítáno jako P₂O₅. K urychlení aerobní fermentace a k omezení ztrát tepla se dobře homogenizovaný materiál nepřehazuje, ale kompost má zařízení pro větrání a tepelnou izolaci dna, aplikuje se směs stopových prvků s hořčíkem. Aerobní fermentace trvá tak dlouho, až materiál dosáhne iontovýměnné kapacity průměrně T = 250 mgekv/kg. Tato T je převážně nasycena přítomným Ca²⁺. Vlhkost kompostu se stále udržuje v rozmezí 40 - 60 % retenční vodní kapacity materiálu v sypné formě. K dosycení se přidává na začátku kompostování v závlahové vodě 50 g K₂SO₄/m³ substrátu, protože KCl by zvýšil mobilitu Ca²⁺ (Kužel, Kolář, Ledvina 2000).

Na vzduchu usušený kompost se mísí s 10 % hmotnostními fosforečnanu amonného, 4 % hmotnostními síranu hořečnatého a 6 % draselné soli 60% k obohacení živin tohoto velmi perspektivního kvalitního organominerálního hnojiva (Kužel, Kolář 2000).

Zjištěné výsledky byly získány s finanční podporou grantu MŠMT, id. kód: CEZ: J 06/98:122200002.

Literatura

1. Gergel J., Kolář L., 2000: Posouzení sedimentu z rybníka Řežabinec. Agentura ochrany přírody a krajiny ČR, Praha, 11 s.
2. Schulz H., 1996: Biogas - praxis. Ökobuch Verlag, Staufen bei Freiburg, ISBN 3-922964-59-1, 187 s.
3. Kolář L., Gergel J., Ledvina R., Kužel S., 2001: Agrochemické zvláštnosti půd podhorských a horských oblastí Šumavy. Farmář, 1, 30-31
4. Kolář L., Gergel J., Ledvina R., Kužel S., Šindelářová M., 2000: Agrochemická charakteristika půd horských a podhorských oblastí jihovýchodní Šumavy. Rostlinná výroba, 46, 12, 533-542
5. Kolář L., Kužel S., Gergel J., 2001: Perspektivy čs. zemědělství v LFA oblastech a možnosti spolupráce s chemickým výzkumem a průmyslem. Chemické listy (v tisku).
6. Kužel S., Kolář L, 2000: Hnojiva v České republice v roce 2000 a jejich perspektivní vývoj. Sborník z mezinárodní konference "Agroregion 2000", JU ZF v Českých Budějovicích, s.193-194.
7. Kužel S., Kolář L., Ledvina R.: Vliv síranových a chloridových draselných hnojiv na eluci Ca2+ z půdy. Rostlinná výroba, 2000, 46, 1, s. 1-7.
8. Ledvina R., Kolář L., Kužel S., Šindelářová M., 2000: Vývoj změn půdní reakce půd horských a podhorských oblastí ve srovnání s průměrem České republiky. Collection of Scientific papers, ZF JU v Č. Budějovicích, 17, 1, 65-69
9. Váňa J., 1997: Zpracování biomasy travních porostů na bioplyn a organické hnojivo. Výroční zpráva VÚRV Praha-Ruzyně
10. Váňa J., Slejška A., 1998: Bioplyn z rostlinné biomasy. Studijní informace ÚZPI Praha, rostlinná výroba, ISBN 80-86153-92-4, 40 s.
11. VÚMOP, 1999: Půda. Situační výhledová zpráva. Mze ČR, 58 s. 15.

Průměrný obsah přístupného fosforu půd pod TTP v období 2 cyklů agrochemického zkoušení půd
Sorpční kapacita T u půdních vzorků TTP vybraných okresů v roce 1999
Průměrný obsah přístupného vápníku půd pod TTP v období 2 cyklů agrochemického zkoušení půd

Tweet

Novinky z Prodevalu: zkapalňování CO2, Valopur DFM a nová výrobní linka na jihu Francie

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?