Ammoniakavgång från flytgödsellager : orötad och rötadnötflygödsel, med och utan surgörning

The study concerns acidification at the beginning of storage to reduce ammonia emissions during storage. The aim of the study was to evaluate the reduction of ammonia emissions by the acidification of cattle slurry, digested and non-digested, in storage under summer conditions. Cattle slurry (CS) and digested cattle slurry (DCS) were taken from a dairy farm with a digester plant. The sulphuric acid required for acidification to pH 5.5 was determined by titration before the pilot-scale experiment began. In the pilot-scale experiment, each slurry type was divided into two containers. One batch was acidified to pH<5.5 by adding sulphuric acid (96%) slowly with gentle mixing. The other batch was not acidified. During acidification, the pH was measured frequently and the total amounts of acid added were noted. Temperatures were measured during the four-month storage period with loggers at 0.1 m from the bottom and 0.1 m from the surface of each container. Data were continuously recorded hourly. Ammonia emissions were measured using a micrometeorological mass balance method with passive flux samplers. There were five measuring periods during the warm storage period from May to August. The length of the measuring periods ranged from 3 to 14 days, with the shortest period at the start of storage. On a pilot scale, the acid consumption for reaching pH< 5.5 was 1.1 L/m3 for CS and 6.2 L/m3 for DCS. The change in pH after acidification was rather limited and the pH stayed <6 throughout the four-month storage period for both CS and DCS. On a laboratory scale, more acid was needed to reach pH 5.5, and the pH increased more, with less buffering, than on a pilot scale. The reasons for this could be higher temperatures, frequent mixing, small volumes, and the use of diluted acid on a laboratory scale compared with on a pilot scale. On a laboratory scale, it was possible to show differences in acid demand between slurry types, but the amounts of acid needed seem to be different (higher) compared with pilot scale. The estimated cumulative NH3-N emissions corresponded to about 19% of total-N for CS and about 26% of total-N for DCS. The estimated cumulative NH3-N emissions were about the same as a percentage of TAN for CS and for DCS (57.8 and 53.9% respectively). Emissions from the acidified batches of slurry were overall negligibly low. The addition of acid decreased ammonia emissions very effectively, for both CS and DCS.Denna studie handlar om hur surgörning av flytgödsel vid start av lagringen kan minska ammoniakavgången under lagringsperioden maj till augusti. Målet var att bestämma minskningen av ammoniakavgången genom att surgöra nötflytgödsel, både orötad och rötad och se effekten jämfört med gödsel utan syratillsats. Flytgödsel (CS) och rötad nötflytgödsel (DCS) hämtades från en mjölkkogård med en biogasanläggning. För att få ett riktvärde för den syramängd som skulle åtgå för att sänka pH hos respektive gödseltyp till 5,5, utfördes titreringar i laboratorium innan uppstart av lagringsförsöket i pilotskala. Lagrings­anläggningen bestod av fyra behållare á 3 m3. Vid fyllningen av lagren, delades varje gödselslag upp mellan två behållare, varav det i en av behållarna tillsattes svavelsyra (96 %-ig) samtidigt som gödseln rördes om försiktigt med en eldriven propeller. Den andra behållaren rördes om också men utan tillsats av syra. Under syratillsättningen mättes pH vid upprepade tillfällen och totala mängden syra noterades. Gödseln lagrades under fyra månader från maj till augusti samtidigt som gödseltemperaturen registerades på två nivåer i varje behållare, vid gödsel­ytan och nära botten, och temperaturvärdena registrerades varje timme. Under lagringen mättes ammoniakavgången med en mikrometeorologisk massbalansmetod med passiva fluxprovtagare. Fluxprovtagarna var monterade på master runt varje behållare under exponeringen. Totalt var det fem mät­perioder, som varade 3 till 14 dagar, med den kortaste perioden direkt efter fyllningen i maj. För att sänka pH till 5,5 åtgick 1,1 liter per m3 för CS och 6,2 liter  per m3 för DCS. Under lagringen steg pH hos de surgjorda gödselslagen obetydligt och låg i slutet av lagringen på pH mindre än 6 hos båda gödselslagen. Vid titreringen i laboratorium före start av lagringsförsöket behövdes det betydligt mer syra för att nå pH 5,5 än i pilotskalan. Orsaker till det kan vara att i laboratoriet var temperaturen högre, gödselvolymerna små, gödseln blandades om ofta, samt att vid titreringen användes utspädd syra. Men även i laboratorieskalan var det stora skillnader mellan CS och DCS i syraförbrukning, så titrering kan användas som en grov uppskattning och för att se skillnader mellan olika gödselslags syrabehov. Däremot kan det vara svårt att förutse behovet av mer exakta syramängder i större skala. Totalt uppskattades den kumulativa ammoniakavgången i kvävemängd uppgå till ca 19 % av totala kväveinnehållet hos nötflytgödsel (CS) och 26 % av kväve­innehållet i den rötade gödseln (DCS) när ingen syra hade tillsatts.  Motsvarande siffror i procent av innehållet av det lättlösliga ammoniumkvävet var 57,8 % för CS och 53,9 % för DCS. Ammoniakavgången från den surgjorda CS och DCS gödseln var mycket liten och i stort negligerbar. Det betyder att tillsats av syra minskade ammonia-kavgången mycket effektivt, både för CS och DCS

Surgörning av flytgödsel : Strukturanalyser av betong efter exponering i surgjord och icke surgjord flytgödsel

Samples of three different concrete qualities were prepared and hardened, before exposure in cattle slurry without sulphuric acid (A) and with sulphuric acid added until pH<5.5 (B). The samples were exposed for two years in containers with about 45 L slurry. The boxes with slurry and concrete samples were placed in a ventilated room at 20 °C. The slurry and air temperatures were recorded continuously with temperature loggers, data being recorded every third hour. The slurry level in the boxes and the slurry pH were checked regularly during the experiment. Slurry or acid was added, if necessary, to maintain the level and pH<5.5. Before pH measurements, the slurry was stirred gently in both boxes. To restrict evaporation, the containers had non-airtight plastic covers between measurements. Half-way through exposure, the old slurry was replaced with fresh slurry (acidified and non-acidified treatments) to mimic conditions in farm storage where fresh slurry is added continuously during storage. After two years’ storage, the experiment was finalised. The concrete samples were taken out of the slurry, washed gently with water and put into labelled plastic bags. The samples were delivered to RISE CBI’s concrete laboratory, where the structural analyses were performed. These used petrographic microscopy techniques to examine the effects of exposure to two potentially aggressive environments, non-acidified and acidified cattle slurry, on concrete with three different mixes. The studied surfaces in the concrete samples were oriented vertically in the plastic containers. Polished sections were evaluated with a stereo microscope, and thin sections were evaluated using a polarising microscope and sources for visible and UV light. The results of the study show that the acidified slurry is more chemically aggressive to the cement paste in all the concrete mixes analysed. This can be explained by the solution’s lower pH. The extent of the chemical attack correlates with the initial quality of the concrete mix (water-powder ratio and type of binder). The deepest chemical attacks were observed in samples A1 and B1 consisting of “regular” concrete mix with w/c 0.59. The “long lasting quality” (LLC) concrete with a binder specially developed for low-pH environments shows markedly better resistance to chemical attack. The effects of the chemical attack on concrete after two years’ exposure can be classified as weak, consisting mainly of an increase in the capillary porosity of the cement paste in the outer layer of the concrete. The increase in porosity is considered to be due to the partial leaching of calcium hydroxide.Surgörning av flytgödsel används som en metod för att minska ammoniak­avgången från stallgödsel vid hanteringen. För att minimera emissionerna under lagringen, eftersträvas ett pH-värde av 5,5 hos gödseln. Svavelsyra är den vanligaste syran eftersom svavelsyran är stark och prisvärd. En pH-sänkning hos gödseln kan dock innebära frätskador på betongen i lager, som kan betyda kortare livslängd om inte betongkvaliteten anpassas till gödselns pH. Syftet med denna studie var att se hur surgjord gödsel (B) påverkar betongytan hos olika betongkvaliteter jämfört med icke-surgjord nötflytgödsel (A). I studien ingick betongprover av tre olika kvaliteter, som motsvarade kvaliteten hos 1) bottenplattan hos flytgödsellager, 2) prefabricerade väggelement till flytgödsellager samt 3) en betongkvalité kallad ”Long Lasting Concrete”, som utvecklats av Abetong AB för lagring av material med lågt pH, t.ex. ensilage. Betongprover (0,1 m x 0,1 m x 0,1 m) tillverkades av Abetong AB och exponerades under två år i nötflytgödsel utan syra (A) respektive surgjord nötflytgödsel (B). Behållarna med respektive gödseltyp placerades i rum med konstant temperatur ca 20°C. Under lagringen mättes regelbundet pH och vid behov tillsattes mer gödsel samt syra för att hålla pH-värdet under 5,5. Halvvägs genom studien byttes gödseln ut mot färsk gödsel för att efterlikna verkliga lager och efter två år avslutades studien. Betongproverna togs ut ur gödselbehållarna, duschades försiktigt, paketerades och fördes till RISE CBI:s betonglaboratorium.   I laboratoriet utfördes strukturanalyser av betongen, där den studerade ytan hos betongen hade varit vertikalt orienterad i gödselbehållaren. För att undersöka gödseltypernas effekt på de olika betongblandningarna användes betongpetrografiska analysmetoder. Polerade betongsnitt och tunnslip tillverkade av betongproverna utvärderades dels med hjälp av stereomikroskop, dels med polarisationsmikroskop och ljuskällor för synligt och ultraviolett ljus. Resultaten från studierna visade att den surgörande gödseln var mer kemiskt aggressiv mot cementen i alla tre betongblandningarna. Det förklaras med det lägre pH-värdet hos den surgjorda gödseln. Graden av kemiska påverkan hade samband med kvaliteten hos betongen, dvs. förhållandet vatten:cement och typ av bindemedel i betongen. Största kemiska påverkan uppmättes i betongkvalité 1 som består av ”ordinär” betong med vattencementtal 0,59 (prover A1 och B1), motsvarande den som används för bottenplattan i flytgödsellager. Betongkvalité 3, utvecklad för material med lågt pH (LLC), visade betydligt högre motståndskraft mot kemisk påverkan. Den kemiska påverkan på betongen var totalt sett svag efter två års exponering och bestod främst av en ökning av den kapillära porositeten hos bindemedlet i betongens yttre skikt. Den ökade porositeten bedöms bero på att en del av cementpastans kalciumhydroxid har brutits ner och lakats ur betongen. Vanligtvis är livslängden hos ett gödsellager minst 20 år, så det finns anledning att vara observant över tid på hur betongen påverkas eller att som förebyggande åtgärd använda en betong av högre kvalitet

Surgörning av flytgödsel : Strukturanalyser av betong efter exponering i surgjord och icke surgjord flytgödsel

Samples of three different concrete qualities were prepared and hardened, before exposure in cattle slurry without sulphuric acid (A) and with sulphuric acid added until pH<5.5 (B). The samples were exposed for two years in containers with about 45 L slurry. The boxes with slurry and concrete samples were placed in a ventilated room at 20 °C. The slurry and air temperatures were recorded continuously with temperature loggers, data being recorded every third hour. The slurry level in the boxes and the slurry pH were checked regularly during the experiment. Slurry or acid was added, if necessary, to maintain the level and pH<5.5. Before pH measurements, the slurry was stirred gently in both boxes. To restrict evaporation, the containers had non-airtight plastic covers between measurements. Half-way through exposure, the old slurry was replaced with fresh slurry (acidified and non-acidified treatments) to mimic conditions in farm storage where fresh slurry is added continuously during storage. After two years’ storage, the experiment was finalised. The concrete samples were taken out of the slurry, washed gently with water and put into labelled plastic bags. The samples were delivered to RISE CBI’s concrete laboratory, where the structural analyses were performed. These used petrographic microscopy techniques to examine the effects of exposure to two potentially aggressive environments, non-acidified and acidified cattle slurry, on concrete with three different mixes. The studied surfaces in the concrete samples were oriented vertically in the plastic containers. Polished sections were evaluated with a stereo microscope, and thin sections were evaluated using a polarising microscope and sources for visible and UV light. The results of the study show that the acidified slurry is more chemically aggressive to the cement paste in all the concrete mixes analysed. This can be explained by the solution’s lower pH. The extent of the chemical attack correlates with the initial quality of the concrete mix (water-powder ratio and type of binder). The deepest chemical attacks were observed in samples A1 and B1 consisting of “regular” concrete mix with w/c 0.59. The “long lasting quality” (LLC) concrete with a binder specially developed for low-pH environments shows markedly better resistance to chemical attack. The effects of the chemical attack on concrete after two years’ exposure can be classified as weak, consisting mainly of an increase in the capillary porosity of the cement paste in the outer layer of the concrete. The increase in porosity is considered to be due to the partial leaching of calcium hydroxide.Surgörning av flytgödsel används som en metod för att minska ammoniak­avgången från stallgödsel vid hanteringen. För att minimera emissionerna under lagringen, eftersträvas ett pH-värde av 5,5 hos gödseln. Svavelsyra är den vanligaste syran eftersom svavelsyran är stark och prisvärd. En pH-sänkning hos gödseln kan dock innebära frätskador på betongen i lager, som kan betyda kortare livslängd om inte betongkvaliteten anpassas till gödselns pH. Syftet med denna studie var att se hur surgjord gödsel (B) påverkar betongytan hos olika betongkvaliteter jämfört med icke-surgjord nötflytgödsel (A). I studien ingick betongprover av tre olika kvaliteter, som motsvarade kvaliteten hos 1) bottenplattan hos flytgödsellager, 2) prefabricerade väggelement till flytgödsellager samt 3) en betongkvalité kallad ”Long Lasting Concrete”, som utvecklats av Abetong AB för lagring av material med lågt pH, t.ex. ensilage. Betongprover (0,1 m x 0,1 m x 0,1 m) tillverkades av Abetong AB och exponerades under två år i nötflytgödsel utan syra (A) respektive surgjord nötflytgödsel (B). Behållarna med respektive gödseltyp placerades i rum med konstant temperatur ca 20°C. Under lagringen mättes regelbundet pH och vid behov tillsattes mer gödsel samt syra för att hålla pH-värdet under 5,5. Halvvägs genom studien byttes gödseln ut mot färsk gödsel för att efterlikna verkliga lager och efter två år avslutades studien. Betongproverna togs ut ur gödselbehållarna, duschades försiktigt, paketerades och fördes till RISE CBI:s betonglaboratorium.   I laboratoriet utfördes strukturanalyser av betongen, där den studerade ytan hos betongen hade varit vertikalt orienterad i gödselbehållaren. För att undersöka gödseltypernas effekt på de olika betongblandningarna användes betongpetrografiska analysmetoder. Polerade betongsnitt och tunnslip tillverkade av betongproverna utvärderades dels med hjälp av stereomikroskop, dels med polarisationsmikroskop och ljuskällor för synligt och ultraviolett ljus. Resultaten från studierna visade att den surgörande gödseln var mer kemiskt aggressiv mot cementen i alla tre betongblandningarna. Det förklaras med det lägre pH-värdet hos den surgjorda gödseln. Graden av kemiska påverkan hade samband med kvaliteten hos betongen, dvs. förhållandet vatten:cement och typ av bindemedel i betongen. Största kemiska påverkan uppmättes i betongkvalité 1 som består av ”ordinär” betong med vattencementtal 0,59 (prover A1 och B1), motsvarande den som används för bottenplattan i flytgödsellager. Betongkvalité 3, utvecklad för material med lågt pH (LLC), visade betydligt högre motståndskraft mot kemisk påverkan. Den kemiska påverkan på betongen var totalt sett svag efter två års exponering och bestod främst av en ökning av den kapillära porositeten hos bindemedlet i betongens yttre skikt. Den ökade porositeten bedöms bero på att en del av cementpastans kalciumhydroxid har brutits ner och lakats ur betongen. Vanligtvis är livslängden hos ett gödsellager minst 20 år, så det finns anledning att vara observant över tid på hur betongen påverkas eller att som förebyggande åtgärd använda en betong av högre kvalitet

Measures to minimize greenhouse gas emissions from slurry storage

Kunskap om effektiva, funktionella och ekonomiska åtgärder krävs för att säkerställa små utsläpp av växthusgaser från lager med både orötad och rötad gödsel. I detta treåriga projekt har olika tänkbara åtgärder i flytgödsellager studerats genom mätning av växthusgaserna metan och lustgas under sommarförhållanden. Åtgärder som förlängd utrötningstid och surgörning av gödsel med svavelsyra, har utvärderats i RISE pilotskaleanläggning för lagring av flytgödsel. Åtgärder för att minska lustgasemissioner bildat i svämtäcke på gödselyta i ett fullskalelager har studerats på gårdsnivå. Kompletterande teoretiska beräkningar har utförts för att bedöma effekten av att täcka flytgödsellager samt laboratoriestudier av temperaturens påverkan på metangas-emissionerna. Grundläggande är att temperaturen har stor betydelse, vilket visades i laboratorieskalan. Vid ökad temperatur ökade metanproduktionen exponentiellt för rötad gödsel medan för orötad gödsel var ökningen betydligt mindre. De teoretiska värmebalansberäkningarna för lager med gödsel visade att beskuggning av gödselytan eller täckning av lager med vitt tak bör kunna reducera denna uppvärmning kraftigt på våren eftersom värmeinstrålningen från solljus till gödsellager kan förklarade största delen av gödselns uppvärmning. Studierna under första och sista året visade att metanemissionerna var signifikant större från gödseln när den var rötad än om den var orötad. Sammanlagda förlusterna av metan var 2,5 respektive fyra gånger så höga från den rötade gödseln under sommarlagringarna (ca fyra månader). Det betyder att det är speciellt viktigt att sätta in åtgärder vid lagring av rötad gödsel för att begränsa utsläppen av metan och därmed minska klimatpåverkan. En åtgärd för att få lägre metanemissioner från den rötade gödseln är att förlänga utrötningstiden, dvs. den hydrauliska uppehållstiden i rötkammaren. Studierna år 1 visar att vid en fördubblad uppehållstid, 48 dagar istället för 24 dagar, minskade metanemissionerna från lagret med 30 procent. På gårdar med rötningsanläggningar är ett gastätt tak med uppsamling av biogasen också en bra åtgärd för att effektivisera anläggningen och förhindra utsläpp av klimatgaser från lagret. Surgörning av flytgödsel med svavelsyra praktiseras främst i Danmark för att minska ammoniakavgången från flytgödsel, i stall, lager och vid spridning. Resultaten visar att det är en mycket effektiv metod för att minimera metangasemissionerna från lager med en reduktion med mer än 90 procent både för orötad och för rötad gödsel. Speciellt för gödselslag där det inte bildas naturligt svämtäcke kan surgörning vara intressant för att minska både ammoniak- och metanemissioner. Åtgärder som surgörning av svämtäcket för att minska lustgasemissioner visade sig inte behövas eftersom lustgasemissionerna var relativt låga, trots att svämtäcket var bortåt en halv meter tjockt. Den finhackade halmen som användes som strö, bildade ett slätt och tätt svämtäcke på gödselytan vilket troligen hämmande lustgasbildningen, till följd av att luften inte kunde penetrera skiktet. Så finhackningen av halmströ kan eventuellt vara i sig en tänkbar åtgärd, vilket också kan minska ströåtgången. Metanproduktionen från en rötkammare är ofta svår att mäta, och beräknas därför ofta indirekt utifrån producerad elproduktion. Ett exempel på nyckeltal för att visa klimateffektiviteten hos anläggningen visas där metanemissionerna från lager under sommaren var 10,2 % av producerad mängd metan från rötkammare vid enstegsrötning under 24 dagar respektive 5,5 % vid tvåstegsrötning under 48 dagar. På årsbasis blir procenttalen betydligt lägre eftersom emissionerna är låga under vintern.Ensuring low emissions of greenhouse gases from both undigested and digested animal slurry in storage requires a knowledge of effective, functional and economic measures. This three-year project has studied various potential measures for use in slurry storage. The greenhouse gases methane and nitrous oxide have been measured under summer conditions. Measures such as extended digestion time and acidification of slurry with sulfuric acid have been evaluated in a RISE pilot-scale plant for slurry storage. Measures to reduce nitrous oxide emissions formed in floating crust in a full-scale storage have been studied at farm level. Complementary theoretical calculations have been carried out to assess the effect of covering slurry stores. The impact of temperature on methane emissions has been studied in the laboratory. The fundamental point demonstrated on the laboratory scale is that the temperature is highly significant. As the temperature rose, methane production increased exponentially for digested slurry. For undigested slurry, the increase was considerably less. Most of the heat gained by the slurry can be attributed to solar radiation. Theoretical thermal balance calculations for slurry in storage indicated that it should be possible to reduce this heating significantly in spring by shading the slurry surface or provide the storage with a white roof. The studies in years 1 and 3 showed that methane emissions were significantly greater from digested than from undigested slurry. The total loss of methane from digested slurry was 2.5 and four times higher, respectively, during summer storage (approx. four months). It is therefore particularly important to implement measures to limit methane emissions from digested slurry in storage, thereby reducing the impact on the climate. One way to achieve lower methane emissions from digested slurry is to extend the duration of digestion, i.e. the hydraulic retention time in the digester. The studies in year 1 showed that doubling the retention time from 24 to 48 days reduced methane emissions from storage by 30 percent. At farms with digestion plants, a gas-tight roof with biogas collection is also an effective way to make the plant more efficient and prevent emissions of greenhouse gases from storage. Acidification of slurry with sulfuric acid is practiced in Denmark, to reduce ammonia emissions from slurry in housing, in storage and during spreading. The results show that it is also a very effective method for minimizing methane emissions from storage, with a reduction of more than 90 percent for both undigested and digested slurry. Acidification may be of interest as a way of reducing emissions of both ammonia and methane, particularly for types of slurry that do not naturally form a floating crust. Measures such as acidification of the floating crust to reduce nitrous oxide emissions did not prove to have effect because nitrous oxide emissions were relatively low, despite the floating crust being nearly half a metre thick. The chopped straw used for litter formed a smooth and dense floating crust on the surface of the slurry, and probably inhibited nitrous oxide formation because air was unable to penetrate the layer. Chopped straw litter in itself could therefore be a potential measure. This might also reduce straw consumption. Methane production from a digester is often difficult to measure and is therefore often calculated indirectly from the electricity produced. An example of key indicator for the climatic efficiency of the plant is given. For storage in summer, 10.2% of the methane produced was emitted during one-stage digestion over 24 days, and 5.5% during two-stage digestion over 48 days. The annual percentages are considerably lower because of low emissions in winter