Project

Optimalisatie van luchtwassers voor de reductie van ammoniak, geur(H2S) en broeikasgassen (N2O en CH4) uit stalsystemen

Looptijd
01-01-2014 → 31-12-2017
Financiering
Gewestelijke en gemeenschapsmiddelen: IWT/VLAIO
Onderzoeksdisciplines
  • Engineering and technology
    • Other mechanical and manufacturing engineering
Trefwoorden
luchtwassers geuroverlast ammoniak
 
Projectomschrijving

De veeteeltsector in Vlaanderen heeft de laatste decennia een schaalvergroting ondergaan, wat met zich meebrengt dat de impact van de individuele bedrijven op hun omgeving potentieel groter wordt. Een van de belangrijkste emissies uit de veehouderij is ammoniak, verantwoordelijk voor verzuring en eutrofiëring, die beide leiden tot verlies aan biodiversiteit. In 2010 kon 94% van de antropogene ammoniakemissies in Europa toegeschreven worden aan de landbouw (UNECE/LRTAP, 2012), waardoor deze sector een grote uitdaging had. De wetgeving antwoordde hierop met onder andere de BREF en AEA-richtlijnen, die verplichten om grote varkens- en pluimveestallen ammoniak-emissiearm (AEA) te bouwen. Naast ammoniak bevat de uitlaatlucht van deze gebouwen ook verschillende geurcomponenten en stofdeeltjes, wat leidt tot mogelijke geuroverlast in nabijgelegen woongebieden en volksgezondheidsrisico's. De uitgaande gassen van stallen bevatten ook lachgas (distikstofmonoxide) en methaan, sterke broeikasgassen die bijdragen tot klimaatverandering. Terwijl luchtwassers in de eerste plaats werden ingevoerd om de ammoniakemissies te verminderen, werden ze spoedig ook beschouwd als een waardevolle techniek om andere verontreinigende stoffen zoals geur en stof te verminderen. Bij het optimaliseren van luchtwassers om aan al deze nieuwe eisen te voldoen, wordt daarom aanbevolen om op de groeiende aandacht voor broeikasgassen te anticiperen en hun mogelijke verwijdering en/of productie in deze systemen te onderzoeken.

Hoofdstuk 1 geeft achtergrondinformatie over de huidige stand van zaken van luchtwassers en biofilters als een mitigatietechniek bij dierlijke huisvestingssystemen. De eigenschappen van de inkomende uitlaatlucht van de stallen voor varkens en pluimvee werden samengevat, om een overzicht te krijgen van de te behandelen lucht. Bij het vergelijken van de minimale wettelijk vereiste verwijderingsefficiënties (vooral voor ammoniak) met de prestaties van volleschaal luchtwassers, werd het duidelijk dat niet alle geïnstalleerde luchtwassers aan deze eisen voldoen. Het procesontwerp en de controleopties voor luchtwassers werden vervolgens gedetailleerd beoordeeld xxix Air scrubbers and biofilters: state-of-the-art om meer kennis te verwerven over de onderliggende oorzaken en mogelijke optimalisatiestrategieën. Na de literatuurstudie werden de doelstellingen van dit doctoraal onderzoekswerk geformuleerd (Hoofdstuk 2). Dit werk richt zich op het ontwerp en de sturing van chemische, biologische en meertraps (combi) luchtwassers voor het verwijderen van ammoniak (NH3) uit varkensstallen. Naast ammoniak werd aandacht besteed aan de uitstoot van de sterke broeikasgassen lachgas (N2O) en methaan (CH4) en aan emissies van waterstofsulfide (H2S) als modelgeurcomponent. De optimalisatie van luchtwassers werd onderzocht aan de hand van modellering en simulatie in combinatie met experimentele metingen op volleschaalinstallaties. Hoewel de prestaties van luchtwassers sterk kunnen variëren in de loop van de tijd (Hoofdstuk 1), worden ze meestal geëvalueerd op basis van puntmetingen. Daarom werden in dit werk zowel dagschommelingen als ruimtelijke variaties onderzocht tijdens intensieve meetcampagnes bij een chemische, een biologische en een tweetraps biologische luchtwasser, geïnstalleerd in varkensstallen in Vlaanderen (Hoofdstuk 3). Ammoniak, lachgas en methaan werden aan de inlaat en uitlaat van de luchtwassers gedurende een week online gemeten met een foto-akoestische gasmonitor. Slechts één van de drie luchtwassers haalde de verreiste ammoniakverwijderingsefficiëntie van 70%. Lachgas werd geproduceerd in de biologische luchtwassers en methaan kon in geen enkele luchtwasser worden verwijderd door zijn lage wateroplosbaarheid. Modellering en simulatie zijn handige hulpmiddelen om de invloed van ontwerpparameters en stuurvariabelen op procesprestaties op een effectieve en kostenefficiënte manier te onderzoeken.

In Hoofdstuk 4 werd een mechanistisch model voor een tegenstroom chemische luchtwasser gepresenteerd. Massabalansen voor water, ammoniak, waterstofsulfide, lachgas en methaan werden geïmplementeerd. Bovendien werden warmtebalansen geïntroduceerd om het waterverbruik in te schatten en het effect van de temperatuur te beoordelen. Luchtwassers worden blootgesteld aan sterk veranderende inlaatomstandigheden in termen van ventilatiedebiet, luchttemperatuur en belasting van polluenten. Het model liet toe de afzonderlijke invloed van elk van deze variabelen, die in de praktijk met elkaar verbonden zijn, te bestuderen. Het ventilatiedebiet bleek de grootste invloed te hebben op de ammoniakverwijderingsefficiëntie in chemische luchtwassers. Een mechanistisch model van een biologische luchtwasser werd opgesteld en toegepast om de rol van de biologische conversies op de verwijderingsefficiëntie in detail te onderzoeken (Hoofdstuk 5). Het effect van nitrificatie op de drijvende kracht voor ammoniakmassaoverdracht werd onderzocht. Daarbij werd aangetoond dat het grootste effect hoofdzakelijk ligt in de bijbehorende pH-afname, in plaats van in de ammoniakomzetting als zodanig. Zonder pH-regeling wordt slechts ongeveer 50% van de geabsorbeerde ammoniak geoxideerd naar nitriet en nitraat, door de balans tussen de pH-verhoging bij ammoniakabsorptie en de productie van protonen tijdens nitrificatie. Volledige omzetting van ammoniak was mogelijk als de pH werd geregeld op ongeveer 7, waarbij de drijvende kracht voor massaoverdracht werd behouden.

Hoofdstuk 6 rapporteert de resultaten van de online monitoringcampagne op lange termijn (één jaar) op twee biologische luchtwassers. Naast de continue monitoring van de concentraties aan ammoniak en lachgas in de gasfase, werden de belangrijkste waswatervariabelen elke week geanalyseerd: pH, elektrische geleidbaarheid (EC) als maat voor het totale stikstofgehalte, evenals totale ammoniakale stikstof (TAN), nitriet en nitraat. Hierdoor konden de prestaties van de luchtwassers gekoppeld worden aan de waswatervariabelen, waardoor proceskennis werd opgedaan, zowel tijdens de opstartperiode als tijdens de volledige werking. Daarnaast werd de invloed van inoculatie met actief slib onderzocht als mogelijke gemakkelijke en goedkope methode om de prestaties van biologische luchtwassers te verhogen. De geïnoculeerde luchtwasser vertoonde onmiddellijk nitrificatieactiviteit, waardoor de pH daalde en daarmee de drijvende kracht verhoogde. Bovendien werd minder nitriet-accumulatie waargenomen. Tijdens de opstart van deze twee biologische luchtwassers werd eveneens de microbiële gemeenschapsstructuur onderzocht door metabarcoding toe te passen (Hoofdstuk 7). Analyse van verschillende stalen van inoculum, biofilm Air scrubbers and biofilters: state-of-the-art en waswater over vijf maanden liet zien dat in biologische luchtwassers de microbiologie zich ontwikkelt tot een vrij vergelijkbare gemeenschap in vergelijking met het actief slib. Kleine verschillen, meestal in hoeveelheid, werden waargenomen tussen beide luchtwassers en tussen de verschillende trappen van de luchtwassers. Nitrietoxiderende bacteriën werden alleen gedetecteerd in de geïnoculeerde luchtwasser. Dit komt overeen met de lagere nitrietaccumulatie die in deze luchtwasser werd gevonden, zoals in Hoofdstuk 6 werd aangetoond.

Ten slot biedt Hoofdstuk 8 conclusies over het ontwerp en de werking van chemische, biologische en meertrapsluchtwassers, inclusief een aantal overwegingen en suggesties voor toekomstig onderzoek.