(033) Technologie vs. fermentační zbytek

(033) Technologie vs. fermentační zbytek Michal Došek*,***, Marek Holba*, Michal Černý*** * ***

ASIO, spol. s r.o., Kšírova 552/45, 617 00 Brno - Komárov

Mendelova Univerzita v Brně, Ústav techniky a automobilové dopravy, Zemědělská 1, 613 00 Brno E-mail: [email protected], [email protected], [email protected],

Souhrn Tato práce se zaměřuje na otázku digestátu a fugátu v České republice, kdy se začíná projevovat i u nás trend, jaký je k vidění několik let v západní Evropě. Nerudovská otázka: „Kam s ním?“, je docela výstižným spojením pro nakládání s digestátem a fugátem. Vzrůstající počet bioplynových stanic jde ruku v ruce i s produkcí digestátu. Nitrátová směrnice a pravidla pro nakládání s digestátem neumožňují jeho aplikaci na pole, kdy se to zrovna zemědělci hodí nebo kdy to pole potřebuje. V současnosti je k dispozici celá řada technologií pro nakládání s digestátem. Cílem tohoto článku je zpřehlednit dostupné technologie.

Summary This work focuses on the issue of digestate in Czech Republlic, That starts to follow the trend set in the Western Europe several years ago.The increasing number of biogas plants implies the production of digestate. Nitrates directive and digestate management rules prevent its application to the field. At present, there is a wide range of technologies for digestate treatment. This article aims to introduce the available technology. Klíčová slova: anaerobní digesce, fermentační zbytek, digestát, čištění, technologie, recyklace Keywords: anaerobic fermentation, digestate, fermentation residue, digestate treatment, recycling, technologie

1.: Co je vlastně fermentační zbytek? Anaerobní digesce biologicky rozložitelného materiálu produkuje dva hlavní výstupy. Jedním je bioplyn a druhým je fermentační zbytek, často označovaný jako digestát. Mokrá anaerobní digesce produkuje fermentační zbytek, který lze rozdělit různými separačními technikami na takzvaný separát, který obsahuje většinu pevných látek a jehož sušina začíná od 13 % a tekutou frakci fugát, který má sušinu do 3 % a surový digestát 3-13 %. Při procesu anaerobní fermentace se rozštěpí organické látky a zůstávají jen stabilnější organické látky a některé nutrienty v minerální a organické formě. Pokud nazýváme digestát hnojivem, musíme dodat, že je to hnojivo spíše slabší a se značným obsahem vody. Metanizací ve fermentoru dochází v substrátu k významným změnám. Organická sušina se redukuje o 45 – 65 %. Poměr C : N se mění z původních asi 18 : 1 až 12 : 1 na 8 : 1. Okolo 90 % N-NH4+ přechází do kapalné fáze NH3(aq). Poměr C : N je zdánlivě mimořádně příznivý. Nelze ale zapomenout, že je běžně stanoven z hodnot C tot a Ntot, bez ohledu na rozložitelnost materiálu. A ta se bohužel prudce zhoršuje. [1] Ačkoli pro použití digestátu platí podobná pravidla, jako pro aplikaci kejdy svým rychlým účinkem se blíží spíše hnojivům minerálním. Je to především díky poměru C/N, který je u digestátu do 10/1, zatímco například u hnoje je to už 25/1 a u slámy dokonce 100/1. Navíc organické látky v něm obsažené jsou v půdě pouze těžko rozložitelné. [2]

V digestátu zůstanou krom nutrientů i další, obtížně odbouratelné látky. Například těžké kovy, eventuálně i zbytky obalových materiálů tam, kde se jako substrát používá gastronomický odpad. Mnoho provozovatelů bioplynových stanic, kteří jsou zároveň vlastníky zemědělsky obhospodařované, půdy budou přesto tvrdit, že digestát je skvělé konvenční hnojivo, je ekonomický a efektivní. Je nasnadě, že použít digestát na vlastním poli a nezabývat se jeho odstraněním, čištěním, zkoncentrováním, atd. je snazší a levnější varianta. Kapacita zemědělské půdy však není neomezená. Paralelu k vývoji problematiky digestátu, můžeme hledat například v sousedním Německu, kde je digestátu přebytek. Obrázek č. 1: Skladovací nádrž digestátu bioplynové stanice Bořetice

1.1: Digestát a legislativa Podle vyhlášky č. 474/2000 Sb., o stanovení požadavků na hnojiva, ve znění pozdějších předpisů je digestát organické hnojivo typové (typ 18.1 e) a musí splňovat limitní hodnoty rizikových prvků uvedených v příloze č. 1, tabulka č. 2 této vyhlášky povrchových vod nebo na sousední pozemek. Vezmeme si jako modelový příklad nejčastější typ digestátu, tedy z BO stanic, kde je vstupním produktem rostlinná biomasa a statková hnojiva. Určujícím předpisem je v tomto případě úplné znění zákona č. 156/1998 Sb., o hnojivech, a zejména úplné znění vyhlášky č. 474/2000 Sb., o stanovení požadavků na hnojiva [3]. Musíme však vzít v úvahu i zákonem definované zranitelné oblasti ČR. Ve zranitelných oblastech (cca 50 % zemědělské půdy) je třeba respektovat Nařízení vlády č. 103/2003 Sb., zejména pak omezení hnojení dusíkem a respektování období zákazu hnojení. Digestát je třeba aplikovat na pozemku rovnoměrně a je nutno zamezit vniknutí digestátu do podzemních vod. Tabulka č. 1: Označení typu hnojiva dle legislativy

Při průměrném obsahu 0,5 % celkového dusíku v hnojivu se dodá při dávce 1 t (1m 3) digestátu 5 kg N/ha. Složení digestátu představuje riziko ztrát dusíku v plynné formě.

Tabulka č. 2: Limitní hodnoty rizikových prvků v organických hnojivech

1.2: Omezení hnojení digestátem aneb proč dál upravovat fermentační zbytky Nitrátová směrnice [4] řadí digestát mezi organická a organominerální hnojiva. Doslovně definuje fermentační zbytky z produkce bioplynu takto: 1) přidání hnojiva typu 18.1.e „digestát“: 3-13 % sušiny, min. 0,3 % N v hnojivu (= min. 3 kg N/t) 2) přidání hnojiva typu 18.1.f „digestát – fugát“: do 3 % sušiny, min. 0,1 % N v hnojivu (= min. 1 kg N/t) 3) přidání hnojiva typu 18.1.g „separovaný digestát“: nad 13 % sušiny, min. 0,5 % N v hnojivu (= min. 5 kg N/t). Dávka digestátu a frekvence hnojení digestátem není v současné legislativě jinak omezena. (mimo zranitelné oblasti, cca. 50% zemědělské plochy ČR). Volba dávky digestátu musí vycházet z obsahu dusíku a musí se dávat pozor, zda jsou % N v absolutní, tedy stoprocentní sušině, či v čerstvé hmotě digestátu. Omezení použití digestátu, jako hnojiva s rychle uvolnitelným dusíkem, které je charakterizováno poměrem C:N užším než 10:1 ale vyplývá z Nařízení vlády č. 103/2003 Sb., o stanovení zranitelných oblastí a o používání a skladování hnojiv a statkových hnojiv, střídání plodin a provádění protierozních opatření v těchto oblastech a Nařízení vlády č. 262/2012 Sb., o stanovení zranitelných oblastí a akčním programu se týká mimo jiné období zákazu používání dusíkatých hnojivých látek na zemědělské půdě. Tabulka č. 3: Období zákazu používání dusíkatých hnojivých látek na zemědělské půdě Zemědělský pozemek s pěstovanou plodinou, nebo připravený pro založení porostu plodiny Plodina nebo kultura Klimatický region* Plodiny na orné půdě (mimo travních a jetelovino-travních porostů), trvalé kultury Travní (jetelotravní) porosty na orné půdě, TTP

0-5 6-9

Období zákazu hnojení Hnojiva s rychle uvolnitelným dusíkem 15. 11. - 31. 1. (1. 11. - 31. 1. ***) 5. 11. - 28. 2. (15. 10. – 28. 2. ***)

0-5 15. 11. - 31. 1. (1. 11. - 31. 1. ***) 6-9 5. 11. - 28. 2. (15. 10. – 28. 2. ***) Používání hnojiv s pomalu uvolnitelným dusíkem** na orné půdě je zakázáno v období 1. 6. - 31. 7. (toto ustanovení neplatí v případě následného pěstování ozimých plodin a meziplodin) a v období 15.12. - 15.2. Používání hnojiv s pomalu uvolnitelným dusíkem na trvalých travních porostech je zakázáno v období 15.12. - 15.2. Vysvětlivky: * 1. číslice kódu bonitované půdně ekologické jednotky, ** platí i pro upravené kaly, *** termíny platné od 1.1.2014 (nevztahuje se na kukuřici pěstovanou na zrno).

1.3: Nebezpečí při hnojení digestátem Digestát tuhý i tekutý je jako organické hnojivo zařazen podle zákona č. 254/2001 Sb., o vodách, mezi tzv. závadné látky. Ten kdo zachází se závadnými látkami je povinen učinit přiměřená opatření, aby nevnikaly do podzemních nebo povrchových vod a neohrozily životní prostředí. To představuje dodržovat při aplikaci digestátu následující opatření, které jsou v souladu s výše zmíněným nařízením vlády č. 103/2003 Sb., o stanovení zranitelných oblastí a používání a skladování hnojiv a statkových hnojiv, střídání plodin a provádění protierozních opatření v těchto oblastech. Pro aplikaci a použití digestátu existuje ještě celá řada dalších omezení. Tyto však nebudeme dále rozvádět, protože přesahují rozsah tohoto článku.

1.4: Situace v ČR vs. situace v zahraničí K 31. 12. 2013 bylo v České republice v provozu 554 bioplynových stanic V Německu bylo například do konce roku 2012 uvedeno do provozu 340 nových zařízení, na rozdíl od roku předchozího, kdy toto číslo dosáhlo 1270 nových instalací. Vyplývá to z nedávno vydané zprávy Evropské bioplynové asociace (EBA). [5] Dle statistik připadá například v sousedním Německu na jednu bioplynovou stanici 40 km2, kdežto v naší krajině je to celých 142 km2. Je tedy vidět, že kapacita pro potenciální aplikace v ČR je relativně dostatečná. Bude záležet na podpoře ERU (Energetický regulační úřad) a dalších okolnostech. V Německu je však nyní problém, najít odbyt pro digestát a takovýto vývoj situace lze očekávat i u nás. Vzhledem k legislativním omezením jej není možné všechen aplikovat na půdu v surové podobě. Vzniká tak jeho přebytek, který je potřeba čistit, ideálně pak využít nutrienty v něm obsažené a vyrobit z něj koncentrované hnojivo. Význam efektivního využití digestátu se bude nadále i zvyšovat s rostoucími cenami konvenčních hnojiv, zejména fosforu, jehož rezervy by mohly být dle některých odhadů za 30-50 let vyčerpány.[18] Obrázek č. 2: Počty bioplynových stanic v Evropě v roce 2013, instalovaný výkon 7857 MWel. [5]

Je tedy nasnadě, že v budoucnu budeme muset řešit otázku úpravy a čištění digestátu i v ČR. Toto tvrzení lze navíc podpořit faktem, že v případě, kdyby digestát obsahoval nadlimitní obsah rizikových prvků a látek, k čemuž může dojít při anaerobní fermentaci ze směsného komunálního odpadu, a nemohl by být použit na zemědělskou nebo nezemědělskou půdu, ani jako surovina v další výrobě, musel by se likvidovat jako odpad podle zákona o odpadech (např. spalovat, čistit na ČOV nebo ukládat na skládku). Tato možnost bude v blízké době značně problematická, protože by se musel materiál ještě aerobně „destabilizovat“, aby přestal být biologicky rozložitelným odpadem. Toto je však až krajní možnost a provozovatelé BPS se jí snaží vyhýbat volbou vhodných vstupních surovin.

2. Technologie pro nakládání s fermentačním zbytkem Výše zmíněné důvody vedly k vývoji celé řady technologií pro nakládání s fermentačním zbytkem z anaerobní digesce. Většina z těchto technologií lze navíc navzájem kombinovat. Záleží jen na finančních možnostech a potřebách provozovatele. V praxi buďto převládá názor, že je nutné digestát nějakým způsobem vyčistit a zbavit se tak druhotného produktu z výroby bioplynu a nebo nový a moderní přístup a to využít maximálně potenciál této druhotné suroviny a recyklovat z něj všechny nutrienty (N,P,K), využít je jako hnojivo a oddělenou vodnou složku využít k zavlažování a nebo k ředění obsahu fermentoru.

2.1: Technologie můžeme v zásadě rozdělit takto: 1) Odvodnění digestátu

Evaporizace + zavlažování/ČOV

2) Odvodnění digestátu

Ultrafiltrace + RO

3) Odvodnění digestátu

Stripování NH3 + zavlažování/ČOV

4) Odvodnění digestátu

Srážení struvitu + Stripování NH3 + zavlažování/ČOV

5) Odvodnění digestátu

Karbonizace + zavlažování

6) Odvodnění digestátu

Sušení separátu + recyklace fugátu

7) Digestát + kompostování 8) Odvodnění digestátu

Separát + Biologické dočištění (Annamox)

Obrázek č. 3: Schéma provázanosti základních technologií určených k úpravě fermentačního zbytku

2.2: Amoniak, překážka na cestě Fermentační zbytek se vyznačuje vysokými hodnotami dusíku v amoniakální formě. Rozlišujeme dvě základní formy. Jedním z nich je volný amoniak NH3, a druhý je amonný kation (NH4 Obrázek č. 4: Fázový diagram forem amoniakálního dusíku

Amoniak vzniká mikrobiálním rozkladem organických zbytků, exkrementů a moči živočichů, přičemž se většinou váže ve formě amonných solí. Proto je jeho obsah ve fermentačním zbytku poměrně vysoký. 24,5 g/L Jelikož je ve vysokých koncentracích toxický a rychle se uvolňuje do životního prostředí, měl by se jeho obsah v digestátu eliminovat. Proto jsou vyvíjeny různé metody k jeho odstranění. Takto vysoké koncentrace amoniakálního dusíku jsou však oříškem i pro nejnovější technologie. Problematika čištění je navíc komplikována vysokým množstvím organiky a huminových kyselin. Nyní si představíme některé základní technologie, které můžeme použít k čištění fermentačního zbytku. 2.3: Biologické čištění digestátu Biologické čištění vod využívá schopnosti mikroorganismů rozkládat organické znečištění ve vodném prostředí. K dispozici musí být dostatečná plocha, aby se mohly mikroorganismy v tomto prostoru udržet a rozmnožovat a také aby mohlo dojít k maximální látkové výměně (substrát, kyslík, produkty látkové výměny) mezi mikroorganismy a odpadní vodou. [8] V případě digestátu se jedná o specifický případ, vzhledem k vysokým koncentracím amoniakálního dusíku, je nutné používat specifické mikroorganismy. V praxi se používají takzvané Anammox kultury, které přeměňují amoniak na N2. V rámci této biologické reakce se mění dusitanové a amonné ionty na molekulární dusík a vodu. Ideální je kombinovat technologii Anammox s dalšími technologiemi, například s krystalizací struvitu, která využívá fosfor obsažený v digestátu. Obrázek č. 5: Příklad technologického řešení s použitím biologického čištění [9]

Obrázek č. 6: ANAMMOX UASB reaktor s granulovanou biomasou [10] 2. 4: Sušení digestátu Digestát je možné sušit buď přímo nebo po separaci na sítových nebo bubnových separátorech. Separát je možné po sušení použít jako hnojivo, nebo pro výrobu pelet či briket. Pro zpracování úsušků se obvykle požaduje konečná vlhkost v rozmezí 10 – 15 %. Z energetického hlediska je výhodné udržovat podíl sušiny okolo 88 %, aby se materiál nepřesoušel a byl stabilizován na skladování. Přímým sušením lze sušit pouze část digestátu, na usušení celého množství není množství tepla dostatečné. Pro sušení separátu se používají pásové sušárny konstruované pro různé výkonové velikosti bioplynových stanic a pracující s teplotou 80 – 120 °C. Využívá se jednak teplo z chladící vody a zbytkové teplo z

kogenerace. Evaporizace vody je však poměrně energeticky náročná. Výrobce takovéhoto zařízení, firma Dorset, uvádí: 0,6 – 1,1 kWh/kg. [11] Jiné zdroje uvádí hodnotu 0,52 kWh/kg [14], ovšem v kombinaci s užitím solární energie a velkoplošných skleníků. Obrázek č. 7: Sušení digestátu, systém od firmy Dorset + výsledný produkt se sušinou až 85 %

2.5: Filtrace, reverzní osmóza Filtrace digestátu se používá zejména tam, kde není žádná zemědělská půda pro aplikaci digestátu a je nutné jej kompletně vyčistit a získat hnojivo pro další prodej. Technologicky a investičně jde rovněž o nákladnou technologii. V praxi se jedná o složitý systém předčištění, kdy na začátku procesu je odvodnění digestátu na fugát a separát. Z fugátu se zbytek větších částic odstraní pomocí sít, následuje vyčeření pomocí koagulace nebo flokulace. Vzniklý kal se odtahuje a vrací před separaci (nejčastěji šnekový separátor nebo odstředivka). Zbytek kapalné frakce pokračuje na mikrofiltrace, následuje ultrafiltrace a konečně reverzní osmóza. Pro digestát se používají nejčastěji keramické membrány, které se lépe regenerují a snesou větší provozní tlaky. Obrázek č. 8: Schéma filtračních kroků během filtrace fugátu

Obrázek č. 9: Technologie reverzní osmózy s keramickými moduly, vpravo permeát a retentát

Náklady na čištění digestátu včetně opotřebení technologie, dávkování chemie a elektrické energie činí zhruba 200 Kč/m3. Výsledný produkt je bohatý na amoniak + všechny organické i anorganické složky (P,K, další soli). [12] Mezi hlavní výhody technologie patří zakoncentrování nutrientů a snížení objemu hnojiva, které je aplikováno na pole. Nevýhody technologie jsou pak poměrně vysoké náklady na provoz a regeneraci membrán. Navíc permeát může mít při nedodržení technologické kázně relativně vysoký obsah amoniakálního dusíku. Také hrozí podobně jako u digestátu velká ztráta dusíku přechodem do plynné

fáze. Zakoncentrování pomocí RO je velkou zátěží na membrány vzhledem k množství organiky. Membrány se rychle zanášejí, pokud není důkladně řešeno předčištění. 2.5: Stripování amoniaku Základem technologie stripování amoniaku z digestátu je nejprve stripování pomocí CO 2 (zamezení inkrustace), poté se musí zvýšit pH do zásadité oblasti, nejčastěji pomocí NaOH. Díky tomu podstatná část amoniaku přejde do plynné fáze. V dalším kroku se pH přidáním H2SO4 posune do kyselé oblasti a plyn se tak opět zkapalní ve zkrápěcí koloně, tím vznikne síran amonný, který lze použít jako hnojivo. Tato technologie je účinnější, pokud jsou z digestátu odseparovány nerozpuštěné látky. Obrázek č. 10: Schéma stripovací kolony na bioplynové stanici

Nevýhoda této technologie spočívá ve vysoké cenně za chemikálií. Dalším problémem je, že není zcela komplexní. Z fermentačního zbytku musíme nejprve oddělit separát, po vystripování získáme síran amonný, ale zbude nám pořád ještě fugát s vysokým obsahem vody a nízkou hnojivou hodnotou. Cena za stripování fugátu je také vysoká, zhruba 207 Kč/t a to bez nákladů na separaci a dočištění fugátu. [13] 2.6: Evaporizace Technologie využívá zbytkového tepla. Rozdíl oproti sušení je v teplotách a případně vakuové destilace. V tomto případě výparník využívá teplo dodávané horkou vodou z kombinované výroby tepla k odpaření digestátu. Oběhové čerpadlo pošle vodu přes výměník, kde je dodán dostatek tepla. Po zahřátí digestát dosahuje téměř teploty varu a přechází do výparníku, kde dochází k separaci vodné složky a koncentrátu. Nevýhoda technologie spočívá v hospodaření s amoniakálním dusíkem, který se odpaří spolu s vodnou frakcí.

Obrázek č. 11: Zjednodušené schéma evaporizace, vpravo instalace

Dle některých modelových studií vychází odpařování digestátu pomocí této metody zhruba na 165 Kč/m3. [13] 2.7.: Karbonizace Po separaci digestátu je separát karbonizován pomocí suché destilace. Jedním ze zástupců je např. technologie KARBOTECH, ta pracuje na principu nízkoteplotní pyrolýzy, za teplot mezi 300 a 500°C bez přístupu vzduchu, což je reduktivní proces, při kterém je biomasa rozkládána na pyrolyzní plyny a pevný zbytek (biouhel), obsahující až 95% uhlíku ve stabilní formě. Výtěžky jednotlivých produktů pyrolýzy se mění podle druhu pyrolyzované biomasy, teploty, rychlosti ohřevu a reakční doby. Hlavní předností technologie KARBOTECH je využití odpadního nebo zbytkového tepla z jiných provozů, zejména spalin z motorů kogeneračních jednotek na BP stanicích. Spaliny z motorů jsou vedeny do technologie, kde se dále dohřejí spalováním pyrolyzních plynů. Díky tomu je možné zpracovat větší množství biomasy, a to i s nižším obsahem spalitelných látek. Za procesem karbonizace tak zůstává dostatek zbytkové teplené energie pro předsušení. [21] Obrázek č. 12: Schéma produkce biouhlu [19], vpravo Biouhel firmy SunCoal [20]

2.8.: Ostatní technologie Mezi ostatní technologie, které však zatím nejsou tak frekventované můžeme řadit zástupce fyzikálních i chemických metod: 

MAP, srážení fosforu



EST, spalování a hygienizace pomocí vysokoteplotní plazmy

MAP (magnesium ammonium fosfát): Tvorba struvitu, vysoce ceněného fosforečného hnojiva. Zjednodušeně lze popsat reakci tak, že k předčištěnému fermentátu se přidá kyselina fosforečná a MgO v určitém poměru a vzniká nám struvit jako sediment. Náklady na recyklaci fosforu jsou zhruba 48 eu/ m³.[14] Navíc je nutno dodat, že amoniakální dusík je obsažen v struvitu zhruba v 5 %. Některé studie firmy Ostara, která se zabývá recyklací fosforu však hovoří o zhruba polovičních nákladech.

3.: Srovnání technologií a doporučení, recyklovat nebo odstraňovat? Biologické metody jako např. Anammox jsou časté např. v Nizozemí. Jejich cílem je zbavit se amoniakálního dusíku a převést jej do plynné formy N2 a vypustit do atmosféry. Zde se nejedná o smysluplné využití, pouze odstranění spojené s emisemi do atmosféry. Stripování amoniakálního dusíku je technologie velmi nákladná a také neřeší problém ztráty ostatních nutrientů. Pokud není čištění digestátu kombinováno s čištěním odpadního vzduchu se současnou výrobou např. síranu amonného, celý obsah dusíku v digestátu je prakticky vyloučen po procesu sušení v podobě emisí. Technologie sušení digestátu a jeho spalování jsou dle mého názoru také slepou uličkou. Spalováním peletek ze separátoru mohou být způsobeny významné škody. Může totiž vést k nevratnému narušení koloběhu uhlíku a živin N,P,K řetězce, které jsou pak brány z jiných (fosilních) zdrojů. Navíc v souvislosti s omezenými světovými zásobami apatitu (Ca3 (PO4)2), který je v podstatě jediným zdrojem fosforu pro výrobu průmyslových hnojiv. Další negativní účinek na půdu má přerušení recyklačního řetězce organického uhlíku, který je potřeba k udržení obsahu humusu pro produkci zemědělských plodin. Výše popsané technologie je třeba vzájemně kombinovat, aby bylo dosaženo kýženého výsledku recyklace všech nutrientů (N,P,K). Je tedy nasnadě, že cena za kompletní recyklaci bude na první pohled vysoká v porovnání s dosavadním řešením, kdy se digestát pouze separoval na fugát a separát nebo se vozil na pole surový. Nicméně legislativa je neúprosná a tam kde není možné digestát přímo aplikovat je nutno hledat nejvhodnější řešení. Budeme-li přemýšlet ekologicky, cena za recyklaci nutrientů není zas tak astronomická. Musíme si uvědomit, že na druhou stranu vznikají i úspory za výdaje na dopravu. Nevozíme na pole již vodu ale kvalitní hnojivo. Transport digestátu, který nemůže být použit v bezprostřední blízkosti podniku by bylo nebylo rentabilní. Je třeba do výpočtů zahrnout i samotnou ekonomickou hodnotu digestátu. Uvedeme si jednoduchý modelový příklad. Následující tabulka ukazuje obsah živin NPK v digestátu, který pochází pouze z BP stanice, kde je jako substrát kukuřičná biomasa. Tyto hodnoty mohou být považovány za minimální. Přídavek kejdy a jiný zemědělský odpad by se zvýšil obsah živin NPK. Absolutní hodnoty jsou vypočítány pro bioplynovou stanici s elektrickým výkonem 1000 kW/den. [15] Tabulka č. 4: Relativní a absolutní obsah živin NPK v digestátu vs. průmyslově získané nutrienty [15] Nutrienty a složky digestátu

Koncentrace

produkce

(%)

(t/rok)

Ekvivalent prům. výroby (GJ / t)

Prům. ekvivalent

En. náročnost

hnojiv (N,P,K)

(GJ / t)

Sušina

7.3

943

K2O

0.78

101

505

KCl

5

P2O5

0.18

23

122

Superfosfát

5,3

Celkový dusík, N

0.63

81

3548

DAM 390

43,8

Poznámka: Sloupec č. 4-5 slouží pro porovnání se spotřebou energie na výrobu živin N,P,K, které udává International fertiliser industry association. Spotřeba energie (GJ / t)

Bilance je tedy následující. Z naší modelové BP stanice je možné získat 943 t sušiny. Při množství 1110 t peletizovaného paliva se sušinou 85% a výhřevností 3 MWh/t (10,8 GJ/t) [15], dostaneme 3330 MWh el. energie, což při současné průměrné ceně 4,75 Kč/kWh [16], představuje 15,8 mil. Kč výdělku při spálení. Jenže cena za výrobu průmyslového hnojiva, které bychom museli vyprodukovat, abychom nahradili nutrienty spálené s digestátem je 5,5 mil Kč (vycházím z cen v tabulce). Odečteme-li od ceny získané prodejem energie z peletek ještě cenu za jejich výrobu, která při energetické náročnosti 0,6 – 1,1 kWh/Kg (beru 0,85) představuje při produkci 1110 t ročně zhruba 944 MWh, musíme od ceny odečíst ještě 4,5 mil Kč, vyjde nám zůstatek zhruba 5,8 mil. Kč. Pokud bychom použili údaje z jiného zdroje [14], který udává ceny výroby průmyslových hnojiv takto: 55 Euro / t N, 56 Euro / t P, 28 Euro / t K. Vychází pro naši modelovou bioplynovou stanici roční úspora za tato hnojiva poněkud méně 1 mil. Kč. Z mého pohledu se jeví jako nejvýhodnější po ekologické stránce a možná i po ekonomické metoda kombinace nízkoteplotní karbonizace separovaného substrátu na biouhel. Ten má celou řadu předností, včetně zachování toku uhlíku a zamezení emisí CO2, navíc se najde uplatnění i mimo zemědělské obory. Fugát, který pak vznikne při separaci v předchozím kroku by bylo nejvhodnější čistit pomocí filtračních metod. Vzniklý permeát se dá pak použít jako technologická voda, případně k zavlažování a retentát jako kvalitní, koncentrované hnojivo.

4. Závěr Podpora bioplynu je založena na přínosu pro životní prostředí díky obnovitelným zdrojům ve srovnání se zemním plynem a fosilními palivy. Přínos a výhody lze dosáhnout za předpokladu, že suroviny jsou vyráběny v udržitelným a odpovědným způsobem. Kompletní recyklace zbytkového organického uhlíku a minerálů (N,P,K) a jejich užití na produktivní zemědělské půdě je esenciální podmínkou tohoto konceptu. V článku byly prezentovány základní možnosti jak naložit s fermentačním zbytkem a recyklovat jej nebo ho dokonce upgradovat. Nutno dodat, že většina technologií, ačkoliv jejich principy jsou známy již dlouho a jsou léta používány v jiných odvětvích, jsou používány pro úpravu fermentačního zbytku relativně krátce. Lze však předpokládat jejich další vývoj v oboru a nárůst počtu instalací. Detailní popis těchto technologií přesahuje rámec tohoto článku. Výstupem z těchto, často velmi nákladných procesů čištění fermentačního zbytku je krom separátu a vodného zbytku často kapalný síran amonný nebo dusičnan amonný. Případně pak hnojivý koncentrát s vysokým obsahem makronutrientů N,P,K. Tyto produkty mohou snadno zastoupit komerční produkty, minerální hnojiva a další preparáty, které by musel jinak farmář kupovat. Při každém návrhu je nutné od pořizovací ceny rovněž započítat ušetřené náklady za hnojiva, za poplatky při odvozu digestátu na klasickou čistírnu odpadních vod a jeho likvidaci a v případě jeho aplikace v surovém stavu pokud to je vůbec možné. Podstatná část N používaného v zemědělství pochází z průmyslové výroby amoniaku, na jehož produkci připadá zhruba 1 % energie produkované lidstvem! [17]. Je zřejmé, že náklady na výrobu takovéhoto hnojiva nemůžeme v konkrétních kalkulacích započítávat, jde ale spíše o rozumnou úvahu a hospodárné chování. Proč vypouštět neefektivně do životního prostředí dusík, který se rychle uvolní, nebo spláchne do vodních toků s prvním deštěm a kupovat pak za drahé peníze hnojivo. Podobně můžeme hodnotit i ztráty fosforu, který je navíc neobnovitelný, přičemž zásoby fosfátových rud ve světě se odhadují dle nejpesimističtějších odhadů na 30-50 let. [18] Emise CO2 skleníkového plynů při spalování uhlíku v peletkách také neindikují příliš vhodnou technologii. Z tohoto důvodu lze konstatovat, že otázka čištění a úpravy fermentačního zbytku není jen ekonomická ale i ekologická s přidanou hodnotou pro životní prostředí, energii a pro společnost. Poděkování: Článek vznikl díky podpoře z projektu: QJ1320234: „Z odpadů surovinami“, který je financován za podpory NAZV.

5. Reference [1] KOLÁŘ L., Kužel V. : Využití odpadů z bioplynových stanic. Racionální použití hnojiv - sborník z konference, ISBN 978-80-213-2006-2, 2009 [2] ZEA, Sedmihorky, spol. s r.o. - Roudný 53, Digestát a kukuřice, publikováno dne:8.3.2011, Citováno z webu:http://www.zea.cz/kukurice/digestat-a-kukurice/ [3] VÁŇA, J.: Využití digestátů jako organického hnojiva. Biom.cz, 2007-04-25 [cit. 201501-28]. Dostupné z WWW: . ISSN: 1801-2655. [4] Nitrátová směrnice, nařízení vlády č. 103/2003. [5] European Biogas association, článek na webu: http://european-biogas.eu/biogas/, citováno dne: 27.1.2015 [6] KRČÁLOVÁ E., Příručka pro nakládání s digestátem a fugátem, Mendelova univerzita v Brně, Institut celoživotního vzdělávání ve spolupráci s Ústavem zemědělské, potravinářské a environmentální techniky Brno, 2008 [7] GRUNWALD, E., Ku, Alice Y. Brandeis Univ., Waltham, MA, Proton exchange between ammonium ion, trimethyl-ammonium ion, and water. Speed of the dehydration step that precedes bimolecular proton transfer. USA, Journal of the American Chemical Society (1968), 90(1), 29-31. [8] VONDRUŠKA A., Použití systému MBBR – další možnosti minimalizace, 2012, článek na webu: http://www.asio.cz/cz/106.pouziti-systemu-mbbr-dalsi-moznosti-minimalizace, citováno dne:27.1.2015 [9] DRIESSEN W., Abma W, Van Zessen, et. all, Sustainable treatment of reject water and industrial efluentby producing valuable by-rpoducts.14th European Biosolids and organic Conference, 2009, London [10] C. J. Tang, R. He, P. Zheng, L. Y. Chai, and X. B. Min, “Mathematical modelling of high-rate Anammox UASB reactor based on granular packing patterns,” Journal of Hazardous Materials, vol. 250-251, pp. 1–8, 2013. [11] Dorset GM, The use of waste heat for drying digestate on biogasplants, Digestate Use and Treatment, Swedish-German Workshop,September 5th, Malmö/Höör, Sweden, 2014, http://conference.sgc.se/?pg=1445756, firemní prezentace [12] WERENER F., Status and perspectives for digestate treatment, Nitrogen Recovery as one important task for. University of Natural Resources and Life sceinces Viena, Department, IFA-Tulin, Institut for enviromental Biotechnologiy, Konrad Lorenz, str, 20, A-3430 Tulin, Austria, 2014. [13] HALL O., Importance of digestate for the biogas industry, E.ON Gas sverige AB, Digestate Use and Treatment, Swedish-German Workshop,September 5th, Malmö/Höör, Sweden, 2014, http://conference.sgc.se/?pg=1445756 [14] KOTTNER M., Treatment of Digestate, Biogas Regions: Train the Trainers Seminar, Wolpertshausen, Germany, 28-29 November 2007. http://www.biogasregions.org/doc/Train_the_trainers/01.9_slurry_processing.pdf [15] European Biogas Association, Opinion on the digestate drying at biogas plants, Rue dÁrlon 63-65 Brussels, Belgium, 22. 5. 2013, www.european-biogas.eu [16] http://www.energie123.cz/elektrina/ceny-elektricke-energie/cena-1-kwh/, web navštíven dne 11.2.2015 [17] APPL M., Ammonia, in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Weinheim : Wiley-VCH, 2006. DOI:10.1002/14356007.a02_143.pub2 [18] STEVEN J., Van Kauwenbergh, World Phosphate Rock Reserves and Resources, Geologist and

Principal Scientist Research and Development Division, Muscle Shoals, Alabama 35662, U.S.A. www.ifdc.org, September 2010 [19] Obrázek ze stránky: http://biouhel.cz/wp-content/uploads/2014/02/Zakladni-schema-karbotech.png, navštíveno dne 12.2.2015 [20] Obrázek ze stránky: http://ecosummit.net/award/eco12/startups/suncoal, navštíveno dne 12.2.2015. [21] Informace z webu firmy Biouhel.cz, http://biouhel.cz/?page_id=238, navštíveno dne 12. 2. 2015