Rosnąca liczba ludności na świecie stawia współczesne rolnictwo przed niełatwym wyzwaniem wdrożenia rozwiązań, które pozwolą dostarczać produkty wysokiej jakości w sposób ciągły i tani. Jednocześnie, oczekuje się, że towarzyszyć temu będzie zmniejszenie środowiskowych kosztów wytwarzania żywności.
Wśród zagrożeń dla środowiska wymienia się pochodzące z produkcji zwierzęcej emisje, które ściśle powiązane są z ilością, strukturą i składem odchodów. Wśród nich pierwszoplanową rolę przypisuje się związkom azotowym, będącym największym zagrożeniem w sferze uciążliwości. Jako wiodący w tym zakresie wskazywany jest amoniak (NH3), ale obok niego wymienia się również tlenki azotu (NOx), podtlenek azotu (N2O) i azot cząsteczkowy.
Emisje powstają na każdym etapie działalności hodowlanej, a ich źródłem są zarówno miejsca składowania odchodów, jak i budynki inwentarskie. Ilość związków azotowych i nie tylko (P, K, itd.) powstających w wyniku procesów chemicznych zachodzących w odchodach i na pryzmie obornikowej, a następnie emitowanych do środowiska zależna jest m.in. od ich ilości pobranych w diecie i sprawności z jaką zwierzęta przyswajają pokarm (konwersja pokarmu). Szacuje się, że w ciągu roku z jednego stanowiska zajmowanego przez krowę o produkcji 9000 kg mleka emitowanych jest w przybliżeniu 40 kg amoniaku (Dämmgen i wsp. 2009).
Wyzwaniem dla skutecznego działania są trudności w zagospodarowaniu dużej ilości odchodów. Dotyczą one ich składowania i wykorzystanie do nawożenia, które uzależnione jest od ich składu chemicznego. Pewnym rozwiązaniem w tym zakresie jest wykorzystanie gnojowicy do produkcji biogazu rolniczego. Tak zagospodarowana gnojowica staje się cennym substratem do produkcji energii i nawozu organicznego. Ponadto korzystnym rozwiązaniem może być bieżące zagospodarowanie odchodów zwierzęcych do produkcji nawozów azotowych, co skutecznie wdrożyli do tej pory Holendrzy. Opracowali oni interesujące rozwiązania, mogące posłużyć hodowcom do redukcji emisji z jednej strony oraz pozwalają zaoszczędzić pieniądze przeznaczane na zakup nawozów syntetycznych z drugiej strony.
Ryc. 1. Produkcja różnych rodzajów nawozów przy pomocy JOZ Gazoo
www.joz.nl
Jak to działa?
Wszystkie przedstawione w dalszej części systemy bazują na tej samej ogólnej zasadzie polegającej na oddzieleniu od siebie fazy stałej (obornik) i fazy płynnej odchodów (mocz), choć dokonują tego rozdzielenia w odmienny sposób. U podstaw tego podejścia stoi fakt, że kiedy dochodzi do ich połączenia, w wyniku zachodzących reakcji enzymatycznych (hydroliza z udziałem ureazy) zawarty w nich mocznik (znajdujący się w największych ilościach w moczu zwierząt) przekształcany jest w amoniak, który w czasie kilku godzin wyparowuje. Separacja i osobne przetwarzanie części stałej i płynnej obornika oraz amoniaku zapewnia większą kontrolę nad przepływami związków mineralnych (N, P, K), jak również pozwala zwiększyć i zoptymalizować jakość nawożenia upraw. Ponadto każda ilość amoniaku wychwycona i przekształcona na nawóz azotowy eliminuje konieczność kompensacji w postaci nawozów sztucznych.
JOZ Nitrogen cracker Gazoo
Producent wyposażenia obór z prowincji Holandia Północna proponuje rozwiązanie, które umożliwia produkcję nawozów we własnym zakresie, któremu towarzyszy ograniczenie emisji azotu o nawet 80%. Proces ten przebiega w kilku etapach. Pierwszy z nich obejmuje rozdział frakcji płynnej i stałej gnojowicy, które następnie podążają własnymi drogami.
Frakcja stała, w zależności od poziomu uzyskanej suchej masy, może zostać wykorzystana jako materiał ściółkowy lub trafić na pola jako nawóz.
Frakcja płynna posłuży z kolei do produkcji mineralnych nawozów azotowych z wykorzystaniem procesów technologicznych określanych mianem krakingu. Procesy te przebiegają dwuetapowo. W pierwszym kroku amoniak wyekstrahowany jest z płynnej frakcji odchodów poprzez odparowanie i zastosowanie zasady lub ciepła. Na tym etapie powstają dwa produkty: amoniak w formie gazowej oraz woda odpadowa, która trafić może na pola lub ponownie do obory, gdzie posłużyć może do oczyszczenia zabrudzonych powierzchni rusztów. Wyniki badań przeprowadzonych przez naukowców z Uniwersytetu Wageningen wskazują, że rozpylanie odzyskanej wody nad podłogą przyczynia się do ograniczenia emisji NH3 z obory, w porównaniu do tradycyjnych obór wyposażonych w podłogi rusztowe o 62%, a w przypadku obór z podłogami pełnymi o 63%.
W drugim etapie, w urządzeniu nazwanym przez producenta Nitrogen cracker następuje przetworzenie, zgromadzonego w wyniku parowania, amoniaku w nawóz. Na tym etapie do amoniaku dodawany jest kwas azotowy. W efekcie zachodzącej reakcji chemicznej powstaje płynny nawóz, którym w tym przypadku będzie azotan amonowo-wapniowy (CAN, saletra amonowo-wapniowa). Alternatywnie, w zależności od potrzeb gospodarstwa kwas azotowy zastąpiony może zostać kwasem siarkowym. Wybór kwasu i jego stężenia wpływa na skład otrzymywanego nawozu. W wyniku zastosowania 96% kwasu siarkowego, otrzymuje się produkt zawierający około 5% azotu. Natomiast w efekcie użycia 53% kwasu azotowego, otrzymuje się nawóz zawierający około 10% azotu.
Dodatkową zaletą proponowanego rozwiązania jest wpływ na ograniczenie emisji metanu na dwa sposoby. Po pierwsze poprzez rozpylanie wody odpadowej na podłogi, co zmniejsza emisję bezpośrednio z odchodów oraz poprzez jego konwersję do CO2. Drugi sposób ma miejsce w sytuacji przechowywania frakcji stałej w zadaszonych pomieszczeniach, skąd uwalniany gaz jest wychwytywany i transportowany do Gazoo, gdzie ulega spalaniu.
Producent deklaruje, że jego rozwiązanie nadaje się do gospodarstw liczących do 300-350 krów i jest w stanie przetworzyć 9125 m3 gnojowicy rocznie. Warto zaznaczyć, że system ten znalazł się na liście Dutch RAV (Holenderska dyrektywa w sprawie emisji amoniaku przez zwierzęta gospodarskie), obejmującej innowacyjne rozwiązania w zakresie wyposażenia obór, które przyczyniają się do redukcji emisji azotu w sektorze hodowli zwierząt. Tego typu uznanie jest wymagane do uzyskania pozwolenia na korzystanie z systemu obór zgodnie z rozporządzeniem Low-Emission Livestock Housing Decree (Dekret w sprawie budynków inwentarskich o niskiej emisji), dotyczącym redukcji emisji azotu.
Lely Sphere
System dostarczany przez Lely jest efektem współpracy holenderskiej spółdzielni mleczarskiej Friesland Campina, Rabobanku i holenderskiego producenta wyposażenia obór. Prace nad jego rozwojem zapoczątkowano w roku 2015 roku. W 2017 trafił on na 4 gospodarstwa testowe, a w 2021 został nagrodzony nagrodą Agribusiness Award 2021 of Boerenbusiness.
Szacuje się, że efektywność redukcji emisji amoniaku w przypadku tego rozwiązania sięga ponad 70%. Przeprowadzone w tym zakresie badania wykazały, że zastosowanie produktu Lely ogranicza emisję NH3 w oborach z podłogą rusztową z 13 kg w oborach tradycyjnych do 3,6 kg w oborach wyposażonych w Sphere, w przeliczeniu na jedno stanowisko. Wynik ten spowodował, że rozwiązanie to trafiło na listę Dutch RAV.
Choć główna zasada działania rozwiązania zaproponowanego przez producenta z Maassluis opiera się na rozdzielaniu frakcji stałych i płynnych odchodów, podejście do tego zagadnienia różni się od propozycji oferowanej przez JOZ. Jak wskazuje producent, Lely Sphere łączy w swoim działaniu dobrą przepuszczalność podłóg rusztowych z zaletami podłogi litej. W celu odseparowania moczu od frakcji stałej w przestrzeniach między beleczkami rusztów montowane są specjalne, wyposażone w otwory paski, dzięki którym mocz spływa pod powierzchnię podłogi. Frakcja stała pozostająca na jej powierzchni usuwana jest mechanicznie, skąd trafia do dedykowanych punktów zrzutu i gromadzona jest w oddzielnych zbiornikach.
Opisane powyżej zamknięcie podłogi pozwala na wytworzenie podciśnienia w znajdujących się pod nią kanałach gnojowych, co z jednej strony ogranicza wydostawanie się amoniaku spod podłogi do obory, a z drugiej pozwala na zasysanie niewielkich ilości NH3 powstających nad jej powierzchnią.
Sercem Lely Sphere jest instalowane poza oborą i połączone z kanałami gnojowymi urządzenie N-Capture. Wyciągając powietrze z kanałów gnojowych i obory kieruje je przez pakiet filtrów. Trafiające do N-capture powietrze, w zależności od potrzeb hodowcy, traktowane może być kwasem siarkowym lub azotowym, dając w ten sposób możliwość regulacji rodzaju powstającego nawozu (siarczan amonu lub azotan amonu).
Lely Sphere pozwala na wygenerowanie trzech rodzajów nawozu:
- wyprodukowanego przez N-capture, przechowywanego w silosie nawozowym azotu mineralnego, w postaci siarczanu amonu lub azotanu amonu;
- bogatej w fosfor i azot organiczny frakcji stałej, przechowywanej w zbiorniku zsypowym robota do czyszczenia podłóg;
- odseparowanego i przechowywanego w kanałach gnojowych moczu, zawierającego głównie potas.
Ryc. 2. Produkcja różnych rodzajów nawozów przy pomocy Lely Sphere
(Duijnisveld, 2021)
Hanskamp CowToilet i VrijLevenStal
CowToilet
Toaleta dla krów, podobnie jak dwa wcześniej wymienione rozwiązania, trafiła na listę RAV. Badania przeprowadzone przez naukowców z Wageningen University & Research centre (WUR) z wykorzystaniem obór rusztowych wykazały, że zastosowanie CowToilet może przyczyniać się do ograniczenia emisji amoniku o nawet 45%, w zależności od przyjętej metodologii. Emisja NH3 dzięki zastosowaniu tego rozwiązania została ograniczona średnio do poziomu 6,8 kg na stanowisko rocznie.
Kluczowym elementem rozwiązania, które otrzymało nagrodą Eurotier 2021 Innovation Award jest zintegrowany ze stacją paszową pisuar gromadzący mocz korzystających z niej zwierząt. Jest on następnie odprowadzany bezpośrednio do dedykowanego zbiornika. Skuteczność rozwiązania wynika z faktu, że urządzenie jest w stanie zebrać 35% wydalanego przez krowę w ciągu dnia moczu. W okresie trwania badania zbierano od 3,1 do 14,5 l/krowę/dzień, średnio 10,1 litra.
Istotną zaletą tego rozwiązania jest fakt, że krowy nie muszą być przyuczane do korzystania z toalet, a wykorzystuje się do tego celu naturalny odruch oddawania moczu następujący w wyniku drażnienia nerwów. Przebywające w stacji paszowej zwierzęta, po zakończeniu pobierania paszy, pobudzane są do oddawania moczu poprzez automatyczne umiejscowienie CowToilet w okolicy więzadła zawieszającego wymię i następnie dotykanie tej okolicy, co wywołuje odpowiednie odruchy ze strony układu nerwowego.
W efekcie zastosowania tego rozwiązania hodowca uzyskuje dwa rodzaje nawozów: czysty mocz gromadzony w dedykowanych zbiornikach i zebraną z podłogi gnojowicę.
Ryc. 3. Toaleta dla krów (Hanskamp CowToilet) pracująca w holenderskiej oborze (Siatka, 2024)
VrijLevenStal
Drugim rozwiązaniem proponowanym przez producenta z Doetinchem jest koncepcja komfortowej, bezstanowiskowej obory ścielonej piaskiem w części wypoczynkowej i wyposażonej w tradycyjną podłogę rusztową w części żywieniowej, czyli miejscu, gdzie najczęściej obserwuje się oddawaniu moczu przez krowy. Piasek poza zapewnieniem komfortowych warunków dla krów pozwala także skutecznie separować od siebie mocz i kał. Koncepcja ta zakłada, że mocz z części pokrytej piaskiem odprowadzany jest do dedykowanych zbiorników za pomocą systemu kanałów drenażowych. Odchody stałe są natomiast separowane i dostarczane do miejsc ich składowania za pomocą dedykowanej do tego celu maszyny dostarczanej przez producenta pod nazwą handlową BeddingCleaner. Takie podejście przyczynia się do powstania dwóch rodzajów nawozów o odmiennych parametrach. Ponadto w kanałach gnojowych znajdujących się pod obszarem żywieniowym powstaje trzecia forma nawozu jakim jest gnojowica.
PPS „Reinventing Circular Dairy Farming”
Warto też w tym miejscu wspomnieć o uruchomionym w lipcu 2024 w Holandii partnerstwie publiczno-prywatnym „Reinventing Circular Dairy Farming” w skład którego wchodzą Ministerstwo rolnictwa, rybołówstwa, bezpieczeństwa żywnościowego i zasobów naturalnych Holandii, Wageningen Livestock Research, Slootsmid, Fundacja Holenderskie Centrum Wyceny Nawozu (NCM), Hanskamp oraz Lely.
Celem podjętej przez wymienione wyżej podmioty współpracy jest zbadanie kwestii wykorzystania moczu jako nawozu i stopnia, w jakim takie podejście przyczynia się do powstawania obiegu zamkniętego substancji odżywczych (circular farming) w uczestniczących w tym przedsięwzięciu gospodarstwach. Przewidziano, że w trwającym 4 lata pilotażu udział weźmie 100 gospodarstw specjalizujących się w produkcji mleka. Uzyskane wyniki według pomysłodawców tej inicjatywy mogą w dłuższej perspektywie odegrać ważną rolę w europejskiej dyskusji na temat stosowania nawozów sztucznych.
W badaniach podjętych zostanie szereg kwestii od technicznych, związanych z pozyskaniem i przechowywaniem obornika (moczu i kału), po wskazanie optymalnych (w tym sposób i czas aplikacji) i najmniej emisyjnych (amoniak) sposobów wykorzystania go jako nawozu.
Istotność uzyskanych wyników warunkowana jest ograniczeniami w stosowaniu nawozów pochodzących z produkcji zwierzęcej określanymi przez prawo Unii Europejskiej, a także przesłankami finansowymi wynikającymi z lepszego wykorzystania nawozów powstających bezpośrednio w gospodarstwie, co finalnie może przynieść korzyści także środowisku naturalnemu.
