OMEZOVÁNÍ NEGATIVNÍCH VLIVÙ ZEMÌDÌLSKÉ TECHNIKY NA PRACOVNÍ A IVOTNÍ PROSTØEDÍ
NEGATIVE EFFECTS REDUCTION OF AGRICULTURAL MECHANISATION AND TECHNOLOGY IMPACT INTO ENVIRONMENT
Sniování emisí toxických plynù kompostováním
Toxic gases emissions reduction by composting
Na základì tìchto faktù lze pøedpokládat, e kompostování je nejen vhodný zpùsob zpracování exkrementù hospodáøských zvíøat a zbytkové biomasy na kvalitní humus mimo pùdní prostøedí, ale také monost sniování ekologické zátìe krajiny vèetnì sniování emisí zátìových plynù. Proto byla provedena øada experimentù, které zjiovaly závislosti vzniku emisí toxických plynù, zejména amoniaku, v prùbìhu kompostovacího procesu. Kompostovací proces je doprovázen vznikem nejrùznìjích látek v plynném stavu, pøi jejich monitorování lze usuzovat, v jaké fázi se právì probíhající proces nachází a jak velkou mìrou kompostovací proces ekologicky zatìuje okolí emisemi toxických plynù, zejména amoniaku. Mìøení emisí amoniaku a ostatních plynù na kompostárnách je odliné od mìøení ve stájích. Pøi tìchto mìøeních je nutné eliminovat vliv povìtrnosti na povrchovou vrstvu kompostu a vliv mìnící se teploty uvnitø hromad. Pro mìøení byla pouita ovìøená metoda L. Svenssona a M. Ferma, kterou publikovali v Journal of Agricultural Engineering Research v r. 1993. Metoda je zaloena na poznatku, e emise amoniaku mùe být vyjádøena výrazem ENH3 = (CVZ - C0) . KH,V kde: ENH3 ......emise amoniaku CVZ ........koncentrace rovnováného amoniaku ve vzduchu C0 ...........koncentrace amoniaku v okolí KH,V ....... koeficient pøenosu hmoty mezi vzduchem a hnojem Vechny tøi hodnoty je moné získat mìøením. Pro mìøení byla pøipravena jednoduchá mìøící komora v ní je umístìno èidlo pro mìøení koncentrace amoniaku a ventilátor, kterým se odvádí z komory vzduch obohacený emisemi amoniaku, pøípadnì dalích plynù. Prùtok vzduchu komorou je regulován otáèkami ventilátoru. Po provedení teoretického rozboru problematiky a ovìøení získaných výsledkù z experimentù byl urèen vztah mezi velikostí mìøící komory a prùtokem vzduchu komorou. Pro pouitou komoru byla vypoètena hodnota prùtoku vzduchu
On the basis of these facts we consider composting as very suitable method of livestock excrements and remaining biomass processing into high - quality humus out of soil environment, but also possibility how to decrease ecological burden of landscape including burden gases emissions reduction. That is why many experiments were carried - out providing dependence of toxic gases emissions generation, mainly ammonia, during composting process. The composting process is accompanied by creation of various gaseous substances in which are indicator of the process phase and how this process environmentally burdens landscape by toxic gases emissions, mainly ammonia. The ammonia emissions and other gases measuring at composting plants differs from those in stables. During these measurements is necessary to eliminate weather effect onto surface of compost and effect of changing temperature inside the piles. For measuring was used a verified method of L. Svenssona a M. Ferma, published in the Journal of Agricultural Engineering Research in 1993.The method is based on the knowledge, that ammonia emission can be expressed by equation: ENH3 = (Cvz - Co) . KH, V where: ENH3...........ammonia emissions Cvz . . . . . . . . . .balanced ammonia concentration in air Co..............ambient ammonia concentration KHV............coefficient of material transfer between air and manure All the three values may be obtained by measuring. For measuring was prepared a single measuring chamber where is installed sensor for ammonia concentration measuring and air ventilator, rich by ammonia emissions, or some other gases discharging from the chamber. The air flow through the chamber is regulated by the ventilator revolutions. After the theoretical analysis of the problems and verification of obtained results was determined relationship between the measuring chamber size and the air flow through the chamber. For the used chamber was computed
Základem aerobního kompostování je biodegradace organické hmoty úèinkem aerobních mikroorganismù, kombinovanou s nìkterými dalími reakcemi, mezi které zejména patøí oxidace a hydrolýza. Aerobní proces kompostování potøebuje pøívod vzduchu a kyslíku, nebo je to jedna z podmínek k efektivnímu a rychlému procesu. Obecnì platí, e se na humifikaèním procesu podílí pøevánì heterotrofní mikroorganismy, které degradují organické látky a èást z nich oxidují a na CO2 a H2O. Souèasnì dochází k èásteèné vazbì dusíku a zvyuje se uitná hodnota kompostu.
The base of aerobic composting is biodegradation of organic matter caused by aerobic micro-organism combined with some other reactions, oxidation and hydrolysis particularly. The aerobic process of composting needs air and oxygen supply, because it is one of conditions of effective and rapid process. Generally, in the humification process are active mostly heterotrophic micro-organism which degrade the organic matters and part of them is oxidated up to CO2 and H2O. At the same time occurs a partial bond of nitrogen and the compost use value increases.
53
5,6 m3.h-1.Tato hodnota byla pouívána pøi vech mìøeních.
the air flow value 5,6 m3.h-1. This value was used for all the measurements. Measuring of toxic gases emissions at the composting plants For comparison will be described two composting plants, which belong into group of the composting plants where the rapid composting process is carried - out and where the identical drawing rotary digger is used. Measuring at the JENA company composting plant The composting plant is situated between villages Velké Pøílepy a Tursko within area of former missile base. The plant is processing the wooden residua, mowed grass and leaves from Pragues parks and manure from co-operative farm Tursko. The wooden waste is crushed onto chips before their insertion to the compost, the mowed grass is in form of crushed material, leaves and other rests are added in untreated state. The basic pile is always untreated and consists of 6 volume parts of leaves, 2 volume parts of mowed grass, 2 volume parts of wooden chips and 2 volume parts of manure. There is used technology of rapid composting and the compost piles are covered by geotextile. The composting plant workers perform regular temperature measuring inside the pile and the compost dry matter is observed in laboratory. According to found values the piles dry matter can eventually be adapted. For the pile turning the JENA company used the drawn digger of NUCLEA Tøebíè. The compost piles are of trapezoid cross section with base of 2,2 m and height of 1,3 m. The newly based compost pile was homogenised by turning just before measuring. The main results of the measurements after emissions
Mìøení emisí toxických plynù na kompostárnách Pro srovnání budou popsány dvì kompostárny, které patøí do skupiny kompostáren, na kterých je provádìn proces rychlokompostování a pro jeho zajitìní pouívají stejný taený rotaèní pøekopávaè. Mìøení na kompostárnì firmy JENA Kompostárna je umístìna mezi obcemi Velké Pøílepy a Tursko v prostoru bývalé raketové základny. Zpracovává døevní zbytky, poseèenou trávu a listí z parkových ploch Prahy a hnùj ze ZD Tursko. Døevní zbytky jsou pøed zaloením kompostu drceny na tìpky, poseèená tráva je ve formì drtì, listí a ostatní zbytky jsou pøidávány v neupravovaném stavu. Zakládka je vdy stejná a sestává ze 6 objemových dílù listí, 2 objemových dílù poseèené trávy, 2 objemových dílù døevních tìpkù a 2 objemových dílù hnoje. Je pouita technologie rychlokompostování a zakládky kompostu jsou zakryty geotextílií. Obsluha kompostárny provádí pravidelnì mìøení teploty uvnitø zakládky a laboratornì je sledována suina kompostu. Podle zjitìných hodnot je pøípadnì upravována suina zakládky. Pro pøekopávání pouívá firma JENA taený pøekopávaè z NUCLEY Tøebíè. Zakládky mají lichobìníkový prùøez se základnou 2,2 m a výkou 1,3 m. Novì zaloená zakládka kompostu byla tìsnì pøed mìøením zhomogenizována pøekopáním. Hlavním výsledkem mìøení je, po seètení emisí z jednotlivých pøekopávek a pøepoètu na objem zakládky, mnoství amoniaku odcházejícího do ovzduí.
Výsledná emise amoniaku na kompostárnì firmy JENA Objem mìøicí komory: Prùtok vzduchu komorou: Plocha komory: Celkový emisní plocha zakládky kompostu lichobìníkového prùøezu o íøce základny 2,6 m, výce 1,2 m, délce 20 m a 60 oC úhlu boèních stìn: Objem zakládky kompostu: Zjitìné emise za dobu sledování:
0,047 m3 5,6 m3.h-1 0,2 m3 78m2
43 m3 pøi hmotnosti kompostu 420 kg.m-3 je emise 336 g NH3.t-1 kompostu 6,05 kg NH3 za kompostovací cyklus
Výsledná emise za kompostovací cyklus:
summation from particular turnings and over counting onto the pile volume is ammonia amount leaked into atmosphere. Measuring at the HUCUL composting plant On the farm focused to Hucul horses breeding the main component of the compost is a horse manure, grass from mountains meadows and wooden chips or saw dust. The horses manure composting solves reduction of environmental burden created by manure storage on the farm and
Mìøení na kompostárnì farmy HUCUL Na farmì chovu Huculských koní je hlavním komponentem zakládky koòský hnùj, traviny z horských luk a døevní tìpky nebo piliny. Kompostováním koòského hnoje øeí farma sníení ekologické zátìe, která vzniklá skladováním hnoje na farmì a následným rozvozem na horské louky. Stále se roziøující chov zpùsobuje nárùst objemu hnoje a kapacita hnojitì ji nestaèí na celoroèní produkci. Pøísné podmínky hospodaøení v Krkonoském národním
54
Resulting ammonia emissions at JENA composting plant 0,047 m3 5, 6 m3.h-1 0,2 m3 78 m2
Measuring chamber volume: Air flow through the chamber: Chamber area: Total compost pile emission area of trapezoid cross – section – base width 2,6 m. height 1,2 m, l ength 20 m and 60o angle of side walls: Compost pile volume: Found emissions within investigation time
43 m3 At compost weight 420 kg.m-3 is the compost emission 336 g NH3.t-1 6,5 kg of NH3
Resulting emissions within the composting cycle:
by following distribution on the mountains meadows. Still expanding livestock breeding causes manure volume growth and dunghill capacity is insufficient for whole - year production. The strict farming conditions in KRNAP request also searching of burden from the composting plant. With respect to relative short time period when is possible to layout the compost and to provide turning (AprilNovember) this is feasible by the rapid composting reaching realisation of 2 - 3 cycles. The composting pile composition during measuring on the HUCUL farm was as follows: 1 volume part of horses manure, 1 volume part of fresh grass, 1 volume part of saw dust. The turnings are performed regularly once a week. After each turning the pile is always covered by geotextile. There are carry-out regular measuring of temperature inside the pile and compost moisture in laboratory. The basic technical data are identical with the JENA composting plant. The HUCUL farm is using identical digger and therefore the compost pile shape is the same. The pile length was 80 m. From the measured values is evident that similarly with the JENA composting plant the ammonia emissions decrease with each next turning. Similar course have also other gases, only time of decrease to minimal value is different. From this point of view is interesting the CO2 emissions
parku vyadují i zjitìní emisí zátìových plynù z provozu kompostárny. Vzhledem k pomìrnì krátkému èasovému období, ve kterém je moné komposty zakládat a provádìt pøekopávku (duben - listopad), je moné formou rychlokompostování dosáhnout provedení 2 - 3 cyklù. Pøi mìøení na farmì HUCUL bylo sloení kompostovací zakládky následující: 1 objemový díl koòského hnoje, 1 objemový díl nesuených travin, 1 objemový díl pilin. Pøekopávky se na kompostárnì provádìjí pravidelnì jednou týdnì. Po kadé pøekopávce je zakládka vdy zakryta geotextílií. Jsou provádìna pravidelná mìøení teplot uvnitø zakládky a laboratornì zjiována vlhkost kompostu. Základní technické údaje jsou stejné jako na kompostárnì JENA. Farma HUCUL pouívá i stejný pøekopávaè, proto je stejný i tvar zakládky kompostu. Délka zakládky byla 80 m. Z prùbìhu namìøených hodnot je zøejmé, e stejnì jako na kompostárnì JENA, s kadou dalí pøekopávkou se emise amoniaku sniují. Obdobný prùbìh mají i emise ostatních plynù, pouze doba poklesu na minimální hodnotu je rozdílná. Z tohoto pohledu je zajímavý prùbìh emise oxidu uhlièitého, který si jetì druhý den po pøekopání drel v jednom pøípadì pomìrnì vysokou hodnotu. Koneèný výsledek celkové emise amoniaku je uveden v následující tabulce.
Výsledná emise amoniaku na kompostárnì farmy HUCUL Objem mìøicí komory: Prùtok vzduchu komorou: Plocha komory: Celkový emisní plocha zakládky kompostu lichobìníkového prùøezu o íøce základny 2,6 m, výce 1,2 m, délce 20 m a 60oC úhlu boèních stìn: Objem zakládky kompostu: Zjitìné emise za dobu sledování: Výsledná emise za kompostovací cyklus:
0,047 m3 5,6 m3.h-1 0,2 m3 310 m2 173 m3 tj. 74,4 t (pøi objemové hmotnosti 450 kg.m-3) pøi hmotnosti kompostu 450 kg.m-3 je emise 504 g NH3.t-1 kompostu 37,5 kg NH3 za jeden kompostovací cyklus
55
Resulting ammonia emissions at HUCUL farm composting plant
0,047 m3 5, 6 m3.h-1 0,2 m3 310 m2
Measuring chamber volume: Air flow through the chamber: Chamber area: Total compost pile emission area of trapezoid cross-section – base with 2,6 m, height 1, 2 m, length 20 m and 60 o angle of side walls: Compost pile volume: Found emissions within the composting cycle: Resulting emissions within the composting cycle: Porovnání výsledkù z obou kompostáren Na obou kompostárnách byly mìøeny emise základních zátìových plynù. V barevné pøíloze jsou pro obì sledované kompostárny vyobrazeny, podle druhu plynu, prùbìhy koncentrací tìchto plynù po pøekopávce vdy v jednom obrázku: koncentrace oxidu dusného (N2O), koncentrace metanu (CH4), koncentrace oxidu uhlièitého (CO2), koncentrace amoniaku (NH3). Z porovnání výsledkù je zøejmé, e kompost sloený z listí, trávy a hnoje (336 g NH3.t-1 kompostu) má jinou emisi, ne kompost z koòského hnoje (504 g NH3.t-1 kompostu). V porovnání tìchto emisí s emisemi na skládkách hnojù (napø. praseèí hnùj 248 g NH3.t-1 hnoje) jsou emise srovnatelné, protoe pøi následné manipulaci s hnojem nebo kompostem (rozhoz na pole) je emise rozhazovaného kompostu o 75 % nií, ne emise rozhazovaného hnoje. Je zøejmé, e kompostováním se vazba dusíku upevòuje a tento technologický proces je jednou z moností, jak plonì sníit emise. Ze vech zjitìných hodnot na kadé kompostárnì byla sestrojena køivka, spojující vrcholové body (maximální hodnoty emisí amoniaku po kadé pøekopávce) z jednotlivých køivek. Tato køivka dokumentuje sniující se emise amoniaku (dynamiku sniování) po kadé pøekopávce. Z jejího prùbìhu pro rùzné základky je moné urèit dobu, kdy proces kompostování pøestává být zátìí pro ivotní prostøedí. Pro ilustraci byl zjitìn teoretický prùbìh odpovídající experimentálnì zjitìné køivce. Na obrázku jsou obì køivky (experimentálnì zjitìná a teoreticky sestavená na základì sestavené rovnice) vyneseny do grafu. Je samozøejmé, e pro kadou jinak sloenou zakládku jsou parametry rovnice rozdílné, ale tvar køivky je stejný. Sestavením souboru parametrù pro nejèastìji pouívané zakládky je moné s dostateènou pøesností pøedem urèit celkovou emisi kompostovacího procesu. Na této problematice se v rámci øeení ústavního úkolu Vyuití biomasy k prùmyslovým a energetickým úèelùm v etapì nazvané Zaloení experimentù s kompostováním odpadní biomasy pøi vyuití rùzných startovacích látek a pøi rùzné skladbì kompostovací zakládky nadále pracuje
173 m3, i. e. 74, 4 tons (bulk density 450 kg.m-3 At compost weight 450 kg.m-3 is the compost emission 504 NH3.t-1 37,5 kg of NH3 composting plants
course which in one case even second day after turning kept relative high value. The final result of total emission of ammonia is presented in the following table. Comparison of results from the both presented plants At the both composting plants were measured emissions of basic burden gases. The courses of the gases concentrations after turning are presented according to the gas type for the both investigated composting plants in the colourful supplement always in one figure: N2 O concentrations, CH4 concentrations, CO2 concentrations and in NH3 concentrations. It is evident from the results comparison that compost composed from leaves, grass and manure (336 g NH3.t-1 of compost) has different emission than those from horses manure (504 g NH3.t-1 of compost). These emissions are comparable with emissions from the manure storage (e.g. pig manure 248 g NH3.t-1 of manure), because during following handling with manure or compost (field spreading) the spread compost emissions are by 75% lower than those of the spread manure. It is evident that by the composting process the nitrogen bond is confirmed and that technological process is one of the possibilities how to reduce emissions. From the all found values at each composting plants was constructed curve connecting the peak points (max. values of ammonia emissions after each turning) of particular curves. The curve is presented in the last graph. This curve demonstrates decreasing ammonia emissions (reduction dynamic) after each turning. From this graph is possible to determine the time when the process of composting is not more a burden for environment. For better imagination there was found out theoretical course corresponding experimentally with the found curve. Both the curves are (experimentally found and theoretically constructed on base of created equation) entered into the last graph. It is apparent that for each pile the parameters of the equation are different, but the curve shape is identical. By compilation of the set parameters for the most used piles is possible to determine in advance total emission of the composting process with sufficient accuracy. These problems are still solved in the frame of the insti-
56
a postupnì se vytváøí báze znalosti o vznikajících zátìových plynech. Kompostování je jednou z moností, jak sníit emise zátìových plynù, zvlátì pak amoniaku, z degradaèních procesù do ovzduí. Výsledky výzkumu budou vyuitelné pøi hodnocení nakládání s organickými zbytky ze zemìdìlské èinnosti v rámci zákona o odpadech o ochranì ovzduí. Kontakt:Ing. Antonín Jelínek,CSc., Ing. Petr Plíva,CSc., Ing. Miroslav Èepiva
tute project Biomass utilisation for industrial and energy purposes in the part Experiments establishment of waste biomass composting for utilisation of different start substances and different composition of composting pile and gradually is generated the knowledge base of creating burden gases. The composting is one of the possibilities how to decrease the burden gases, emissions particularly ammonia, from degradable processes into atmosphere. The research projects will be useful for assessment of manipulation with organic residua from agricultural activity in the scope of law on waste and atmosphere protection.
57
