Parametry składowania obornika a wielkość emisji gazowych – Marcin Pietrowski, Zbyszek Zbytek, Anna Smurzyńska, Andrzej Lewicki

Pełen tekst

(1)1. 2. 1. mgr in¿. Marcin PIETROWSKI , dr hab. in¿. Zbyszek ZBYTEK , prof. nadzw., mgr in¿. Anna SMURZYÑSKA , 1 dr in¿. Andrzej LEWICKI 1 Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu 2 Przemys³owy Instytut Maszyn Rolniczych, Poznañ data przyjêcia: 2017-01-25; data akceptacji: 2017-02-22 e-mail: pietrowskim@yahoo.com. PARAMETRY SK£ADOWANIA OBORNIKA A WIELKOŒÆ EMISJI GAZOWYCH Streszczenie Sk³adowany obornik mo¿e byæ Ÿród³em emisji licznych gazów, wœród których do najwa¿niejszych nale¿y zaliczyæ CH4, NxO, NH3, CO2 czy H2S. Z uwagi na skalê produkcji obornika w Polsce (szacowan¹ nawet na blisko 80 mln ton), wielkoœæ emisji gazowych mo¿e byæ bardzo du¿a. St¹d tak wa¿ne jest stosowanie prawid³owych zasad sk³adowania obornika w pryzmach. W pracy przedstawiono najwa¿niejsze parametry sk³adowanych pryzm obornika wp³ywaj¹ce na wielkoœæ emisji poszczególnych gazów, ze szczególnym uwzglêdnieniem najsilniejszego gazu cieplarnianego emitowanego z obornika, czyli metanu (CO2 ulatniaj¹cy siê z obornika nie jest traktowany jako gaz cieplarniany). S³owa kluczowe: obornik, sk³adowanie, emisje gazowe Wstêp W wiêkszoœci krajów Europy Zachodniej system rusztowy hodowli zwierz¹t jest dominuj¹cy nad systemem œció³kowym [6]. W efekcie wiêkszoœæ nawozów naturalnych jest produkowana w postaci gnojowicy. Tymczasem w Polsce - odmiennie ni¿ w Europie Zachodniej - dominuje wyraŸnie system œció³kowy, st¹d na blisko 100 mln ton nawozów naturalnych produkowanych w kraju a¿ ok. 80 mln ton to obornik lub pomiot drobiowy. Z punktu widzenia emisji gazowych nieodpowiednio sk³adowany obornik mo¿e emitowaæ do atmosfery znacznie wiêksz¹ iloœæ gazów ni¿ sk³adowana gnojowica. Niniejszy artyku³ przedstawia najwa¿niejsze parametry wp³ywaj¹ce na wielkoœæ emisji gazowych ze sk³adowanego obornika. Prawid³owe metody sk³adowania obornika Obornik produkowany w gospodarstwach sk³adowany jest najczêœciej w pryzmach ulokowanych na p³ytach gnojowych lub bezpoœrednio na gruncie [4]. Z uwagi na zakaz stosowania obornika w okresie zimowym, jak te¿ na pola zalane lub pokryte œniegiem, okres przechowywania trwa niekiedy nawet 4-5 miesiêcy. W tym czasie sk³adowany obornik jest Ÿród³em emisji gazowych, wœród których do najwa¿niejszych nale¿y zaliczyæ emisjê gazów cieplarnianych (GHG), takich jak: CH4, N2O oraz NH3, CO2 i H2S [8]. Nale¿y przy tym zauwa¿yæ, ¿e dwutlenek wêgla emitowany z rozk³adu biomasy (jak¹ jest obornik) nie jest wliczany w zakres emisji GHG, stanowi on bowiem cykl obiegu wêgla w przyrodzie (emitowany CO2 zosta³ wczeœniej zasymilowany przez roœliny z atmosfery). Je¿eli natomiast obornik sk³adowany jest w warunkach beztlenowych i efektem tego jest emisja metanu, wówczas zwi¹zek ten traktowany jest jako silny gaz cieplarniany [2]. Badania prowadzone w latach 2010-2013 w ramach projektu MNiSW „Technologie redukcji emisji metanu z produkcji zwierzêcej i gospodarki nawozami naturalnymi w kontekœcie op³at za emisje gazów cieplarnianych (GHG)” wykaza³y, ¿e sk³adowany obornik jest Ÿród³em bardzo silnej i niedoszacowanej emisji metanu [3]. W celu unikniêcia wyst¹pienia silnych emisji gazowych, bardzo wa¿ne jest prawid³owe przechowywanie obornika, które dotyczy przede wszystkim maksymalnego obni¿enia jego mo¿liwoœci kontaktu z otoczeniem (powietrzem atmosferycznym). Mo¿na to uzyskaæ formuj¹c obornik w pryzmy o du-. 22. ¿ej szerokoœci, wysokoœci i trapezoidalnym przekroju, ugniataj¹c obornik natychmiast po u³o¿eniu go w pryzmê w celu wypchniêcia powietrza z jego wnêtrza. Bardzo korzystne jest okrywanie pryzm obornika z wykorzystaniem nieprzepuszczalnych dla powietrza okryæ (np. z folii budowlanej). Alternatywnymi technologiami, redukuj¹cymi skutecznie zw³aszcza emisjê metanu do atmosfery jest kompostowanie obornika oraz jego fermentacja w biogazowniach. Czynniki wp³ywaj¹ce na emisje gazowe z obornika Do najwa¿niejszych czynników wp³ywaj¹cych na emisje gazowe z obornika jest masa usypowa formowanych pryzm zwi¹zana z ich ugnieceniem lub brakiem, wilgotnoœæ/sucha masa obornika wp³ywaj¹ca na stosunki wodno-powietrzne we wnêtrzu pryzmy, temperatura pryzmy i otoczenia. Istnieje tak¿e wiele innych czynników maj¹cych wp³yw na emisje gazowe, które s¹ lub by³y przedmiotem licznych badañ. Masa usypowa Masa usypowa jest parametrem, który ma bardzo du¿y wp³yw na emisje gazowe z obornika, zw³aszcza gdy pryzma nie zostanie odpowiednio ugnieciona. Nale¿y podkreœliæ, ¿e nieprawid³owe, niedba³e uformowanie pryzm obornika (zw³aszcza o du¿ej zawartoœci s³omy dodawanej do œció³ki, powy¿ej 4 kg/DJP/dzieñ) powoduje zmniejszenie ich masy usypowej do poziomu poni¿ej 500 kg·m-3. Taki niedostateczny poziom ugniecenia powoduje powstanie warunków do biernej aeracji. W konsekwencji powietrze dostaj¹ce siê do obornika umo¿liwia rozwój bakteriom tlenowym, które zaczynaj¹ rozk³adaæ materiê organiczn¹. Produktami rozk³adu jest woda, dwutlenek wêgla oraz du¿a iloœæ ciep³a. Rozk³ad obornika, bêd¹cego wysoko energetycznym materia³em, w warunkach tlenowych wytwarza oko³o 50 razy wiêcej energii w formie ciep³a ani¿eli rozk³ad w warunkach beztlenowych - wówczas bowiem energia jest wydzielana w formie metanu, bêd¹cego pochodn¹ dzia³ania metanogenów. St¹d w przypadku braku odpowiednio du¿ego zagêszczenia obserwuje siê szybki wzrost temperatury, gdy¿ ju¿ w ci¹gu 2448 h po uformowaniu niedbale u³o¿onej pryzmy temperatura jej wnêtrza mo¿e osi¹gn¹æ poziom 40-55oC. W efekcie konsumpcja tlenu zwiêksza siê kilkukrotnie wskutek wzrostu liczby i aktywnoœci mikroorganizmów. Jeœli masa usypowa pryzmy wynosi poni¿ej 420-450 kg·m-3 (co jest mo¿liwe w przypadku. TECHNIKA ROLNICZA OGRODNICZA LEŒNA. 7 1/2017.

(2) obornika o du¿ej zawartoœci s³omy - powy¿ej 5 kg/DJP/dzieñ i braku jakiegokolwiek ugniecenia) wówczas mo¿liwoœci biernej wentylacji pryzmy s¹ na tyle du¿e, ¿e mo¿e rozpocz¹æ siê proces quasi kompostowania. Temperatura mo¿e wzrosn¹æ nawet do 70°C i w efekcie wystêpuj¹ silne emisje CO2, pary wodnej oraz NH3. Mo¿e wystêpowaæ równie¿ doœæ s³aba emisja CH4, choæ jest to mo¿liwe tylko wówczas, gdy bêd¹ w pryzmie obszary ca³kowicie i trwale beztlenowe (metanogeny s¹ bowiem bezwzglêdnymi beztlenowcami, a cykl ich namno¿enia jest d³ugi, kilkunastodniowy). O ile emisja CO2 ze sk³adowanej pryzmy o niskiej masie usypowej jest zjawiskiem d³ugotrwa³ym i w zasadzie wystêpuje przez ca³y okres rozk³adu termofilnego (powy¿ej 45°C) i mezofilnego (30-45°C), o tyle emisja NH3 doœæ szybko maleje (w ci¹gu kilku pierwszych dni po uformowaniu pryzmy). Amoniak bowiem jest bezpoœrednim Ÿród³em azotu dla gwa³townie rozwijaj¹cej siê 3 populacji bakterii, których liczebnoœæ mo¿e wzrosn¹æ z 10 do 9 -1 10 j.t.k.·g . Uproszczony wp³yw stopnia ugniecenia na wielkoœæ emisji gazowych przedstawiono na rys. 1-3.. Wilgotnoœæ / sucha masa Parametrem bardzo zwi¹zanym z ograniczeniem dostêpnoœci powietrza (tlenu) do wnêtrza sk³adowanej pryzmy jest wilgotnoœæ sk³adowanego obornika. Zasadniczo im wy¿sza jest wilgotnoœæ, tym bardziej pogarsza siê porowatoœæ pryzmy i wp³ywa to na ograniczenie dostêpu powietrza. Obornik o wilgotnoœci powy¿ej 78% w praktyce sam zapada siê pod w³asnym ciê¿arem i ma tendencjê do sprzyjania procesom rozk³adu beztlenowego we wnêtrzu pryzmy. Z kolei obornik œrednio s³omiasty (ok. 2-3 kg/DJP/dzieñ), a tym bardziej wysoko s³omiasty, o wilgotnoœci 72% i ni¿szej stwarza w przypadku braku ugniecenia warunki porowate umo¿liwiaj¹ce doœæ dobr¹ wentylacjê pryzmy, co sprzyja procesowi quasi kompostowania. W przypadku du¿ej porowatoœci i szybkiego wzrostu temperatury bêdzie wystêpowa³o zjawisko intensywnego odparowywania wody z pryzmy [5]. Utrata wody i w konsekwencji wzrost zawartoœci suchej masy bêdzie przyspiesza³ wentylacjê sk³adowanej pryzmy, co bêdzie wp³ywaæ na wzrost emisji CO2, NxO, a tak¿e NH3 (zw³aszcza w pocz¹tkowej fazie sk³adowania). Temperatura. Rys. 1. Obornik sk³adowany bez ugniecenia (warunki quasi tlenowe) Fig. 1. The manure stored without kneading (quasi aerobic conditions). Rys. 2. Obornik sk³adowany w ugniecionych pryzmach (warunki beztlenowe) Fig. 2. The manure stored with kneading in heaps (anaerobic conditions). Temperatura - zarówno pryzmy jak i otoczenia - wp³ywa bardzo istotnie na intensywnoœæ emisji gazowych. W przypadku CO2 wielkoœæ emisji gazowej jest wprost proporcjonalnie skorelowana z wzrostem temperatury, jest to bowiem zwi¹zane z przyspieszeniem metabolizmu bakterii. Ocenia siê, ¿e na przyk³ad wzrost temperatury obornika z 35 na 45°C zwiêksza dwukrotnie emisjê CO2 [7]. W przypadku sk³adowania obornika w warunkach stricte beztlenowych mo¿na równie¿ obserwowaæ wp³yw temperatury na emisjê metanu. Temperatura w przedziale od 30 do 42°C jest charakterystyczna dla mezofilowej fermentacji metanowej - najbardziej popularnej technologii fermentacji w biogazowniach rolniczych. St¹d obornik sk³adowany w takiej temperaturze jest Ÿród³em silnej emisji metanu. Jeszcze bardziej intensywna emisja zachodzi w czasie fermentacji termofilowej (zakres temperatur 48-62°C), która powoduje tak¿e rozk³ad s³omy zawartej w oborniku, st¹d iloœæ wyprodukowanego metanu jest z regu³y wy¿sza ni¿ w przypadku rozk³adu mezofilowego. Z punktu widzenia emisji metanu, czyli gazu cieplarnianego emitowanego z obornika w najwiêkszej iloœci, zdecydowana wiêkszoœæ pryzm sk³adowanych w kraju przypomina ma³e, naturalne biogazownie. Technologi¹, która pozwala praktycznie ca³kowicie wyeliminowaæ emisjê metanu z pryzm obornika jest ich kompostowanie za pomoc¹ aeratorów ci¹gnikowych lub samojezdnych, ale technologia ta jest (poza gospodarstwami ekologicznymi) bardzo ma³o popularna w kraju. Nale¿y te¿ stwierdziæ, ¿e podniesiona temperatura pryzm sprzyja wzrostowi emisji amoniaku, gdy¿ równowaga pomiêdzy form¹ rozpuszczon¹ N-NH4 a gazow¹ NH3 przesuwa siê w kierunku tej drugiej. Inne parametry. Rys. 3. Obornik sk³adowany bez ugniecenia (warunki poœrednie) Fig. 3. The manure stored without kneading (intermediate conditions ). TECHNIKA ROLNICZA OGRODNICZA LEŒNA. Zjawisko emisji gazów ze sk³adowanego obornika jest bardzo skomplikowane bowiem poza wspomnianymi wczeœniej, wp³yw na nie ma ca³y szereg innych parametrów. Nale¿y do nich zaliczyæ sk³ad obornika, stosunek C:N, odczyn materia³u, obecnoœæ tlenu we wnêtrzu pryzm, a tak¿e warunki atmosferyczne w trakcie sk³adowania obornika (zw³aszcza prêdkoœæ wiatru, wilgotnoœæ powietrza) [1, 5, 9]. Wp³yw tych czynników jest przedmiotem licznych badañ oœrodków naukowych z ca³ego œwiata.. 1/2017. 23.

(3) Podsumowanie Obornik sk³adowany w pryzmach mo¿e byæ Ÿród³em silnych emisji gazowych. W praktyce, wiêkszoœæ pryzm jest uk³adana z du¿¹ niedba³oœci¹, a co najbardziej istotne - nie jest starannie ugniatana w celu odciêcia dostêpu powietrza (tlenu) do wnêtrza pryzm. W efekcie ju¿ po 1-2 dniach sk³adowania luŸnego obornika mo¿e dojœæ do jego zagrzania. Jednoczeœnie brak efektywnego przewietrzania (jak w przypadku kompostowania z zastosowaniem aeratorów pryzm) powoduje powstanie warunków beztlenowych, a w efekcie mo¿liwoœæ wyst¹pienia silnego procesu produkcji metanu przez bakterie mezofilowe lub termofilowe. Wydaje siê, ¿e najskuteczniejszym przeciwdzia³aniem temu zjawisku jest upowszechnienie tanich technologii kompostowania obornika lub te¿ fermentacji w biogazowniach rolniczych. Bibliografia. [1] Aguirre-Villegas H.A., Larson R.A.: Evaluating greenhouse gas emissions from dairy manure management practices using survey data and lifecycle tools. Journal of Cleaner Production, 1 February 2017, Volume 143, 169-179. [2] Chadwick D., Sommer S., Thorman R., Fangueiro D., Cardenas L., Amon B., Misselbrook T.: Manure management: Implications for greenhouse gas emissions. Animal Feed Science and Technology, 23 June 2011, Volumes 166-167, 514-531.. [3] Dach J., Przyby³ J., Zbytek Z., Lewicki A., Janczak D., Cieœlik M.: Methane emission from animal production in Poland: scale and potential costs. Journal of Research and Applications in Agricultural Engineering, 2013, Vol. 58(2), 25-28. [4] Dach J., Zbytek Z., Myczko A.: Badania tlenowej i beztlenowej technologii kompostowania obornika. In¿ynieria Rolnicza, 2002, 5 (38), 279-286. [5] Dach J., Zbytek Z.: Wp³yw wysokobia³kowego ¿ywienia trzody na wielkoœæ emisji amoniaku z kompostowanego obornika. Journal of Research and Applications in Agricultural Engineering, 2008, vol. 53 (3), 48-52. [6] Dach J., Zbytek Z.: Zasady prawid³owego i ekonomicznie racjonalnego kompostowania obornika w gospodarstwach rolnych. Zagadnienia Doradztwa Rolniczego, 2007, 3-4, 73-91. [7] Dach J.: Wp³yw intensywnoœci napowietrzania osadów œciekowych na emisjê amoniaku podczas kompostowania. Journal of Research and Applications in Agricultural Engineering, 2010, vol. 55 (1), 20-24. [8] Hongmin D., Zhiping Z., Zhongkai Z., Hongwei X., Yongxing Ch.: Greenhouse gas emissions from swine manure stored at different stack heights. Animal Feed Science and Technology, 23 June 2011, Volumes 166-167, 557-561. [9] Zhiling G., Wenqi M., Gaodi Z., Roelcke M.: Estimating farm-gate ammonia emissions from major animal production systems in China. Atmospheric Environment, November 2013, Volume 79, 20-28.. Praca powsta³a w ramach projektu „Innowacyjna technologia fermentacji pomiotu kurzego poddanego redukcji zawartoœci azotu poprzez wytr¹cenie kwasu moczowego”, finansowanego ze Ÿróde³ NCBiR w ramach programu LIDER nr LIDER/189/l-6/14/NCBR/2015.. MANURE DATA STORAGE AND QUANTITY OF GASEOUS EMISSIONS Summary Stored manure can be a source of numerous gaseous emissions, where the most important are CH4, NXO, NH3, CO2 and H2S. Taking into account the scale of the manure production in Poland (estimated up to nearly 80 million tons), the size of gaseous emissions can be large. Hence, it is important to implement the proper principles of manure storage in heaps. The paper presents the most important parameters of stored manure heaps affecting the gaseous emissions, with particular consideration on the strongest greenhouse gas emitted from manure i.e. methane (CO2 escaping from manure is not treated as a greenhouse gas). Key words: manure, storage, gases emission. ISBN 978-83-927505-6-7. Celem publikacji jest zapoznanie z zale¿noœciami pomiêdzy wybranymi procesami (drganiowymi, termicznymi i zu¿yciowymi) podczas smarowania uk³adu tn¹cego pilarek ³añcuchowych przy zastosowaniu biodegradowalnych œrodków smarnych, w tym okreœlenie wielkoœci fizycznych najbardziej charakteryzuj¹cych badane œrodki smarne. W publikacji opisano stanowisko badawcze i wyniki badañ eksperymentalnych podczas przerzynki k³ody z zastosowaniem wytypowanych olejów smarnych. Wyniki analiz zosta³y zilustrowanena wykresach i przedstawione w zestawieniach tabelarycznych. Efektem koñcowym rozwa¿añ jest powstanie modelu diagnostycznego dla badañ porównawczych œrodków smarowych. Wydawca: Bran¿owy Oœrodek Informacji Naukowej, Ekonomicznej i Normalizacyjnej Przemys³owy Instytut Maszyn Rolniczych 60-963 Poznañ, ul. Staro³êcka 31 tel. 061 87-12-200; fax 061 879-32-62; e-mail: office@pimr.poznan.pl; Internet: http://www.pimr.poznan.pl. 24. TECHNIKA ROLNICZA OGRODNICZA LEŒNA. 1/2017.

(4)