Snižování emisí toxických plynů kompostováním

OMEZOVÁNÍ NEGATIVNÍCH VLIVÙ
ZEMÌDÌLSKÉ TECHNIKY NA PRACOVNÍ
A ŽIVOTNÍ PROSTØEDÍ
NEGATIVE EFFECTS REDUCTION OF
AGRICULTURAL MECHANISATION AND
TECHNOLOGY IMPACT INTO
ENVIRONMENT
Snižování emisí toxických plynù
kompostováním
Toxic gases emissions reduction by
composting
Na základì tìchto faktù lze pøedpokládat, že kompostování je nejen vhodný zpùsob zpracování exkrementù hospodáøských zvíøat a zbytkové biomasy na kvalitní humus
mimo pùdní prostøedí, ale také možnost snižování ekologické zátìže krajiny vèetnì snižování emisí zátìžových
plynù. Proto byla provedena øada experimentù, které zjišovaly závislosti vzniku emisí toxických plynù, zejména
amoniaku, v prùbìhu kompostovacího procesu.
Kompostovací proces je doprovázen vznikem nejrùznìjších látek v plynném stavu, pøi jejichž monitorování lze
usuzovat, v jaké fázi se právì probíhající proces nachází a
jak velkou mìrou kompostovací proces ekologicky zatìžuje okolí emisemi toxických plynù, zejména amoniaku.
Mìøení emisí amoniaku a ostatních plynù na kompostárnách je odlišné 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 použita ovìøená metoda L. Svenssona a M. Ferma, kterou publikovali v Journal of Agricultural Engineering Research v r. 1993. Metoda je založena na poznatku,
že emise amoniaku mùže být vyjádøena výrazem
ENH3 = (CVZ - C0) . KH,V
kde: ENH3 ......emise amoniaku
CVZ ........koncentrace rovnovážného amoniaku ve
vzduchu
C0 ...........koncentrace amoniaku v okolí
KH,V ....... koeficient pøenosu hmoty mezi vzduchem
a hnojem
Všechny tøi hodnoty je možné získat mìøením. Pro mìøení byla pøipravena jednoduchá mìøící komora v níž je
umístìno èidlo pro mìøení koncentrace amoniaku a ventilátor, kterým se odvádí z komory vzduch obohacený emisemi amoniaku, pøípadnì dalších 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 použitou 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 dalšími 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, že se na humifikaèním procesu podílí pøevážnì heterotrofní mikroorganismy, které degradují organické látky a
èást z nich oxidují až na CO2 a H2O. Souèasnì dochází
k èásteèné vazbì dusíku a zvyšuje se užitná 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 používána pøi všech 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 Prague’s 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 pile’s 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 zajištìní používají stejný
tažený 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 založením kompostu drceny na štìpky, poseèená tráva je ve
formì drtì, listí a ostatní zbytky jsou pøidávány
v neupravovaném stavu. Zakládka je vždy stejná a sestává
ze 6 objemových dílù listí, 2 objemových dílù poseèené
trávy, 2 objemových dílù døevních štìpkù a 2 objemových
dílù hnoje. Je použita technologie rychlokompostování a
zakládky kompostu jsou zakryty geotextílií. Obsluha kompostárny provádí pravidelnì mìøení teploty uvnitø zakládky a laboratornì je sledována sušina kompostu. Podle zjištìných hodnot je pøípadnì upravována sušina zakládky. Pro
pøekopávání používá firma JENA tažený pøekopávaè
z NUCLEY Tøebíè. Zakládky mají lichobìžníkový prùøez
se základnou 2,2 m a výškou 1,3 m. Novì založená zakládka kompostu byla tìsnì pøed mìøením zhomogenizována
pøekopáním.
Hlavním výsledkem mìøení je, po seètení emisí
z jednotlivých pøekopávek a pøepoètu na objem zakládky,
množství amoniaku odcházejícího do ovzduší.
Výsledná emise amoniaku na kompostárnì firmy JENA
Objem mìøicí komory:
Prùtok vzduchu komorou:
Plocha komory:
Celkový emisní plocha zakládky
kompostu lichobìžníkového prùøezu o
šíøce základny 2,6 m, výšce 1,2 m,
délce 20 m a 60 oC úhlu boèních stìn:
Objem zakládky kompostu:
Zjištìné 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
mountain’s 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
štìpky nebo piliny. Kompostováním koòského hnoje øeší
farma snížení ekologické zátìže, která vzniklá skladováním hnoje na farmì a následným rozvozem na horské louky. Stále se rozšiøující chov zpùsobuje nárùst objemu hnoje a kapacita hnojištì již nestaèí na celoroèní produkci.
Pøísné podmínky hospodaøení v Krkonošském 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 mountain‘s 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 vyžadují i zjištìní emisí zátìžových plynù z provozu
kompostárny.
Vzhledem k pomìrnì krátkému èasovému období, ve
kterém je možné komposty zakládat a provádìt pøekopávku (duben - listopad), je možné formou rychlokompostování dosáhnout provedení 2 - 3 cyklù.
Pøi mìøení na farmì HUCUL bylo složení kompostovací
zakládky následující: 1 objemový díl koòského hnoje, 1
objemový díl nesušených travin, 1 objemový díl pilin.
Pøekopávky se na kompostárnì provádìjí pravidelnì jednou týdnì. Po každé pøekopávce je zakládka vždy zakryta
geotextílií. Jsou provádìna pravidelná mìøení teplot uvnitø
zakládky a laboratornì zjišována vlhkost kompostu. Základní technické údaje jsou stejné jako na kompostárnì
JENA. Farma HUCUL používá i stejný pøekopávaè, proto
je stejný i tvar zakládky kompostu. Délka zakládky byla
80 m.
Z prùbìhu namìøených hodnot je zøejmé, že stejnì jako
na kompostárnì JENA, s každou další pøekopávkou se
emise amoniaku snižují. 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 ještì druhý den po pøekopání držel
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 lichobìžníkového prùøezu o
šíøce základny 2,6 m, výšce 1,2 m,
délce 20 m a 60oC úhlu boèních stìn:
Objem zakládky kompostu:
Zjištìné 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
zátìžových plynù. V barevné pøíloze jsou pro obì sledované kompostárny vyobrazeny, podle druhu plynu, prùbìhy koncentrací tìchto plynù po pøekopávce vždy v jednom
obrázku: koncentrace oxidu dusného (N2O), koncentrace
metanu (CH4), koncentrace oxidu uhlièitého (CO2), koncentrace amoniaku (NH3).
Z porovnání výsledkù je zøejmé, že kompost složený
z listí, trávy a hnoje (336 g NH3.t-1 kompostu) má jinou
emisi, než 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, protože pøi následné manipulaci s hnojem nebo
kompostem (rozhoz na pole) je emise rozhazovaného kompostu o 75 % nižší, než emise rozhazovaného hnoje. Je
zøejmé, že kompostováním se vazba dusíku upevòuje a tento
technologický proces je jednou z možností, jak plošnì snížit emise.
Ze všech zjištìných hodnot na každé kompostárnì byla
sestrojena køivka, spojující vrcholové body (maximální
hodnoty emisí amoniaku po každé pøekopávce) z jednotlivých køivek.
Tato køivka dokumentuje snižující se emise amoniaku
(dynamiku snižování) po každé pøekopávce. Z jejího prùbìhu pro rùzné základky je možné urèit dobu, kdy proces
kompostování pøestává být zátìží pro životní prostøedí. Pro
ilustraci byl zjištìn teoretický prùbìh odpovídající experimentálnì zjištìné køivce. Na obrázku jsou obì køivky (experimentálnì zjištìná a teoreticky sestavená na základì
sestavené rovnice) vyneseny do grafu.
Je samozøejmé, že pro každou jinak složenou zakládku
jsou parametry rovnice rozdílné, ale tvar køivky je stejný.
Sestavením souboru parametrù pro nejèastìji používané
zakládky je možné s dostateènou pøesností pøedem urèit
celkovou emisi kompostovacího procesu.
Na této problematice se v rámci øešení ústavního úkolu
„Využití biomasy k prùmyslovým a energetickým úèelùm“
v etapì nazvané „Založení experimentù s kompostováním
odpadní biomasy pøi využití 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 zátìžových plynech. Kompostování je jednou z možností, jak
snížit emise zátìžových plynù, zvláštì pak amoniaku,
z degradaèních procesù do ovzduší. Výsledky výzkumu
budou využitelné pøi hodnocení nakládání s organickými
zbytky ze zemìdìlské èinnosti v rámci zákona o odpadech
o ochranì ovzduší.
Kontakt:Ing. Antonín Jelínek,CSc.,
Ing. Petr Plíva,CSc.,
Ing. Miroslav Èešpiva
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