Witold Podkówka
Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy im J. J. Śniadeckich
W chowie fermowym bydła, trzody chlewnej i innych zwierząt zamiast tradycyjnego obornika, otrzymuje się gnojowicę, która cechuje się innymi właściwościami fizycznymi i chemicznymi. Jest to mieszanina kału, moczu, resztek paszy oraz wody używanej do mycia pomieszczeń inwentarskich.
Gnojowica substrat nawozów naturalnych
Głównymi składnikami gnojowicy o znaczeniu nawozowym to są: azot (N), fosfor (P), potas (K), a także wapń (Ca), magnez (Mg) i mikrolementy, jak również substancję organiczną.
Ważnym wskaźnikiem jakości gnojowicy jest rozcieńczenie. Gnojowica gęsta przy zawartości 6-8% suchej masy, cechuje się małym udziałem wody, której udział w stosunku do ilości odchodów jest nie większy niż 20%. Maćkowiak (2003) podaje, że udział wody w gnojowicy nie powinien być większy niż 10 litrów w przeliczeniu na 1 JPD na dobę. Gnojowica rozcieńczona zawiera od 3 do 6% suchej masy, zaś bardzo rozcieńczona – poniżej 3% suchej masy. Duży udział wody w gnojowicy jest niecelowy, bowiem zwiększa jej objętość i podraża koszty magazynowania, transportu i stosowania.
Ilość gnojowicy w przemysłowym chowie bydła i trzody chlewnej jest zróżnicowana i zależy od technologii utrzymania zwierząt, sposobu mycia stanowisk, techniki zgarniania gnojowicy ze stanowiska. W tabeli 1 podano ilość gnojowicy i składników mineralnych produkowanych z jednego stanowiska rocznie w gospodarstwach wielkotowarowych.
W chowie bydła z jednego stanowiska w ciągu roku uzyskuje się 7,5-21,0 m3 gnojowicy, zaś w chowie trzody chlewnej 1,2-6,0 m3 Gnojowica może zawierać piasek, żwir, jak również trociny. Charakteryzuje się odczynem o pH 6,5-7,9. Gęstość właściwa 0,9-1,6 g/cm3. Praktycznie 1 m3 gnojowicy waży 1 t. Zamarza przy temperaturze –2°C, zwiększa wówczas objętość o 11-12%. Przy magazynowaniu ulega rozwarstwieniu. Do czasu wywożenia jej na pole, jest magazynowana w specjalnych zbiornikach, których wielkość jest uzależniona od obsady inwentarza i częstotliwości ich opróżniania. Zasady gospodarki gnojowicą są podane w ustawie o nawozach i nawożeniu, które są spójne z wymaganiami UE. Wykorzystując gnojowicę do nawożenia pól, należy przestrzegać przepisów dotyczących terminów wywożenia na pole i wielkości dawek (Dz U. 2000 r., Nr 89, poz 991 wraz z poźniejszymi rozporządzeniami Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi z dnia 1 czerwca 2001., Dz. U., Nr 60. poz., 615 i 616.
W czasie magazynowania gnojowicy zachodzą procesy chemiczne i mikrobiologiczne, które powodują takie zjawiska, jak rozwarstwianie, sedymentacja, wzrost objętości. Tworzy się kożuch, który zawiera około 18% suchej masy. Średnio 50% azotu występuje w formie rozpuszczalnej w wodzie, zaś 40% to azot amonowy. Stosunek C:N wynosi średnio 6,8:1,0. Zmiany te powodują, że magazynowana gnojowica w zbiorniku, stwarza określone trudności przy jej wybieraniu. Zachodzi konieczność dokładnego wymieszania przed przystąpieniem do wywożenia na pole. W przeciwnym razie występują duże różnice w składzie chemicznym między poszczególnymi beczkami, jak również trudności przy napełnianiu kolejnych beczkowozów.
Należy pamiętać, że z magazynowanej gnojowicy wydzielają się odory, które są uciążliwe dla otoczenia. To samo zjawisko występuje podczas transportu i rozlewania gnojowicy. Z tych względów przy zagospodarowaniu gnojowicy, obowiązują przepisy, które są rygorystyczne i wymagają dużej sprawności ogranizacyjnej. Zagospodarowanie gnojowicy to trudny problem związany z chowem fermowym zwierząt. Dlatego każdy inny sposób zagospodarowania gnojowicy, wywołuje duże zainteresowanie.
Gnojowica substrat do produkcji biogazu
Przemiany biochemiczne zachodzące w procesie fermentacji metanowej, są podobne do przemian zachodzących w przewodzie pokarmowym przeżuwacza np. krowy. W przewodzie pokarmowym, a szczególnie w żwaczu zachodzi proces fermentacji, w wyniku której powstaje metan.
Kał zwierząt oprócz niestrawionych składników paszy, zawiera składniki endogenne, które powstały w procesie przemian metabolicznych w przewodzie pokarmowym przeżuwacza.
W procesie fermentacji metanowej powstaje biogaz i substancja pofermentacyjna, która zawiera nieprzefermnetowane składniki substratu, biomasę bakteryjną i inne metabolity.
Kał zwierzęcy i substancja pofermentacyjna, pomimo innego miejsca ich powstawania, są produktami podobnymi pod względem powstawania i występujących w nich składników. U zwierząt w przewodzie pokarmowym następuje proces trawienia paszy, co pozwala określić zawartość „strawnej substancji organicznej“ (SSO). W komorze fermentacyjnej w wyniku działalności bakterii metanowych, składniki organiczne są fermentowne, które określa się terminem „fermentująca substancja organiczna“ (FSO). Wynika z tego, że SSO jest odpowiednikiem FSO.
W ostatnich latach jest duże zainteresowanie biogazowniami rolniczymi, ze względu na możliwości zagospodarowania gnojowicy bydlęcej, świńskiej, pomiotu drobiowego, obornika, odpadów z produkcji roślinnej pochodzących z własnego gospodarstwa oraz z przemysłu rolno-spożywczego i innych. Wykorzystywane są różne surowce roślinne o dużym potencjale produkcji biomasy. W Niemczech w 93% agrobiogazowni wykorzystuje się gnojowicę w mieszaninie z kiszonkami lub innymi substratami. Optymalny stosunek gnojowicy do kiszonki z kukurydzy wynosi 2 do 1, czyli 2 m3 gnojowicy i 1 tona kiszonki.
Produktem ubocznym utylizacji gnojowicy na drodze fermentacji metanowej, w wyniku której produkuje się biogaz, jest pozostałość pofermentacyjmna wykorzystywana do nawożenia pól. W ten sposób gnojowica staje się cennym surowcem do produkcji energii odnawialnej i ekologicznego nawozu naturalnego. Na rysunku 1 przedstawiono funkcjonowanie
biogazowni w gospodarstwie rolnym.
W tabeli 2 podano ilości uzyskiwanego biogazu z gnojowicy i innych substratów. Z danych tych wynika, że z 1 m3 gnojowicy bydlęcej uzyskuje się 22 m3 biogazu o zawartości 55% metanu, zaś z gnojowicy świńskiej 19 m3 biogazu o zawartości 60% metanu. Z 1 m3 biogazu w zależności od zawartości metanu, w układzie kogeneracyjnym i od sprawności silnika, można uzyskać 1,2-2,2 kWh energii elektrycznej i 2,4-3,5 kWh energii cieplnej. Biogazownia na własne potrzeby do podgrzania komory fermentacyjnej zużywa około 30% wyprodukowanego ciepła i 4-10% energii elektrycznej. W ciągu roku biogazownia winna pracować około 8 000 h.
Ilość substancji pofermentacyjnej uzyskiwanej z 1 tony substratu, jest uzależniona od składu chemicznego i szybkości fermentacji danego składnika. Im więcej łatwo fermentujących węglowodanów np. skrobi, tym mniejsza ilość substancji pofermentacyjnej. Węgiel (C) zawarty w węglowodanach został wykorzystany do produkcji CH4. Przy fermentacji gnojowicy, praktycznie z 1 tony uzyskuje się 1 m3 substancji pofermentacyjnej, zaś przy kiszonce z całych roślin kukurydzy 0,760 m3, z CCM 0,447 m3, natomiast przy zbożu 0,247 m3. Są to współczynniki do przeliczania substratu na substancję pofermentacyjną.
Z 1 m3 gnojowicy średnio uzyskuje się 20 m3 biogazu. Przyjmując, że 1 JPD bydła lub trzody chlewnej produkuje w ciągu roku 20 m3 gnojowicy o zawartości 8% suchej masy, uzyskuje się 400 m3 biogazu o zawartości 55% CH4. Przy wartości energetycznej biogazu 5,31 kWh/m3 i sprawności
silnika 35%, uzyskuje się 743 kWh energii elektrycznej. Średnio z 1 m3 gnojowicy uzyskuje się 37 kWh energii elektrycznej. Przyjmując cenę energii elektrycznej 0,245 zł/kWh, wartość energetyczna 1 m3 gnojowicy wynosi 9,00 zł. Od 1 JPD w ciągu roku uzyskuje się 180 zł. W przeliczeniu na jedną krowę o masie ciała 700 kg, uzyskuje się 23 m3 gnojowicy w ciągu roku, dodatkowy wpływ gotówki wynosi 207 zł, która poprawia efektywność produkcji zwierzęcej. Należy pamiętać także, że substancja pofermentacyjna jest cennym substytutem nawozu naturalnego.
Substancja pofermentacyjna substrat nawozu naturalnego
W tabeli 3 podano zawartość składników w gnojowicy i substancji pofermentacyjnej. Z danych tych wynika, że substancja pofermentacyjna zawiera mniej suchej masy i związków fosforowych, zaś więcej azotu i potasu.
Biogazowania o dziennej produkcji 2968 m3 biogazu, zużyła w ciągu roku 85700 dt substratu i wyprodukowała 7166,7 m3 substancji pofermentacyjnej. Na potrzeby biogazowni przeznaczono 100 ha pod uprawę kukurydzy, 30 ha pod zboża oraz gnojowicę od 150 krów.
W tabeli 4 podano szczegółowe wyliczenia ilości uzyskanej substancji pofermentacyjnej i zawartości składników.
Z przedstawionych wyliczeń wynika, że w 7166,7 m3 substancji pofermentacyjnej zawarte jest 24 924 kg azotu (N), co pozwoli pokryć potrzeby azotowe 147 ha (24924:170 = 146,6 ha) upraw polowych.
Wykorzystując gnojowicę wyprodukowaną od 150 krów w ilości 3 300 m3 do nawożenia, pozwoli pokryć potrzeby azotowe tylko 68 ha (11550:170 = 67,9 ha) upraw polowych.
Substancja pofermentacyjna substrat do produkcji peletu
Zagęszczona substancja pofermentacyjna do zawartości 15-20% wody, może być wykorzystana do produkcji, peletów na cele grzewcze. Pierwszy pelet wyprodukowano z substancji pofermentacyjnej, która powstała z kiszonki z całych roślin kukurydzy, ziemniaków, traw i kiszonki z traw. Wartość opałowa peletu wynosiła 15,8 MJ/kg, przy zawartości wody 9,2%. W drugim przypadku pelet wyprodukowany został z substacji pofermentacyjnej, która powstała z kiszonki z całych roślin kukurydzy, pomioty kurzego, CCM, kiszonki z sorga i trawy sudańskiej, słomy i gnojowicy świńskiej. Wartość opałowa wynosiła 15,0 MJ/kg, przy wilgotności 9,9%. Dla porównania wartość opalowa peletu z drewna świerkowego przy zawartości wody 12,0% wynosiła 16,3 MJ/kg.
W opracowaniu przedstawiono ważny problem zagospodarowania gnojowicy, która jest uciążliwa dla producentów bydła i trzody chlewnej. Produkcja biogazu w gospodarstwie rolnym ma swoje uzasadnienie, jeżeli współdziała z produkcją zwierzęcą, a nie rywalizuje. Biogaz należy produkować, wykorzystując głównie surowce odpadowe, których zagospodarowanie w inny sposób jest uciążliwe lub kosztowne. Produkcja biogazu tylko na bazie typowych surowców paszowych jest problematyczna, bowiem głównym celem rolnictwa jest produkcja żywności.
Przedstawiony zarys technologii zamiany gnojowicy na pieniądze, powinien zachęcić rolników do inwestowania w biogazowanie, jako źródło pomnażania opłacalności produkcji rolniczej.