Strammere miljølovgivning i Danmark har medført, at der i de senere år er kommet fokus på begrænsning af lugt- og ammoniakemissionen fra ejendomme med husdyrproduktion. Flere firmaer i Danmark og i udlandet arbejder derfor med udvikling af miljøteknologier, der kan reducere udledning af lugt- og ammoniakemissionen fra staldanlæg. Afprøvninger fra Videncenter for Svineproduktion har vist at det er muligt at reducere ammoniakemissionen fra svinestalde ved kemisk luftrensning med svovlsyre [1-4]. Firmaet Bioscent Technology ApS har desuden vist, at det er muligt også at reducere lugtemission ved kemisk luftrensning med base ved anvendelse af membranteknologi [5]. Der var dog tale om et meget omkostningstungt princip og firmaet har nu overført deres viden omkring brug af syre og base ved luftrensning til et mere simpelt og billigt princip.

Formålet var at undersøge om en ny type kemisk luftrenser med tromleprincip fra Bioscent Technology fungerede efter princippet og i hvor høj grad luftrenseren formåede at reducere lugt- og ammoniakkoncentrationen i afgangsluften fra en poltestald.

Afprøvningen blev gennemført i tilknytning til en staldsektion med 136 stipladser til polte. Sektionen var indrettet med delvist fast gulv, tørfodring ad lib. og undertryksventilation med diffust luftindtag gennem loftet. Firmaet Bioscent Technology havde desuden installeret et multipunkt gulvudsugningsanlæg (se appendiks 2), hvortil den kemiske luftrenser var tilkoblet via et ø315 rør.

Målingerne var fordelt på fire måledage i juli og august 2009.

Opbygning af den kemiske luftrenser

Luftrenseren bestod af to moduler med hver en tromle, der lå delvist nedsænket i hhv. en sur og en basisk vandig opløsning. Tromlerne var beklædt med et plastiknet hvor luften blev presset igennem. Tromlerne roterede, så nettet konstant var fugtigt. I det første trin, hvor vandet blev holdt surt med svovlsyre (H₂SO₄), blev ammoniak renset fra staldluften, og i det andet trin, hvor vandet blev holdt basisk med kaustisk soda (NaOH), blev en del af lugtstofferne renset fra luften. Mellem de to moduler og umiddelbart efter det sidste, var der placeret dråbefang, dels for at undgå at trække syre med luften over i basemodulet, dels for ikke at afgive base til omgivelserne.

Tromlerne var cylinderformet med en længde på 120 cm og en diameter på 120 cm. Overfladen på siderne af hver tromle var 4,5 m² og rumfanget 1,36 m³. Det samlede anlæg bestod af to moduler placeret i en container uden for stalden.

Princip i kemisk luftrensning

Det grundlæggende princip i luftrensning er at overføre lugtstoffer og ammoniak fra luften til vand, dvs. at vaske luften. Denne proces er styret ved kontakttiden mellem vand og luft, samt fordelingen af det enkelte stof i luften og vandet. Ved ligevægt er forholdet mellem partieltrykket (koncentrationen) af det enkelte stof i luften og koncentrationen i vandet beskrevet ved Henrys lov-konstanten, K_H [6].

I kemisk luftrensning øges effekten af at vaske luften ved at bringe de opløste stoffer over på ionform, der ikke er flygtig. Henrys lov beskriver alene ligevægten mellem stoffet i luften og den neutrale form, der opløses i vandet. Ved at få stoffet over på ionform mindskes koncentrationen af den neutrale form, og der kan derfor opføres endnu mere af stoffet fra luften, hvorved den samlede koncentration af det enkelte stof i vandet øges. Stoffer med basisk effekt som fx ammoniak (NH₃), kan derfor frarenses luften i større grad ved at tilsætte syre til vaskevandet, hvorved ammoniak kommer på ammoniumform (NH₄⁺). Tilsvarende vil syrer opløses mere i vand med base end i vand alene, fx vil eddikesyre (CH₃COOH) blive til acetat (CH₃COO-).

       

Figur 1. Prototype af tromle beklædt med plastiknet, samt luftrenseren mens der udtages prøve til bestemmelse
af lugtkoncentration. Billede nr. 2352 og 2353)

Registreringer

For at vurdere luftrenserens effektivitet med hensyn til at reducere lugt- og ammoniakkoncentrationen om sommeren, blev der foretaget målinger på fire måledage. Målingerne blev foretaget fra d. 13. juli 2009 til d. 10. august 2009.

Lugtmålingerne blev foretaget ved udtagning af en repræsentativ luftmængde før og efter luftrenseren samt mellem de to moduler. Prøverne blev udtaget efter Dansk Standard [7] vha. lungeprincippet, hvor der dannes vakuum i en kasse, og opsamlet i 30 l. nalophan poser.

På hver måledag blev der udtaget to luftprøver ved hvert målested, således at der i alt blev opsamlet 6 luftprøver hver måledag. Luftprøverne blev opsamlet over 30 minutter henholdsvis mellem kl. 11 og 12 og mellem kl. 13 og 14. Lugtkoncentrationen i prøverne blev den efterfølgende dag bestemt ved olfaktometrisk analyse på et Ecoma T08 olfaktometer hos DMRI i Roskilde efter Dansk Standard [7].

Umiddelbart efter udtagning af lugtprøver blev der målt ammoniak-, kuldioxid- og svovlbrintekoncentration i de samme målepunkter. Ammoniak- og kuldioxidkoncentrationen blev målt med Kitagawa detektionsrør (hhv. 105SD og 126SF). Svovlbrintekoncentrationen blev målt med en Jerome 631-XE svovlbrintemåler.
 
Luftydelsen blev registreret ved at måle tryktabet over en måleblænde (Lindab FMU/FMDRU 315-250) i ventilationsrøret fra gulvudsugningsanlægget. Tryktabet blev målt med et TSI VelociCalc 8386 multiinstrument to gange under hver lugtprøveudtagning. Ved at måle tryktabet kunne luftydelsen efterfølgende beregnes. Antallet af dyr og dyrenes vægt i staldsektionerne blev registreret på hver måledag.

Luftens temperatur og relative fugtighed blev målt i de tre målepunkter ved luftrenseren efter udtagning af hver luftprøve. Udeluftens temperatur og relative fugtighed blev målt før opsamling af 1. luftprøve og efter opsamling af 2. luftprøve. Tryktab over de to moduler og over hele luftrenseren, samt luftens temperatur og relative fugtighed blev foretaget med et TSI VelociCalc 8386 multiinstrument. På hver måledag blev pH og ledningsevne i hhv. den sure og basiske opløsning i luftrensningsmodulerne målt med et PCD650 multiinstrument fra Eutech Instruments.

Vandforbrug til luftrenseren blev registreret med en vandmåler og det samlede energiforbrug til luftrenser og gulvudsugning med en elmåler.

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

OU_E/s pr. 1000 kg dyr  =  (L x Q x 1000) / (W x N x 3600)

Hvor
   L: Lugtkoncentration, OU_E/m³
   Q: Ventilationsydelse, m³/time
  W: Gennemsnitsvægt pr. dyr på måledagen, kg
   N: Antal dyr i sektionerne, stk.

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

g NH₃-N/time/dyr  =  (M×V×Q×P) / (R×T×N×1000)

Hvor
   M: Molvægt af N, 14,007 g/mol
   V: Koncentration, ppm = ml/m³
   Q: Ventilationsydelse, m³/time
   P: Tryk, 1 atm.
   R: Gaskonstanten, 0,0821 (l × atm)/(mol × K)
   T: Temperatur i Kelvin
   N: Antal dyr i sektionerne, stk.

Svovlbrinteemissionen blev beregnet ud fra svovlbrintekoncentration, ventilationsydelse og antallet af grise i sektionerne ved følgende formel:

mg H₂S/time/dyr  =  (M×V×Q×P) / (RxTxN)

Hvor
   M: Molvægt af N, 14,007 g/mol
   V: Koncentration, ppm = ml/m³
   Q: Ventilationsydelse, m³/time
   P: Tryk, 1 atm.
   R: Gaskonstanten, 0,0821 (l × atm)/(mol × K)
   T: Temperatur i Kelvin
   N: Antal dyr i sektionerne, stk.

Statistik

Ammoniakkoncentrationer og -emissioner, svovlbrintekoncentrationer og –emissioner, 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-, svovlbrinte- og lugtkoncentrationer blev ligeledes analyseret i variansanalyse med proceduren MIXED i SAS under hensyn til gentagne målinger pr. dag.

I afprøvningsperioden var den gennemsnitlige belægning 112 polte med et gennemsnitligt vægtinterval på ca. 80 til 110 kg. Målingerne blev foretaget ved en gennemsnitlig udetemperatur på 21,1 ºC (interval: 18,3 - 22,7 ºC) og en relativ luftfugtighed på 70 % (interval: 60 - 76 %).

Ammoniak

Tabel 1 angiver ammoniakkoncentration og -emission før syremodulet, mellem modulerne og efter basemodulet. Der var en statistisk sikker reduktion af ammoniakkoncentrationen på 96 % over syremodulet, og samlet set var reduktionen over hele renseren 93 %. Dette fald i renseeffektivitet formodes at skyldes medrivning af dråber fra syremodulet til basemodulet i luftrenseren. Ved kontakt med base frigives det ammoniak der i syremodulet var blevet opløst i dråberne. Ammoniakkoncentrationen før luftrenseren var mellem 15 og 22 ppm (gennemsnit 19,3 ppm), hvilket er et forventeligt niveau for gulvudsugning om sommeren. Ved flere af målingerne var det ikke muligt at registrere ammoniak i luften umiddelbart efter syremodulet med det anvendte udstyr (detektionsgrænse: 0,5 ppm) og der blev ikke på noget tidspunkt registreret ammoniakkoncentrationer på over 1 ppm. Efter hele luftrenseren blev der ikke registret koncentrationer på over 2 ppm. Målinger af ammoniakkoncentrationen på de enkelte måledage kan ses i figur A1 i appendiks.

Renseeffektiviteten mht. ammoniak svarer til hvad der tidligere er registreret af Videncenter for Svineproduktion i forbindelse med syrerensere [1-5].

Tabel 1. Ammoniakkoncentration og -emission før og efter luftrenseren, samt mellem de to moduler. Den procentuelle reduktion er angivet over syremodulet og hele luftrenseren. 95 % konfidensinterval er angivet i parentes.

Lugt

I tabel 2 er lugtkoncentration og -emission henholdsvis før syremodulet, mellem modu-lerne og efter

basemodulet angivet. Den procentuelle lugtreduktion over hele luftrenseren er ligeledes angivet. Ved at lede luften igennem den kemiske luftrenser fra Bioscent blev lugtkoncentrationen statistisk sikker reduceret med 48 %. Målinger af lugtkoncentrationen på de enkelte måledage kan ses i figur A2 i appendiks.

I den tidligere afprøvning med brug af base til lugtreduktion ved anvendelse af membranteknologi, blev lugten omtrent halveret [5]. I begge erfaringsindsamlinger blev lugtreduktionen opnået over både et syre- og et basemodul. Og det er derfor ikke testet om det ved anvendelse af et basemodulet alene er muligt at rense staldluft for lugt. Det må dog antages at det vil have en betydelig effekt.

Det er i Danmark ikke dokumenteret at luftrensning med syre har effekt på lugt [1,3,4], men i princippet er processen den sammen, blot at lugtstofferne skal være basiske, dvs. at de skal have evnen til at optagen en proton og optræde som kation, samt at pH skal være lavere end pK_b for lugtstofferne.

Tabel 2. Lugtkoncentration og -emission før og efter luftrenseren, samt mellem de to moduler. Den procentuelle reduktion er angivet over hele luftrenseren. 95 % konfidensinterval er angivet i parentes.

Svovlbrinte

Svovlbrintekoncentration og -emission henholdsvis før, mellem og efter modulerne i luftrenseren, samt den procentuelle reduktion over hele luftrenseren er angivet i tabel 3.

Svovlbrinte er en god, let målbar indikator for hvorvidt der er opnået lugtreduktion ved f.eks. luftrensning eller gyllebehandling, men da det samlede lugtbillede er en kombination af op mod 200 forskellige lugtstoffer, er der ikke altid en direkte sammenhæng mellem reduktion af lugt og svovlbrinte. Tidligere erfaringer fra Videncenter for Svineproduktion viser dog, at især reducerede svovlforbindelser, som svovlbrinte, har stor betydning for det samlede lugtbillede [8,9]. Koncentrationen af svovlbrinte blev i denne erfaringsindsamling reduceret med 56 % ved at lede luften igennem luftrenseren, altså på niveau med lugtreduktionen.Målinger af svovlbrintekoncentrationen på de enkelte måledage kan ses i figur A3 i appendiks.

Tabel 3. Svovlbrintekoncentration og -emission før og efter luftrenseren, samt mellem de to moduler. Den procentuelle reduktion er angivet over hele luftrenseren. 95 % konfidensinterval er angivet i parentes.

Kuldioxid og forbrug af base

Kuldioxidkoncentrationen målt før luftrenseren, mellem de to moduler og efter luftrenseren var hhv. 1.540, 1.560 og 1.550 ppm. Der skete altså ingen ændring i kuldioxidkoncentrationen gennem luftrenseren.

Luftydelse

Luftydelse på gulvudsugningsanlægget var 1.830 m³/time (interval 1.810-1.870 m³/time). Denne luftmængde udgjorde 13 % af staldsektionens samlede ventilationsydelse på måletidspunkterne, hvor luftskiftet var i maks. ventilation.

Tryktab

Der blev registreret et meget højt tryktab over luftrenseren på 160-300 Pa, hvoraf ca. 60 % var over syremodulet og 40 % over basemodulet. På grund af placeringen af ventilatoren umiddelbar før luftrenserens første modul, var der en del pendling, og usikkerhed, på de enkelte målinger. Over syremodulet svingede tryktabet på de enkelte måledag med op til 40 Pa og med 30 Pa over basemodulet. Tryktabet er højere end hvad der tidligere er registreret i forbindelse med Videncenter for Svineproduktions afprøvninger af kemiske luftrensere [1-4] og medfører et meget høj energiforbrug.

Forbrug og omkostninger

Til trods for at målinger over en fire ugers periode ikke kan omsættes til gennemsnitligt årligt forbrug, er der dog alligevel foretaget en beregning af forbrug pr. produceret gris.

Det har ikke været muligt at opgøre energiforbruget for luftrenseren alene, idet det var samme ventilator der trak luften ud fra stalden via gulvudsugning og pressede luften gennem luftrenseren. Endvidere er forbruget til pumper og motorer ikke registreret separat. Forbruget til el er derfor opgjort samlet for hele anlægget og er ikke repræsentativt for luft-renseren alene.

Der blev i måleperioden forbrugt 1.440 kWh, eller 0,38 kWh pr. stiplads pr. dag. Sammenlignet med andre afprøvninger af kemiske luftrensere [1,2] er det et meget højt energiforbrug. Set i lyset af de høje tryktab over både luftrenser og guldudsugningsanlægget er der et stort behov for optimering på dette område.

Det registrerede vandforbrug i måleperioden var 3.580 m³ dvs. at der i gennemsnit blev anvendt 1,1 l. vand pr. gris pr. dag til at holde vandniveauet konstant i de to luftrensningsmoduler i luftrenseren. Det skal dog bemærkes at der umiddelbart inden sidste måledag blev skiftet vand i basemodulet, hvilket resulterede i et merforbrug på godt 900 l.. Ved længere tids drift må det antages at vandet i modulerne skal skiftes med jævne mellemrum og de 900 l. indgår derfor som en del af det forventede forbrug.

Under måleperioden blev pH i både syre- og basemodulet reguleret manuelt en gang om ugen ved tilsætning af hhv. koncentreret svovlsyre og kaustisk soda i perleform. Syreforbruget var 53 kg koncentreret svovlsyre i måleperioden, svarende til 14 g pr. stiplads pr. dag. Forbruget af base var 8,15 kg NaOH svarende til 2,1 g pr. stiplads pr. dag.

Hvis det antages at luftydelsen gennem luftrenseren er konstant og ammoniak- og lugtkoncentrationerne ligeledes er konstante vil forbrugsomkostningerne pr. stiplads pr. år være følgende:

El: 0,38 kWh pr. stiplads pr. dag, svarende til 104 kr. pr stiplads pr. år ved en elpris på 0,75 kr. pr. kWh.
Vand: 0,9 l. pr. stiplads pr. dag svarende til 1,2 kr. pr stiplads pr. år ved en vandpris på 3,5 kr. pr. m³.
Syre: 14 g pr. stiplads pr. dag svarende til 10,2 kr. pr stiplads pr. år ved en syrepris på 2 kr. pr. kg.
Base: 2,1 g pr. stiplads pr. dag svarende til 4,7 kr. pr stiplads pr. år ved en pris på 6 kr. pr. kg.

Beregningerne for syre og base er baseret på Bioscent Technology’s registreringer over forbrug i en fire ugers periode.

Det er vist at det ved kemisk luftrensning er muligt at reducere lugt og ammoniak i luften fra en gulvudsugningskanal i en poltestald med hhv. 48 % og 93 %. Tryktabet var relativt højt for luftrensere.

Det samlede energiforbrug til gulvudsugning og luftrensning ved 13 % af ventilationsbehovet ved maks. ventilation målt om sommeren svarede til en udgift på 104 kr. pr stiplads pr. år. Øvrige forbrugsomkostninger opgjort pr. stiplads pr. år var vand: 1,2 kr., svovlsyre: 10,2 kr. og natriumhydroxid: 4,7 kr. Det høje energiforbrug indikerer at der fortsat er behov for udvikling med hensyn til reduktion af tryktab over anlægget.

   
Deltagere
Tekniker Mike Petersen, Videncenter for Svineproduktion
Tekniker Mimi Lykke Olsen, Videncenter for Svineproduktion
Statistikkonsulent Mai Britt Friis-Nielsen, Videncenter for Svineproduktion

Afprøvning: 1034

Multipunkt gulvudsugningsanlæg

Til at levere luften til den kemiske luftrenser har Bioscent ApS udviklet et multipunktsgulvudsugningsanlæg, hvor der er placeret en række sugepunkter med ca. 30 cm mellemrum jævnt fordelt over gylleoverfladen (Fig A4). Målet med at suge mange steder er at sikre en ensartet udsugning med lav lufthastighed over hele gylleoverfladen. Anlægget var indstillet til at yde omtrent 1.800 m3/time og den målte luftydelse var 1.830 m3/time (interval 1.810-1.870 m3/time), svarende til 13 % af staldens samlede ventilation ved maks. ventilation. Ved at suge ventilationsluften ud under spaltegulvet stiger koncentrationen af ammoniak og lugt i luften der passerer gylleoverfladen. Til gengæld vil koncentrationen af ammoniak og lugt være mindre i staldrummet end i stalde med kun loftudsugning [10].

Udformningen af anlægget bar præg af at være en prototype, og ikke mindst et høje tryktab på 590 Pa angiver at der skal ske en del optimering før anlægget er klar til salg.

Figur A4.  Billede fra installation af multipunktsgulvudsugningsanlæg. Billede nr. 2351.

Emission fra stalde med og uden gulvudsugning

For at vurdere effekten af gulvudsugningsanlægget blev der målt ammoniak-, lugt- og svovlbrintekoncentration i en kontrolsektion kun med loftudsugning og i forsøgssektionen med loft- og gulvudsugning i samme besætning (tabel A1). Sektionerne havde ensartet belægning og grise var indsat samtidigt. For alle tre måleparametre var der signifikant lavere koncentrationer i staldrummet som følge af gulvudsugningen. Ammoniakkoncentrationen var 29 % lavere, lugt- og svovlbrintekoncentrationerne var hhv. 48 % og 65 % lavere.

Tabel A1. Ammoniak-, lugt- og svovlbrintekoncentrationer målt i to staldsektioner hhv. uden og med multipunktsgulvudsugning. 95 % konfidensinterval er angivet i parentes.

I forsøgssektionen var staldens normale ventilationsanlæg via loftudsugning neddroslet således at det samlede luftskifte i de to sektioner tilnærmelsesvis var ens. Luftydelsen fra kontrolsektionen på måletidspunkterne var 13.300 m³/time (interval: 12.800-13.500), mens den fra forsøgssektionen var 11.700 m³/time (interval: 11.000-12.500) via loftudsugning plus 1.830 m³/time fra gulvudsugningen.

Med baggrund i målingerne er emissionerne af ammoniak, lugt og svovlbrinte beregnet for begge sektioner (tabel A2). Den samlede ammoniakemission fra forsøgssektionen var, som følge af gulvudsugningen, 30 % højere end fra kontrolsektionen. Der ikke var statistisk sikker forskel på lugt- og svovlbrinteemissionerne fra de to staldsektioner. Renses luften fra gulvudsugningsanlægget i den kemiske luftrenser, blev den samlede ammoniakemission 29 % lavere fra forsøgssektionen end fra kontrolsektionen. Da afprøvningen primært var dimensioneret til at teste luftrenseren, blev der ikke gennemført tilstrækkeligt mange målinger til at kunne registrere en statistisk sikker forskel på lugtemissionen fra de to staldsektioner. Der var dog en tendens til en 20 % lavere lugtemission fra forsøgsstalden, men forskellen var ikke statistisk sikker (p=0,08).

Tabel A2. Ammoniak-, lugt- og svovlbrinteemissioner fra to staldsektioner hhv. uden og med multipunktsgulvudsugning. 95 % konfidensinterval er angivet i parentes.