Efektywna fermentacja

Biogazownie rolnicze oprócz produkcji energii elektrycznej i cieplnej oraz pofermentu przyczyniają się do ograniczenia emisji gazów cieplarnianych oraz zmniejszenia śladu węglowego. Ich efektywność i wydajność w dużej mierze zależą od wyboru odpowiednich substratów oraz umiejętnego ich łączenia, co wpływa na jakość procesu fermentacji metanowej.

Według Krajowego Raportu Inwentaryzacyjnego z 2023 r. rolnictwo polskie jest odpowiedzialne za ponad 8 proc. krajowej emisji gazów cieplarnianych. Około 80 proc. stanowi emisja podtlenku azotu (N₂O), z czego 68 proc. pochodzi z gleb, co jest efektem stosowania nawozów mineralnych, a około 12 proc. z odchodów zwierząt gospodarskich. Krajowe rolnictwo jest odpowiedzialne również za emisję około 38 proc. metanu (CH₄), który pochodzi z fermentacji jelitowej oraz gospodarowania odchodami zwierząt gospodarskich. Rolnictwo odpowiada także za około 0,4 proc. krajowej emisji dwutlenku węgla (CO₂). Po wprowadzeniu systemu opłat za emisję produkcja tych gazów będzie przeliczana na ekwiwalent dwutlenku węgla (CO₂e). Przykładowo 1 kg CO₂ będzie równoważny 1 kg ekwiwalentu dwutlenku węgla, 1 kg CH₄ to już 21 kg CO₂e, a 1 kg N₂O stanowi aż 296 kg CO₂e. Tak więc rolnik, który wyemituje 1 tonę podtlenku azotu, po przeliczeniu na ekwiwalent CO₂ będzie obciążony za emisje 296 t CO₂e. Obecnie najlepszym rozwiązaniem ograniczającym problem emisji gazów cieplarnianych i zmniejszenia śladu węglowego z produkcji zwierzęcej jest wykorzystanie biogazowni rolniczych.

Potencjał produkcyjny poszczególnych substratów

Gospodarstwa rolne zajmujące się produkcją zwierzęcą często są samowystarczalne pod względem surowców potrzebnych do zasilania biogazowni oraz zagospodarowania pofermentu. Do najczęściej wykorzystywanych substratów w tego typu instalacjach należą: obornik, gnojowica, gnojówka, pomiot, a także produkty roślinne, takie jak: kiszonka z kukurydzy, sianokiszonka, pozostałości pasz, warzyw czy kiszonki z innych roślin uprawnych. Potencjał nawozów naturalnych w dużym stopniu zależy od ich składu i zawartości suchej masy. Ustalono jednak, że z jednej tony świeżego obornika można wyprodukować od 20 do 25 m sześc. biogazu. Z 1 m sześc. gnojowicy w zależności od gatunku zwierząt, które wyprodukowały ten odpad, uzyskuje się od 15 do 25 m sześc. biogazu. Z kolei pomiot posiada najwyższy potencjał produkcyjny i pozwala na produkcję nawet 60 m sześć. biogazu z jednej tony tego nawozu.   

Ustalanie proporcji komponentów

Przed podjęciem decyzji o budowie biogazowni warto przeanalizować, do jakich substratów ma się największy dostęp i w jakich proporcjach można je połączyć, aby uzyskać optymalne warunki do fermentacji metanowej, ponieważ każda instalacja wymaga indywidualnego podejścia do komponowania wsadu do komory fermentacyjnej. Przy ustalaniu proporcji poszczególnych komponentów należy wziąć pod uwagę trzy główne kryteria: stosunek węgla do azotu, zawartość suchej masy oraz udział inhibitorów. Optymalny stosunek C:N powinien wynosić około 20-30 do jednego, a więc na 20-30 części węgla powinna przypadać jedna części azotu.

W przypadku zastosowania słabo przefermentowanego obornika z dużą zawartością słomy czynnikiem ograniczającym rozwój bakterii fermentacyjnych może być niedobór azotu. Z kolei zastosowanie substratu ze zbyt dużym udziałem azotu (np. pomiotu) może dojść do nadmiernego uwalniania się amoniaku, który jest toksyczny dla bakterii fermentacji metanowej. Zalecana zawartość suchej masy z uwagi na tzw. fermentację mokrą waha się od 8 do 12 proc. Im produkty zawierają więcej suchej masy, tym udział materii organicznej rośnie, a to ona jest głównym substratem dla bakterii fermentacji metanowej i mogą one wytworzyć więcej gazów. Dlatego z samej gnojówki, która posiada niską zawartość suchej masy, produkcja biogazu jest bardzo ograniczona, ale produkt ten można mieszać z pomiotem i doskonale nadaje się jako substancja rozcieńczająca. Warto pamiętać, że zawarte w substratach metale ciężkie, detergenty, pestycydy lub antybiotyki mogą działać hamująco na aktywność mikroorganizmów biorących udział w fermentacji, co przekłada się na mniejszą wydajność w produkcji biometanu. Ich zawartość w dużym stopniu wynika z żywienia zwierząt dodatkami uzupełniającymi niedobory cynku, magnezu i miedzi. Jednak większy problem wynika z przedostania się do komponentów substancji hamujących rozwój bakterii, takich jak detergenty i środki chemiczne wykorzystywane podczas dezynfekcji pomieszczeń, legowisk czy racic u krów.

Wady i zalety poszczególnych substratów

Nawozy naturalne są to substraty inokulujące, a więc zawierające zaszczepkę bakterii fermentacji metanowej stabilizującej proces zachodzący w komorze fermentacyjnej biogazowni, co zwiększa stabilność pracy instalacji. Jeżeli chodzi o obornik, to cechuje się on stosunkowo dużym udziałem suchej masy, a z uwagi na obecność słomy może charakteryzować się niedoborem azotu. Przy jego stosowaniu należy również wziąć pod uwagę ryzyko obecności sznurków, które mogą doprowadzić do awarii mieszadeł. Pomiot cechuje się wysoką zawartością suchej masy oraz azotu. Jednak substrat ten nie może być stosowany jako jedyny składniki zasilający biogazownię. Najbardziej popularnym komponentem jest gnojowica, która zawiera optymalny poziom suchej masy i stosunek C:N. Jednak jej podstawową wadą jest niewystarczająca ilość suchej masy organicznej.

tekst i fot. Remigiusz Kryszewski

Na podstawie wykładu dr hab. Magdaleny Szymańskiej, prof. Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, wygłoszonego podczas Targów Ferma.

Cały tekst można przeczytać w wydaniu 08/2025 miesięcznika „Przedsiębiorca Rolny”