Digestat z BPS a bakterialne hnojiva

Aplikácia digestátov z BPS vo vzťahu k pôdnej úrodnosti a možnosti urýchlenia ich rozkladu pomocou bakteriálnych preparátov.

Doc. Ing. Ladislav Varga, PhD.a, prof. Ing. Tomáš Lošák, Ph.D.b

aKatedra agrochémie a výživy rastlín, Fakulta agrobiológie a potravinových zdrojov  SPU v Nitre

bÚstav environmentalistiky a přírodních zdrojů, Fakulta regionálního rozvoje a mezinárodních studií, Mendelova univerzita v Brně

Rozvojovým programom, ktorých cieľom je podpora technológií využívajúcich obnoviteľné zdroje energie sa venuje na Slovensku veľká pozornosť, následkom čoho sa na rastúcom slovenskom trhu s obnoviteľnými zdrojmi energie v posledných rokoch významnejšie presadzujú aj investície do bioplynových staníc. Zo zverejnených údajov Úradu pre reguláciu sieťových odvetví  (URSO) zo septembra 2014, vyplýva, že v súčasnosti je na Slovensku pripojených 107 bioplynových staníc s úhrnným výkonom 101 MW a výrobou 810 000 MWh elektrickej energie. Iné zdroje však uvádzajú, že podľa odhadu u nás funguje v súčasnosti vyše 170 bioplynových staníc. Podľa údajov Českej bioplynové asociace (ČBA) bolo k dátumu 1. 1. 2014 v ČR celkom v prevádzke 500 bioplynových staníc (BPS) s inštalovaným výkonom elektrickej energie 392,35 MW. Z toho poľnohospodárskych staníc, ktoré spracovávajú hospodárske hnojivá a krmoviny, vrátane kukričnej siláže, a ktoré sú predurčené k využitiu digestátov na poľnohospodárskej  pôde, bolo na začiatku roku 378 s inštalovaným výkonom 318,78 MW.

Bioplyn ako aj bioplynové systémy  predstavujú významné energetické zdroje s pozitívnym prínosom pre tvorbu a ochranu životného prostredia. Súčasný rozvoj bioplynových staníc (BPS) na Slovensku so sebou prináša mnoho nových otázok. Jeden z aktuálných problémov sa týka i vlastností a možností využitia výsledného produktu z BPS, teda digestátu.

Názory a poznatky na vlastnosti digestátu ako hnojiva a jeho možnosti použitia sa v niektorých prípadoch výrazne rozchádzajú ako u praktických farmárov, tak aj vo vedeckej  komunite. Je to prirodzené, pretože spoločnosť rozdeľuje množstvo tém, nielen politických. Je preto potrebné k problematike digestátov pristupovať pragmaticky, pretože počet BPS narastá a poľnohospodári by mali byť oboznámení s kladmi i zápormi ich aplikácie, aby nedochádzalo ku zhoršovaniu pôdnej úrodnosti.

Cieľom tohoto článku je snaha o poskytnutie relevantných poznatkov a argumentov k danému problému, ktoré boli okrem empiricky získaných skutočností monitoringom v poľnohospodárskej praxi predovšetkým získané na základe experimentálnych činností mnohých výskumných pracovísk a ďalej na základe štúdia domácich i zahraničných literárnych prameňov. Čitateľ si potom môže sám vytvoriť názor na danú problematiku, pričom však  nič nie je čierne ani biele. Vedci naviac pracujú (a samozrejme i publikujú svoje výsledky) s určitou hladinou pravdepodobnosti, ktorá je spravidla 95 alebo 99 %. Preto je možné, že v niekoľko málo prípadoch zo sto bude dosiahnutý iný výsledok či účinok, ako je všeobecne uvádzané. Pôsobenie digestátu na pôdu a rastliny ovplyvňuje celý rad faktorov, pretože jednotlivé digestáty vykazujú špecifické zloženie, pričom každý pestovateľ hospodári za iných podmienok (predovšetkým pôdnych a klimatických) , taktiež priebeh počasia sa v jednotlivých rokoch odlišuje, preto sa bežne hovorí o tzv. vplyve ročníka. Tým je možné vysvetliť odlišné účinky jednotlivých digestátov na úrody plodín.

Digestát z každej BPS je jedinečný a svojimi vlastnosťami neopakovateľný. Jeho zloženie je primárne ovlyvnené množstvom a chemickým zložením vstupných surovín, čo sú v prípade poľnohospodárskych BPS predovšetkým kukuričné (či iné) siláže a hospodárské  hnojivá, najčastejšie hnojovice, či hnoje. Do BPS samozrejme môžu vstupovať i iné, rôznorodé zložky (kaly z ČOV, vedľajšie živočišné produkty,..), ktoré sa odrazia na chemických vlastnostiach digestátu – obsahu sušiny, organických látok, makroživín, mikroživín, rizikových látok a pH (alkalické). Možno konštatovať, že sa pri procese digescie v bioplynovej stanici menia fyzikálne, senzorické, mikrobiologické a predovšetkým agrochemické vlastnosti vstupných surovín.

Tab. 1 Zloženie vyfermentovaného substrátu  (KUŠNÍR, 2010)

Surovina Sušina (%) NGes (%) P2O5 (%) K2O  (%)
Kravský hnoj 6 – 11 3 – 5 1,5 – 3 4 – 6
Prasacia močovina 4 – 7 7 – 10 4 – 6 3 – 5
Mliečny odpad 4 – 8 0,6 – 0,7 0,7 – 1,8
Pivný odpad 21 – 22 4 – 5 1 – 1,5 0,8 – 1,2
Rastlinné odpady 5 – 15 3 – 4 0,6 – 0,8 1 – 1,1
Kuchynský odpad 10 – 20 1,6 – 4,2 0,3 – 1,5 0,4 – 1,1
Bioodpad 40 – 60 0,5 – 2 0,4 – 0,8 0,5 – 0,8
Rastlinné tuky 10 – 15 3 – 6 1 – 3 0,1 – 0,2
Tuky z odpadov 25 – 70 0,8 – 3,3 0,1 – 05 0,1 – 0,5

Stanovením  skutočnej mernej produkcie digestátu z bioplynových staníc pracovisko AGROEKO Žamberk s.r.o. dospelo k výsledku ročnej produkcie 24,9 ±3,5 tis. t digestátu v prepočte na 1 MW inštalovaného výkonu elektrickej energie. Na základe tejto mernej produkcie a inštalovaného výkonu staníc sa odhaduje ročná produkcia digestátu v ČR z poľnohospodárskych bioplynových staníc 7,9 mil. t.

Produkcia 7,9 mil. t v ČR je zdrojom, ktorý ročne poskytuje v prepočte na 1 ha p.p. v 121 kg sušiny 92 kg organických látok, 8,2 kg N, 3,1 kg P2O5 (1,3 kg P), 7,3 kg K2O (6,1 kg K), tj. celkom 18,6 kg č.ž. Je zdrojom, ktorý substituuje výkaly dobytka v jeho sušine a v organických látkach od 0,08 DJ, v N od 0,11 DJ, P od 0,09 DJ a v K od 0,12 DJ/ha p.p.

Digestát sa stal významným hnojivom na mnohých farmách v SR a ČR. Z výsledkov monitoringu agrochemických ukazovateľov a analýz digestátu z poľnohospodárskych bioplynových stanic v ČR v okrese Ústí nad Orlicí a Svitavy (tab. 2) vyplýva, že priemerné  obsahy zo 104 posudzovaných vzoriek digestátu boli oproti normatívu pre digestát (vyhláška č. 377/2013 Sb.) obsahom sušiny a draslíka bohatšie, dusíka nižšie a obsahom fosforu zrovnateľné (DOSTÁL et al., 2014). Digestát v porovnaní s ktorýmkoľvek hospodárskym hnojivom vykazoval variabilitu agrochemických vlastností nižšiu, napriek tomu sa digestáty rozdielneho pôvodu od seba zložením štatisticky preukazne líšili.

Tab. 2

Agrochemické zloženie digestátu vo východočeskom regióne (obsahy v % v čerstvej hmote) (DOSTÁL et al., 2014)

Ukazovateľ

Sušina

Organ. látky N-tot. N-NH4+ P K Mg pH
Digestát CELKOM

n = 104

6,48 4,92 0,44 0,23 0,068 0,33 0,049 8,49
±1,51 ±1,19 ±0,07 ±0,05 ±0,018 ±0,07 ±0,011 ±0,20
Digestát vyhláška* 5,8   0,53   0,070 0,29    

*) Vyhláška č. 377/2013 Sb., o skladovaní a spôsobe používania hnojív, v znení vyhlášky č. 131/2014 Sb

Názor, že digestát z poľnohospodárskych BPS do pôdy vnáša rizikové prvky, je spravidla zavádzajúci. Výsledky monitoringu 30 vzoriek digestátu z posledných dvoch rokov v ČR (DOSTÁL et al., 2014) ukázali, že ani jedna vzorka nedosiahla a neprekročila maximálne hodnoty obsahu Cu, Zn, Cd, Pb, Cr, Ni, Hg a As (tab. 3), ktoré povoľuje česká legislatíva vo vyhláške č. 474/2000 Sb., v znení vyhlášky č. 131/2014 Sb. Bolo tomu aj v takých prípadoch, keď do bioplynovej stanice bola privádzaná okrem iného hnojovica ošípaných s nadlimitným obsahom zinku a medi. Spoločná fermentácia kontaminovanej hnojovice s čistou silážou krmovín digestát ozdravila. Aby pôdy neboli prostredníctvom digestátu rizikovými prvkami kontaminované, je podmienkou dodržať dávku 10 t sušiny na 1 ha za obdobie 3 rokov (vyhláška č. 377/2013 Sb. ČR, v znení vyhlášky č. 131/2014 Sb.).

Tab. 3

Obsahy rizikových prvkov v digestátoch (v mg/kg sušiny) z bioplynových staníc vo východočeskom regióne v období rokov  2012 až 2014 (DOSTÁL et al., 2014)

Prvok

Meď Zinok Kadmium Olovo Chróm Nikel Otuť Arzén
Priemer 98 340 0,279 2,20 4,62 6,38 0,031 1,96
n=30 ±104 ±143 ±0,162 ±0,77 ±1,47 ±1,67 ±0,023 ±1,27
Vyhláška5 250 1200 2 100 100 50 1,0 20

5) Vyhláška č. 474/2000 Sb., o stanovení požiadaviek na hnojivá, v znení vyhlášky č. 131/2014 Sb. (maximálne prípustné obsahy rizikových prvkov)

Konkrétne limity rizikových prvkov platné v SR pre organické hnojivá (sekundárne zdroje živín) obsahujúce odpad podľa vyhlášky č. 577/2005 sú následujúce (mg.kg-1 sušiny): Cd – 2, Pb – 100, Hg – 1, As – 10, Cr – 100, Cu – 200, Ni – 50, Zn – 400, Se – 5.

Niektoré riziká prísunu rizikových prvkov digestátom do pôdy sa môžu za určitých okolností a podmienok uplatniť, za iných sa riziká zmiernia alebo sa úplne vylúčia. Väčšinu okolností pre digestát vo vzťahu k pôdnej úrodnosti nastavuje človek tým, ako pracuje s regulovateľnými faktormi.

Po aplikácii nadmerných dávok digestátu je ďalším rizikom pre pôdnu úrodnosť zlievavosť pôd vplyvom peptizácie pôdnych koloidov. Digestát má nevhodný pomer jednomocných katiónov (NH4+, K+, Na+) k dvojmocným katiónom (Ca2+, Mg2+). V  monitorovaných vzorkách činil tento pomer 3,7 : 1 v neprospech dvojmocných. Pôdy dobre zásobené Ca a Mg prísun digestátu v dávkách podľa potrieb rastlín zvládajú bez uvedeného rizika zlievavosti. Ale pôdy s nízkymi hodnotami pH a najmä pôdy s kategóriou zásobenosti pôd Ca a Mg (podľa metódy Mehlich III) nízkej, vyhovujúcej prípadne dobrej je nutné pravidelne vápniť a hnojiť horečnatými minerálnymi hnojivami. V súvislosti s digestátmi je potrebné zdôrazniť, že vykazujú alkalickú reakciu, pH je vyššie než 7,8 (často až okolo 8,5). Takto vysoká hodnota pH je daná vysokým obsahom predovšetkým amonných a ďalších katiónov.  Digestáty sú preto vhodné predovšetkým na kyslé až neutrálne pôdy s pH do 7,2 . Ich alkalizačné pôsobenie je však omnoho miernejšie ako v prípade vápenatých hnojív, pretože je amónny ión rastlinami rýchlejšie využívaný, niekedy sa však v  pôde ľahko mení nitrifikáciou na nitráty. Po aplikácii digestátu nemôžeme očakávať nárast pH pôdy, a preto je potrebné zdôrazniť nevyhnutnosť aplikácie vápenatých hnojív na kyslých pôdach a pri nedostatku vápníka v pôde.

V dôsledku výrazného poklesu stavu hospodárskych zvierat (DJ na ha)  adekvátne poklesla aj produkcia hospodárskych hnojív (maštaľný hnoj, močovka, hnojovica atď.). Mnohí poľnohospodári považujú digestát za ich rovnocennú resp. adekvátnu alternatívu, pričom vedecké pohľady na vlastnosti a jeho použitie sa však líšia.

Ak má byť organická hmota označená ako organické hnojivo musí spĺňať základnú požiadavku – musí byť ľahko mikrobiálne rozložitelná, aby bola schopná uvoľniť pre pôdne mikroorganizmi potrebnú energiu. Časť tejto energie z exotermného procesu mineralizácie môže byť prevedená do endotermného procesu humifikácie.  Ďalším kladom je obsah minerálnych živín uvoľnených pri rozklade organickej hmoty, ak sa však organická hmota oxidačne nerozkladá, nenastáva uvoľňovanie živín.

Z  agrochemického hľadiska sa javí ako zásadný problém pri použití digestátu pri hnojení nízky obsah ľahko rozložiteľných organických látok. Najlabilnejšie frakcie organickej hmoty krmív využili zvieratá na svoj látkový metabolizmus, mierne labilné frakcie výkalov  spotrebovala anaeróbna digescia a do pôdy pri hnojení prináša digestát už len stabilnú, ťažko rozložiteľnú organickú hmotu. Jej stabilita je tým väčšia, čím dokonalejšie BPS pracuje a čím vyšší je výťažok bioplynu a hlbšia degradácia organickej hmoty. Technológiou mokrej fermentácie za použitia substrátu s celkovou sušinou až do 8 -12 % a podielom organických látok v sušine 65 až 85 % získame digestát o celkovej sušine 7 až 9 % a organickej sušine 40 – 55 %. Dobre zapracovaný fermentor zabezpečuje 40 až 50 %- ný rozklad organickej hmoty, pričom sa rozkladajú ľahkorozložiteľné organické látky (cukry, škrob, tuky) a ostáva stabilná časť (napr. lignínom inkrustovaná celulóza), ktorá sa v pôde ťažko rozkladá.

V priebehu digescie klesá obsah organických látok a sušiny v priemere o 50 %. Tieto primárne organické látky slúžia ako zdroj energie pre pôdne mikrobiálne spoločenstvá, ktoré ich transformujú v rôzne rýchlom procese mineralizácie na rastlinám prístupné živiny a oxid uhličitý a len malá časť primárnej organickej hmoty je transformovaná do humusových látok. Prítomnosť a kvalita organických látok teda významne ovlyvňuje pôdnu úrodnosť.

Poľnohospodári, ktorí aplikujú digestát a budú na svojich pôdach digestát využívať pri hnojení, by nemali pozabudnúť na dodávanie primárnych organických látkok v iných zdrojoch – predovšetkým ponechávať na pozemku všetky pozberové zvyšky (napr. po zbere kukurice na zrno), hnojiť maštaľnym hnojom a významným zdrojom je zaorávka všetkých druhov slamy, pričom osobitnou problematikou je taktiež starostlivosť o mikrobiálny život v pôde na ktorý sa v praxi často pozabúda.  Slama by sa nemala z poľa odvážať za účelom predaja do spaľovní ako alternatívny zdroj energie, pretože z dlohodobého časového horizontu by sa prehlbovala negatívna bilancia organických látok s následným poklesom pôdnej úrodnosti.

V súčasnosti prevláda názor, že digestát je organické hnojivo, avšak svojim zložením a vlastnosťami sa  blíži skôr  k  minerálnym (priemyselným) hnojivám. Pomer C/N v digestátoch je spravidla nižší ako 10/1, čo ho zaraďuje medzi hnojivá s  rychle uvolniteľným dusíkom, ako je napr. hnojovica. Dusík sa v digestáte nachádza v organickej  i minerálnej forme, pričom z doterajších  poznatkov vyplývá, že sa pri digescii zvyšuje podiel agrochemicky cenného (a rastlinami okamžite využiteľného) amonného dusíka (N-NH4+) z dusíka celkového. Napríklad najvyšší obsah dusíka v digestáte býva v prípade prevahy hnojovice, resp. trusu v substráte (0,75 a 0,72 %) alebo pri použití bielkovinových siláží (0,70 %). Polovica až tri štvrtiny tohto dusíka sú v amoniakálnej podobe. Ostatné živiny sú spravidla zastúpené v prístupnej forme pre rastliny. Situácia  sa však môže zmeniť pri separacii digestátu, keď tuhá zložka (separát) vykazuje odlišné agrochemické zloženie oproti tekutej zložke  (fugátu). Jedná sa predovšetkým o vyšší obsah sušiny, organických látok, dusíka v organickej forme a širší pomer C/N v separáte oproti fugátu. Separát sa tak stáva hnojivom s pomaly uvoľniteľným dusíkom (C/N je širší ako 10/1), ako  je napr. maštaľný hnoj.

Aplikácia digestátu nesmie odporovať legislatíve, predovšetkým Zákonu o hnojivách a Nitrátovej smernici (zraniteľné oblasti). Každý poľnohospodár by mal mať k dispozicii výsledky chemických rozborov digestátu (Ntot, N-NH4+, P, K, Ca, Mg, rizikové prvky, organické látky, sušina). Dávka digestátu ku konkrétnej plodine sa volí podľa obsahu dusíka,  vhodné je následné dobilancovanie ostatných živín (P, K, Ca, Mg, S),  t.j. koľko živín bude uvedenou dávkou digestátu do pôdy dodaných. Digestáty tak šetria  financie za nákup minerálnych hnojív.

Použitie digestátu sa prirovnáva možnostiam aplikácie hnojovice, aj keď jeho účinky bývajú často ešte rychlejšie (napr. vizuálne zazelenanie porastov kukurice). Z hľadiska obmezenia strát (čpavkového dusíka) je najvhodnejšia aplikácia digestátu do pôdy, buď na povrch s následným zapravením, alebo pri jednej pracovnej operácii, ak je cisterna vybavená s rámom s tanierovými diskami či radličkami s okamžitým zapravením digestátu do pôdy pred siatím. Vhodnou sa javí kombinácia digestátu a špeciálnych mikrobiálnych preparátov, ktoré okrem  zlepšenia biologických vlastnosti pôd a obnovenia mikrobiálneho života v pôde, podporujú proces rozkladu organickej hmoty v pôde, čo v konečnom dôsledku má priaznivý vplyv na prijateľnosť živín z pôdy. Jedným zo spomínaných mikrobiálnych preparátov je Azoter,  ktorého  stimulačný efekt sa v praxi využíva  hlavne na urýchlenie rozkladných procesov pri pozberových zvyškoch. Azoter obsahuje tri druhy kmeňov baktérií, ktoré zohrávajú dôležitú úlohu pri udržiavaní a obnove biologických vlastností a produktivity pôdy. Podieľajú sa na asymbiotickej fixácii vzdušného dusíka, podporujú rozkladné procesy organickej hmoty v pôde, napomáhajú sprístupňovaniu dôležitých makrobiógenných prvkov v pôde z nerozpustných foriem na formy prístupné. Na základe výsledkov pokusov so spoločnou aplikáciou bakterálneho preparátu Azoter a digestátu sa zvýšil počet vegetatívnych foriem baktérií v pôde, pričom počet mikroskopických húb mal klesajúcu tendenciu z dôvodu prítomnosti Azotobacter chroococcum, ktorý má antagonistický vzťah (potláča rozvoj) voči patogénnym mikroskopickým hubám.

Vrátiac sa k problematike aplikácie digestátov, v priebehu vegetácie je vhodné využívať hadicové aplikátory u plodin so širším sponom výsevu, napr. u slnečnice alebo  kukurice, pokiaľ to výška porastu umožní. Odporúča sa systém delených dávok (2 – 3) už od 10 t digestátu na ha. Ďaľšou možnosťou je aplikácia digestátu pri zaorávke slamy za účelom dodania dusíka a zúženia pomeru C:N. Jarné regeneračné prihnojovanie ozimín  je taktiež možné, avšak na základe niektorých poznatkov z praxe, môže dochádzať v závislosti od priebehu poveternostných podmienok a rastovej  fázy porastov k určitým komplikáciám (vyjazdené koľajové riadky, čiastočné poškodenie porastov). Digestát je možné použiť aj na travnaté porasty a do kompostov. Stabilná organická hmota pevnej fázi digestátu je predovšetkým výborným, pomaly sa rozkladajúcim prostriedkom pre zľahčenie ťažkých pôd a úpravu ich vlastností. Zlepšenie vzdušného režimu v pôde samotným zvýšením prevzdušnenosti  ťažkých pôd,  môže mať pozitivny vplyv na úrodový potenciál pestovaných plodín. Obava zo zaburinenia porastov aplikáciou digestátu nie je opodstatnená. Jediná burina, ktorá výnimočne prežije fermentáciu, je mrlík biely. Ak po aplikácii digestátu rastú intenzívnejšie buriny, je to vďaka jeho hnojivému a zavlažovaciemu efektu na buriny, ktoré mali semená v pôde pred jeho aplikáciou, nie ich donášaním v digestáte.

Záver

Digestát je definovaný v SR ako sekundárny zdroj živín v ČR ako typové organické hnojivo, ktoré sa svojimi vlastnosťami blíži k minerálnym hnojivám. Je to hnojivo s rýchle uvoľniteľným dusíkom. Každá BPS produkuje digestát odlišného chemického zloženia, ktoré je potrebné poznať na základe výsledkov rozborov v akreditovaných laboratóriách. Digestát, separát i fugát sú vhodné na pôdy s pH do 7,2, keďže sú mierne zásadité. Živiny z digestátu sú využívané podobne ako z anorganických hnojív. Miera ich využitia je vyššia pri jarnej ako pri jesennej aplikácii (s výnimkou fosforu). Pozitívom aplikácie digestátu je aj obsah mikroprvkov (napr. zinku). Nevýhodou digestátu je nízky obsah ľahko rozložiteľných primárnych organických látok, ktoré je potrebné do pôdy dodávať z iných zdrojov, predovšetkým zaorávkou pozberových zvyškov,  hnoja a jednoznačne slamy. Na urýchlenie rozkladných procesov v pôde po aplikácii digestátov je vhodná kombinácia s bakteriálnymi prípravkami.

Zoznam použitej literatury je k dispozícii u autorov.