Využití odpadů z bioplynových stanic

Provoz bioplynových stanic byl u nás i ve světě orientován jedině na zpracování zachyceného kalu v městských čistírnách odpadních vod ze stokové sítě. Surový kal totiž značně zapáchal, byl lepivý a obtížně sušitelný, vyhnitím tyto nepříjemné vlastnosti ztrácel. Bioplyn, zvaný tehdy „kalový plyn“, vznikající při procesu anaerobní digesce byl už v první polovině minulého století běžně využíván k spalování a k pohonu plynových motorů. Za 2. světové války jezdily na bioplyn známé londýnské městské autobusy a čeští technici byli už tehdy na špičce vývoje: pražská bubenečská čistírna měla veškerý pohon čerpadel na bioplyn a toto zařízení se likvidovalo s velkou slávou až po roce 1945 – elektrický pohon byl přece jen pohodlnější, reguloval a spouštěl se lépe – zvýšil ale náklady.

Vyhnilý (ale dříve i surový) kal byl vždy považován za hnojivo především proto, že vznikal v poměrně značném množství a jiné uplatnění pro něj nebylo. Rozdíl proti dnešku byl jen v tom, že tehdy byl považován za hnojivo více méně z nouze a nikdo tehdy jeho hnojivé vlastnosti nepřeceňoval.

Ostatně byly k tomu logické důvody: Až 80 % znečišťujících látek splaškových odpadních vod připadá na moč a fekálie, jeden člověk produkuje denně průměrně 250 g fekálií s průměrnou sušinou 50 g, a protože denní potřeba vody je průměrně 150 l na 1 obyvatele za 1 den, je ve splaškové vodě průměrně asi 330 mg/l sušiny, která je z 90 % tvořena organickými látkami, a proto počítáme průměrně 300 mg/l organických látek ve splaškové vodě, v sušině (Pitter 1999). Sušinu fekálií tvoří hlavně lipidy, bílkoviny a polysacharidy a jejich rozkladné produkty. Větším zdrojem dusíku je moč, kterou jeden obyvatel produkuje asi 1 500 ml za den se sušinou 60 g. Tu tvoří 35 g organických a 25 g minerálních látek. Ve splaškové vodě tvoří sušina moče asi 400 mg/l, z toho je 230 mg/l organická a 160 mg/l minerální složka. Z organických látek tvoří největší podíl látky dusíkaté (16 g celk. N na 1 obyvatele a den), hlavně močovina. Mnohem méně je aminokyselin, kyseliny močové, kyseliny hippurové a dusíkatých heterocyklických sloučenin (Hamšík et al., 1962). Významnější je množství dusíku v minerální části sušiny moče, protože 1 obyvatel produkuje denně 0,58 g amoniakálního dusíku, a proto ve 150 l je kolem 4 mg N^-NH₄⁺/l. Kromě toho v tomto prostředí dochází k rychlé biochemické hydrolýze močoviny i aminokyselin a obsah vodorozpustného N-NH4+ dále ve splaškové vodě stoupá. Obecně po všech ztrátách a příjmech můžeme v surové splaškové vodě očekávat 25 – 45 mg/l N^-NH₄⁺ a 8 – 14 mg/l celkového fosforu, mechanickým předčištěním se tyto hodnoty sníží jen nepatrně (Wanner, 1995). Fosfor v množství 1,2 g/den na 1 obyvatele se u lidí a masožravých zvířat vylučuje více močí, než fekáliemi; u býložravců je tomu naopak. V moči je asi 800 mg/l P, převážně v minerální formě.

Předchozí odstavce mají přispět k představě, že obsahy živin ve splaškové vodě jsou i přes značné organické znečištění relativně velmi nízké, při oddělení kalu od vodného dispersního prostředí se dále velmi podstatně snižují. Při náhradě lidských fekálií a moče zvířecími exkrementy se situace ještě zhoršuje, protože člověk se dusíkem saturuje příjmem lidské stravy více, než zvířata. Také rostlinné zbytky a siláže nejsou bohatým zdrojem živin, a proto relativně nízké koncentrace živin v substrátech pro anaerobní digesci jsou pravidlem. Proto v kalech po anaerobní digesci nalézáme 1 – 4 % Ncelk v sušině, 0,7 – 1,2 % Pcelk v sušině, a to při obsahu 7 – 14 % sušiny snižuje koncentrace těchto živin v kalech s neupraveným obsahem vody zhruba desetkrát (Pitter, 1981). Hmotu s 0,1 – 0,4 % Ncelk při současné ceně nafty, vysoké ceně zemědělské techniky i lidské práce můžeme považovat za „výborné hnojivo“, jak tvrdí výrobci technologie, jen velmi obtížně.

Metanizací ve fermentoru dochází v substrátu k významným změnám. Organická sušina se redukuje o 45 – 65 %, C : N se mění z původních asi 18 : 1 až 12 : 1 na 8 : 1, okolo 90 % N-NH4+ přechází do kapalné fáze. Poměr C : N je zdánlivě mimořádně příznivý. Nelze ale zapomenout, že je běžně stanoven z hodnot C_tot a N_tot, bez ohledu na rozložitelnost materiálu. A ta se bohužel prudce zhoršuje.

Slyšíme-li tvrzení, že odpady z fermentorů jsou výborné hnojivo, je to velmi povrchní tvrzení. Především se musíme ptát, jaké je to hnojivo: minerální či organické? Všichni praktici budou tvrdit, že organické. Ale má-li být organická hmota označena jako organické hnojivo, musí splňovat základní požadavek: Musí být snadno mikrobiálně rozložitelná, aby byla schopna uvolnit pro půdní mikroorganismy potřebnou energii. Část této energie z exothermního procesu mineralizace pak může být převedena do endothermního procesu humifikace. Humusové látky svojí sorpční a hlavně iontovýměnnou kapacitou rozhodujícím způsobem ovlivňují nejen eluci živin z půdy, ale i samočistící funkci půdy při kontaminaci xenobiotickými polutanty, tvorbu organo-minerálních komplexů půdních agregátů a mnoho dalších faktorů, které jsou významné pro potenciální půdní úrodnost. Produktivita humifikace závisí na poměru volné energie, vznikající v aerobních procesech transformace půdní organické hmoty, k produkci nízkomolekulárních organických sloučenin, které jsou prekursory humusu a vznikají hlavně v anaerobních procesech transformace.

Dalším kladem jsou minerální živiny, uvolněné při rozkladu organické hmoty. Ale když se organická látka oxidačně nerozkládá, nemůže uvolnit minerální živiny.

K pokusům jsme použili ideální směs kejdy prasat a primárního kalu z kanalizační čistírny, kterou jsme podrobili anaerobní digesci. Výsledky uvádí tab. I.

I. Analýza v pokusech použité kejdy prasat a použitého primárního kalu, směsi kejdy prasat a primárního kalu před methanizací ve fermentoru a po methanizaci v % sušiny (Kejda prasat a primární kal byly míchány do anaerobní digesce v objemovém poměru 1 : 1.) (Počet vzorků n = 6, interval spolehlivosti průměru pro hladinu významnosti α = 0,05.)

		Kejda prasat	Primární kal	Směs kejdy a kalu před methanizací	Směs kejdy a kalu po methanizaci
Organické látky OL		65,1 ± 2,6	62,7 ± 2,4	64,1 ± 2,4	36,9 ± 1,5
Celkové živiny	N	6,2 ± 0,2	2,6 ± 0,1	3,9 ± 0,2	3,1 ± 0,1
	P	1,6 ± 0,1	0,7 ± 0,0	1,1 ± 0,0	1,3 ± 0,1
	K	2,3 ± 0,1	0,2 ± 0,0	1,2 ± 0,0	1,2 ± 0,0
	Ca	2,8 ± 0,1	2,6 ± 0,1	2,5 ± 0,1	2,8 ± 0,1

Hodnoty obsahů živin jsou nízké, a to jsou uváděny ještě v sušině. Tekutou a pevnou fázi digestátu jsme oddělili a rozložitelnost pevné fáze jsme sledovali rozdělením rozložitelnosti do 3 tříd podle hydrolyzovatelnosti metodou dle Roviry et Vallejo. Výsledky uvádí tab. II.

Výsledky hydrolýzy v tab. II dokazují, že kejda prasat má v LP I (nejlabilnější frakce dle metodiky Roviry et Vallejo (2000, 2002)) 59 % svého celkového uhlíku, to je labilita značná a podle Shirata et Yokozawy (2006) odpovídá hydrolyzovatelnosti obilovin a trav. Primární čistírenský kal je z tohoto pohledu ještě lepší a dosahuje téměř 70 % C v LP I. Stupeň lability směsi kalu a kejdy je relativně vysoký a odpovídá poměru složek. Po methanizaci však obsah uhlíku v LP I směsi kalu a kejdy klesá na méně než třetinu původního množství a uhlík nehydrolyzovatelných látek se zvyšuje ve frakci RP (stabilní, obtížně rozložitelná organická frakce) dokonce téměř čtyřikrát. Součet LP I a LP II (středně labilní frakce), tedy labilní, rozložitelnou frakci uhlíkatých látek směsi kalu a kejdy prasat snížila anaerobní digesce z 83 % na 34 %, tedy zhruba o 50 %. Tyto rozdíly jsou obrovské a dokazují, že i při nižším snížení obsahu organických látek při anaerobní fermentaci (v našem experimentu o 39 %) jsou hlavně velmi labilní organické látky anaerobním procesem velmi silně destruovány.

II. Rozdělení uhlíku do tří skupin hydrolyzovatelnosti podle Roviry et Vallejo (2002) ve sledovaných materiálech (Počet vzorků n = 4, interval spolehlivosti průměru pro hladinu významnosti α = 0,05.) (Materiály byly použity včetně tekuté frakce.)

Materiál	Procentické zastoupení
	LP I	LP II	RP
Primární čistírenský kal	68 ± 5	23 ± 2	9 ± 1
Kejda prasat	59 ± 5	15 ± 2	26 ± 2
Směs primárního kalu a kejdy prasat v obj. poměru 1 : 1	63 ± 5	20 ± 2	17 ± 1
Směs primárního kalu a kejdy prasat v obj. poměru 1 : 1 po methanizaci	18 ± 2	16 ± 1	66 ± 5

LP I = nejlabilnější frakce dle metodiky Roviry et Vallejo (2000, 2002); LP II = středně labilní frakce; RP = stabilní, obtížně rozložitelná organická frakce

V pevné fázi digestátu jsme dále sledovali obsah jednotlivých skupin organických látek a frakcionaci organického uhlíku podle Chana (2001) po fermentaci s písčito-hlinitou kambizemí.

Také výsledky inkubace pevné fáze kalu, kejdy prasat a jejich směsí před a po anaerobní fermentaci inkubované se zeminou při 25 °C a zjištěné obsahy lipidů, hrubého proteinu, hemicelulóz, celulózy, ligninu, celkového dusíku a sušiny, nerozpustné v horké vodě, dokazují totéž (tab. III) a k stejnému jednoznačnému závěru vedou i výsledky frakcionace lability organické hmoty sledovaných variant po dvacetitýdenní inkubaci se zeminou podle Chana et al. (2001), uvedené v tab. IV. Srovnáním výsledků v tab. II a IV je zřejmé, že vlivem činnosti mikroorganismů přidané zeminy při inkubaci došlo i k rozkladu obtížně hydrolyzovatelné organické hmoty - rozdíly nejstabilnějších frakcí F 3 a F 4 v tab. IV jsou po anaerobní fermentaci vyšší zhruba o 73 %, zatímco obsah nehydrolyzovatelné frakce při působení pouhé kyselé chemické hydrolýzy se anaerobní fermentací zhoršil zvýšením zhruba o 290 %. To však nic nemění na faktu, že ani půdní mikroorganismy nejsou schopny anaerobně fermentovaný kal významně zpřístupnit rozkladu, jak dokazuje více než 3/4 celkového uhlíku ve frakci 4.

III. Obsah vybraných organických látek (%) a iontovýměnná a pufrační kapacita pevné fáze primárního kalu (A), kejdy prasat (B), směsi kalu a kejdy prasat 1 : 1 před fermentací (C) a po fermentaci (D) před a po 20 týdnech inkubace s písčitohlinitou ornicí kambizemě v poměru 3 : 1 při 25 °C v sušině (Počet vzorků n = 4 (suš. rozp. v horké vodě n = 7), interval spolehlivosti průměru pro hladinu významnosti α = 0,05.)

	I Před inkubací (25 °C)
	A	B	C	D
Lipidy (látky extrahova- telné petroletherem) [%]	8,60 ± 0,69	14,27 ± 1,14	10,82 ± 0,86	2,01 ± 0,15
Bílkoviny (Berstein) [%]	13,43 ± 1,30	17,95 ± 1,62	15,31 ± 1,60	8,50 ± 0,93
Hemicelulózy [%]	1,82 ± 0,19	5,03 ± 0,73	3,32 ± 0,61	0,70 ± 0,60
Celulóza [%]	7,45 ± 0,92	11,18 ± 1,33	9,61 ± 1,05	6,03 ± 0,95
Ligniny [%]	4,84 ± 0,62	5,16 ± 0,84	4,99 ± 0,75	5,18 ± 0,92
Celkový N [%]	1,59 ± 0,06	2,70 ± 0,11	2,29 ± 0,10	1,07 ± 0,04
Sušina nerozpustná v horké vodě [%]	98,25 ± 2,94	98,26 ± 2,95	98,25 ± 2,95	98,23 ± 2,92
Iontovýměnná kapacita [mmol chem.ekv./kg]	48 ± 3	55 ± 3	53 ± 3	145 ± 9
Pufrační kapacita [mmol chem.ekv./kg]	62 ± 4	69 ± 4	65 ± 4	157 ± 9
	II Po inkubaci (25 °C)
	A	B	C	D
Lipidy (látky extrahova- telné petroletherem) [%]	7,97 ± 0,65	13,50 ± 1,09	10,39 ± 0,85	2,08 ± 0,17
Bílkoviny (Berstein) [%]	11,81 ± 1,20	16,10 ± 1,53	13,89 ± 1,42	8,50 ± 0,98
Hemicelulózy [%]	1,43 ± 0,11	4,23 ± 0,51	2,89 ± 0,30	0,69 ± 0,10
Celulóza [%]	5,42 ± 0,82	9,27 ± 0,98	7,96 ± 0,94	6,05 ± 0,83
Ligniny [%]	4,83 ± 0,91	5,18 ± 1,07	4,98 ± 0,84	5,20 ± 0,91
Celkový N [%]	1,51 ± 0,06	2,50 ± 0,11	2,14 ± 0,09	1,08 ± 0,05
Sušina nerozpustná v horké vodě [%]	89,05 ±  2,67	85,17 ± 2,60	87,26 ± 2,58	98,20 ± 2,93
Iontovýměnná kapacita [mmol chem.ekv./kg]	50 ± 3	61 ± 4	55 ± 4	168 ± 10
Pufrační kapacita [mmol chem.ekv./kg]	65 ± 4	72 ± 4	70 ± 4	179 ± 11

IV. Frakcionace organického uhlíku (g/kg) primárního kalu, kejdy prasat, směsi kalu a kejdy 1 : 1 před fermentací (A) a po fermentaci (B) ve směsi s písčitohlinitou kambizemí (3 : 1) v sušině po 20 týdnech inkubace při 25°C modifikovanou Walkley-Blackovou metodou podle Chana et al. (2001) se změnou koncentrace H₂SO₄. (V závorce uvedené hodnoty jsou % C frakce z celkového uhlíku sušiny.) [Počet vzorků n=5, interval spolehlivosti průměru pro hladinu významnosti α=0,05]

	Nefermentovaný primární kal	Nefermetovaná kejda prasat
Frakce 1 (12 N H2SO4)	59,84 ± 7,18 (32,00)	55,38 ± 6,52 (28,40)
Frakce 2 (18 N – 12 N H2SO4)	42,45 ± 5,13 (22,70)	35,76 ± 4,26 (18,34)
Frakce 3 (24 N – 18 N H2SO4)	27,34 ± 3,28 (14,62)	20,18 ± 2,53 (10,35)
Frakce 4 (TOC = 24 N H2SO4)	57,37 ± 6,85 (30,68)	83,67 ± 10,01 (42,91)

 

	Směs A	Směs B	Samotná zemina
Frakce 1 (12 N H2SO4)	54,09 ± 6,50 (30,05)	2,65 ± 0,30 (2,60)	1,30 ± 0,17 (7,22)
Frakce 2 (18 N – 12 N H2SO4)	34,22 ± 4,10 (19,01)	9,28 ± 1,10 (9,07)	0,80 ± 0,09 (4,44)
Frakce 3 (24 N – 18 N H2SO4)	20,30 ± 2,42 (11,28)	11,13 ± 1,33 (10,91)	3,70 ± 0,44 (20,56)
Frakce 4 (TOC = 24 N H2SO4)	71,39 ± 8,55 (39,66)	78,97 ± 9,40 (77,42)	1,22 ± 1,42 (67,78)

To nás vede k překvapivému závěru, že kaly jako odpad z procesů anaerobní digesce jsou hnojivem spíše minerálním, než organickým a že z hlediska užití jako organické hnojivo jsou mnohem méně jakostním materiálem, než výchozí suroviny. O zušlechtění organického materiálu anaerobní digescí nelze vůbec mluvit. Jejich kapalná fáze spíše se dá pokládat za hnojivo, než fáze pevná. Bereme-li je jako hnojivo v obecném pojetí, nelze snad protestovat, protože kromě mírně vyššího obsahu minerálních, rostlinám přístupných živin (převážně dusíku) mají vyšší iontovýměnnou kapacitu a vyšší pufrační kapacitu, než materiál před anaerobní fermentací, tento přírůstek je však prakticky málo významný.

Srovnávat fugát či digestát s kejdou skotu je také nesmysl. Kejda skotu má sice jen 0,4 % dusíku v kapalném stavu, pro digestát vyhláška č. 474/2000 Sb. vyžaduje minimálně 0,6 % dusíku, ale to jsou dusíky celkové! Na rozdíl od digestátu kejda má 50 – 60 % tohoto dusíku ve formě minerální, tedy rostlinám přístupné, ostatní je sice organický, ale na rozdíl od digestátu snadno hydrolyzovatelný dusík, který brzy přechází na dusík minerální.

V práci jsme pokračovali studiem substrátu, který je pro nově zřizované české BPS typický – se směsí kejdy skotu, kukuřičné siláže a travní senáže (37,5 % + 51,6 % + 10,9 %), který používá nová BPS v Chotýčanech u Českých Budějovic. Při svém výkonu 526 kW a denní dávce do fermentoru 46 t a prakticky stejné produkci digestátu je denní produkce minerálního dusíku zhruba 40 kg, což za rok představuje téměř 15 t dusíku. To je sice hodnota lákavá, ale digestát má 2,95 % celkového dusíku, včetně přebytku pomalu hydrolyzujícího organického dusíku, rostlinám prakticky nepřístupného.

Naše výsledky anaerobní digesce (42 dnů, 40 °C) uvádí tab. V a tab. VI.

V. Obsah celkových živin po anaerobní digesci (42 dní, 40 °C) v digestátu, v jeho kapalné fázi a obsah minerálních živin po anaerobní digesci (42 dní, 40 °C) v kapalné fázi digestátu (Počet vzorků n = 4, interval spolehlivosti průměru pro hladinu významnosti α = 0.05.)

Digestát		Kapalná fáze digestátu		Kapalná fáze digestátu
Ntot	3,28	2,43	Nminer	0,32 ± 0,03
Ptot	0,87	0,35	Pminer	0,05 ± 0,00
Ktot	4,20	2,39	Kminer	0,31 ± 0,04
Catot	1,16	0,25	Caminer	0,03 ± 0,00
Mgtot	0,43	0,11	Mgtot	0,01 ± 0,00

VI. Procentické zastoupení třech skupin hydrolyzovatelnosti dle Roviry et Vallejo v pevné fázi substrátu A před anaerobní digescí (A1) a po anaerobní digesci (A2)

Pevná fáze substrátu	Procentické zastoupení
	LP I	LP II	RP
A1	43 ± 8	41 ± 7	16 ± 2
A2	22 ± 4	20 ± 3	58 ± 8

Z tab. V je zřejmé, že v digestátu našeho zařízení bylo více dusíku, než v Chotýčanské stanici. Z rozdílu obsahů živin celkových a iontových je zřejmé, že pevná fáze obtížně rozložitelné organické hmoty substrátu zadržuje celkem značné množství živin a do kapalné fáze se přístupných minerálních živin dostává sice nezanedbatelné množství, ale bohužel v ohromném zředění.

Výsledky v tab. VI dokazují už známou skutečnost, že rozložitelnost organické hmoty substrátu se anaerobní digescí prudce zhoršuje, rozdíl nejlabilnější skupiny LP I je téměř 50 % a LP II ještě větší, stabilní frakce se anaerobní digescí zvýšila 3,6x.

Závěr

Digestát není hnojivo organické, protože proces anaerobní digesce zanechal v surovině jen stabilní organické látky. Znakem organického hnojiva je schopnost rychlého rozkladu, aby hnojivo mohlo poskytnout energii půdním mikroorganismům. Je to jen slabé hnojivo minerální, protože obsahuje jen málo minerálních živin (dusík a draslík), a to v přebytku vody.

Praxe je mystifikována údaji o obsahu dusíku v sušině, a považuje tento údaj za obsah v reálném odpadu. V jeho pevné části (separátu) je organický dusík, rostlinám nepřístupný. Jestliže se separát v půdě hydrolyzuje velmi pomalu, může i tento dusík mineralizovat jen pomalu a v zimě se zpravidla vyplaví.

V kapalné části digestátu (fugátu) je sice dusík minerální, rostlinám přístupný. V sušině fugátu ho může být až 10 %. Ale obsah sušiny fugátu je jen 1 – 3 %, tj. obsah dusíku v kapalném fugátu je jen 0,15 – 0,30 %.

Při zvýšení cen dusíku hnojiv v letech 2007-2008 o 100 – 125 % a současné průměrné ceně 1 kg N = 40 Kč je hodnota 1 l fugátu jen 6 haléřů. Abychom pohnojili půdu dávkou 200 kg N/ha, museli bychom na 1 ha aplikovat 100 m3 fugátu, tj. při cisterně obsahu 10 m³ bychom jeli na 1 ha 10x. To při současné ceně nafty u vzdálenějších pozemků by byl problém.

Příspěvek byl řešen v rámci výzkumného záměru MSM 6007665806.

Použitá literatura je k dispozici u autorů.

Tento článek byl publikován v rámci spolupráce s Českou zemědělskou univerzitou v Praze, Katedrou agroenvironmentální chemie a výživy rostlin u příležitosti konání konference Racionální použití hnojiv.

Tweet

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?

Jak získat udržitelnou biomasu