mgr in¿. Wojciech CZEKA£A, dr in¿. Krzysztof PILARSKI, dr hab. in¿. Jacek DACH, mgr in¿. Damian JANCZAK
dr in¿. Magdalena SZYMAÑSKA
Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu, Instytut In¿ynierii Rolniczej e-mail: krzysztof.pilarski@up.poznan.pl
Szko³a G³ówna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie
Streszczenie
Jednym z zasadniczych wymagañ przy prowadzeniu biogazowni rolniczej jest prawid³owa gospodarka produktem ubocznym powstaj¹cym przy wytwarzaniu biogazu, czyli pofermentem. Regulacje prawne stanowi¹ swojego rodzaju barierê przy wykorzystywaniu tego substratu jako nawozu w rolnictwie. W pracy omówiono kilka podstawowych mo¿liwoœci zagospodarowania produktu dzia³alnoœci biogazowni.
: biogazownia; poferment; produkty uboczne; gospodarka odpadami S³owa kluczowe
ANALIZA MO¯LIWOŒCI ZAGOSPODAROWANIA
POFERMENTU Z BIOGAZOWNI
Wstêp
Status prawny pofermentu
Wraz z postêpem nowoczesnych technologii i coraz wiêksz¹ dostêpnoœci¹ do urz¹dzeñ elektrycznych niezbêdne jest wytwarzanie coraz wiêkszych iloœci energii, dziêki której mog¹ zostaæ zaspokojone potrzeby mieszkañców. Równolegle ze wzrostem zapotrzebowania na energiê roœnie iloœæ wytwarzanych odpadów [1]. Sposobem pozwalaj¹cym zmniej-szyæ negatywne oddzia³ywanie tych procesów, œwiadcz¹cych o rozwoju ludzkoœci, na œrodowisko mog¹ byæ biogazownie rolnicze. Dzia³alnoœæ tego typu instalacji pozwala na równoczesn¹ produkcjê paliwa gazowego i utylizacjê ró¿nych odpadów organicznych [2]. Wdra¿anie nowoczesnych roz-wi¹zañ technologicznych w przemyœle mo¿e mieæ korzystny wp³yw na ochronê œrodowiska, wynikaj¹cy miêdzy innymi z redukcji odpadów, w tym i niebezpiecznych [3]. W zwi¹zku z tym, z ka¿dym rokiem roœnie zainteresowanie nie tylko samymi biogazowniami, ale tak¿e przetwarzaniem pofermentu bêd¹cego, podobnie jak biogaz produktem fermentacji meta-nowej.
W Polsce mo¿na spotkaæ przyk³ady wiêkszego zu¿ycia nawozów mineralnych przy równoczesnej czêsto nieprawi-d³owo prowadzonej gospodarce nawozami naturalnymi [4]. By temu zapobiec nale¿y rozwa¿yæ przetwarzanie niektórych odpadów powstaj¹cych w gospodarstwach na biogaz i pofer-ment. Maj¹c na uwadze iloœci pulpy powstaj¹ce w wyniku dzia³ania instalacji konieczne jest opracowanie odpowiednich metod ich utylizacji. Metod, które powinny byæ przyjazne ekologicznie i ekonomicznie uzasadnione. Pod uwagê nale¿y wzi¹æ wiêcej mo¿liwoœci jej wykorzystania ni¿ tylko bezpo-œrednie rozlanie na polach, np. jako bionawóz, substancjê od¿ywcz¹ gleby czy materia³ energetyczny [5].
W ustawodawstwie krajowym zagadnienie wytwarzania i utylizacji pofermentu zosta³o okreœlone w sposób szczególny w czterech aktach prawnych:
· · ·
·
Ustawa z dnia 27 kwietnia 2001 r. o odpadach. (Dz.U. 2001 nr 62 poz. 628 z póŸniejszymi zmianami) [6]
Ustawa z dnia 10 lipca 2007 r. o nawozach i nawo¿eniu (Dz.U. 2007 nr 147 poz. 1033 z póŸniejszymi zmia nami) [7]
Rozporz¹dzenie Ministra Œrodowiska z dnia 27 wrzeœnia 2001 r. w sprawie katalogu odpadów (Dz.U. 2001 nr 112 pozycja. 1206) [8]
Rozporz¹dzenie Ministra Œrodowiska z dnia 5 kwietnia 2011 r. w sprawie odzysku R10 (Dz.U. 2011 nr 86 poz. 476) [9].
Najwa¿niejszym aktem prawnym w Polsce, dotycz¹cym gospodarki odpadami, jest Ustawa o odpadach [6]. Okreœla ona m.in. podstawowe definicje z zakresu gospodarki odpadami, obowi¹zki posiadaczy odpadów oraz mo¿liwoœæ ich przekazy-wania. Rozpatruj¹c poferment, najwa¿niejszym elementem tej ustawy jest za³¹cznik 6, przedstawiaj¹cy mo¿liwoœci unie-szkodliwiania odpadów, oraz za³¹cznik 5, mówi¹cy o ich odzy-skiwaniu. Na szczególn¹ uwagê zas³uguj¹ sposoby przedsta-wione w 5 za³¹czniku, poniewa¿ jak stwierdzono w literaturze [10] odzysk jest bardziej preferowanym sposobem gospo-darowania, przede wszystkim ze wzglêdów ekologicznych, ale równie¿ i ekonomicznych.
Najlepsze efekty odzysku gwarantuj¹ procesy R3 (kompostowanie) oraz R10 (rozprowadzanie na powierzchni pola w celu nawo¿enia lub ulepszania gleby). Osobnym aktem prawnym reguluj¹cym odzysk metod¹ R10 jest Rozpo-rz¹dzenie Ministra Œrodowiska w sprawie odzysku R10 [9]. Obecnie obowi¹zuj¹ca ustawa o nawozach i nawo¿eniu za-wiera informacje mówi¹ce o wykorzystaniu ró¿nych nawozów w rolnictwie [7].
Poferment z biogazowni wed³ug obowi¹zuj¹cego prawa jest klasyfikowany jednoznacznie jako odpad. Wed³ug Rozpo-rz¹dzenia Ministra Œrodowiska w sprawie katalogu odpadów [8] jest to odpad o kodzie 19 06 06 - przefermentowany produkt powstaj¹cy w procesie fermentacji beztlenowej. Je¿eli spe³niaæ bêdzie kryteria jakoœciowe dla nawozów organicznych lub œrodków wspomagaj¹cych ochronê roœlin nie bêdzie ju¿ traktowany jako odpad. Jeœli nie bêdzie spe³niaæ tych wymogów, bêdzie klasyfikowany jako odpad 19 06 04 -przefermentowane odpady z beztlenowego rozk³adu odpadów komunalnych.
Rozpatruj¹c zagospodarowanie pofermentu nale¿y najpierw ustaliæ czy bêdzie on musia³ zostaæ oddzielony na frakcje sta³¹ i ciek³¹. Po wykonaniu takiego rozdzia³u powstaj¹ dwa odpady odpowiednio o kodach 19 06 06 oraz 19 05 05 (Rozporz¹dzenie Ministra Œrodowiska w sprawie katalogu odpadów) [8]. O tym czy osad pofermentacyjny bêdzie musia³ zostaæ rozdzielony decyduje przede wszystkim jego wykorzystanie.
Niezale¿nie od rodzaju substratu, z którego wytwarza siê biogaz zostaje on poddany takim przemianom, jak zmniej-szenie zawartoœci substancji organicznej, rozdrobnienie cz¹stek sta³ych, zwiêkszenie podatnoœci na odwadnianie [11]. To w³aœnie powstawanie du¿ych iloœci odcieków jest jednym Separacja pofermentu na frakcje sta³¹ i ciek³¹
z najwa¿niejszych problemów w gospodarce pofermentem. By ograniczyæ negatywne cechy tego produktu dokonuje siê odwodnienia (separacji) na tak zwan¹ gêstwê oraz odciek [12]. Celem tego zabiegu jest uzyskanie odpowiednio zmniejszonej gêstoœci nasypowej (nawet do 20% objêtoœci pocz¹tkowej). U³atwi to gospodarowanie gêstw¹ podczas magazynowania, transportu czy sk³adowania. Urz¹dzeniami do wykonania tego procesu s¹ separatory oraz wszelkiego rodzaju sita. Przebieg omawianego procesu technologicznego jest analogiczny do tego, który ma miejsce w oczyszczalniach œcieków. Coraz po-pularniejsze staje siê odwadnianie osadów œciekowych, a od-dzielona czêœæ sta³a mo¿e zostaæ poddana sk³adowaniu, wyko-rzystana jako nawóz czy poddana procesowi suszenia. Odciek najczêœciej jest wykorzystywany w deszczowniach do nawa-dniania pól. Jest to dobry sposób gospodarowania poniewa¿ w wodzie jest rozpuszczona znacz¹ca czêœæ pierwiastków niezbêdnych dla rozwoju roœlin. Wystêpuj¹ one w formie jonowej, przez co s¹ ³atwiej przyswajane przez roœliny. W³aœci-we zagospodarowanie odcieku jest istotnym elementem dzia-³ania biogazowni, a jego iloœæ mo¿e siêgaæ nawet 0,83 m /Mg wsadu [11]. Z niektórych biogazowni odciek po oczyszczeniu jest kierowany do cieków wodnych lub bezpoœrednio do oczyszczalni œcieków.
Sk³adowanie odpadów na wysypiskach jest najpopular-niejszym sposobem unieszkodliwiania odpadów [13]. Dotyczy to zarówno odpadów komunalnych zmieszanych, jak i bezpo-œrednio frakcji odpadów ulegaj¹cych biodegradacji. Poferment tak¿e mo¿e byæ sk³adowany po wczeœniejszym odwodnieniu, kiedy jego objêtoœæ uleg³a znacznemu zmniejszeniu. Maj¹c na uwadze coraz wiêksze wymagania z zakresu ochrony œrodowiska, zarówno w krajowych, jak i europejskich aktach prawnych taki typ utylizacji nie jest wskazany. Polska, jako kraj Unii Europejskiej, jest zobowi¹zana do przestrzegania licznych norm z zaleceniami dla cz³onków Wspólnoty. Jednym z nich jest zakaz sk³adowania odpadów o zawartoœci powy¿ej 5% ogólnego wêgla organicznego (TOC) lub 8% strat na pra¿eniu (LOI) [14] . Akt prawny wejdzie w ¿ycie 1 stycznia 2013 r., i do tego czasu nale¿y szukaæ alternatywnych rozwi¹zañ. Samo sk³adowanie powinno byæ ograniczone do minimum i najlepiej traktowane jako rozwi¹zanie czasowe. Koniecznoœæ eliminacji odpadów biodegradowalnych podlegaj¹cych sk³adowaniu jest wymagane Dyrektyw¹ Rady w sprawie sk³adowania odpadów [15] oraz faktem, ¿e sk³aduj¹c gêstwê nie wykorzystuje siê jego rolniczego potencja³u nawozowego.
Odpady organiczne mog¹ byæ wartoœciowym i stosunkowo tanim Ÿród³em sk³adników pokarmowych niezbêdnych roœlinie, jak równie¿ mog¹ korzystnie wp³ywaæ na niektóre w³aœciwoœci gleby. Bezpoœredni, pozytywny wp³yw odpadów organicznych zosta³ stwierdzony w wielu badaniach [16].
W trakcie procesu fermentacji substraty wyjœciowe podle-gaj¹ tylko niewielkim stratom nawozowym [11]. Jest to o tyle istotne i ekonomicznie uzasadnione, ¿e bardziej op³acalne jest odpady powstaj¹ce w rolnictwie i przemyœle rolno-spo¿yw-czym poddaæ procesowi fermentacji, a jako nawóz wykorzy-staæ pulpê pofermentacyjn¹ [17]. Zapewni to nie tylko dostar-czenie na pole niezbêdnych biogenów, ale tak¿e pozwoli uzyskaæ dodatkowy przychód biogazowni za sprzedane sub-straty.
Pod pojêciem procesu odzysku w myœl za³¹cznika 5 do Ustawy o odpadach [6] nale¿y rozumieæ rozprowadzanie odpadów na powierzchni ziemi w celu nawo¿enia lub
3
Sk³adowanie pofermentu na wysypiskach odpadów
Zagospodarowanie metod¹ odzysku R10
ulepszania gleby. By jednak móc wykorzystaæ poferment w po-wy¿szy sposób powinien on spe³niaæ szereg wymogów zawartych w Rozporz¹dzeniu Ministra Œrodowiska w sprawie odzysku R10 [9].
Poferment mo¿e byæ aplikowany do gruntu przez wstrzy-kiwanie (iniekcje), deszczowanie czy rozlewanie bezpoœrednio przy wykorzystaniu maszyn rolniczych. Zdecydowanie naj-popularniejszym sposobem, zw³aszcza w pañstwach mniej zamo¿nych, jest nawo¿enie przez bezpoœrednie rozlewanie na polach. Zasadnicz¹ wad¹ tej metody jest termin, w którym mo¿na dokonywaæ zabiegu. Restrykcja czasowego ogranicza-nia stosowaogranicza-nia pofermentu ma na celu ograniczenie przedostawania siê zwi¹zków biogennych w g³¹b profilu gle-bowego, a w konsekwencji do wody gruntowej.
Coraz wiêcej badañ naukowych poœwiêca siê gospodarce pofermentem [18], poniewa¿ brak rozwi¹zañ tego zagadnienia mo¿e stanowiæ jedn¹ z przes³anek ograniczaj¹cych rozwój i funkcjonowanie biogazowni.
Ekonomicznie op³acaln¹ metod¹ gospodarki pulp¹ po-fermentacyjn¹ jest po³¹czenie deszczowania oraz stabilizacji tlenowej. Gêstwa mo¿e zostaæ poddana kompostowaniu a od-ciek mo¿e byæ wykorzystany w deszczowniach, zapewniaj¹c roœlinom nie tylko wodê, ale i sk³adniki pokarmowe. Mo¿na go te¿ wykorzystaæ do nawadniania pryzm kompostu.
Kompostowanie, czyli autotermiczny i termofilowy roz-k³ad selektywnie zebranych bioodpadów [19] jest bardzo do-brym sposobem na poprawê jakoœci nawozu przed bezpoœrednim zastosowaniem go na polach (metoda R10). Proces ten zachodzi przy udziale mikro- i makroorganizmów w obecnoœci tlenu, dziêki czemu odpady ulegaj¹ stabilizacji.
Na ogó³ w celu ograniczenia kosztów stosuje siê komposto-wanie pryzmowe, czêsto upraszczaj¹c lub skracaj¹c sam proces technologiczny. Jest to mo¿liwe w uzasadnionych przypad-kach, poniewa¿ w trakcie powstawania pofermentu, w samych substratach przechodz¹ korzystne przemiany, dziêki którym mo¿na czêœciowo ograniczyæ pe³ny proces kompostowania.
Samo przeprowadzenie kompostowania ma wiele zalet. Wœród nich nale¿y przede wszystkim wymieniæ wbudowanie azotu w próchnicê, rozk³ad innych substratów biodegra-dowalnych oraz stabilizacja substratu. Jak podaje literatura [20] dziêki kompostowaniu materia³ ulega stabilizacji oraz nastêpuje likwidacja patogenów, g³ównie w trakcie fazy termofilnej. Z kolei sam kompost mo¿na ³atwiej magazynowaæ, transportowaæ i rozprowadzaæ na terenach, gdzie zachodzi potrzeba nawo¿enia [11].
Z przyrodniczego punktu widzenia, najwiêkszym profitem, charakteryzuj¹cym fermentacjê w porównaniu z komposto-waniem, jest ograniczenie strat azotu. Wed³ug literatury [11] straty azotu przy kompostowaniu mog¹ siêgaæ nawet 30%. Ma to nie tylko negatywny wp³yw na dostarczenie mniejszej iloœci tego makroelementu roœlinom, ale równie¿ niekontrolowan¹ emisjê azotu w postaci amoniaku do atmosfery.
Jednym ze Ÿróde³ energii odnawialnej mo¿e byæ biomasa. Mo¿e ona pochodziæ jako produkt uboczny z procesu technologicznego lub byæ celowo pozyskiwana jako produkt opa³owy [21]. Jak twierdz¹ cytowani autorzy, wykorzystanie biomasy jest powszechne i obejmuje produkcjê energii ele-ktrycznej, cieplnej, gazu czy biopaliw. Szczególnie korzystne jest przetwarzanie pofermentu na pellety [22]. W ekonomicznie uzasadnionym przypadku taki typ gospodarki mo¿e byæ Kompostowanie
Suszenie i pelletyzacja
bowiem op³acalny. Zale¿eæ to jednak bêdzie zawsze od konkretnego przypadku, w tym m.in. od rodzaj biogazowni, lokalizacji, mocy itp. Wed³ug cytowanych wy¿ej autorów sk³ad chemiczny oraz w³aœciwoœci fizyczne powsta³ego biopaliwa bêd¹ zale¿a³y przede wszystkim od substratu u¿ytego do produkcji biogazu. Po spaleniu tego biopaliwa pozostaje popió³ o wysokiej zawartoœci sk³adników pokarmowych (tab. 1).
G³ównymi czynnikami decyduj¹cymi o sposobie wykorzy-stania pofermentu s¹ jego jakoœæ, lokalne uwarunkowania oraz obowi¹zuj¹ce regulacje prawne [11]. W Polsce czynnikiem determinuj¹cym wykorzystanie produktu ubocznego z bio-gazowni s¹ normy prawne, które obecnie nie sprzyjaj¹ ³atwej gospodarce pofermentem. Trzeba mieæ jednak na uwadze mo¿liwoœæ uregulowañ prawnych dotycz¹cych pofermentu, wraz ze wzrostem iloœci biogazowni. Bior¹c pod uwagê planowane przez rz¹d polski wybudowanie do roku 2020 ponad 2,5 tys. du¿ych biogazowni, produkuj¹cych ok. 25 mln ton pulpy rocznie, nale¿y liczyæ siê z du¿¹ skal¹ problemu dotycz¹cego jej racjonalnego zagospodarowania [23]. Z tego te¿ wzglêdu wynika potrzeba prowadzenia badañ nad ocen¹ wartoœci nawozowej ró¿nych rodzajów pulpy i mo¿liwoœci ró¿nych technik jej przetworzenia do rolniczego wykorzystania.
Tab. 1. Sk³ad popio³u w dwóch rodzajach pofermentu [22] Table 1. Composition of the ash in two types of post fermentation pulp [22]
Podsumowanie i wnioski
Bibliografia
[1] Gentil E. C., Gallo D., Christensen T. H.: Environmental evaluation of municipal waste prevention. Waste Management, 2011, 31, 12, p. 2371-2379.
[2] Kalina J., Skorek J. Cebula J., Latocha L.: Pozyskiwanie i ene-rgetyczne wykorzystanie biogazu z biogazowni rolniczych. Gospodarka Paliwami i Energi¹, 2003, nr 12.
[3] Chaaban Moustafa A.: Hazardous waste source reduction in materials and processing technologies. Journal of Materials Processing Technology, 2001, 119, p. 336-343.
[4] Barczewski J.: Kszta³towanie siê obiegu sk³adników nawo-zowych w produkcyjnym gospodarstwie mlecznym w warunkach dochodzenia do zrównowa¿enia gospodarowania. Woda -Œrodowisko - Obszary Wiejskie, Rozprawy naukowe i mono-grafie, 2008, nr 23.
Zawartoœæ popio³u [%]
P O2 5 K O2 MgO Na O2 CaO SiO2 SO4 Al O2 Fe O2
20,4 26,7 8,5 15,1 2,7 8,4 3,1 0,8 17,0 13,6 18,0 30,4 3,2 0,9 22,5 1,8 3,1 1,2
[5] Garfi M., Gelman P., Comas J., Carrasco W., Ferrer I.: Agricultural reuse of the digestate from low-cost tubular digesters in rural Andean communities. Waste Management, 2011, 31, p. 25842589.
[6] Ustawa z dnia 27 kwietnia 2001 r. o odpadach. (Dz.U. 2001 nr 62 poz. 628 z póŸniejszymi zmianami).
[7] Ustawa z dnia 10 lipca 2007 r. o nawozach i nawo¿eniu (Dz.U. 2007 nr 147 poz. 1033 z póŸniejszymi zmianami).
[8] Rozporz¹dzenie Ministra Œrodowiska z dnia 27 wrzeœnia 2001 r. w sprawie katalogu odpadów. Dz.U. 2001 nr 112 poz. 1206. [9] Rozporz¹dzenie Ministra Œrodowiska z dnia 5 kwietnia 2011 r.
w sprawie odzysku R10 (Dz.U. 2011 nr 86 poz. 476).
[10] Dach J., Pilarski K., Janczak D., Banasik P.: Koszty zagospodarowania pulpy pofermentacyjnej z biogazowni w kontekœcie projektu nowej ustawy o nawozach i nawo¿eniu. Technika Rolnicza Ogrodnicza Leœna, 2001, nr 3.
[11] Jêdrczak A.: Biologiczne przetwarzanie odpadów. Wyda-wnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2008.
[12] Kaparaju P.L.N., Rintala J. A.: Effects of solid-liquid separation on recovering residual methane and nitrogen from digested dairy cow manure. Bioresource Technology, 2008, 99, p. 120-127. [13] G³ówny Urz¹d Statystyczny. Ochrona Œrodowiska, Warszawa,
2011, ss. 357.
[14] Rozporz¹dzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 7 wrzeœnia 2005 r. w sprawie kryteriów oraz procedur dopuszczania odpadów do sk³adowania na sk³adowisku odpadów danego typu (Dz.U. 2005 nr 186 poz. 1553).
[15] Dyrektywa Rady 1999/31/WE z dnia 26 kwietnia 1999 r. w spra-wie sk³adowania odpadów.
[16] Odlare M., Pell., Svensson K.: Changes in soil chemical and microbiological properties during 4 years of application of various organic residues. Waste Management, 2008, 28, p. 1246-1553.
[17] Teglia C., Tremier A., Martel J. L.: Charakterization of solid digestates. Part 1. Review of Existing indicators of assess solid digestates agricultural use.
[18] Rehl T., Muller J.: Life cycle assessment of biogas digestate processing technologies. Resources, Conservation and Recyclin, 2011, 56 (2011), p. 92-104.
[19] Manczarski P.: Kompostowanie odpadów komunalnych, Referat na Forum Technologii Ochrony Œrodowiska POLEKO, Poznañ, 2007.
h
[20] Czeka³a J., Sawicka A.: Przetwarzanie osadu œciekowego z doda-tkiem s³omy i trocin na produkt bezpieczny dla œrodowiska. Woda-Œrodowisko-Obszary Wiejskie, t. 6, 2006, z. 2 (18), s. 41-50.
[21] Kara J., Rutkowski K., Adamovsky R.: Wykorzystanie biomasy do produkcji energii elektrycznej oraz cieplnej na terenie Czech. In¿ynieria Rolnicza, 2007, 9(97). s. 57-63.
[22] Kratzeisen M., Starcevic N., Martinov M., Maurer C., Muller J.: Applicability of biogas digestate as solid fuel. Fuel, 2010, 89, p. 2544-2548.
[23] Pilarski K., Dach J, Janczak D., Zbytek Z.: Wp³yw odleg³oœci transportowej na wydajnoœæ pracy agregatów i koszty zagospodarowania pofermentu z biogazowni rolniczej 1 MW. Journal of Research and Applications in Agricultural Engineering, 2011, vol. 56(1).
ttp://www.woiib.org.pl/contents/aktualnosci/POLEKO%202007 /Kompostowanie%20odpadow%20komunalnych.pdf
ANALYSIS OF MANAGEMENT POSSIBILITIES FOR DIGESTATE FROM BIOGAS PLANT
Summary
The correct biogas byproduct management digestate - is one of the essential requirements for keeping an agricultural biogas plant. Law regulations are a kind of barrier to the use of this substrate as fertilizer in agriculture. The paper discusses some basic capabilities of the product development activities of the plant.
: biogas plant; digestate; by-products; waste management Key words
