V České republice je v současné době v provozu téměř 400 zemědělských bioplynových stanic (BPS). Jejich hlavní ekonomickou činností je výroba elektrické energie s využitím kogenerační jednotky, v níž je spalován bioplyn vznikající anaerobním rozkladem biomasy. Obvykle se jedná z větší části o cíleně pěstovanou biomasu doplněnou odpady z živočišného sektoru (zejména prasečí a hovězí kejda). Přibližně 40 % energie obsažené v bioplynu je převedeno na elektřinu, cca 50 % se uvolní ve formě využitelného tepla a zbytek připadá na ztráty a růst biomasy (Dohányos et al., 1998; Straka et al., 2010; Al Seadi et al., 2013). Menší část vyprodukovaného tepla (cca 20 – 40 %) je využita zpětně na vyhřívání anaerobního reaktoru, větší část je na většině BPS zejména v letních měsících mařena. Vedle energeticky bohatého bioplynu je dalším produktem činnosti BPS biomasa, která již prošla anaerobním rozkladným procesem. Jedná se o kapalný materiál se sušinou obvykle do 10 %, který bývá označován jako digestát, respektive fermentační zbytek. Ten je obvykle bez dalších úprav využíván jako hnojivo.
Digestát může být separován na dvě fáze, pevný separát se sušinou cca 20 – 30 % a kapalnou frakci – tzv. fugát. V současné době je v podmínkách ČR separace digestátu na separát a fugát realizována v rámci cca 30 % BPS. Výhodou separace digestátu na pevnou a kapalnou složku je zakoncentrování většiny cenných látek obsažených původně v digestátu do separátu a s tím související usnadnění přepravy tohoto materiálu a jeho aplikace na půdu. Separát může být následně dosoušen a využit pro řadu účelů (hnojivo, stelivo, pěstební substrát či jeho složka, surovina pro výrobu kompostu či vermikompostu apod.) (Tlustoš et al., 2014; Hanč et Vašák 2015). Fugát charakteristický sušinou 2 – 5 % představuje v tomto případě v podstatě odpadní proud, přičemž nakládání s ním je spojeno s řadou problémů (Al Seadi et al., 2013).
Na druhou stranu i fugát obsahuje relativně velké množství cenných živin. Zatímco uhlík přechází při degradaci organické hmoty v anaerobním reaktoru do plynné fáze (do bioplynu) ve formě CH4 a CO2 a nerozložené zbytky organické hmoty zůstávají v pevné frakci digestátu, většina amoniakálního dusíku (N-amon) vznikajícího přeměnou organicky vázaného dusíku se uvolňuje do kapalné fáze digestátu. Proto koncentrace N-amon ve fugátu může dosahovat 5 – 15 % sušiny, respektive 1 až 6 g/l. Zároveň je ve fugátu ve formě rozpuštěných fosforečnanů v poměrně významném množství (cca 1 % sušiny, resp. až stovky mg/l) obsažen i fosfor (Straka et al., 2010; Smatanová, 2012). Relativně vysoký je ve fugátu i obsah draslíku, hořčíku a vápníku (Tlustoš et al., 2014).
N-amon se vyskytuje ve dvou disociačních formách, kterými jsou amonný kationt (NH4+) a nedisociovaný amoniak (NH3). Distribuce těchto forem je dána fyzikálně-chemickými podmínkami, přičemž zásadní význam má v tomto ohledu zejména hodnota pH a teplota. Zastoupení těkavého NH3 se zvyšuje s rostoucí hodnotou pH a s rostoucí teplotou (Anthonisen et al., 1976; Pitter, 1999; Park and Bae, 2009). Fugát je stejně jako neseparovaný kapalný digestát charakteristický mírně zásaditou hodnotu pH (cca 7,5 – 8,5) (Dohányos et al., 1998; Straka et al., 2010). Za těchto podmínek je již zastoupení nedisociovaného NH3 poměrně vysoké, v závislosti na teplotě činí cca 4 – 20 % (Anthonisen et al., 1976).
Současnou běžnou praxí nakládání s fugátem je jeho relativně dlouhodobé skladování v uskladňovacích nádržích a jeho následná aplikace cisternami přímo na zemědělskou půdu. Podobně se zpravidla nakládá i s tekutým digestátem v případě, že separace na separát a fugát není aplikována. Hnojení surovým fugátem (ale i neseparovaným tekutým digestátem) s sebou nese dvě zásadní ekonomické nevýhody spojené i s environmentálními riziky. Relativně malý podíl sušiny ve velkém objemu balastní vody výrazně navyšuje náklady na přepravu a následnou aplikaci, což je spojeno i se zvýšeným rizikem zhutnění půdy častým pojezdem cisternových vozidel. Těkavý NH3 při skladování fugátu (respektive tekutého digestátu) i přímo během jeho aplikace na půdu může unikat do ovzduší, což je nežádoucí jak z environmentálního (Butterbach-Bal et al., 2011, Renard et al., 2004), tak z ekonomického hlediska (ztráta dusíkaté živiny). Podíl ztrát může činit až 30 % (Hlušek 2004). Problémy s uplatněním fugátu tak omezují možnosti aplikace separace digestátu na separát a fugát v objektech současných BPS. Přitom vyvinutí vhodné technologie pro zpracování fugátu může vést k plošnějšímu využití separace digestátu a celkově i k racionalizaci využití látek v něm obsažených.
Předkládaný projekt si klade za cíl zefektivnit využití živin obsažených ve fugátu, respektive ve fermentačním zbytku jako takovém. Toho bude dosaženo vyvinutím speciální pokročilé technologie pro zpracování fugátu před jeho aplikací na zemědělskou půdu. Tato úprava fugátu bude založena na kombinaci biologických a fyzikálně-chemických procesů vedoucích k minimalizaci ztrát dusíku a k zakoncentrování živin obsažených ve fugátu.
Použitá literatura
Al Seadi T., Drosg B., Fuchs W., Rutz D., Janssen R. (2013) The Biogas Handbook – Science, Production and Applications. Chapter 12 – Biogas digestate quality and utilization. Woodhead Publishing Limited. DOI: 10.1533/9780857097415.2.267.
Anthonisen, A. C., Loehr, R. C., Prakasam, T. B. S., Srinath, E. G. (1976) Inhibition of nitrification by ammonia and nitrous acid, Journal WPC, 48 (5), 835 – 852.
Butterbach-Bah,l K., Gundersen, P., Ambus, P., Augustin, J., Beier, C., Boeckx, P., et al. (2011) Nitrogen processes in terrestrial ecosystems. In: Sutton MA, Howard CM, Erisman JW, Billen G, Bleeker A, Grennfelt P, van Grinsven H, Grizzetti B, editors. The European Nitrogen Assessment. UK: Cambridge University Press, 99–125.
Dohányos M., Zábranská J., Jeníček P., Fialka P., Kajan M. (1998) Anaerobní čistírenské technologie. NOEL 2000, Brno.
Hanč A., Vašák F. (2015) Processing separated digestate by vermicomposting technology using earthworms of the genus Eisenia. International Journal of Environmental Science and Technology. 12 (4). 1183-1190.
Hlušek, J. (2004) Statková hnojiva. www.mendelu.cz.
Park, S., Bae, W. (2009) Modelling kinetics of ammonium oxidation and nitrite oxidation under simultaneous inhibition by free ammonia and free nitrous acid, Process Biochemistry, 44(6), 631–640.
Pitter P.: Hydrochemie. Vydavatelství VŠCHT, Praha 1999.
Renard, J.J., Calidonna, S.E., Henley, M.V. (2004) Fate of ammonia in the atmosphere — a review for applicability to hazardous releases. Journal of Hazardous Materials, 108, 29–60.
Smatanová, M. (2012) Digestát jako organické hnojivo. Zemědělec 18/2012.
Straka F. a kolektiv (2010) Bioplyn. Příručka pro výuku, projekci a provoz bioplynových systémů. III zkrácené vydání. GAS s.r.o. Říčany.
Tlustoš P., Kaplan L., Dubský M. (2014) Možnosti uplatnění upravených složek digestátu. Sborník z 20. mezinárodní konference Racionální použití hnojiv. 128 s. ISBN 978-80-213-2511-1.