Biogaasi tootmine võimaldab ökoloogiliselt sobival viisil ära kasutada põllumajanduslikke orgaanilisi materjale.
Orgaaniliste materjalide taaskasutamisel (inglise k. – recycling) on majanduse säästvas arengus ja keskkonnakaitses oluline koht. Seetõttu on mitmetes Euroopa maades viimasel 10 aastal tunduvalt suurenenud metaanirikka biogaasi tootmine elektri- ja soojusenergia saamiseks.
Biogaas on orgaanilise aine anaeroobsel käärimisel tekkiv gaas, mis koosneb ca 55-65 mahu-% ulatuses metaanist (CH4) ja 35-45 mahu-% süsihappegaasist (CO2). Seega on biogaas üks taastuvenergia kasutusvormidest. Ühe kuupmeetri (m3) biogaasi energiaekvivalent on 0,6 liitrit kütteõli (fuel oil) või 6,36 kWh (Köttner, 2001).
Anaeroobne kääritus biogaasi tootmiseks omab potentsiaali eriti loomakasvatuses,
… kuna seal tekkivad kõrvalproduktid (peamiselt erineva kuivainesisaldusega sõnnik) on käärituseks sobivad ning tulemusena võivad lihtsustada ettevõtte töökorraldust, vähendada kulusid ja anda lisatulu.
Biogaasi tootmine muutus Euroopas aktuaalseks 1980-ndate aastate lõpul, kui seoses ületootmisega ja põllumajanduskvootide kehtestamisega (1984) jäi osa seni loomasööda ja inimtoidu tootmiseks kasutatud maast kasutusest välja (set-aside land). Taolisel maal hakati soodustama energiakultuuride kasvatamist, sh. biogaasi tootmiseks, kas ainult taimsest materjalist või segatuna muude orgaaniliste substraatidega (vedel ja tahke sõnnik, taimsed ja loomsed tootmis- ja olmejäätmed). Tänu intensiivsele uurimistööle 1990.-ndatel aastatel on biogaasi praktilisel kasutamisel praeguseks kaugemale jõutud Saksamaal, Inglismaal, Austrias, Rootsis ja Taanis. Probleemiga on tegeldud ka Soomes, Leedus ja viimastel aastatel intensiivsemalt ka Eestis. Tööd alustasid biogaasijaamad lüpsikarja suurfarmide baasil Aravetel (2012), Oisus (2012) ja Ilmatsalus (2013).
Enamikes riikides toodetakse biogaasi substraatide segust. Biogaasi saamist ainult vedelsõnnikust kasutatakse maailmas vähe, sest metaani väljatulek on sel juhul tagasihoidlik. Põhjuseks on, et vedelsõnniku kuivaine sisaldus on suhteliselt madal (Eestis veisefarmides valdavalt 7-9 %) ning enamik energiarikkamaid ühendeid (süsivesikud, valgud, rasvad) on juba lõhustunud ja ära tarvitatud loomade seedetraktis. Seetõttu lisatakse biogaasijaamades kääritisse ka tahket sõnnikut, rohu- ja maisisilo (viimast eriti Saksamaal), heina, toidujääke (eelistatult rasvarikkamaid) jm. substraate, et tõsta kääritise kuivaine kogust ja selle energiasisaldust. Substraatide segu korral avaldub sünergia – eri materjalide koostised vastastikku täiendavad üksteist ja biogaasi väljatulek suureneb.
Tulemusena tõuseb ka kääritusjäägi ehk digestaadi kuivaine (sh. süsiniku kogus) ja taimetoitainete sisaldus võrreldes sellega, kui biogaasi tootmiseks kasutatakse ainult vedelsõnnikut. Kuna viimasel juhul digestaat sisaldab tunduvalt vähem süsinikku (C) kui töötlemata vedelsõnnik farmist, on oht, et süsinikuvaese digestaadi pikaajalisel kasutamisel põhilise orgaanilise väetisena (kui haljasväetise osakaal on väike) võib mulla huumusesisaldus hakata pikkamööda vähenema. Sellele põhimõttelisele küsimusele vastamiseks on eeskätt tootjate huvides vajalikud edaspidised pikemaajalised uuringud.
Metaankäärimisel
… kasutatakse mikroobide poolt ära peamiselt substraatide kergesti lõhustatavad süsinikühendid (Stinner et al., 2008). Seetõttu on digestaadi orgaanilises osas rohkem kiudaineid – põhiliselt tselluloosi ja ligniini. Sellest tulenevalt arvatakse, et digestaadi kuivaine on võrreldes selle põhilise toorainega (s.o. vedelsõnnikuga) mullas stabiilsem, sest mikroobid lagundavad seda aeglasemalt (eriti ligniini).
Välismaa uurijad on saanud lahknevaid tulemusi ka selle kohta, milline on kääritamisprotsessi mõju digestaadis leiduvate toiteelementide (N, P, K, Ca, Mg, mikroelemendid) omastatavusele taimede poolt. Positiivne on, et enamasti sisaldab digestaat vedelsõnnikuga võrreldes rohkem mineraalset N (põhiliselt ammooniumlämmastikku NH4-N), mis moodustab üldlämmastikust enamasti 60-75%. Teiste toiteelementide omastatavuse osas on uurimistöid vähem ja nende tulemused erisuunalised. On leitud, et omastatava fosfori sisaldus võib digestaadis olla toorainega võrreldes 10-36% väiksem (Marcato et al., 2008; Moody et al., 2009), kuna kääritamise käigus sadestub osa fosforist kaltsium- ja magneesiumfosfaatidena. Teised katsed on aga näidanud, et suurem osa digestaadi fosforist ja kaaliumist on taimedele kättesaadavas vormis (Börjesson, Berglund, 2007). Omastatava Ca, Mg, Mn, Zn ja Cu sisaldus võib kääritamisel väheneda sõltuvalt elemendist 9-42% (Masse et al., 2007), mille põhjuseks on fosfaatide ja karbonaatide teke (Möller, Müller, 2012).
Mikroelementide osas on samas leitud, et metaankääritamine ei mõjuta nende kättesaadavust taimedele (Marcato et al., 2009).
Katsed digestaadiga Eestis
Digestaadi kasutamist väetisena on Eestis uuritud suhteliselt lühikest aega, sest kuni 2012. aastani oli ainsaks põllumajanduslikuks biogaasijaamaks Saaremaal Jööril töötav sea vedelsõnnikut kasutav jaam. 2012.a. valmisid biogaasijaamad Aravetel ja Oisus ning 2013.a. lõpul Ilmatsalus. Need jaamad kasutavad lisaks veiste vedelsõnnikule ka muud toorainet: tahket sõnnikut, heina, silojääke jm.
Lüpsikarja vedelsõnniku digestaadi efektiivsust kõrreliste rohumaal võrdlevalt veiste töötlemata vedelsõnnikuga ja mineraalse lämmastikväetisega uuriti 2012.- 2014.a. põldkatses Eerikal. Taimik oli karjamaatüübiline, valdavad liigid aasnurmikas ja punane aruhein. Vedelsõnnik toodi kõikidel aastatel Vorbuse lüpsikarjafarmi (Tartu Agro AS) hoidlast pärast sõnniku segamist. Digestaadi päritolu ja koostis olid aastati erinevad (tabel 1). Esimesel katseaastal (2012) kasutati EMÜ Märja katsefarmi lüpsikarja vedelsõnnikust katsekääritis (Argo Normak) toodetud digestaati. 2013.a. toodi digestaat Oisu suurfarmi (Estonia OÜ) ja 2014.a. vastvalminud Ilmatsalu biogaasijaamast (Tartu Agro AS). Kuna Oisus ja Ilmatsalus lisati kääritisse vedelsõnnikule lisaks heina, tahket sõnnikut, silojääke jm. orgaanilisi materjale, oli digestaadi koostis aastati erinev (eeskätt kuivainesisalduse poolest).
Tabel 1. Eerika rohumaakatses kasutatud veiste vedelsõnniku ja biogaasijaama digestaadi keemiline koostis
| Näitaja | 2012 keskmine | 2013 keskmine | 2014*** | |||
| VS* | DIG** | VS | DIG | VS | DIG | |
| pH | 6,9-7,4 | 8,0-8,3 | 6,8-7,3 | 7,7-8,3 | 6,7 | 7,9 |
| Kuivaine % | 8,3 | 3,5 | 8,2 | 8,1 | 9,2 | 6,3 |
| Üld-N kg/tonn | 4,6 | 4,3 | 3,9 | 4,3 | 4,5 | 4,1 |
| NH4-N kg/tonn | 2,8 | 3,2 | 2,4 | 2,5 | 2,5 | 2,8 |
| NO3-N kg/tonn | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Üld-P kg/tonn | 0,8 | 0,8 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 0,6 |
| Üld-K kg/tonn | 2,2 | 2,3 | 2,6 | 3,5 | 2,6 | 2,8 |
| Üld-Ca kg/tonn | 1,4 | 1,0 | 0,9 | 1,3 | 1,6 | 1,4 |
| Ülg-Mg kg/tonn | 0,7 | 0,6 | 0,7 | 0,9 | 0,7 | 0,6 |
| Orgaanilist ainet kuivaines, % | 70,0 | 56,0 | 68,5 | 63,0 | 67,9 | 58,3 |
| NH4-N osakaal üld-N-st, % | 58,7 | 74,4 | 61,5 | 58,1 | 55,6 | 68,3 |
* VS-vedelsõnnik **DIG-digestaat *** kaks esimest väetamist (aprill, juuni)
Kui digestaati saadi ainult vedelsõnniku metaankääritamisel (2012.a.), oli digestaadis kuivainet 2,4 korda vähem kui tooraines s.o. vedelsõnnikus. Kui biogaasijaamas (Oisus, Ilmatsalus) lisati vedelsõnnikule ka teisi orgaanilisi materjale, et tõsta kääritatava segu keskmist kuivainesisaldust ja suurendada biogaasi väljatulekut, erines digestaadi ja vedelsõnniku kuivaine sisaldus tunduvalt vähem (eriti 2013.a.). Oluline on rõhutada, et kõigil kolmel katseaastal oli digestaadis võrreldes vedelsõnnikuga rohkem mineraalset ammooniumlämmastikku (NH4-N), mis on taimede poolt kiiresti omastatav. Digestaadi ja vedelsõnniku hektarinormid arvutati lähtuvalt NH4-N sisaldusest neis väetistes.
Käesolev artikli koostamise ajal oli võimalik analüüsida 2012. ja 2013.a. saagiandmeid (tabel 2), 2014.a. tulemused saab lisada aasta lõpul.
2012. a. tulemustest selgus, et NH4-N (ammooniumlämmastiku) võrdse aastanormi korral saadi veise vedelsõnniku ja sellest biogaasi tootmisel tekkiva kääritusjäägi e. digestaadi toimel lähedase suurusega enamsaagid (nende erinevus ei olnud statistiliselt usutav) võrreldes väetamata alaga. Seejuures ületas nii vedelsõnniku kui digestaadi variantide saak usutavalt mineraal-N 180 kg/ha saanud taimiku kuivaine saagi (vastavalt 32 ja 21%). Seejuures anti vedelsõnnikut 3 annusega kokku 67 t/ha, kuid digestaati 57 t/ha, sest NH4-N osakaal üld-N-st oli digestaadis suurem (73-76%) kui vedelsõnnikus (55-62%).
2013. aastal erinesid kõikide väetusvariantide kuivaine aastasaagid üksteisest statistiliselt usutavalt, seega on ka väetiste enamsaagid väetamata taimiku suhtes usutavad. Vedelsõnnik ületas digestaadi
Tabel 2. Erinevate väetiste mõju kõrreliste rohumaa saagile Eerikal 2012.-2013.a.
| Väetusvariant | Toiteelemente aastas kokku, kg/ha | Kuivaine tonni/ha | |||||||
| Saak niidete kaupa | Aasta saak | Väetise enamsaak aastas | |||||||
| nr. | Väetise liik | Üld-N NH4-N | P | K | 1. | 2. | 3. | ||
| 2012 | |||||||||
| 1. | Väetamata | 0 | 0 | 0 | 4,471A | 1,132 | 1,952 | 7,522 | 0 |
| 2. | Lämmastik-mineraalväetis (NH4NO3) | 180* | 0 | 0 | 4,591 | 1,603 | 2,573 | 8,763 | 1,24 |
| 3. | Veise-vedelsõnniku digestaat EMÜ katseseadmest | 247 183 |
44 | 131 | 4,931;2 | 2,281 | 3,381 | 10,591 | 3,07 |
| 4. | Veise-vedelsõnnik Vorbuselt, töötlemata | 308 180 |
55 | 149 | 5,842 | 2,311 | 3,461 | 11,611 | 4,09 |
| 2013 | |||||||||
| 1. | Väetamata | 0 | 0 | 0 | 1,001 | 2,171 | 1,532 | 4,701 | 0 |
| 2. | Lämmastik-mineraalväetis (NH4NO3) | 180* | 0 | 0 | 1,462 | 2,201 | 1,863 | 5,522 | 0,82 |
| 3. | Veise-vedelsõnniku digestaat Oisu biogaasijaamast | 312 181 |
57 | 252 | 1,813 | 2,431 | 2,201 | 6,443 | 1,74 |
| 4. | Veise-vedelsõnnik Vorbuselt, töötlemata | 299 180 |
51 | 199 | 2,154 | 2,832 | 2,101 | 7,084 | 2,38 |
| Keskmine 2012-2013 | |||||||||
| 1. | Väetamata | 0 | 0 | 0 | 2,731 | 1,651 | 1,721 | 6,101 | 0 |
| 2. | Lämmastik-mineraalväetis (NH4NO3) | 180* | 0 | 0 | 3,021 | 1,901 | 2,211 | 7,131;2 | 1,03 |
| 3. | Veise-vedelsõnniku digestaat | 280 182 |
50 | 192 | 3,371 | 2,362 | 2,792 | 8,522;3 | 2,42 |
| 4. | Veise-vedelsõnnik Vorbuselt, töötlemata | 304 180 |
53 | 174 | 3,991 | 2,572 | 2,782 | 9,343 | 3,24 |
*Sisaldab 90 kg NH4-N ja 90 kg NO3-N
AErinevate numbritega väärtused samas veerus on usutavalt erinevad (P<0,05).
Enamsaagi väetamata rohukamara suhtes 37% (aastanormid vastavalt 25+29+22=76 t/ha ja 19+29+24=72 t/ha). Kuivaine saakide hindamisel tuleb arvestada, et 2013.a. katses kasutatud biogaasi digestaat oli (hoolimata kuivaine kaost käärimisel) koostiselt lähedane lüpsikarja vedelsõnnikuga (vt. tabel 1), sest Oisu biogaasijaamas lisati kääritisse vedelsõnniku kõrval ka tahket sõnnikut ja muid orgaanilisi materjale, mis suurendasid digestaadi kuivaine sisaldust.
Rohukamarate üldine saagitase sõltus tugevasti katseaasta ilmastikust. Tingimused rohukasvuks olid 2012. a. tunduvalt soodsamad kui 2013. aastal. Kuigi õhutemperatuur mais ja juunis oli 2012. aastal madalam kui 2013.a., kompenseeris seda suurem sademete hulk. 2012. aastal tuli perioodil aprill-september 377 mm sademeid, 2013.a. aga 270 mm. Tulemusena oli kuivaine aastasaak 2012.a. kõigi 4 väetusvariandi keskmisena oluliselt suurem (9,62 t/ha) kui 2013.a. (5,93 t/ha).
Kahe aasta keskmisena oli digestaadi mõju kuivaine saagile võrdse ammooniumlämmastiku normi korral mõnevõrra (ca 25%) väiksem kui vedelsõnnikul. Sama ilmnes ka kummalgi katseaastal eraldi.
Kuna põllumajanduslike biogaasijaamade arv Eestis lähitulevikus tõenäoliselt suureneb, on vajalik jätkata ja süvendada uuringuid digestaadi mõju kohta rohumaa saagile, mulla elustikule ja viljakusele.
Kasutatud kirjandus
- Börjesson, P., Berglund, M. 2007. Environmental systems analysis of biogas systems – Part II: The environmental impact of replacing various reference systems. –Biomass and Bioenergy 31 (5), 326-344.
- Köttner, M.(2001). Biogas in agriculture and industry: potentials, present use and perspectives.- Renewable Energy World, issue 7/8, London.
- Marcato, C. E., Pinelli, E., Pouech, P., Winterton, P., Guiresse, M. 2008. Particle size and metal distribution in anaerobically digested pig slurry.- Bioresource Technology 99, 2340-2348.
- Marcato, C. E., Mohtar, R., Revel, J. C., Pouech, P., Hafidi, M., Guiresse, M. 2009. Impact of anaerobic digestion on organic matter quality in pig slurry.- Biodeterioration and Biodegradation 63 (3), 260-266.
- Masse, D. I., Croteau, F., Masse, L. 2007. The fate of crop nutrients during digestion of swine manure in psychrophilic anaerobic sequencing batch reactors.- Bioresource Technology 98, 2819-2823.
- Moody, L. B., Burns, R. T., Stalder, K. J. 2009. Effect of anaerobic digestion on manure characteristics for phosphorus precipitation from swine waste.- Applied Engineering in Agriculture 25, 97-102.
- Möller, K., Müller, T. 2012. Effects of anaerobic digestion on digestate nutrient availability and crop growth: A review.- Engineering in Life Sciences 12, (3), 242-257.
- Stinner, W., Möller, K., Leithold, G. 2008. Effect of biogas digestion of clover/grass leys, cover crops and crop residues on nitrogen cycle and crop yield in organic stockless farming system.- European Journal of Agronomy 29 (2-3), 125-134.
Lisalugemist:
- Biogaasi tootmine ja kasutamine. Käsiraamat. 2008, 158 lk. Eesti Põllumeeste Keskliidu e-väljaanne. : Mansbergi tõlge saksa keelest: Handreichung. Biogasgewinnung und nutzung. Gülzow, 2006).
- Raave, H. Keres, I., Kauer, K. jt 2013. Vedelsõnniku ja digestaadi mõju mullale, teravilja saagile ja toitainete leostumisele. – Agronoomia 2013, Jõgeva, lk. 8-15.
Autor: Rein Viiralt (september 2014)