Reduktion af lugt og ammoniak med Oldenburg Biofilter, Agrofilter GmbH

Prof. Dr. Jörg Oldenbrug i Tyskland har siden 1996 udviklet og patenteret et filter til biologisk rensning af afgangsluften fra svinestalde. Ligeledes har J. Oldenburg etableret firmaet Agrofilter GmbH (www.agrofilter.de), som projekterer biofiltre ved landbrug med lugtproblemer.

Biofilteret kan etableres ved eksisterende stalde såvel som ved nybyggeri. I en tysk undersøgelse er der vist en renseeffektivitet overfor lugt på 34-88 pct. I samme undersøgelse blev ammoniak reduceret med 29 til 96 pct. afhængig af årstid, filter og staldtype [1].

Afprøvningen blev gennemført i samarbejde med Landscentret, Byggeri & Teknik og Teknologisk Institut i Århus, hvor Landscentret, Byggeri & Teknik havde ansvaret for projekteringen og kontakten til Agrofilter GmbH. Landsudvalget for Svin gennemførte selve afprøvningen og de statistiske opgørelser. Teknologisk Institut foretog kemiske målinger og analyser.

Formålet med afprøvningen var under danske klimaforhold, at afklare lugt- og ammoniakreduktionen ved at lede afgangsluften fra en slagtesvinestald gennem et biofilter projekteret af Agrofilter GmbH. Endvidere at undersøge rensningsmetodens stabilitet over tid.

Biofilteret blev etableret som en forsøgsopsætning i relation til materialevalg i tilknytning til en slagtesvinestald med fuldspaltegulv. Stalden blev ventileret via et traditionelt undertryksanlæg med ensidigt luftindtag via vægventiler. I forbindelse med afprøvningen blev udsugningsenhederne flyttet ned på siden af stalden, hvor biofilteret blev opbygget på en eksisterende betonplads med afløb. Billeder fra byggefasen og af det færdige filter fremgår af appendiks. Data vedr. staldindretning fremgår af tabel 1.

Tabel 1. Stald- og stiindretning

Agrofilter GmbH dimensionerede filteret og befugtningsanlægget samt leverede befugtningsanlægget. En lokal tømrer byggede rammen til filteret.

Luftrensningsanlægget fungerede ved, at afkastluften blev befugtet med vand under tryk (60 bar) fra dyser, som var placeret i hulrummet under selve biofilteret, det vil sige mellem ventilatorenhedernes afkastside og biofilteret. Befugtningsanlægget bestod af en række dyser (appendiks). Enhederne af dyser var placeret ud for hvert ventilationsafkast. Dyserne blev forsynet fra en trykpumpe, hvor vandmængden kunne reguleres afhængig af ventilationsydelse. Antallet af aktive dyser blev reguleret afhængig af ventilationsydelsen via et ventilsæt placeret mellem trykpumpen og dyseenhederne (appendiks). Vandtilførslen blev således automatisk tilpasset ventilationsanlæggets ydelse, så vandafløb fra filteret kunne begrænses til et minimum.

Biofilteret blev etableret efter anvisning fra J. Oldenbrug, Agrofilter GmbH. Biofilteret var opbygget på en træramme, som var hævet 1,5 m over terræn. På trærammen var der udlagt et stormasket metalnet (rio-net), hvorpå filtermaterialet var udlagt. Filtermaterialet bestod af et ca. 20 cm løst udlagt lag halm, hvorpå der var udlagt 2-3 cm flis. Filterets areal var dimensioneret til 250 m³/time pr. m² filter ved maksimal kapacitet på ventilationsanlægget. Filterets areal var på ca. 200 m².

Registreringer

Afprøvningen forløb fra midt sommer til midt vinter. De primære registreringsparametre var lugt- og ammoniak. Luftens lugt- og ammoniakkoncentration blev målt henholdsvis i ventilationsafkast før befugtningdyserne og efter filteret. For at undgå at den rensede luft blev fortyndet med udeluft, blev målingerne foretaget under en teltoverdækning udlagt på en del af filteret. Tidligt i afprøvningen viste det sig, at der var problemer med vindpåvirkning ved denne metode. Derfor blev teltoverdækningen udskiftet til bunden af en silo (appendiks). Denne silobund blev gennem afprøvningsperioden flyttet til en ny position på filteret umiddelbart før hver lugtprøvudtagning, således at filterets renseeffekt blev målt på flere tilfældige positioner rundt på filteret.

Lugt

I løbet af to hold slagtesvin i perioden august til januar blev der hver anden uge opsamlet luftprøver til lugtanalyse i 30 liter Tedlar^® poser, se illustration i appendiks. Prøverne blev pr. post sendt til Slagteriernes Forskningsinstituts lugtlaboratorium til lugtanalyse efterfølgende dag. Lugtkoncentration (OU_E/m³) blev bestemt ved olfaktormetermetoden efter CEN-norm (CEN/TC264/WG2/N222/e – analyseforskrift 66009-ANF-012 – udgave 05). Opsamlingen af luft i poser blev ligeledes foretaget efter CEN-norm (CEN/TC264/WG2/N222/e – analyseforskrift 66009-ANF-016 – udgave 03).

I CEN-normen stilles ingen krav om, hvor hurtigt luftprøverne skal opsamles, men det blev valgt at fylde poserne med 1,0 liter pr. minut, dvs. i løbet af 30 minutter.

I forbindelse med hver udtagning og analyse af lugtprøve blev følgende supplerende registreringer foretaget:

• Dato og klokkeslæt for start og slut for udtagning af prøve
• Antal og vægt af svin
• Kuldioxidkoncentration før og efter filteret med prøverør af fabrikatet Kitagawa type 126SF
• Ammoniakkoncentration før og efter filteret med prøverør af fabrikatet Kitagawa type 105SD
• Temperatur ude, før og efter filteret
• Kuldioxidkoncentration målt med Multiwarn II gas monitor i prøveposen

Kemiske forbindelser i staldluften

For at få et mere detaljeret indtryk af biofilterets evne til at fjerne kemiske forbindelser, hvoraf nogle bidrager til lugt blev luften udover olfaktometri analyseret for indholdet af en række kemiske forbindelser. De anvendte metoder var:

Membran Inlet Masse Spektometri (MIMS) som er en online monitering af udvalgte kemiske forbindelser som formodes at bidrage til lugt. Metoden blev anvendt ved filteret før og efter rensning. Herudover blev der udtaget luft i Tedlar poser før og efter filteret. På laboratoriet blev luften i poserne analyseret ved anvendelse af en gas kromatog med massespektrometrisk detektion (GCMS). De kemiske forbindelser blev trukket ud fra luftprøverne ved hjælp af rør pakket partikler, som opsamlede de kemiske forbindelser. Metoden hvorved de kemiske forbindelser blev opsamlet kaldtes SPME. Den samlede prøveudtagning og analyse af prøven benævnes derfor GCMS/SPME. Målingerne blev anvendt for at sikre tilpasningen af MIMS-signalerne samt til at sammenholde online analyserne med de olfaktometriske målinger.

Ammoniak

Ammoniak- og kuldioxidkoncentrationen blev målt med en VE 18 multisensor fra Vengsystem, se appendiks. Dette udstyr bestod af pumper, der via teflonslanger pumpede 1-2 liter luft pr. minut til en måleenhed med sensorer, der analyserede indholdet af ammoniak og kuldioxid i luften fra de forskellige målesteder. Et ventilsystem skiftede hvert femte minut mellem de enkelte pumper ved målestederne. Umiddelbart før der blev skiftet målested, blev luftens indhold af ammoniak og kuldioxid registreret. I VE 18 Multisensoren blev ammoniakkoncentrationen målt med en sensor af fabrikatet Dräger Polytron 1 med måleområdet 0-100 ppm. Kuldioxid blev målt med en sensor af fabrikatet Dräger Polytron IR CO₂ med måleområdet 0-5.000 ppm.

Kontrollerende målinger af ammoniakkoncentrationen med sporgasrør af mærket Kitagawa blev foretaget ved hvert besøg af en tekniker hver 2.-3. uge. Ammoniakmålinger med VE 18 Multisensoren blev korrigeret i forhold til de kontrollerende målinger med sporgasrør, se appendiks.

Befugtning

Med undtagelse af nogle få perioder med få dages driftsstop var befugtningsanlægget tilsluttet fra afprøvningens opstart i juni til december måned. Fra december til afprøvningens afslutning i januar var der slukket for befugtningsanlægget. Erfaringer fra tilsvarende anlæg i Tyskland har vist, at befugtning ikke var nødvendig i vinterhalvåret, hvilket vil sige frem til marts måned.

Statistik

Den procentvise lugtreduktion over biofilteret blev undersøgt ved en T-test. Undersøgelsen blev suppleret med samme test men under hensyn til tilsluttet befugtningsanlæg.

Ammoniakemissionen blev analyseret ved en generaliseret lineær model med systematisk effekt af behandling (før og efter luftrensning) samt hold og tilfældig effekt af måledag.

Lugt

Medianen for lugtreduktionen var 61 pct. og gennemsnitet over afprøvningsperioden var 49 pct. med 95 pct. konfidensinterval [29-69]. Der var perioder uden reduktion (figur 1). En mulig årsag til den manglende rensning i disse perioder kan skyldes den manglende befugtning. Netop i perioderne uden lugtreduktion var der driftsproblemer med befugtningsanlægget.

Figur 1. Lugtreduktion i pct. ved biologisk luftrensning

Udelukkes perioderne uden befugtning så var median for lugtreduktionen 68 pct. og gennemsnitet var 60 pct. med 95 pct. konfidensinterval [37 - 83].

I afprøvningsperioden var lugtkoncentrationen i stalden i intervallet fra knap 1000 OU_E/m³ til godt 5000 OU_E/m³ (appendiks).

Ved flere lugtprøver var CO₂ -koncentrationen målt i prøveposen lavere efter rensning i forhold til koncentrationen før rensning (appendiks). Til trods for stor omhyggelighed ved udtagning af luftprøverne vurderes årsagen til den lavere koncentration efter rensning derfor en fortynding med udeluft i forbindelse med udtagningen af lugtprøven. Lugtkoncentrationen i prøverne udtaget efter biofilteret blev derfor korrigeret for CO₂ -koncentration i prøveposen i forhold til før biofilteret dog med undtagelse af de første prøver, da der i disse prøver ikke blev målt CO₂ koncentration.

Kemiske forbindelser i staldluften

I den periode hvor der blev foretaget kontinuerte MIMS-målinger var der en tydelig reduktion af carboxylsyrer og p-cresol efter filteret. I de efterfølgende analyser af lugten i poserne var der ligeledes en markant reduktion af disse stoffer i luft udtaget efter filtret. For organiske svovlforbindelser var der en mindre reduktion.

På 4 måledage blev der udtaget luftprøver før og efter biofilteret til analyse for udvalgte kemiske forbindelser. Rensegraden for udvalgte kemiske forbindelser fra de indsendte luftprøver fremgår af tabel 2. Rensegraden er beregnet direkte fra de udlæste måleresultater.

Tabel 2. Rensningseffektivitet for udvalgte kemiske forbindelser

På en af måledagene (tabel 3) blev renseeffektiviteten beregnet målt på et større antal kemiske forbindelser.  Der var dog på det tidspunkt en vis usikkerhed ved metoden.

De kromatografiske responser viste generelt en reduktion på mere end 80 pct. for de fleste kemiske forbindelser, men kemiske forbindelser som dimethyldisulfid og dimethylsulfid var reduceret mindre, dog med undtaglese af dimentyldisulfid målt den 9/9. Den mindre reduktion på disse forbindelser kunne være en forklaring på at reduktionen af lugten målt ved olfaktometri var mindre end den reduktion som hovedparten af kemiske forbindelser ellers viste.

Tabel 3. Rensningsgrader for kemiske forbindelser i lugtprøver udtaget den 9.9.2003

Ammoniak

Den statistiske analyse viste, at der var en signifikant lavere ammoniakkoncentration i luften efter biofilteret sammenlignet med luften som blev ledt ind før filteret (P<0,001). I tabel 4 er angivet den gennemsnitlige ammoniakkoncentration før og efter halmfilteret for hvert af de to gennemførte hold grise. Ammoniakreduktionen var 71 pct. for hold 1 og 86 pct. for hold 2.

Tabel 4. Gennemsnitlig ammoniakkoncentration før og efter biologisk luftrensning, 95 pct. konfidensinterval angivet i parentes

Mængden af afledt vand og vandets indhold af salte kendes ikke. Det må forventes at den største del af de opsamlede salte, enten blev i biomassen eller blev omdannet til andre forbindelser, da befugtningsanlægget var dimensioneret, så vandafløb blev begrænset mest mulig, og da der i vinterhalvåret udelukkende tilføres vand til filteret fra nedbør.

Da mængden af biomasse og denne biomasses indhold ikke blev registreret, var det ikke muligt at udtale sig om, hvor den opsamlede mængde ammoniak kunne genfindes. Vurderet ud fra andre undersøgelser med biologisk luftrensning med biologisk nedbrydelige materialer [1], må der forventes følgende reaktioner i biomassen: Fugtig biomasse opfanger ammoniak, der fastholdes som ammonium. Under iltede forhold vil ammonium omdannes til nitrit og nitrat. Hvis disse kvælstofforbindelser kommer til iltfrie forhold, hvilket der erfaringsmæssigt er i denne type filter, vil nitrit og nitrat denitrificeres. Hvis denitrifikation løber helt til ende vil kvælstof tabes i form af frit kvælstof (N₂), men målinger fra lignende filtre har vist at en del tabes i form af mellemproduktet lattergas (N₂O), hvilket er uheldigt, da lattergas er blandt drivhusgasserne.

Vandforbrug og vandafledning

Det gennemsnitlige daglige vandforbrug til befugtning var 1,93 m³/dag i perioden 28. juli til 2. december.

Figur med registreret vandforbrug til befugtning gennem afprøvningsperioden er vist i appendiks.

Befugtningsanlægget var dimensioneret så ventilationsluften blev mættet med vand, men for at eventuel overskudsvand kunne afledes var der fra betonpladsen under biofilteret etableret en rist med vandafløb til gylletanken. Især i vinterperioder med nedbør var det tydeligt, at der var et væsentligt vandafløb. Derimod var der ingen vandafløb fra filteret i sommerperioder uden nedbør. Denne iagttagelse viste, at den tilførte vandmængde ved maksimal ventilationsydelse nogenlunde svarede til den vandmængde, som kunne fjernes ved opfugtning af luftafkastet.

Den samlede afledte vandmængde fra pladsen under filteret, ville derfor afhænge af nedbørsmængden og tilført vand fra befugtningsanlægget i relation til den vandmængde, som kunne fjernes ved det aktuelle ventilationsniveau.

Management

Erfaring ved afprøvning af dette første Oldenburg Biofilter i Danmark har vist, at befugtning af luften var afgørende for at filteret havde renseeffekt over for lugt målt ved olfaktometri. Lugtmålingerne har vist, at selv relativt korte perioder (under en time) uden befugtning har medført, at der ikke kunne måles en reduktion af lugten, når luften blev analyseret ved olfaktometri.

Med baggrund i at 95 pct. af målinger viste en lugtreduktionen i intervallet 29 til 69 pct. er der fortsat behov for at udvikle mere stabile og driftsikre løsninger til luftrensning over for lugt. Ligeledes bør fremtidig udvikling rettes mod filtermaterialer, som er lettere at håndtere og mod konstruktioner, som er billigere at etablere samt mindre pladskrævende.

Ved etablering af biofilteret blev halmlaget og flislaget udlagt uden samtidig vejledning fra Oldenburg Biofilter, Agrofilter GmbH. Efter et par måneders drift af biofilteret viste det sig, at halmen og især flisen ikke var udlagt ordentligt. Halmlaget var faldet sammen og blevet kompakt. I nogle områder var halmen nedbrudt, hvilket medførte uens luftgennemstrømning over filterfladen. Agrofilter GmbH udlagde derfor selv halm og flis. I den efterfølgende del af afprøvningsperioden frem til januar 2004 blev der ikke foretaget justeringer ved halm- og flislaget på biofilteret. Agrofilter har efterfølgende fremstillet en video med anvisninger på udlægning af filtermaterialet.

Ifølge Agrofilter GmbH skal filtermaterialet udskiftes en gang årligt. Da afprøvningsperioden kun forløb over et halvt år, og det var nødvendigt at reetablere noget af halmlaget efter mindre end tre måneder, har det ikke været muligt at undersøge filterets egenskaber ved længere tids drift. Firmaet anbefaler at udskifte filtermaterialet om foråret for at sikre bedst mulig renseeffekt i sommerperioden, da det er her der ofte klages over lugt.

Ved etablering af luftrensningsanlæg skal man generelt være opmærksom på muligheden for at etablere nødventilation. Det pågældende biofilter var etableret på siden af stalden og ventilationsafkastet var flyttet ned på siden af bygningen i samme højde som luftindtaget. Luftmodstanden gennem filteret medførte at der ikke kunne forventes nogen passage hvis ventilatorerne stoppede.

I forbindelse med luftrensning er det derfor vigtigt at der etableres alternative muligheder for ventilation hvis ventilationsanlægget bryder ned. Muligheden for etablering af nødventilation skal suppleres med et lovbefalet alarmanlæg.

Lugt- og ammoniakkoncentrationen i ventilationsafkastet fra en slagtesvinestald med fuldspaltegulv kunne reduceres ved at lede ventilationsluften gennem et biofilter dimensioneret og etableret efter vejledning fra Oldenburg Biofilter, Agrofilter GmbH. Afprøvningen har vist, at konstant befugtning og at omhyggeligt etableret filtermateriale var altafgørende for at opnå en stabil lugt- og ammoniakreduktion.

Der blev opnået en lugtreduktion på 49 pct. i gennemsnit over afprøvningens forløb med 95 pct. konfidensinterval [29 - 69]. Udelukkes perioder, hvor der var problemer med befugtningsanlægget, så var lugtreduktionen 60 pct. med 95 pct. konfidensinterval [37 - 83].

Trods omhyggelighed ved både etablering af biofilteret og efterfølgende hyppig opsyn af anlæggets drift så var der perioder, hvor der ikke var nogen reduktion af lugtkoncentrationen. Det kunne forklares ved at der var perioder uden befugtning.

Med baggrund i at 95 pct. af målinger viste en lugtreduktionen i intervallet 29 til 69 pct. er der fortsat behov for at udvikle mere stabile og driftsikre løsninger til luftrensning over for lugt.

Målinger af en række kemiske forbindelser før og efter luftrensning viste en højere rense effektivitet over for de mest vandopløselige lugtstoffer (carboxylsyrer og p-cresol) sammenlignet med de mindre vandopløselige svovlforbindelser.

Ammoniakkoncentrationen blev reduceret med 71 pct. med 95 pct. konfidensinterval [62,3 – 79,6]. For første hold grise og med 86 pct. med 95 pct. konfidensinterval [83,3 – 89,6] for 2. hold grise. Da der ikke forelå målinger af den opsamlede mængde kvælstof i henholdsvis biomassen og i den afledte væske fra filteret, så kunne det ikke udelukkes, at den opsamlede ammoniak blev omdannet til andre kvælstofforbindelser. Det kunne eksempelvis være frit kvælstof (N₂) og lattergas (N₂O) ved denitrifikation. Frigivelse af lattergas ville være uheldigt, da det er en drivhusgas.

Filteret var meget pladskrævende (50 - 60 pct af staldens areal). For at rensemetoden vil kunne vinde udbredelse i tilknytning til danske svinestalde kræves fortsat udvikling med henblik på at reducere dette areal. Afprøvningen viste, at der kræves god vejledning af landmanden første gang vedkommende udlægger filtermaterialet.

Udviklingen bør målrettes mod mere homogene materialer end halm og flis samt mindre pladskrævende løsninger med mindre behov for vedligehold og opsyn. Ligeledes bør fremtidig udvikling rettes mod filtermaterialer, som er lettere at håndtere og mod konstruktioner, som er billige at etablere.

    
Afprøvning: 834