Teknologiudredning Version 1 Dato: Side 1 af 6. Biologisk luftrensning, biofiltre

Transkript

1 Teknologiudredning Version 1 Dato: Side 1 af 6 Biologisk luftrensning, biofiltre Resumé Ammoniakfordampning Lugt fra stald Støv Emission af miljøfremmede stoffer Biofiltre forventes ikke at have effekt på ammoniakfordampningen fra svinestalde. Undersøgelser har dog vist, at biofiltre potentielt kan begrænse emission af ammoniak fra slagtesvinestalde. Undersøgelserne er dog generelt gennemført under ustabile driftsforhold. Der er ikke dokumentation for, at biofiltre kan begrænse emission af ammoniak fra soog smågrisestalde. Biofiltre har potentiale til reduktion af lugtemissionen fra slagtesvinestalde, men der er ingen driftsikre anlæg på markedet, ligesom effekten på lugt ved so- og smågrisestalde ikke er undersøgt. Der er ingen påvirkning af støvindholdet i staldrummet. Udledningen af støv fra staldanlæg til det omgivende miljø mindskes muligvis, men effekten er ikke dokumenteret. Omsætning af ammoniak i biologiske luftrensningsanlæg kan give anledning til emission af lattergas. Lattergas ville også produceres, såfremt ammoniak blev udledt direkte til miljøet. Lattergasproduktionen kan minimeres ved at sikre stabil luftgennemstrømning i al filtermaterialet. Energi og ressourceforbrug Der er øget energiforbrug til drift af ventilationsanlæg og evt. pumper. Arbejdsmiljø Ingen påvirkning. Smitterisiko Ingen påvirkning. Dyrevelfærd Affald og spildevand Det er særdeles vigtigt, at staldens ventilationsanlæg og luftrenser fungerer som en samlet helhed. I modsat fald kan dyrevelfærden forringes som følge af forringede klimaforhold i stalden. Ingen effekt. Filtermateriale fra biofiltre kan afbrændes. Der forventes ingen produktion af spildevand fra biofiltre ved optimal drift. Miljøfremmede stoffer Ingen. Virkning på lager og mark Ingen. Driftssikkerhed Undersøgelser har vist, at der er betydelige problemer med biofiltrenes driftssikkerhed og driftsstabilitet. Der findes medio 2010 ingen driftsikre biofiltre på det danske marked Merinvestering Der er øgede etableringsomkostninger i forhold til referencesystemet. Driftsomkostninger Der er øgede driftsomkostninger i forhold til referencesystemet. Denne teknologiudredning er udarbejdet af AgroTech A/S for Miljøstyrelsen. Miljøstyrelsen Strandgade København K Tlf.: Fax: mst@mst.dk 1

2 Kort beskrivelse af teknologien Rensning af ventilationsluft fra svinestalde i biofiltre er den ene af to kendte teknologier, som er baseret på biologisk omsætning af de stoffer, der tilføres via luften. Biologiske luftrensningsanlæg kan opdeles i to hovedgrupper: biologiske luftvaskere og biofiltre, som primært adskiller sig fra hinanden i befugtningsstrategi, filtermateriale og luftens hastighed gennem filtermaterialet (og dermed luftens opholdstid i anlægget). I biofiltre ledes ventilationsluften gennem et filterleje typisk bestående af et organisk materiale, såsom træflis eller halm. Vandingen i biofiltret sker typisk i form af opfugtning af luften, inden den passerer filtermaterialet. Biofiltre er som oftest konstrueret, således at der tilføres netop den vandmængde som kræves for at holde filtermaterialet fugtigt, men ikke så meget vand at der udtages lænsevand i større mængder. Det skyldes, at filtermaterialet i biofiltre er tæt, og en høj vandtilførsel vil derfor gøre det vanskeligt at sikre en effektiv luftgennemstrømning i anlægget, således at staldens ventilationsbehov kan opfyldes med et realistisk energiforbrug. Luftens opholdstid i anlægget er typisk 3-14 sekunder. Billede 1. Billedet viser et biofilter med et filtermateriale bestående af træflis. Afkastluften fra stalden føres via ventilationsrørerne til bunden af biofiltret, hvorfra det siver op gennem filtermaterialet. Der er i Danmark foretaget undersøgelse af tre typer af biofiltre, som adskilte sig fra hinanden i valg af filtermateriale. Der blev i de afprøvede anlæg anvendt følgende filtermaterialer: træflis (Riis & Jensen, 2007; Riis et al., 2008), halm kombineret med træflis, og Leca (Riis et al., 2006). Et enkelt af disse anlæg BIO-REX Hartmann, er kommercielt tilgængeligt men vurderes endnu ikke driftsikkert, mens de øvrige anlæg har været opsat med udvikling og indledende undersøgelser af potentialet for ammoniakog lugtreduktion for øje. Tilsigtet effekt De tilsigtede effekter luftrensning er at reducere emissionerne af ammoniak og lugt. Effekterne på de to forureninger er i det følgende behandlet særskilt. De indhentede erfaringer med biofiltre er alle fra stalde Miljøstyrelsen Strandgade København K Tlf.: Fax: mst@mst.dk 2

3 med slagtesvin, mens der ikke er foretaget undersøgelser af biofiltres effekt på emissioner af ammoniak og lugt fra so- og smågrisestalde. En evt. effekt på ammoniakemissionen ved stalde til søer og smågrise vil dog ikke adskille sig fra effekten ved slagtesvinestalde, idet ammoniak er et veldefineret stof, hvis omsætning i en luftrenser ikke afhænger af hvilken dyregruppe, der er kilde til ammoniakken. Den kvantitative effekt af biologisk rensning af luft fra stalde til søer og smågrise vil dog være anderledes end ved slagtesvin, idet en række driftsforhold i stalden adskiller sig væsentligt fra driften af slagtesvinestalde. Det er derimod mindre sikkert hvor stor en del af erfaringen med biofiltrenes effekt på lugt, der kan overføres til anlæg med søer og smågrise. Det skyldes, at lugtstofferne og deres individuelle betydning for det samlede lugtindtryk i ventilationsluften fra de to dyregrupper ikke er veldefineret. En række forhold med betydning for lugt er forskellige i staldene til de to dyregrupper. Herunder regnes fodersammensætning samt stald- og gylletemperatur at have særlig betydning for den kemiske sammensætning af lugtstoffer fra de forskellige dyregrupper. Ammoniak Der kan generelt ikke forventes en ammoniakfjernelse i biofiltre under stabil drift (KTBL, 2008). Det skyldes, at filtermaterialet som oftest ønskes befugtet så lidt, at der ikke skal lænses vand bort fra luftrenseren. Fjernelse af kvælstof fra filtermaterialet med lænsevand er nødvendigt, hvis der skal opnås en stabil ammoniakfjernelse i filtret, idet kvælstofomsættende bakteriers aktivitet ophører, såfremt der ophobes kvælstof i filtermaterialet (Anthonisen, 1976). Såfremt der anvendes så store mængder vand til befugtning, at der sikres en stabil bortlænsning af vand fra filtermaterialet, vil det være muligt at opnå en ammoniakfjernelse, idet ammoniak er meget vandopløseligt. Såfremt luftens ammoniakindhold ikke via biologiske omsætningsprocesser i filtermaterialet omsættes til andre kvælstofforbindelser som nitrit (NO 2 - ) og nitrat (NO 3 - ), skal der dog forholdsvis store vandmængder til at opretholde en stabil ammoniakfjernelse. Flere undersøgelser har alligevel fundet, at biofiltre var i stand til at reducere ammoniakkoncentrationen i ventilationsluften fra stalde (Riis et al., 2006; Riis & Jensen, 2007; Riis et al., 2008). Biofiltrene var alle designet med henblik på at opnå en befugtning af filtermaterialet uden bortlæsning af vand, og det formodes, at de fundne ammoniakreduktioner i de testede anlæg skyldes, at størstedelen af de testede anlæg havde store problemer med at opnå stabil drift af befugtningsanlægget. Da det ikke var forventet, at der skulle lænses vand fra anlægget, var det i afprøvningerne ikke muligt løbende at registrere, hvor meget vand der blev ført væk fra anlægget. Det horisontale biofilter med træflis af det tyske fabrikat Hartmann, som i Danmark forhandles under navnet BIO-REX Hartmann, var i en afprøvning ved en slagtesvinestald i stand til at reducere ammoniakkoncentrationen i afkastluften med 65 % (Riis et al., 2008). I afprøvningsperioden var der dog så udtalte driftsproblemer med befugtningsanlægget, at der blev tilført 2,5 gange så meget vand til filtermaterialet, som oprindeligt ønsket. Da der ikke blev forventet en afdræning af vand, var anlægget ikke konstrueret, således at fraførelsen af vand kunne registreres. Det er derfor muligt og sandsynligt, at der ikke havde forekommet en ammoniakreduktion i dette anlæg, såfremt vandingssystemet havde fungeret efter hensigten. En tysk undersøgelse af dette fabrikat viste % reduktion i ammoniakkoncentrationen, men angiver ikke en række betydende faktorer, som kunne bruges til en vurdering af systemets anvendelighed under danske forhold, hvoraf de vigtigste er vandforbrug og lænsevandsproduktion samt tryktab over filtret (TÜV, 2009). Der er testet to biofiltre, som benytter et filtermateriale bestående af en kombination af halm og træflis. Jensen et al. (2005) fandt, at et sådant anlæg kunne reducere udledningen af ammoniak med henholdsvis 72 % og 86 %. Mængden af vand, der blev ledt væk fra filtret, blev ikke registreret, men der var afløb af vand i vinterperioden. I et andet anlæg med halm i kombination med træflis blev der målt henholdsvis 22 % og 34 % ammoniakreduktion (Riis et al., 2006). Et biofilter med Leca som filtermateriale viste en ammoniakreduktion på henholdsvis 45 % og 72 % (Riis et al., 2006). Heller ikke her var en registrering af vandafledningen mulig. Riis et al. (2008) foretog en afprøvning af et vertikalt biofilter med træflis efter amerikansk princip. Dette anlæg var ikke i stand til at reducere ammoniakindholdet i ventilationsluften om vinteren, mens ventilationsluftens ammoniakkoncentration blev reduceret med 14 % om sommeren. Afledningen af vand fra filtret alene blev ikke registreret. Dette biofilter er ikke kommercielt tilgængeligt. Miljøstyrelsen Strandgade København K Tlf.: Fax: mst@mst.dk 3

4 Lugt Biofiltre er i flere undersøgelser fundet at have potentiale til reduktion af lugtemissioner fra slagtesvinestalde. Et biofilter fra Tyskland, forhandlet i Danmark under navnet BIO-REX Hartmann, viste i en afprøvning af Riis & Jensen (2007) en lugtreduktion på 77 %. Under afprøvningen i Danmark var der problemer med vandtilførslen i anlægget, som gjorde, at der blev brugt 2,5 gange så meget vand som forventet. Samtidig medvirkede den kraftige vanding til, at der opstod et så stort tryktab i luftrenseren, at staldens ventilationskapacitet ikke kunne opretholdes med de benyttede ventilatorer, og der blev derfor kun ledt ca. 55 % af den oprindeligt projekterede luftmængde gennem filtret. Filtret er fortsat under udvikling, og det forventes, at anlægget vil blive testet yderligere, når vandingssystemet er optimeret. Afprøvningen af to anlæg med et filtermateriale bestående af halm kombineret med træflis viste lugtreduktioner på henholdsvis 68 % (Jensen et al., 2005) og % (Riis et al., 2006). I begge afprøvninger var der problemer med at opnå en optimal befugtning af filtermaterialet. Afprøvningen af to anlæg med træflis alene viste en lugtreduktion på % (Riis & Jensen, 2008) og 77 % (Riis et al., 2008). Anvendelse af Leca som filtermateriale har vist sig at kunne give tilsvarende reduktionsgrader, idet en afprøvning af et sådant biofilter viste reduktionsgrader på % (Riis et al., 2006). Derfor kan Leca have potentiale som filtermateriale, idet det ikke er forgængeligt, i modsætning til de organiske filtermaterialer, som halm og træflis, som må forventes at skulle udskiftes hvert eller hvert andet år for optimal virkning og luftgennemstrømning. Filtrene var opstillet i forsøgsøjemed og er ikke kommercielt tilgængelige. På grund af et forholdsvis stort pladskrav i de horisontale biofiltre afprøvede Riis & Jensen (2008) et vertikalt filter med træflis inspireret af et amerikansk udviklet anlæg. Anlægget var udformet som en silo, hvor luften passerede igennem. Dette anlæg var i stand til at reducere lugtkoncentrationen med 58 % om sommeren og 60 % om vinteren. I dette filter blev staldluften fugtet op vha. højtryksdyser, inden den passerede filtermaterialet. Der var i dette anlæg ikke problemer med befugtningen af filtermaterialet, når vanddyserne blev rengjort ca. en gang månedligt. Dette biofilter er dog ikke kommercielt tilgængeligt. Støv Dette er ikke undersøgt, men der forventes ingen påvirkning af støvkoncentrationen i staldrummet. Der forventes en støvreduktion i anlæggets afgangsluft, men det er dog ikke dokumenteret under danske forhold. Emission af drivhusgasser Der kan produceres lattergas i anlæg til biologisk luftrensning, hvor ammoniak-kvælstof oxideres til nitrit og nitrat, idet de oxiderede kvælstofforbindelser efterfølgende kan denitrificeres under iltfri forhold under tilstedeværelse af organisk stof (Sørensen, 2006). Produktion af lattergas i biologiske luftrensningsanlæg kan minimeres ved at holde filtermaterialets biofilm tynd, ligesom det er vigtigt at sikre, at filtermaterialet ikke synker sammen, så der opstår områder uden luftgennemstrømning og dermed tilgængelighed af ilt, idet lattergasproduktion opstår ved nedsat ilttilgængelighed. En vis produktion af lattergas ville dog også forekomme, såfremt den opsamlede ammoniak i stedet blev udledt til miljøet (IPCC, 2006). Energi og ressourceforbrug Energi og vand Teknologien er ikke afprøvet over en så lang periode, at forbruget af energi er kendt. Luftrensning medfører dog generelt et øget forbrug af energi til drift af pumper i anlægget foruden et højere energiforbrug til ventilation i sammenligning med stalde uden luftrensning. I afprøvningen af et biofilter efter amerikansk princip blev driftsomkostningerne fundet at udgøre 16,80 kr./produceret gris (Riis & Jensen, 2007). I afprøvningen af BIO-REX Hartmann resulterede et højt vandforbrug i høje driftsomkostninger, idet den kraftige vanding af filtermaterialet medførte et meget højt tryktab. Det høje tryktab medførte et højt energiforbrug til at presse ventilationsluften gennem filtret, der blev brugt 32,5 kwh pr. gris, og de samlede driftsomkostninger blev fundet at være 26,60 kr. pr. producerede gris (Riis et al., 2008). Miljøstyrelsen Strandgade København K Tlf.: Fax: mst@mst.dk 4

5 Driftsomkostningerne blev dog opgjort for sommerperioden alene, da afprøvningen ikke blev udført over et års drift. Arbejdsmiljø Arbejdsmiljøet forventes ikke påvirket af teknologien. Smitterisiko Teknologien forventes ikke at påvirke smitterisikoen. Dyrevelfærd Dyrevelfærden i stalden kan blive påvirket, såfremt luftrenseren ikke er tilfredsstillende indpasset i ventilationssystem, idet grisenes nærmiljø kan blive forringet. Affald og spildevand Teknologien giver ikke anledning til øget produktion af affald eller udledning af spildevand. Organisk filtermateriale kan bortskaffes med dagrenovationen og brændes. Miljøfremmede stoffer Teknologien giver ikke anledning til udledning af miljøfremmede stoffer. Virkning på lager og mark I anlæg, hvor der ikke fraføres kvælstofholdigt lænsevand, vil der ikke være virkning på lager og mark. Udbredelse af teknikken Biofiltre er ikke udbredt anvendt ved danske svinestalde, og ingen af de afprøvede anlæg har været etableret ved stalde til søer eller smågrise. Helhedsvurdering af teknikken Biofiltre vurderes at være en teknologi med potentiale til at reducere lugtkoncentrationen i ventilationsluft fra svinestalde. Danske erfaringer med teknologien viser dog, at det er vanskeligt at konstruere et driftsikkert anlæg, som er i stand til at rense ventilationsluften uden at påvirke staldens ventilationssystem negativt. Særligt har befugtningen af filtermaterialet vist sig vanskelig at regulere, således at den ønskede opfugtning sker uden en så kraftig vandtilførsel af luftgennemstrømningen i filtermaterialet nedsættes, eller omvendt med en så lav vandtilførsel at filtermaterialet lokalt tørrer ud. Ved udtørring af områder i filtret kan der dannes kanaler som luften kan passere urenset igennem, idet den biologiske omsætning af lugtstoffer kræver tilstedeværelse af fugt. Den foreliggende dokumentation viser derfor i flere tilfælde, at teknologien potentielt kan give gode effekter på koncentrationerne af ammoniak og lugt, mens anlæggenes vandforbrug, lænsevandsproduktion og energiforbrug til ventilation under stabil drift i mange tilfælde er behæftet med store usikkerheder pga. ustabil drift. Generelt vurderes det, at flere af de foretagne afprøvninger har tilstræbt, at befugtningen af filtermaterialet skulle være så præcist tilpasset ventilationen, at der ikke skulle fjernes vand fra anlægget. De har derfor ikke været konstrueret med mulighed for en løbende registrering af bortledningen af vand. I flere tilfælde har der været tilført langt større vandmængder til filtret end forventet, idet systemet til regulering af vandtilførslen ikke har været driftsikkert med afledte effekter på biofiltrets effektivitet mht. reduktion af luftens ammoniak- og lugtkoncentration til følge. Udenlandske erfaringer viser dog, at der kan opnås en god lugtreduktion i veldrevne biofiltre. I Tyskland anvendes biofiltre til et reducere lugtkoncentrationen til under 300 OU E /m 3, som er godkendelseskravet i forbindelse med den tyske miljøsagsbehandling (KTBL, 2008). Biofiltre er medio 2010 ikke godkendt til anvendelse ved svinestalde i Holland, idet man også her vurderer at anlæggenes ammoniakreducerende effekt ophører efter kort tids drift såfremt der ikke lænses vand bort fra anlægget (Melse, 2010). Filtermaterialet må forventes at skulle udskiftes eller efterfyldes jævnligt, såfremt der anvendes et organisk materiale, mens det ikke forventes at være tilfældet, hvor der anvendes uorganiske materialer (feks. Leca). Ved anvendelsen af for eksempel træflis som filtermateriale skal efterfyldning på grund af sammensynkning af filtermateriale forventes. Denne sammensynkning må også forventes at påvirke energiforbruget til ventilation, idet et tættere filtermateriale bevirker et øget energiforbrug til opretholdelse af den nødvendige ventilationsydelse. Miljøstyrelsen Strandgade København K Tlf.: Fax: mst@mst.dk 5

6 Driftsstabilitet Der er ingen driftsstabile biofiltre tilgængelige på det danske marked (medio 2010). Afprøvninger af biofiltre viser, at der er behov for yderligere udvikling af teknologien. Etableringsomkostninger Etableringsomkostningerne kan ikke angives, da der ikke findes driftssikre, kommercielt tilgængelige biofiltre på det danske marked (medio 2010). Driftsøkonomi Det er ikke muligt medio 2010 at foretage en vurdering af driftsomkostninger for biofiltre under danske forhold, idet en sådan bør foretages på anlæg, som har fungeret stabilt gennem en længere periode, feks. i et år. Litteratur Anthonisen, A.C., Loehr, R.C., Prakasam, T.B.S. & Srinath, E.G. (1976): Inhibition of Nitrification by Ammonia and Nitrous Acid. Journal of Water Pollution Control federation, 48 (5). IPCC (2006): IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories. Volume 4: Agriculture, Forestry and Other Land Use. Hahne, J. & Vorlop, K.-D. (2004): Waste Air Scrubbers Useful in Reducing Ammonia Emissions from Piggeries? Landtechnik (2). Jensen, T.L., Riis, B.L., Feilberg, A. (2005): Reduktion af lugt og ammoniak med Oldenburg Biofilter, Agrofilter GmbH. Meddelelse nr. 727, Landsudvalget for svin, Den rullende afprøvning. KTBL (2008): Exhaust Air Treatment Systems for Animal Housing Facilities. Techniques - Performance costs. KTBL publication 464. Association for Technology and Structures in Agriculture, Darmstadt, Germany. Melse, R.W. (2010): Dr. Ir. Wageningen UR, Livestock Research. Medlem af den hollandske ekspertkomite for godkendelse af luftrensningssystemer. Personlig kommunikation. Riis, B.L., Hansen, A.G. & Jensen, T.L. (2006): Luftrensning til stalde. Videreudvikling af biofiltre til eksisterende staldanlæg med akutte lugtproblemer. pilottest ved svinestald. Arbejdsrapport fra Miljøstyrelsen, nr. 31. Riis, A.L., & Jensen, T.L. (2007): BIO-REX Hartmann Bio-Filter afprøvet ved en slagtesvinestald. Meddelelse nr. 807, Dansk Svineproduktion, Den Rullende Afprøvning. Riis, A.L., Lyngbye, M., Feilberg, A. (2008): Afprøvning af biofilter efter amerikansk princip. Meddelelse nr. 819, Dansk Svineproduktion, Den Rullende Afprøvning. Sørensen, K.: Emission af N 2 O og NO fra biologiske luftfiltre. Specialerapport, Afdeling for Mikrobiologi, Biologisk Institut, Århus Universitet. TÜV, 2010: Bericht über die Zertifizierung der Biofilteranlage der Firma Hartmann Biofilter für den Anwendungsfall der Schweinehaltung hinsichtlich der Abscheidewirkung gegenüber Staub, Geruch, Ammoniak und Keime. TÜV-Bericht Nr. 936/ /A3. Miljøstyrelsen Strandgade København K Tlf.: Fax: mst@mst.dk 6