Emise metanu ze zemědělské činnosti

Článek je převzat ze sborníku z mezinárodní vědecké konference "Zemědělská a zahradnická technika z hlediska environmentální politiky státu", která se konala 29.-30. kvetna 2003 v Lednici.

Abstract

Methane emission of agronomicpractise

Greenhouse gases emissionare very monitoring category of drag gases by now. Agriculture produce quantity of methane emission, which is necessary (according international obligation) reduce to year 2010 by 8 %. This is a reason of research beginning about methane emission reducing. In the first part of research was made their stocktaking. Results are noted in contribution.
Key words: Methane emission, Methane emission stocktaking

Abstrakt

Emise skleníkových plynů jsou v současné době velmi sledovanou skupinou zátěžových plynů. Zemědělství produkuje velké množství metanu (CH₄), které je nutné v rámci mezinárodních závazků ČR snížit do r. 2010 o 8 %. Proto bylo započato s výzkumem možností snížit emise metanu a v první části výzkumu byla provedena jejich inventura.
Klíčová slova: Emise metanu, inventura emisí metanu.

1. Úvod

Zemědělství je nejen významným producentem toxického amoniaku, ale při zemědělské činnosti vzniká i celá řada dalších plynů, zvláště pak metan CH₄, CO₂, CO, N₂O, NO_x, H₂S a další odérové plyny. Nejznámějšími zdroji z celého spektra zemědělské výroby jsou v živočišné výrobě chov skotu, prasat, ovcí, koz, drůbeže, skladování a manipulace s chlévským hnojem, kejdou a drůbežím trusem. V rostlinné výrobě je významným zdrojem proces kompostování a používání pesticidů a herbicidů.

2. Fyziologické základy gastrointestinálních fermentačních procesů a hlavní vlivy, usměrňující výši vzniku jejich produktů [1].

Fermentační děje v organismu hospodářských zvířat probíhají jak ve fázi žaludečního zpracovávání přijaté potravy, tak i při jejím dalším průchodu celou navazující střevní trubicí a to specificky v úsecích tenkého a posléze i tlustého střeva. Podstatnou odlišností je charakter a průběh gastroenterální fermentace u monogastrických a naproti tomu u polygastrických živočichů. Velice specifické znaky, vlastnosti a posléze i produkty takového procesu vykazuje kategorie ptáků (hrabavá i vodní drůbež).

U monogastrických druhů dochází v žaludku ke trávení sacharidů, škrobu i bílkovinných struktur. Na celém tomto procesu se podílejí nejenom humorální fenomény enzymatických složek, ale i specifická a často i druhově významně odlišená mikroflóra zažívací trubice. Její biochemická aktivita při procesu rozkladu přijaté potravní směsi ve hmotě procházející zažitiny je doprovázena tvorbou celé skupiny organických plynů. Ty za normálních okolností ze zažívacího traktu plynule odcházejí per vias naturales, (tj. oběma konci zažívací trubice a případně i dechem), pouze za patologických krizí (meteorismus při bouřlivém metanovém kvašení obsahu žaludku, případně někdy i tlustého střeva) musí být jejich odvod chirurgicky upravován umělými cestami. Zmiňované plyny jsou organickou součástí běžného procesu trávení a zažívání. Významně odlišen je tento postup u plygastrických živočichů, jmenovitě u přežvýkavců. Ti - na rozdíl od ostatních býložravých organismů – přijímají zřetelně větší kvanta potravní hmoty (krmiva), které zpracovávají především ve složité struktuře třech předžaludků a vlastního žaludku. Teprve následně a v relativně menší míře dochází k trávení v tenkém střevě a hlavně pak v kolónu.

Mikroorganismy se aktivně a ve značném rozsahu účastní procesu biochemické dekompozice přijaté potravy, a to jak v oblasti předžaludků (bachor, čepec a kniha) a žaludku (sléz), tak i v poměrně dlouhém úseku obou druhů střev. Jejich početní zastoupení ve zpracovávané zažitině je tak významné, že dle literárních údajů tvoří asi 10 % tekutého obsahu bachoru. Působí však průběžně i v celém rozsahu tenkého a zejména pak velmi intenzívně v celém tlustém střevě.

Pozoruhodnou a velmi významnou kategorií zde jsou tzv. bakterie celulózového štěpení (Bact. succionogenes, Ruminococcus, Cillobacterieae a Clostridia). Neméně důležitou a funkčně nenahraditelnou je i skupina saprofytických bachorových nálevníků. U ptáků (u drůbeže) je chemismus a jmenovitě pak biochemismus zažívání a trávení podstatněji odlišen. Jednak digestivního traktu a posléze i specifičností vlastního délka celé zažívací trubice mimořádně dlouhá, je u ptáků naopak mimořádně krátká. Proto proces gastroenterální exploatace musí být velmi rychlý, efektní a intenzívní.

Rámcově tedy lze problematiku produkce CH₄ z fyziologických procesů uvnitř těl hospodářských a domácích zvířat zjednodušit a prezentovat následovně:

Zatímco v žaludeční sféře dochází zejména ke vzniku a uvolňování metanu (CH₄) a oxidu uhličitého (CO₂) a u přežvýkavců v bachorovém úseku dokonce i čpavku (NH₃), je oblast střeva, jmenovitě pak střeva tlustého, masivním zdrojem především čpavku a metanu s doprovodem dalších, méně významných, plynů a těkavých látek. Ty se podílejí na pachové specifikaci exkrementů.

V luminu tlustého střeva se při přeměně potravní hmoty v použitelné živiny prostřednictvím souboru enzymů a také prostřednictvím mikrobiální aktivity uvolňuje oxid uhličitý (CO₂), metan (CH₄), vodík (H), dusík (N) a dobře orgnolepticky patrný sirovodík (H₂S).

Určitý podíl těchto těkavých látek z těla odchází jednak za fyziologických poměrů a jednak ve stavu funkčních poruch organismu rovněž dechem.

Shrneme-li předchozí úvahy, můžeme urči, že zdrojem emisí CH₄ je:

I. Zdrojem jsou vlastní zdravé živočišné organismy:

1. procesem zažívání a trávení v digestivním ústrojí,

2. procesem extrakorporálních rozkladů exkrementů,

3. procesem dýchání (exhalace).

II. Zdrojem jsou nemocné živočišné organismy:

1. procesem patologického trávení a zažívání,

2. procesem extrakorporálních rozkladů chorobou pozměněných výkalů,

3. procesem patologické plicní ventilace (exhalace).

III. Zdrojem jsou technologie, přímo navazující na chov:

1. evaporací CH₄ z krmivových komponent (konzervovaných),

2. odparem a odvětráváním asanačních médií,

3. dalšími – vedlejšími – technologiemi živočišné výroby.

IV. Navazující zdroje CH₄ v živočišné výrobě:

1. polní a statková hnojiště,

2. močůvkové a kejdové jímky,

3. senážní a silážní jámy a věže,

4. kafilerní boxy a trezory.

Provedeme-li porovnání emisní bilance za r. 1995 a 2002, zjistíme, že poklesem stavu hospodářských zvířat došlo k celkovému snížení emisí. (Tab. č. 1, Tab. č. 2). Porovnáním zjistíme, že došlo ke snížení o 91,118 kt CH₄. Přesto je celoroční celkové množství metanu poměrně vysoké. V porovnání s podstatně více sledovaným plynem – amoniakem (Tab. č. 3) je nutné, stejně jako to bylo u amoniaku, důsledněji zavádět „snižující technologie“ pro omezení emisí metanu.

Výzkum a vývoj „snižujících technologií“ se musí zaměřit především na následující oblasti:

1. Redukce tvorby plynů v zažívacím traktu a výkalech vlivem výskytu metabolických poruch (alkolózy, acidózy, ketózy) – předpokládá se, že tímto způsobem je možné snížit emise až o 15 %.
2. Redukce tvorby plynů v zažívacím traktu a výkalech likvidací saprofytické mikrobiální flory v zažívadlech léčebnou aplikaci xenobiotik, tj. antibiotik, sulfonomadiů, antiperazitik, - předpoklad snížení emisí až o 10 %.
3. Redukce tvorby plynů v zažívacím traktu a výkalech změnami krmných dávek – předpoklad snížení emisí až o 10 %.
4. Redukce tvorby plynů v zažívacím traktu a výkalech v důsledku mikroklimatických změn (ochlazení) – předpoklad snížení emisí až o 5 %.
5. Omezení emise metanu u nuceně větraných stájí (prasata, drůbež) využitím biofiltru – předpoklad snížení emisí o 20 – 40 %.
6. Omezení emisí metanu ze skládek chlévského hnoje, kejdy ošetřením enzymatickými látkami – předpoklad snížení emisí o 35 – 50 %.

Možnosti snížení emisí bod 5., 6. je však nutné experimentálně ověřit a provést ekonomické vyhodnocení.

Manipulace s chlévským hnojem, kejdou a ostatními organickými zbytky přináší poměrně velké úniky metanu do ovzduší. Jednou z možností, jak snížit emise metanu je proces kompostování, který výrazně snižuje tvorbu metanu při přeměně organických odpadů na humus.

Omezení emisí metanu procesem rychokompostování [2]

Kompost je všestranné statkové hnojivo obsahující všechny druhy rostlinných živin včetně humusových a půdotvorných látek oživeným edafonem. V současné době se vyrábí buď klasickým způsobem na zemědělských závodech, nebo procesem rychlokompostování na malých hromadách faremní kompost.

Proces rychlokompostování umožňuje významně snížit emise metanu. Při výrobě kompostu lze zužitkovat nejrůznější odpadní materiály, vyskytující se nejen v zemědělství, ale i v komunálních službách. Dobrý kompost musí být složen z minerálních látek (např. z dobré zeminy), organických látek (rašeliny, rostlinných zbytků, natě apod.) a jejich směs oživena. Aby tyto složky na sebe mohly působit co nejúčinněji, mají být ještě před zakládáním kompostu dobře rozmělněny a smíchány, aby jejich styčný povrch byl co největší.

Kompostování je biologický proces. Je to aerobní termofilní samozáhřevný biologický rozklad biologicky degradovatelného materiálu. Při kompostování přeměňují mikroorganismy surový materiál na humus a jeho složky. Řádné kompostování vyvíjí dostačující teplo k ničení semen plevelů, patogenních baktérií, redukuje obsah vody a objem materiálu.

Je to jednoduchý proces ovlivňovaný základními podmínkami prostředí, které ovlivňují všechny biologické činnosti. Při procesu zrání kompostu vznikají plynné emise. Při experimentech byly zjištěny následné plynné emise: N₂O, NO, NH₃, CH₄, CO, CO₂, H₂S. Je zřejmé, že obsah plynných emisí se bude lišit podle jednotlivých komponent pro kompost použitých, ale je optimální dodržet poměr C : N 30 : 1.

Při experimentech bylo zjištěno, že na 1t sušiny kompostu je při klasickém způsobu kompostování (doba kompostování cca 12 měsíců, 2x překopávka) vyprodukováno 6 kg metanu. Při rychlokompostování, při kterém je kompost vyroben za 8 – 12 týdnů a provedeno cca 8 překopávek se množství vyprodukovaného metanu sníží o polovinu, tj. na 3 kg za rok. Je zajímavé také porovnat množství metanu a amoniaku po překopávce. Tento vztah ukazují grafy č. 1 a 2 při experimentech prováděných na kompostárně ve Velkých Přílepech. Experimenty byly prováděny v rámci mezinárodní spolupráce při řešení problematiky omezení emisí plynů ze zemědělské činnosti se spolupracovníky ze SRN jejich přístrojem na principu fotoakustické spektroskopie (FAS) Brüel Kjaer 1302.

Pro porovnání naměřených hodnot po překopávce kompostu je zřejmé, že v průběhu několika hodin se únik emisí snižuje, metan se na rozdíl od amoniaku stále částečně vyvíjí. Po každé překopávce se však snižuje maximální dosažená hodnota emisí, až ke konci procesu se již žádný amoniak ani metan netvoří. Z těchto měření lze celkem dobře usoudit na rychlost přeměny organických odpadů na humusové látky.

Závěr

Emise metanu ze zemědělské činnosti poměrně výrazně ovlivňují životní prostředí. I když dochází redukcí stavů hospodářských zvířat k jejich omezování, přesto by bylo vhodné jim věnovat patřičnou pozornost a stejně jako u amoniaku navrhnout a ověřit „snižující technologie“ chovů hospodářských zvířat. Spolu s metanem bude nutné se intenzivně věnovat i problematice dalších skleníkových plynů ze zemědělské činnosti, aby byly dodrženy mezinárodní závazky ČR k jejich snižování.

Literatura

1. Jelínek,A.; Vostoupal, B.: Stanovení emisí VOC ze zemědělské činnosti v Č“. Studie, VÚZT Praha, září 1996.
2. Jelínek, A.; Plíva, P.: Omezení vlivu emisí toxických plynů ze stájí na životní prostředí. Výroční zpráva za řešení projektu EP0960006510. VÚZT Z-2357, 1999.
3. Jelínek, A.: Kvalitativní a kvantitativní analýza nejnovějších zdrojů, dotčených závazky protokolu ACETO a Legislativy EU“. Zpráva za etapu 2., VÚZT, říjen 2000.

Obr. 2: Koncentrace metanu

Tweet

Odpadové hospodářství: Pozitivní trendy a výzvy do budoucna

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