Biofilter kombineret med kemisk luftrenser fra ScanAirclean A/S

Afprøvninger fra Dansk Svineproduktion har vist, at luftrensere med træflis som filtermateriale kan reducere lugtkoncentrationen i luften fra svinestalde. I en afprøvning af BIO-REX Hartmann Bio-Filteret blev lugtkoncentrationen i luften fra en slagtesvinestald reduceret med 77 % [1]. Ved afprøvningen af BIO-REX Hartmann Bio-Filteret blev der registreret et stort vandforbrug samt et højt tryktab over filtermaterialet, hvorfor yderligere udvikling var nødvendig. Et vertikalt biofilter efter amerikansk princip var i stand til at reducere lugtkoncentrationen med 58 % om sommeren og 60 % om vinteren i luften fra en FRATS-stald [2].

ScanAirclean A/S har, indtil firmaet gik konkurs i december 2008, haft forhandlingen i Danmark af luftrensningssystemer fra det hollandske firma INNO+. Luftrensningssystemerne, som ScanAirclean A/S har solgt i Danmark, har været baseret på kemisk luftrensning til reduktion af ammoniak i luften fra stalde. En afprøvning har vist, at ved at lede luften fra en kombineret smågrise- og poltestald igennem en central luftrenser fra ScanAirclean A/S blev ammoniakkoncentrationen reduceret med 92 %. Til gengæld var der ingen reduktion af lugtkoncentrationen i luften [3].

INNO+ fabrikerer en såkaldt kombi-luftrenser, som ScanAirclean A/S ønskede at introducere til det danske marked i en modificeret udgave. Kombi-luftrenseren i Holland indeholder 3-trin, et filterelement til fjernelse af støv, hvorefter luften passerer et filterelement til reduktion af ammoniak, og til slut passerer luften et filterelement med knuste trærødder til reduktion af lugt.

Formålet med nærværende afprøvning var derfor at undersøge om en kemisk luftrenser i kombination med et biofilter, hvor filtermaterialet bestod af knuste trærødder, kunne reducere både lugt- og ammoniakkoncentrationen i luften fra en slagtesvinestald.

Afprøvningen blev gennemført i en slagtesvinestald med fem sektioner. I hver sektion var der 120 stipladser, hvor stiindretningen var fuldspaltegulv og ad libitum tørfodring. Luftindtaget til stalden var via vægventiler og udsugning via et Ø640 mm ventilationsafkast i kip. Ventilationsanlægget blev reguleret ved en TH-41 klimacomputer fra KJ Ventilation.

Luftrenseren blev tilkoblet én af de fem sektioner via ventilationsafkastet på taget. Ventilationsafkastets konus i den pågældende sektion blev afmonteret, og der blev i stedet monteret et T-stykke med et tætsluttende drejespjæld, som var temperaturreguleret for at sikre et nødopluk i stalden. T-stykket blev forlænget med Ø820 mm pur-rør til luftrenseren, som var placeret ved siden af stalden, jf. figur 1. Udover den eksisterende ventilator i ventilationsafkastet blev der i rørføringen placeret en frekvensreguleret ScanAirclean SA820 1,5 kW ventilator umiddelbart før luftrenseren, for at sikre en tilstrækkelig ventilationskapacitet i staldsektionen.

Opbygning af luftrenseren

Luftrenseren bestod af to filtertrin fra det hollandske firma INNO+, mens styringen var fra ScanAirclean A/S. Det første filter var et lodret stående filterelement af plast, som blev overrislet med en svovlsyreopløsning med en pH-værdi på 2,2. Under filterelementet var der en sump, hvorfra væsken blev recirkuleret. Til overrisling på det første filterelement var tilkoblet en 370 W pumpe. Det andet filterelement bestod af knuste trærødder, som blev befugtet dels via dyser på toppen af filterelementet og dels på den indvendige side af filterelementet. Befugtningen af de knuste trærødder var tidsstyret. I afprøvningsperioden var befugtningen indstillet til at befugte i 45-60 sekunder hver 45. minut. På ydersiden af det andet filterelement var monteret en temperaturføler, der registrerede lufttemperaturen. Dyserne på toppen af filterelementet blev imidlertid kun anvendt, når lufttemperaturen efter biofilteret var over 25 ºC.

Det første filterelement havde et volumen på 1,41 m³, idet det målte 1,9 meter i bredden, 1,35 meter i højden og 0,55 meter i dybden. Det andet filterelement havde et volumen på 3,09 m³, idet det målte 1,9 meter i bredden, 2,71 meter i højden og 0,60 meter i dybden. Det samlede filtervolumen, som luften fra staldsektionen skulle igennem, var dermed 4,50 m³.

I sumpen under det første filterelement blev overrislingsvandet tilsat 96 % koncentreret svovlsyre. Tilsætning af svovlsyre blev pH-reguleret med en ønsket pH-værdi på 2,2. I sumpen blev vand tilført via regulering fra niveauføler. I forbindelse med at der blev tilsat svovlsyre i sumpen, blev der samtidig lænset en vis mængde væske fra sumpen til en palletank.

Registreringer

Afprøvningen blev gennemført fra juli 2008 til og med september 2008. For at dokumentere luftrenserens effektivitet med hensyn til at reducere lugt- og ammoniakkoncentrationen om sommeren blev der foretaget målinger på 10 måledage fordelt over afprøvningsperioden.

Lugtmålingerne blev foretaget ved opsamling af en repræsentativ luftmængde før det første filterelement, mellem de to filterelementer og efter det andet filterelement. Der blev opsat en Teflon^TM slange i hvert målepunkt. Teflon^TM slangen fra hvert målepunkt var monteret til en 30 l. nalophan pose. Den enkelte pose lå i en tæt lukket kasse. Der blev i kassen dannet et vakuum ved hjælp af en pumpe, hvorved posen blev fyldt med luft fra målestedet. Prøverne blev udtaget i henhold til Dansk Standard [4]. Poserne blev fyldt med 1,0 l. pr. minut, hvorved de blev fyldt over ca. 30 min. På hver måledag blev der opsamlet to luftprøver ved hvert målested, således at der i alt blev opsamlet 6 luftprøver hver måledag. Luftprøverne blev opsamlet henholdsvis mellem kl. 11-12 og umiddelbart efter kl. 12.30. Luftprøverne blev sendt til Slagteriernes Forskningsinstitut, Roskilde til olfaktometrisk lugtanalyse, hvor de blev analyseret den følgende dag i henhold til Dansk Standard [4].

Efter opsamling af luftprøverne til olfaktometrisk bestemmelse af lugtkoncentrationen blev der foretaget måling af ammoniak-, kuldioxid- og svovlbrintekoncentrationen i de samme målepunkter. Ammoniakkoncentrationen blev målt med Kitagawa sporgasrør 105SD, mens kuldioxidkoncentrationen blev målt med Kitagawa sporgasrør 126SF, og svovlbrintekoncentrationen blev målt med en Jerome 631-XE svovlbrintemåler.

For at registrere luftydelsen igennem luftrenseren var der under ventilationsafkastet i staldsektionen monteret en Fancom målevinge, som via Veng VE-14 impulstæller var koblet til datalogningsprogrammet VE PC log 7.1 fra VengSystem. Luftydelsen i staldsektionen blev derved logget hver 10. minut. Antallet af dyr og dyrenes vægt i staldsektionerne blev registreret ved hver måledag.

Luftens temperatur og relative fugtighed blev målt i de tre målepunkter efter opsamling af hver luftprøve. Udeluftens temperatur og relative fugtighed blev målt før opsamling af første luftprøve og efter opsamling af sidste luftprøve. Målinger af luftens temperatur og relative fugtighed blev foretaget med en TSI VelociCalc 8347 måler. Luftrenserens samlede tryktab blev målt med et manometer. Energiforbrug til drift af luftrenser og ventilationen blev registreret separat med elmålere.

Vandforbrug til luftrenseren blev registreret med vandmåler. Syreforbruget blev registreret ved aflæsning på beholderen med svovlsyren. Den lænsede mængde gødningsvæske fra luftrenseren blev registreret ved aflæsning på palletanken. På måledagene blev der foretaget måling af pH i sumpen under det første filterelement, ligesom pH-værdien på styringsskabet til luftrenseren blev registreret.

To dage i afprøvningsperioden blev pH i overfladen på de knuste trærødder målt med pH-sticks (Baker pHIX, pH 4,5-10). Filterelementet med de knuste trærødder blev inddelt i 9 kvadrater på både den indvendige og den udvendige side af filterelementet, hvor pH blev målt et sted i hvert felt. Som reference blev der målt på overfladen af knuste trærødder befugtet med vand, som ikke havde været i kontakt med luftrenseren. Der blev endvidere udtaget prøver af de knuste trærødder, som på Biologisk Institut ved Århus Universitet blev analyseret for nitrit (NO₂^-), nitrat (NO₃^-) og kolonisering med bakterier og svampe. Koncentrationen af NO₂^- og NO₃^- blev bestemt ved brug af stiks (Merckoquant 1.10007 Nitrit-test og 1.10020 Nitrat-test). I laboratoriet blev der foretaget skrab af overfladen på de knuste trærødder, som i mikroskop blev undersøgt for tilstedeværelse af bakterier, og hele stykker af de knuste trærødder blev undersøgt under stereolup for tilstedeværelsen af svampe.

Lugtemissionen pr. 1.000 kg dyr blev beregnet ud fra den analyserede lugtkoncentration, ventilationsydelse samt gennemsnitlig vægt og antallet af grise i staldsektionen ved følgende formel:

Ammoniakemissionen blev beregnet ud fra ammoniakkoncentration, ventilationsydelse og antallet af grise i sektionen ved følgende formel:

Statistik

Ammoniakkoncentrationer og –emissioner før og efter luftrenseren samt de logaritmetransformerede lugtkoncentrationer og –emissioner før og efter luftrenseren blev analyseret i en variansanalyse med proceduren MIXED i SAS under hensyn til gentagne målinger pr. dag. De procentuelle reduktioner af ammoniak- og lugtkoncentrationer blev analyseret i variansanalyse med proceduren MIXED i SAS under hensyn til gentagne målinger pr. dag.

Ved måleperiodens start d. 30. juli 2008 var der i sektionen 98 grise med en gennemsnitlig vægt på 65 kg. Dagen efter sidste måledag d. 27. august 2008 blev alle grisene leveret til slagteriet. Målingerne blev foretaget ved en gennemsnitlig udetemperatur på 19,8 ºC (interval: 14,6 – 27,5) og en relativ luftfugtighed på 68 pct. (interval: 28 – 95).

Ammoniak

I tabel 1 er angivet ammoniakkoncentration og ammoniakemission før første filterelement, mellem de to filterelementer og efter andet filterelement i luftrenseren, samt den procentvise reduktion over de to filterelementer. Efter luften fra slagtesvinesektionen havde passeret det første filterelement i luftrenseren var ammoniakkoncentrationen reduceret fra gennemsnitlig 7,9 ppm til 3,0 ppm, svarende til en gennemsnitlig reduktionseffektivitet på 62 %. Ammoniakkoncentrationen efter det første filterelement var højere end det der blev registeret i en afprøvning af ScanAircleans luftrenser i en kombineret smågrise- og poltestald. I den afprøvning blev ammoniakkoncentrationen reduceret fra gennemsnitlig 11,7 ppm til 1,0 ppm [3].

Den højere ammoniakkoncentration efter det første filterelement i nærværende afprøvning kan forklares med, at det mellem måledag seks og syv blev observeret, at der var en lille sprække over det første filterelement, hvor en lille del af luften kunne passere uhindret forbi. Selvom denne sprække straks blev lukket, og koncentrationen af ammoniak efter det første filterelement ved de følgende måledage var lavere, var den gennemsnitlige ammoniakkoncentration stadigvæk højere end det der var registreret i den tidligere afprøvning, jf. figur A1 i appendiks.

Til gengæld var ammoniakkoncentrationen i luften reduceret til gennemsnitlig 0,9 ppm, når den havde passeret det andet filterelement med knuste trærødder. Samlet set blev ammoniakkoncentrationen statistisk sikker reduceret med gennemsnitlig 91 % over de ti måledage ved at lede luften fra slagtesvinesektionen igennem luftrenseren. 

Lugt

I tabel 2 er angivet lugtkoncentration og lugtemission før første filterelement, mellem første og andet filterelement og efter andet filterelement i luftrenseren samt den procentvise reduktion over de to filterelementer. Ved at lede luften fra slagtesvinesektionen igennem luftrenseren var der en mindre numerisk stigning i lugtkoncentrationen efter det første filterelement, som ikke var statistisk sikker. Til gengæld var der en tendens til gennemsnitlig 23 % lugtreduktion over de ti måledage, når luften havde passeret begge filterelementer i luftrenseren (P=0,08). Lugtemissionen fra slagtesvinesektionen, målt før luftrenseren, var relativt højere end standardtallet for slagtesvin med fuldspaltegulv [5]. En del af den højere lugtemission fra denne sektion i forhold til standardtallet kunne skyldes, at der ikke var fuld belægning i stalden, hvilket betød at lugtemissionen opgjort pr. 1.000 kg dyr derved blev højere, da lugten primært kommer fra gødningsoverfladen.

Ved de fire første måledage var den gennemsnitlige reduktion i lugtkoncentrationen ved at lede luften igennem luftrenseren 57 %. Dette resultat var på niveau med, hvad der tidligere var registreret ved afprøvning af biofiltre [1], [2]. Til gengæld var der ingen statistisk sikker reduktion af lugtkoncentrationen på de sidste seks måledage i afprøvningsperioden, jf. figur A2 i appendiks.

Problemer med syredoseringen
Årsagen til at der ingen lugtreduktion var fra måledag 5 og fremefter kunne være, at der fra den 7. august og til d. 11. august blev tilsat mindst 15 kg koncentreret svovlsyre i sumpen under det første filterelement. Igennem måleperioden blev syredoseringen til sumpen under det første filterelement justeret manuelt af en medarbejder fra ScanAirclean A/S, da doseringen ikke skete automatisk som planlagt. Den relative store mængde svovlsyre, der blev tilsat, var således ikke tilsigtet, men et resultat af den manglende automatiske regulering af pH i sumpen. I sumpen varierede pH-værdien derfor over døgnet igennem måleperioden, som følge af den manuelle syredosering. På de enkelte måledage blev det dog sikret, at pH-værdien var tæt på de ønskede 2,2, inden der blev foretaget målinger af luftrenserens lugt- og ammoniakreduktion, jf. figur A7 i appendiks.

Undersøgelse af biofilteret
Den 11. august blev der observeret lilla belægninger på store områder af de knuste trærødder, som ikke var blevet bemærket ved de fire første måledage, jf. figur 8 og 9 i appendiks. De lilla belægningerne dækkede ikke hele filtret, men fandtes lokalt i større pletter.

På grund af den pludselig ophørte lugtreduktion, blev der foretaget en nærmere undersøgelse af de knuste trærødders overflade den 21. august. pH blev målt til mellem 5,5 og 6,5 på de knuste trærødders overflade i luftrenseren, jf. figur A10 og A11 i appendiks. Til sammenligning blev der på overfladen af befugtede knuste trærødder, som ikke havde været i kontakt med luftrenseren, målt en pH-værdi på 7, og det samme blev der målt i rent vand fra gårdens vandforsyning. pH på overfladen af de knuste trærødder i luftrenseren havde dermed en pH-værdi, der var 0,5 til 1,5 pH-enhed lavere end knuste træfødder befugtet med vand, som ikke havde været i kontakt med luftrenseren.

Der var ikke forskel på pH-værdien på den indvendige side af filterelementets top, midt og bund. Såfremt den relativt lave pH-værdi havde været forårsaget af direkte tildeling af syre på de knuste trærødder, eksempelvis via syreholdigt skum fra luftrenserens første trin, havde det været forventet, at pH ville have været lavest forneden på den indvendige side af filterelementet. Den lave pH målt på overfladen af det andet filterelement skyldtes formentlig, enten at luften var opfugtet med syreholdigt vand fra luftrenserens første trin eller den biologiske omsætning af ammoniak i filterelementet, der er en syredannende proces eller et samspil heraf. På filterelementets udvendige side blev der målt en numerisk lavere pH-værdi i bunden end i toppen af filterelementet.

Målingerne af pH-værdien på knuste trærødder blev gentaget d. 26. august. pH-værdierne i filterelementet var ikke forskellig fra målingerne foretaget d. 21. august. Det kunne indikere, at det ikke var syren fra trin 1, der gav den lave pH, men i stedet den mikrobielle omsætning af ammoniak.

Der blev registreret produktion af nitrit (NO₂^-) i både top, midt og bund af filterelementet. På den indvendige side af filterelementet blev der målt 20-30 mg/L NO₂^- i punktvise målinger. På den udvendige side af filterelementet blev der målt 5-80 mg/L NO₂^-, jf. figur A12 og A13 i appendiks. Til gengæld kunne der ikke måles produktion af nitrat (NO₃^-), hverken på den indvendige- eller den udvendige side af filterelementet. Det kunne således konstateres at der fandt en ammoniakoxidation sted punktvist i filterelementet, og at den producerede NO₂^- tilsyneladende ikke blev oxideret videre til NO₃^-.

Målinger af ammoniakreduktionen over de enkelte trin i luftrenseren viste ligeledes, at filterelementet med de knuste trærødder bidrog væsentligt til anlæggets samlede reduktion af ammoniak. Nitrifikation forårsager i sig selv et pH-fald i det omgivende miljø, men uden en fjernelse af den producerede NO₂^- vil nitrifikationen som oftest ophøre omkring pH 6 på grund af ammoniakoxidationens inhibering med salpetersyrling (HNO₂) [6]. Der kunne som nævnt ikke måles NO₃^-, og det formodes derfor, at ammoniakoxidationen var inhiberet, eller eventuelt at gruppen af NO₂^- oxiderende bakterier ikke var til stede i filterelementet.

Ved hjælp af mikroskopi blev det bekræftet, at der var bakterier til stede på de knuste trærødder. Det var ikke muligt at fastslå hvilke arter af bakterier på baggrund af mikroskopering med lysmikroskop. Tilstedeværelsen af NO₂^- viste dog, at ammoniakomsættende bakterier havde været aktive i filtret. Undersøgelse af de knuste trærødder under stereolup viste endvidere kolonisering med svampe. Der blev fundet hvide skimmelsvampe samt større områder med svampe med lilla ”korn” i myceliet. Det kunne derfor konkluderes, at de udbredte lilla belægninger på de knuste trærødder skyldtes kolonisering med svampe. Såfremt der var sket en pludselig kraftig vækst af svampe, kan disse have lagt sig som en belægning udenpå den aktive biofilm, og dermed have udkonkurreret aerobe, lugtomsættende processer.

Den biologiske aktivitet i filterelementet forud for den ophørte lugtreduktion var ikke kendt, og derfor var det ikke muligt at sammenholde den biologiske aktivitet før og efter den ophørte lugtreduktion. Eksempelvis kan farveløse svampe have været rigt repræsenteret, allerede inden disse lilla belægninger blev observeret. Det kunne ikke med sikkerhed fastslås, at de lugtreducerende biologiske processer skulle være påvirket af den lave pH. Til sammenligning ligger pH i andre biologiske systemer med dokumenteret omsætning af lugt dog som oftest i intervallet 6,5 – 7,5 [7], [8].

På grund af ScanAircleans konkurs var det ikke muligt at få reetableret filtermaterialet og foretage yderligere undersøgelser af lugtomsætningen i luftrenseren. ScanAirclean A/S produkter forhandles nu af MHJ Agroteknik A/S.

Svovlbrinte

I tabel 3 er angivet svovlbrintekoncentration og -emission henholdsvis før første filterelement, mellem første og andet filterelement og efter andet filterelement i luftrenseren, samt den procentvise reduktion over de to filterelementer. Der var en tendens til reduktion af svovlbrintekoncentrationen med gennemsnitlig 7 % ved at lede luften i gennem det første filterelement i luftrenseren (P=0,06). Til gengæld var svovlbrintekoncentrationen reduceret med gennemsnitlig 46 %, når luften havde passeret begge filterelementer. Generelt var koncentrationen af svovlbrinte fra stalden relativ høj sammenlignet med andre undersøgelser i samme staldtype [1], [9]. Årsagen til højere svovlbrintekoncentration fra denne stald kan ikke umiddelbart forklares.

Forbrug af syre, vand og el

I tabel 4 er angivet syre- og vandforbruget til luftrensning samt elforbruget til luftrenseren og ventilation i afprøvningsperioden. Selve måleperioden forløb over 28 dage, hvilket betød at registreringsperioden var for kort til at opgøre forbruget pr. produceret gris af henholdsvis vand, syre og el til drift af luftrenseren over et helt år. Sættes omkostningerne til 3,50 kr. m³ vand, 2,50 kr. pr. kg svovlsyre og 0,75 kr. pr. kWh udgjorde de samlede forbrugsomkostninger ved sommermålingerne 21,60 kr. produceret gris. Målingerne blev som nævnt foretaget om sommeren, hvor der var et større ventilationsbehov i stalden end om vinteren. Det medførte, at det registrerede forbrug af vand og el generelt var højere, end hvad der kan forventes for et helt år som gennemsnit.

I figur 2 er vist luftydelsen gennem luftrenseren samt tryktabet over luftrenseren ved de enkelte måledage. På måledagene var den gennemsnitlige luftydelse fra stalden på 10.980 m³/time (95 % konfidensinterval: 9.900 – 12.050), hvilket medførte et gennemsnitlig tryktab over luftrenseren på 112 Pa (95 % konfidensinterval: 96 – 127). Hovedparten af tryktabet over luftrenseren var på det første filterelement, som blandt andet skyldtes at luftbelastningen pr. kvadratmeter frontareal var dobbelt så høj i forhold til det andet filterelement. Der blev på måledagene målt et gennemsnitlig tryktab over det første filterelement på 97 Pa (95 % konfidensinterval: 81 – 112).

Ved at lede luften fra slagtesvinesektionen igennem luftrenseren fra ScanAirclean A/S blev ammoniakkoncentrationen statistisk sikkert reduceret med gennemsnitlig 91 % over de ti måledage om sommeren. Ammoniakkoncentrationen i luften blev reduceret fra gennemsnitlig 7,9 ppm til 3,0 ppm, når den havde passeret det første filterelement. Efter luften havde passeret det andet filterelement med knuste trærødder var ammoniakkoncentrationen reduceret til gennemsnitlig 0,9 ppm.

Ved de fire første måledage var den gennemsnitlige reduktion i lugtkoncentrationen 57 %, når luften havde passeret begge filterelementer i luftrenseren. Til gengæld var der ingen statistisk sikker reduktion af lugtkoncentrationen ved de sidste seks måledage i afprøvningsperioden. Set over de ti måledage var der var en tendens til gennemsnitlig 23 % lugtreduktion. Årsagen til den ophørte lugtreduktion fra måledag fem og fremefter kunne skyldes, at der over få dage utilsigtet blev tilsat mindst 15 kg koncentreret svovlsyre i sumpen under det første filterelement. Dette resulterede i et meget surt miljø, som formentlig har påvirket de mikrobiologiske forhold på det andet filterelement. Efterfølgende undersøgelser af de knuste trærødder viste kolonisering af svampe. En pludselig kraftig vækst af svampe kunne derved har lagt sig som en belægning udenpå den aktive biofilm og dermed udkonkurreret aerobe, lugtomsættende processer. Imidlertid var den biologiske aktivitet i filterelementet forud for den ophørte lugtreduktion ikke kendt, og derfor var det ikke muligt at sammenholde den biologiske aktivitet før og efter den ophørte lugtreduktion.

På grund af ScanAircleans konkurs var det ikke muligt at få reetableret filtermaterialet og foretaget yderligere undersøgelser af lugtomsætningen i luftrenseren. ScanAirclean A/S produkter forhandles nu af MHJ Agroteknik A/S.

Referencer

Deltagere:
Agronomstuderende Malene Jørgensen, Dansk Svineproduktion
Forsker Lars Ottosen, Århus Universitet
Gruppeleder Thomas Lund Sørensen, Dansk Svineproduktion

Finansiering af projektet
Projektet har fået tilskud fra EU og Fødevareministeriets Landdistriktsprogram og har Projekt ID: 0809/68

Afprøvning: 984