Ammoniakreduktion og driftsomkostninger ved Bovema S-air ét-trins luftrenser i en smågrisestald

Det hollandske firma Bovema S-air B.V. har siden begyndelsen af 1990’erne fabrikeret luftrensere til svinestalde. Firmaets luftrenser Bovema S-air forhandles i Danmark af FarmTech A/S. Dansk Svineproduktion har tidligere afprøvet Bovema S-air to-trins luftrenser i både en slagtesvinestald gennem et helt år og i en smågrisestald om sommeren [1], [2]. Luftrenserne var konstrueret som to-trins anlæg i forventningen om, at det ene filtertrin ville reducere lugtkoncentrationen, og det andet filtertrin ville reducere luftens indhold af ammoniak. Afprøvningerne viste, at Bovema S-air to-trins luftrenser statistisk sikkert reducerede ammoniakkoncentrationen med henholdsvis 96,9 pct. i slagtesvinestalden over året og med 98,7 pct. i smågrisestalden om sommeren i den del af luften, som blev ledt igennem luftrenserne. Til gengæld blev der i ingen af afprøvningerne fundet en statistisk sikker effekt på at reducere lugtkoncentrationen i luften fra stalden. Afprøvningen i slagtesvinestalden dokumenterede endvidere, at der var perioder med ustabilitet i luftrenserens drift.

Den manglende lugtreduktion i de tidligere afprøvninger betød, at luftrenseren inden denne afprøvnings start blev ombygget til alene at udgøre en ammoniakrenser. Trin 1 i luftrenseren, hvor filtermaterialet blev befugtet med vand, blev taget ud af luftrenseren, således at luftrenseren kun bestod af ét filterelement med overrisling af en svovlsyreopløsning. Fremadrettet forhandler Farmtech a/s kun Bovema S-air som en et-trins luftrenser.

Formålet med nærværende afprøvning var primært at undersøge Bovema S-air luftrenserens evne til at reducere ammoniakkoncentrationen i afgangsluften fra en smågrisestald, samt at opgøre syre-, vand- og el-forbrug til luftrenseren gennem et helt år.

Afprøvningen blev gennemført i en smågrisestald med ni sektioner, som hver var indrettet med 12 stier á ca. 25 grise med opstaldning fra 7 til 30 kg, svarende til i alt 2.700 stipladser. Stalden var indrettet med en central servicegang midt i bygningen og fire sektioner i den ene side af bygningen, og fem sektioner i den anden side. Stierne var indrettet med 1/3 fast gulv, 1/3 drænet gulv og 1/3 støbejernsrist. Stalden var derudover indrettet med vådfodring, rum- og gulvvarme samt overdækket leje. Ventilationsanlægget var fra Fancom med diffust tilførsel af luft via mineraluld og troltektplader. Afgangsluften fra de ni sektioner blev samlet i en fælles ventilationskanal via spjældmoduler med integreret målevinge placeret i loftet i de enkelte sektioner.

Ventilationsanlægget havde en samlet maksimal kapacitet på 73.000 m³/time, og var opbygget til delrensning af 1/3 afgangsluften. Luften fra ventilationskanalen blev som udgangspunkt suget ud via to frekvensregulerede ventilatorer, hvortil Bovema S-air luftrenseren var tilsluttet. Disse to ventilatorer havde en samlet maksimal kapacitet på ca. 25.000 m³/time. I tilfælde af at behovet for ventilation i stalden oversteg 25.000 m³/time, var der som supplerende udsugning to frekvensregulerede ventilatorer monteret i kanalens top, som kunne indkobles. De to ventilatorer i kanalens top havde en samlet maksimal kapacitet på 48.000 m³/time og var ikke tilsluttet Bovema S-air luftrenseren. På de fire udsugningsventilatorer var der monteret Fancom målevinger, således at den aktuelle luftydelse gennem luftrenseren og den supplerende udsugning kunne registreres. Kanalanlæggets opbygning kan ses i appendiks figur 8A-11A.

Opbygning af Bovema S-air luftrenseren

Luftrenseren Bovema S-air var opbygget som en kemisk ét-trins renser, figur 1. Luftrenseren bestod af et filterelement af plast, hvor luften blev blæst igennem. Forsiden af filterelementet havde et areal på 3,84 m². Filterelementet blev overrislet med en svovlsyreopløsning, hvor der blev tilstræbt en pH-værdi på ca. 1,5. Under filterelementet var et kar, hvori den recirkulerende væske blev opbevaret. Lænsestrategien var, at der blev der lænset, når indholdet af ammoniumkvælstof oversteg et vist niveau. Den lænsede mængde væske blev opsamlet i en opsamlingstank, se appendiks figur 12A.

Figur 1. Skitse af Bovema S-air luftrenseren. Luften fra stalden passerede et filterelement, hvor der overrisledes med en svovlsyreopløsning (pH 1,5), inden luften blev ledt ud i det fri. Billede nr. 9870(Foto: FarmTech a/s)

Registreringer

Afprøvningen blev gennemført fra d. 13. oktober 2006 til og med d. 12. oktober 2007. Gennemsnitlig hver 14. dag blev der foretaget to målinger af ammoniak- og kuldioxidkoncentrationen i luften før og efter luftrenseren. Målingerne af ammoniakkoncentrationen blev foretaget med Kitagawa sporgasrør 105SD, mens kuldioxidkoncentrationen blev målt med Kitagawa sporgasrør 126SF. Luftydelsen i de enkelte staldafsnit og på hver af de fire ventilatorer blev kontinuerligt logget hver 10. minut via Fancom F-central. Antallet af dyr og dyrenes vægt i staldsektionerne blev registeret på hver måledag. Dyrenes vægt blev udover den visuelle vurdering også sammenholdt med indsættelsesvægten, daglig tilvækst og antallet af dage fra indsættelse.

Sekundært blev luftens temperatur og relative fugtighed målt før luftrenseren samtidig med måling af ammoniak- og kuldioxidkoncentrationen. Udeluftens temperatur og relative fugtighed blev målt før 1. måling på luftrenseren og efter 2. måling på luftrenseren på den enkelte måledag. Målinger af luftens temperatur og relative fugtighed blev foretaget med en TSI VelociCalc 8347. Luftrenserens tryktab blev målt med et manometer. Energiforbrug til henholdsvis drift af luftrenseren, de to ventilatorer der pressede luften gennem luftrenseren, og de to supplerende ventilatorer, blev registreret separat med elmålere. Vandforbrug til luftrenseren blev registreret med vandmåler. Syreforbruget blev registreret ved at aflæse niveauet i den palletank, der indeholdt den koncentrerede svovlsyre. På måledagene blev der foretaget måling af pH i karret under filterelementet, såvel som pH-værdien på styringsskabet til luftrenseren blev registreret. Der blev på én måledag opsamlet tre prøver af den lænsede væske i opsamlingstanken, som blev sendt til analyse for indholdet af ammoniumkvælstof, total N, fosfor, kalium, svovl og tørstof hos AnalyCen (Fredericia, Danmark).

Stalden var placeret øst-vest, således at den ene tagflade vendte mod nord mens den anden vendte mod syd. På grund af ventilationskanalens placering i loftsrummet var der ikke mulighed for luftbevægelser fra den ene side af loftsrummet til den anden bortset fra 1-2 meter i den ene ende af loftsrummet. For at undersøge om der var forskel på temperaturen i loftsrummet på hver side af kanalen, var der opsat temperaturfølere på hver side af kanalen, som ligeledes blev logget hvert 10. minut via Fancom F-central.

Ammoniakemissionen blev beregnet ud fra ammoniakkoncentration og ventilationsydelsen ved følgende formel:

Statistik

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

Resultater og diskussion

Der blev i afprøvningsperioden 13. oktober 2006 til 12. oktober 2007 produceret 16.280 smågrise i vægtintervallet fra 7,1 til 36,7 kg. Målinger af ammoniakkoncentrationer og sekundære registreringer kan ses i appendiks figur 1A-7A.

Ammoniak

Ved at lede luften fra smågrisestalden igennem Bovema S-air luftrenseren blev der registreret en statistisk sikker reduktion af ammoniakkoncentrationen og ammoniakemissionen, tabel 1. Bovema S-air luftrenseren var i stand til at reducere koncentrationen af ammoniak i afgangsluften fra stalden til et niveau tæt på nul i den del af luften, der blev ledt igennem luftrenseren. Ammoniakkoncentrationen i smågrisestalden var på alle tider af året, som forventet, lavere end i undersøgelsen af Bovema S-air i en slagtesvinestald, hvor den gennemsnitlige ammoniakkoncentration var 10,2 ppm[1].

Kun 1/3 af den maksimale ventilationskapacitet i stalden blev ledt igennem luftrenseren. Alligevel medførte det at ca. 60 pct. af den samlede luft fra smågrisestalden over året blev ledt igennem luftrenseren, som følge af at der er et mindre ventilationsbehov om vinteren i forhold til om sommeren. Det resulterede i at den gennemsnitlige ammoniakemission fra smågrisestalden over året var 0,42 g NH₃-N/dag/dyr (95 pct. konfidensinterval: 0,33 – 0,50), som følge af at en stor del af luften blev renset med Bovema S-air. Såfremt alt luften fra smågrisestalden blev ledt urenset ud ville ammoniakemissionen have været 0,99 g NH₃-N/dag/dyr (95 pct. konfidensinterval: 0,89 – 1,09).

Tabel 1. Ammoniakkoncentration og -emission før og efter luftrenseren samt den procentvise reduktion over luftrenseren. 95 pct. konfidensinterval er angivet i parentes

Syre-, vand- og elforbrug samt drift mv.

I tabel 2 er angivet syre- og vandforbruget til luftrensning samt elforbruget til luftrenseren og ventilation i afprøvningsperioden. I hele perioden blev der anvendt 1.070 liter svovlsyre svarende til 0,07 liter pr. produceret smågris til at frarense ammoniakken i den del af staldluften, som blev ledt gennem renseren. Under forudsætning af at 96 pct. svovlsyre har en massefylde på ca. 1,8 kg/l og et svovlsyremolekyle kan medføre binding af to ammoniakmolekyler kan det beregnes, at den forbrugte mængde svovl kunne binde ca. 60,3 g NH₃-N pr. time. Dette stemmer godt overens med den målte ammoniakemission på 58,9 g NH₃-N pr. time før luftrenseren. 

Generelt var ammoniakkoncentrationen i staldluften på et lavt niveau, jf. tabel 1. I afprøvningsperioden blev der lænset og dermed opsamlet væske fra luftrenseren, der indeholdt ammoniumkvælstof fra syrerensningen. Analyser af den opsamlede væske viste et gennemsnitlig indhold af ammoniumkvælstof på 48 g/kg, som stemmer fint overens med firmaets forventede indhold på 5 pct. ammoniumkvælstof, tabel 3. Ud fra den gennemsnitlige målte ammoniakemission på 58,9 g NH₃-N pr. time før luftrenseren og den målte renseeffektivitet på 99,7 pct. kan det beregnes, at der i løbet af året vil være opsamlet 514 kg ammoniumkvælstof. I forhold til det analyserede indhold af ammoniumkvælstof på 48 g/kg svarer den lænsede mængde væske til i alt 9.300 liter med en massefylde på 1,15 kg/liter. Den totale lænsede mængde væske fra luftrenseren blev ikke registreret i afprøvningen.

Vandforbruget til luftrenseren blev i afprøvningsperioden registeret til 389 m³ svarende til 24 liter pr. produceret smågris, tabel 3. Årsagen til den store forskel mellem vandforbruget og den lænsede mængde væske skyldtes den almindelige fordampning, som det medførte at lede luften gennem luftrenseren. I henhold til tabel 3, krævede ventilationen væsentlig mere el end selve luftrenseren. Elforbruget til ventilation igennem luftrenseren var endvidere mere end dobbelt så højt som elforbruget til den supplerende ventilation. Årsagen til dette skyldtes dels, at ventilatorerne skulle overvinde det tryktab, der var over luftrenseren, dels at den supplerende ventilation ikke blev anvendt hele året, figur 2. I vinterhalvåret var der ikke behov for nær den samme ventilationsluftmængde som om sommeren for at holde temperaturen i stalden.

Luftydelse gennem luftrenseren og ved den supplerende ventilation samt tryktabet over luftrenseren ved måling af ammoniakreduktionen på de enkelte måledage er illustreret i figur 2. Luftydelsen gennem luftrenseren var relativ konstant over året. På måledagene var den gennemsnitlige luftydelse gennem luftrenseren 25.900 m³/time (95 pct. konfidensinterval: 18.400 – 32.800) Den supplerende ventilation blev som nævnt kun anvendt, når ventilationskapaciteten i luftrenseren var for lille til at holde temperaturen i stalden på den ønskede værdi. Derfor blev den supplerende ventilation primært anvendt om sommeren. Fra januar 2007 blev det påbegyndt konsekvent at vaske filterelementet med en højtryksrenser én gang om måneden for at undgå at støv i staldluften tilstoppede filteret. Fra oktober til og med december 2006 lå tryktabet over luftrenseren også på et højere niveau sammenlignet perioden fra januar til og med oktober 2007, figur 2. Der blev registeret et tidsforbrug på mellem 10 og 20 minutter på at vaske filterelementet med en højtryksrenser.

Tabel 2. Forbrug af syre, vand og el samt lænset væske i afprøvningsperioden, 13. oktober 2006 til 12. oktober 2007

Tabel 3. Analyse af tre prøver af lænset væske fra luftrenseren Bovema S-air udtaget d. 5. marts 2007 fra palletank til opbevaring af lænset væske

pH aflæst på styreskabet til luftrenseren sammenholdt med pH-målinger direkte i karret med et eksternt pH-meter viste, at pH i karret varierede i forhold til pH-værdien angivet på styreskabet, tabel 1A i appendiks. pH-værdien i karret var i de første 3 måneder af afprøvningen gennemsnitlig 0,54 pH–værdi højere end pH-værdien aflæst på styringen. Modsat var pH-værdien i karret gennemsnitlig 0,49 pH-værdi lavere end pH-værdien aflæst på styringen i den resterende del af afprøvningen. Set over hele året var pH-værdien gennemsnitlig 0,28 pH-værdi lavere i karret end aflæst på styreskabet. Årsagen til forskellen mellem aflæst og målt pH-værdi kunne skyldes mangelfuld kalibrering af luftrenserens pH-meter. I februar og september 2007 blev luftrenserens pH-meter endvidere udskiftet på grund af at den var defekt. Syretilsætningen i luftrenseren reguleres ud fra den registrerede pH-værdi i karret. I forhold til syreforbruget og dermed driftsomkostningerne er det af afgørende betydning af pH-meteret i luftrenseren er kalibreret og at kalibreringen jævnlig kontrolleres med et eksternt pH-meter.

Det blev observeret, at driften af ventilationsanlægget ikke i alle tilfælde var optimalt for grisene, idet der var pendling af luftmængde og temperaturforhold i de enkelte sektioner. Pendlingen skyldtes dels reguleringsform af ventilationsanlægget og indkoblingen af den supplerende udsugning i ventilationskanalen. Fremadrettet kan det generelt ikke anbefales at placere den supplerende udsugning i ventilationskanalen. Den supplerende udsugning bør derimod placeres i de enkelte staldafsnit med direkte udsugning til det fri.

Driftsomkostninger

Under forudsætning af at el afregnes med 0,75 kr./kWh, syre med 5,80 kr./liter og vand med 3,50 kr./m³ udgør driftsomkostninger 3,00 kr. pr. produceret smågris. Gennemsnitlig skal der i en smågrisestald uden luftrensning anvendes 2 kWh pr. produceret smågris til at ventilere stalden. Fratrækkes det gennemsnitlige elforbrug til ventilation i en smågrisestald uden luftrensning, fås selve elforbruget og dermed omkostningen til luftrensning, som aktuelt udgjorde 1,3 kWh pr. produceret smågris. I afprøvningen udgjorde driftsomkostningerne til syre, vand og el ved luftrensningen dermed 1,50 kr. pr. produceret smågris. Dertil skal lægges investeringsomkostninger til etablering af luftrenseren og omkostninger til jævnlige vask af filterelementet samt service og vedligeholdelse.

Figur 2. Luftydelsen gennem luftrenseren og den supplerende ventilation samt tryktabet over luftrenseren ved måling af ammoniakreduktionen på de enkelte måledage. (Billede nr. 1321)

Temperaturer på loftsrummet

I tabel 4 og figur 3 er vist den gennemsnitlige temperatur på henholdsvis den nordvendte side af loftsrummet og den sydvendte side af loftsrummet over døgnet i perioden d. 15. juni 2007 til og med d. 15. september 2007. Som tidligere nævnt var der på grund af ventilationskanalens placering i loftsrummet ikke mulighed for luftbevægelser fra den ene side af loftsrummet til den anden bortset fra 1-2 meter i den ene ende af loftsrummet.

I sommerperioden var der gennemsnitlig 0,40 grader højere temperatur på den sydvendte side af loftsrummet i forhold til den nordvendte side mellem kl. 06.00 og kl. 12.00, som formentlig skyldes den højere solindstråling på denne del af tagfladen i dette tidsrum. Om eftermiddagen mellem kl. 12.00 og kl. 18.00 var der gennemsnitlig 0,32 grader højere temperatur på den sydvendte side i forhold til nordsiden, som ligeledes var det tidspunkt på døgnet hvor der var varmest.

Omvendt var der gennemsnitlig 0,14 grader højere temperatur på den nordvendte side om aftenen fra kl. 18.00 til 24.00 i forhold til sydsiden. Årsagen til dette kunne skyldes at stalden ikke var placeret helt øst-vest, og dermed var den største solindstråling på den nordvendte side om aftenen, jf. figur 13A.

Om natten mellem kl. 24.00 og 06.00 var der ikke forskel på temperaturen mellem de to sider af loftsrummet. Antallet af grise i hver sektion blev kun registreret hver 14. dag. Derfor var det ikke muligt at undersøge betydningen af temperaturen på loftsrummet i forhold til ventilationsydelsen i den enkelte sektion. For at sikre en ensartet luftfordeling i staldrummet er det vigtigt, at kanalen er hævet over loftet, således at der også kan komme luft ned i stalden, der hvor kanalen er placeret på loftet.

Tabel 4. For perioden 15. juni 2007 til og med 15. september 2007 er angivet gennemsnitstemperaturer på henholdsvis nordside og sydside af loftsrummet i smågrisestalden om formiddagen, eftermiddagen, aften og nat samt differencen mellem de to tagflader. 95 pct. konfidensinterval er angivet i parentes

Ammoniakkoncentrationen blev over året reduceret med 99,7 pct. i den del af luften fra en smågrisestald, der blev ledt igennem luftrenseren Bovema S-air. Ca. 60 pct. af den samlede luftmængde over året blev renset med Bovema S-air, således at smågrisestaldens gennemsnitlige ammoniakemission var 0,42 g NH₃-N/dag/dyr. Såfremt alt luften fra smågrisestalden blev ledt urenset ud ville ammoniakemissionen have været 0,99 g NH₃-N/dag/dyr.

I afprøvningsperioden blev det påbegyndt konsekvent at vaske filterelementet med en højtryksrenser én gang om måneden for at undgå at støv i staldluften tilstoppede filteret. pH aflæst på styreskabet til luftrenseren sammenholdt med pH-målinger direkte i karret med et eksternt pH-meter viste, at pH i karret varierede i forhold til pH-værdien angivet på styreskabet. To gange i afprøvningsforløbet blev luftrenserens pH-meter endvidere udskiftet på grund af at den var defekt. Syretilsætningen i luftrenseren reguleres ud fra den registrerede pH-værdi i karret. I forhold til syreforbruget og dermed driftsomkostningerne er det af afgørende betydning af pH-meteret i luftrenseren er kalibreret og at kalibreringen jævnlig kontrolleres med et eksternt pH-meter.

Driftsomkostningerne, som vedrører forbrug af syre, vand og el for at frarense ammoniakken udgjorde samlet 1,50 kr. pr. produceret smågris. Dertil skal lægges investeringsomkostninger til etablering af luftrenseren og omkostninger til jævnlige vask af filterelementet samt service og vedligeholdelse.

Deltagere
Statistikkonsulent Mai Britt Friis-Nielsen, Dansk Svineproduktion
Tekniker Ann Edal, Dansk Svineproduktion
Tekniker Michelle Christiansen, Dansk Svineproduktion
Tekniker Peter Nøddebo Hansen, Dansk Svineproduktion

Afprøvning: 860

Tabel 1A. pH i karret under filterelementet henholdsvis aflæst på styreskabet og målt med pH-meter gennem afprøvningsperioden

Figur 1A. Ammoniakkoncentrationen før og efter luftrenseren ved de enkelte måletidspunkter. (Billede nr. 1323)

Figur 2A. Kuldioxidkoncentrationen før og efter luftrenseren ved de enkelte måletidspunkter. (Billede nr. 1324)

Figur 4A. Temperatur og relativ luftfugtighed i staldluften umiddelbart før luftrenseren ved måledagene. (Billede nr. 1326) 

Figur 5A. Akkumuleret el-forbrug til henholdsvis luftrenser, ventilation til luftrenser og supplerende ventilation i afprøvningsperioden 12. oktober 2006 til 13. oktober 2007. (Billede nr. 1327)

Figur 7A. Akkumuleret vandforbrug til luftrenser i afprøvningsperioden 12. oktober 2006 til 13. oktober 2007. (Billede nr. 1329)

Figur 8A. Smågrisestalden med 2.700 stipladser, hvor Bovema S-air luftrenseren var opsat. I gavlen på stalden ses afkastet på luftrenseren, hvor luften kom ud efter have været igennem luftrenseren. Ligeledes ses de to afkast til supplerende ventilation på staldens kip. (Foto: Thomas Ladegaard Jensen, billede nr. 9848)

Figur 9A. Afkastet på Bovema S-air luftrenseren i smågrisestalden. (Foto: Anders Leegaard Riis, billede nr. 9847)

Figur 10A. Afgangsluften fra de 9 sektioner med smågrise ledes via denne fælles ventilationskanal til Bovema S-air luftrenseren, som er placeret i modsat ende af kanalen. (Foto: Thomas Ladegaard Jensen, billede nr. 9853)

Figur 11A. I loftet i ventilationskanalen sidder to ventilatorer til supplerende udsugning. På bagvæggen sidder to ventilatorer, som blæser luften igennem Bovema S-air luftrenseren. (Foto: Anders Leegaard Riis, billede nr. 9852)

Figur 12A. To tanke til henholdsvis opbevaring af svovlsyre til tilsætning i Bovema S-air luftrenseren (til venstre) og tanken til opbevaring af den lænsede væske indeholdende ammoniumkvælstof fra syrerensningen (til højre). (Foto: Michelle Christiansen, billede nr. 9851)

Figur 13A. Smågrisestaldens placering. Den ene tagflade vender mod nord, mens den anden vender mod syd. (billede nr. 1330)