BIOLOGISCHE TECHNIEKEN VOOR DE BEHANDELING VAN METHAAN HOUDENDE LUCHT UIT STALLEN EN
3. TE BEHANDELEN LUCHT 1 Fysische gegevens methaan
In onderstaande tabel zijn enkele relevante gegevens van methaan weergegeven.
Tabel 4 Fysische gegevens methaan
Parameter Waarde Eenheid
Brutoformule CH4 -
Molekuulmassa 16 g/mol
Oplosbaarheid in water* 25 mg/l
Verdelingscoëfficiënt* (cg/cl) 26,7 -
Explosiegrenzen 4,4-16 vol% in lucht
* bij 20°C
3.2. Samenstelling van de te behandelen lucht Stallucht van varkens / koeien
In onderstaande tabel zijn de resultaten weergegeven van analyses die in diverse studies zijn uitgevoerd naar de samenstelling van de stallucht voor varkens en koeien. De resultaten zijn afkomstig van een inventarisatiestudie die door IMAG is uitgevoerd.
Tabel 5. Overzicht analyses en berekende emissie stallucht
Component Eenheid Waarde1,2,3,4,5 Emissie Emissie
Varkens Melkkoeien g/dag/vlva g/dag/dpl5 CH4 ppm 10-160 5,5-88 30-300 NH3 ppm 5-100; Nl 2-20 3-58; Nl 1-12 15-46 H2S ppm 0-100 0-117 CO2 ppm 400-4.000 600-6.000 N2O ppm 0,3-3 0.5-5 N2 vol% 78 O2 vol% 20 Geur GE 1.600-4.400 Temperatuur °C 15-25 RV % 50-80 Debiet m3/h/vlv 20-80 (vleesvarken) gem. 35 m3/h/dpl 10-30 (kraamzeug) m3/h/dpl 750 (melkkoeien)
a berekend op basis van een debiet van 35 m3/vleesvarken/uur
1 uit Anderson, 1987; 2 uit Schulte, 1997; 3 uit Guingand, 1997; uit Meyer, 1986; 5 uit Groot Koerkamp, 1997
vlv: vleesvarken dpl: dierplaats
Varkensstallen zijn gesloten ruimten die beschikken over een mechanisch ventilatiesysteem. Dit heeft als gevolg dat de afgezogen lucht eenvoudig door een installatie voor
luchtbehandeling kan worden geleid. Rundveestallen zijn daarentegen open stallen die
beschikken over een natuurlijk ventilatiesysteem: de buitenlucht kan er vrij doorheen stromen. Behandeling van de lucht van rundveestallen is dus alleen mogelijk wanneer het gehele ventilatiesysteem van de stal wordt aangepast (mechanische afzuiging vergelijkbaar met varkenstallen). In deze studie wordt daarom verder alleen de behandeling van de lucht uit varkenstallen behandeld, waarbij uitgegaan wordt van een gemiddelde varkenstal met 2.000 plaatsen.
Overdekte mestopslag
De mest uit stallen van een boerderij wordt verzameld in een mestopslag, waar de mest maximaal 100 dagen wordt opgeslagen. De grootte van een mestopslag varieert van 500 tot 1.500 m3. Als uitgangspunt wordt een gemiddelde mestopslag van 1.000 m3 gekozen.
Tabel 6. Overzicht analyses van de headspace van mestopslagen Component Eenheid Waarde1, 2
CH4 ppm 200-33.000 NH3 ppm 1-71 H2S ppm 0-4.100 CO2 ppm 100-150.000 N2 vol% 60-81 O2 vol% 15-22 Temperatuur °C 10-16°C RV % 100
1 uit Uenk; 2 uit Williams, 1997
In verschillende bronnen in de literatuur is de methaanuitstoot van mest bepaald (zie onderstaande tabel).
Tabel 7. Overzicht bekende waarden voor de methaanemissie van mestopslagen Emissie varkensmest Emissie rundveemest Opmerking Referentie
g CH4/m3/dag g CH4/m3/dag 6 18 4°C Williams, 1997 4 36 11°C Williams, 1997 46 61 18°C Williams, 1997 6 2,4 4°C Hansen 16 6 10°C Hansen 40 12 15°C Hansen 0,4 – 35,8 0,0 – 34,5 Husted, 1994
Uitgegaan wordt van een mestopslag van 1.000 m3, een temperatuur van 15°C en een
methaanproductie van 40 g CH4/m3/dag. Dit betekent een methaanuitstoot van 40 kg CH4/dag
hetgeen overeenkomt met een methaanvolume van 60 Nm3/dag. Om ongecontroleerde
verspreiding van het afgas naar de buitenlucht te voorkomen dient de headspace boven de mest waarschijnlijk meerdere malen per uur te worden ververst (afgezogen). Daarnaast dient de methaanconcentratie in het te behandelen afgas beneden de explosiegrens zijn (4,4 vol%). De maximaal gemeten methaanconcentratie in de mestopslag bedraagt 3,3 vol% en is reeds beneden de explosiegrens (tabel 6).
Een relatief kleine afgasstroom met een hoge concentratie is gunstig voor de benodigde grootte van het systeem voor afgasbehandeling Voorlopig wordt uitgegaan van een te behandelen afgas met een methaanconcentratie van 3,3 vol% (33.000 ppm). De uitstoot aan methaan van de 1.000 m3 mestopslag bedraagt 60 Nm3/dag (100% methaan). Voor een
methaanconcentratie van 3,3 vol% dient deze stroom dus 30 maal te worden verdund. Het te behandelen debiet bedraagt dus 1.800 Nm3/dag. Op basis van de in tabel 6 beschreven
samenstelling van het afgas wordt uitgegaan van een ammoniakconcentratie van 71 ppm en een HsS-concentratie van 4.000 ppm.
Er is een grote spreiding in de analyseresultaten van de afgassen en in de vastgestelde emissie van de mest. Deze spreiding heeft een grote invloed op de dimensionering van een biologische luchtzuiveringsinstallatie.
3.3. Randvoorwaarden te behandelen luchtstroom
Voor de behandeling van de methaanhoudende afgassen zijn de volgende aspecten van belang:
Concentratie methaan
Een hogere concentratie methaan zal in het algemeen tot een hogere afbraaksnelheid (in g CH4/m3 reactorvolume/h) leiden. Voor de afweging van verschillende biologische systemen
wordt in eerste instantie uitgegaan van een methaanconcentratie van 33.000 ppm (3,3 vol.%) hetgeen een representatieve concentratie is voor het afgas van een mestopslag. Deze
concentratie bevindt zich bovendien ruim onder de explosiegrenzen van methaan (4,4 vol%).
Concentratie H2S
Het afgas bevat waterstofdisulfide (H2S) dat verzurend werkt in een biologisch filter. H2S
Indien de pH daalt beneden pH 6, zal de biologische activiteit in het algemeen worden geremd. De invloed van de pH op de activiteit van methanotrofen wordt vastgesteld in het
labonderzoek.
Voor de afweging van de biologische technieken wordt in eerste instantie uitgegaan van een H2S-concentratie van 4.000 ppm, de maximaal gemeten concentratie in het afgas van
mestopslagen. Dit is een worst case benadering.
Concentratie ammoniak (NH3)
Ammoniak wordt in een aëroob biologisch genitrificeerd tot nitraat. Indien een biologisch systeem wordt overbelast met ammoniak kan remming door de biologische activeit optreden door ophoping van het toxische intermediair nitriet (NO2-). Tevens kan remming optreden door
hoge concentraties ammonium (NH4+) of vrij ammoniak. Afhankelijk van de pH zal het
ammoniak in de waterfase aanwezig zijn als ammonium of vrij ammoniak. Daarnaast zal nitrificatie kunnen leiden tot verzuring van het systeem.
Samenstelling van het afgas
Op basis van de hierboven beschreven afwegingen wordt voor de afweging van de verschillende technieken voor afgasbehandeling uitgegaan van de in onderstaande tabellen beschreven afgassen voor stallen en mestopslagen.
Tabel 8. Uitgangspunt samenstelling afgas van een varkensstal (2.000 dierplaatsen) Component concentratie [ppm] concentratie [mg/m3] vracht [kg/uur] Debiet 70.000 Nm3/uur CH4 160 107 7,49 NH3 20 31 2,17 H2S 100 71 4,97
Tabel 9. Uitgangspunt samenstelling afgas van een mestopslag (volume 1.000 m3)
Component concentratie [ppm] concentratie [mg/m3] vracht [kg/uur] CH4 33.000 22.100 1,65 NH3 70 110 0,0075 H2S 4.000 2.800 0,21 Debiet 1.800 m3/dag 75 m3/uur
4. BESCHIKBARE BEHANDELINGSTECHNIEKEN