Dry anaerobic digestion of organic residues on-farm - a feasibility study

Abstract

Tavoitteet: Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää kuivamädätyslaitoksen rakenne- ja toimintaparametrien vaikutusta biokaasutuotannon kannattavuuteen, kestävyyteen ja ympäristökysymyksiin tilatasolla sekä sitä, voidaanko tilatason kuivamädätysl aitoksesta saada taloudellista ja ekologista hyötyä. Toisena tavoitteena oli hankkia yksityiskohtaista tietoa suomalaisille päätöksentekijöille, jotta sekä taloudellisesti että ympäristön kannalta lupaavimpien tilatason biokaasuteknologioiden kehitystä voitaisiin edistää. Tulokset rohkaisevat tilatason biokaasulaitosten valmistajia kehittämään ja myymään kuivamädätysteknologiaa vaihtoehtoisena teknologiana. Tämä teknologia voisi olla kilpailukykyinen vaihtoehto tiloille, joilla käytetään kuivalantaketjua tai vaikka karjattomille tiloille. Tulokset: Kuivamädätysteknologia maatilatasolla ei ole pystynyt tähän asti tarjoamaan kilpailukykyistä vaihtoehtoa lietteen mädätykseen perustuvalle teknologialle, jos tarkastelun kohteena on pelkkä energian tuotanto. Hankkeen tuloksena saatiin yleiskuva tiloilla toimivien kuivamädätyslaitosten mielenkiintoisista teknologisista ratkaisuista. Voidaan myös todeta, että parhaita ratkaisuja ei ole vielä keksitty. Tämä voisi olla haaste viljelijöille ja elinkeinonharjoittajil-le, jotka ovat kiinnostuneita kehittämään ja suunnittelemaan tulevaisuuden tilatason kuivamädätyslaitosta. Uuden kuivamädätyslaitoksen prototyypin kehittäminen vaatii ympäristöhyötyjen (esim. suljettu energia- ja ravinnekierto) rahallista korvausta, mikä myös parantaisi biokaasutuotannon kannattavuutta. Järnan prototyyppi täytti hankkeen tavoitteet, sillä energian lisäksi saatiin uusi kompostituote kiinteästä jakeesta. Toisaalta kaksivaiheinen mädätysprosessi kuluttaa paljon energiaa ja investointikustannukset ovat korkeat (>2000 euroa m-3 reaktoritilavuutta). Tilatason kuivamädätyksellä on useita etuja: Prosessi on vakaa ja luotettava, ei tapahdu vaahtoamista tai saostumista ja panosreaktorin rakenteet ovat edullisia. Etuja, verrattuna lietereaktoreihin, ovat reaktorin pienempi tilavuus ja pienemmät kuljetuskustannukset vähentyneen massan siirron vuoksi suhteessa tuotettuun biokaasumäärään massayksikköä kohti. Etu on myös maatilalla olemassa olevan teknologian hyväksikäyttö massan syöttö- ja poistovaiheessa. Etuina voidaan mainita myös, että prosessin lämmitysenergian tarve on pienempi, koska reaktorin tilavuus on pienempi ja sekoitusta ei tarvita, hajupäästöt vähenevät ja ravinnehäviöt ovat pienemmät varastoinnissa ja lopputuotteen levityksessä, koska nestemäistä jaetta ei siirretä. Kompostoitua kiinteää jaetta voidaan markkinoida lannoitteena myös tilan ulkopuolelle. Laitos soveltuu maatilalle, jossa käytetään kuivikepohjia. Menetelmällä on myös rajoituksia: Jopa 50% mädätysjäännöksestä tarvitaan ymppäysmateriaaliksi (nautakarjan lanta ei vaadi ymppäystä) ja tähän tarvitaan enemmän reaktoritilavuutta ja sekoitusvälineitä. Kuivamädätyksen viipymäaika on jopa kolme kertaa pidempi verrattuna lietteen mädätykseen, vaatien enemmän reaktoritilavuutta ja prosessienergiaa. Panosreaktorin syöttö ja tyhjentäminen ovat aikaa ja energiaa vaativia vaiheita. Voidaan päätellä, että vain tilakohtaiset olosuhteet voivat suosia kuivamädätysteknologiaa. Tilatasolla tapahtuvan biokaasutuotannon talouteen vaikuttavat neljä tekijää: Jätteenkäsittelystä saadut tulot, kasvihuonekaasupäästöjen vähentämisestä saatu korvaus, korvaus energian tuotannosta ja - kestävälle maataloudelle tärkein - ravinteiden kierrosta saatu hyöty. Tulosten tarkastelu: Yhtään asiantuntijatarkastettua tieteellistä artikkelia, jossa olisi dokumentoitu tilatason kuivamädätyslaitosta, ei löytynyt. Näyttää siltä, että me yritimme ensimmäisinä. Myöskään tuloksia kaura-akanoiden biokaasupotentiaalista ei ole aikaisemmin julkaistu. Uutta on myös tilatason anaerobisesta käsittelystä saadun kiinteän jakeen kompostointi. Kuivamädätyslaitos tarjoaa mahdollisuuden erilaisten kuivalantakompostien tuottamiseen mädätysprosessiparametreja muuttamalla. Tieteellisistä julkaisutietokannoista löytyi noin 10 000 viitettä, jotka käsittelivät biokaasututkimusta viimeisen 10 vuoden ajalta. Näistä alle 10 käsitteli biokaasureaktoreita, jotka oli kehitetty ei-nestemäisten lähtöaineiden käsittelyyn maatilalla. Viimeisin tutkimus keskittyy pääasiassa perustutkimukseen, yhdyskuntajätteen biokaasuprosessien tutkimukseen, suuren mittakaavan biokaasulaitoksiin sekä laboratoriomittakaavan tutkimukseen. Tämä kuvastaa sitä tosiasiaa, että julkaisujen tuottaminen on tärkeämpää kuin tilatason tut-kimus ja tuotekehitys. Maailmanlaajuisesti näyttää siltä, että on erittäin vai-keaa, ellei mahdotonta, löytää rahoittajaa tilatason tutkimukselle, erityisesti tilatason biokaasureaktorin prototyyppitutkimukselle. Syyt tähän voivat olla seuraavat: Biokaasulaitoksia käsittelevä tutkimus vaatii monien tieteenalojen osaamista, yhteistyön puute insinöörien ja biotieteilijöiden välillä, korkeat kustannukset perustutkimustulosten siirtämisestä käytännön teknisiin sovellutuksiin, tutkijoiden vähäinen kiinnostus, koska tilalla tehtävällä tutkimuksella on alhainen arvostus tieteellisellä arvoasteikolla ja tilakohtaisten rakenne- ja prosessiratkaisujen rajalliset siirtomahdollisuudet. Rahoittajien pitäisi tukea paikka- tai tilakohtaista tutkimusta, jos bioenergia- ja biokaasuteknologian liittämistä maatilan rakenteisiin pidetään tärkeänä tavoitteena maatalouspo-liittisessa viitekehyksessä. Sekä kuivamädätyksen tekniikkaa että kiinteiden orgaanisten jätteiden biokaasutuottopotentiaalia on tulevaisuudessa tutkittava, jotta tällä hetkellä olemassa oleva tietovaje voidaan korvata. Kuivamädätyslaitosten prototyyppitutkimus voi tarjota kilpailukykyisen vaihtoehdon lietteen mädätykselle niillä tiloilla, jotka käyttävät kuivalantaketjua ja/tai energiakasveja biokaasun tuotantoon. On myös välttämätöntä rohkaista viljelijöitä ja elinkeinonharjoittajia kuivamädätysteknologian kehittämiseen koulutusta ja neuvontapalveluja lisäämällä.

Objectives: The feasibility study shall answer the following questions: Are there economical and ecological advantages of on-farm dry digestion biogas plants? How does the construction and operation parameters of a dry digestion biogas plant influence environment, profit, and sustainability of on-farm biogas production? The aim of the feasibility study is to provide facts and figures for decision makers in Finland to support the development of the economically and environmentally most promising biogas technology on-farm. The results may encourage on-farm biogas plant manufacturers to develop and market dry anaerobic digestion technology as a complementary technology. This technology may be a competitive alternative for farms using a dry manure chain or even for stockless farms. Results: Up to now farm scale dry digestion technology does not offer competitive advantages in biogas production compared to slurry based technology as far as only energy production is concerned. However, the results give an overview of existing technical solutions of farmscale dry digestion plants. The results also show that the ideal technical solution is not invented yet. This may be a challenge for farmers and entrepreneurs interested in planning and developing future dry digestion biogas plants on-farm. The development of new dry digestion prototype plants requires appropriate compensation for environmental benefits like closed energy and nutrient cycles to improve the economy of biogas production. The prototype in Järna meets the objectives of the project since beside energy a new compost product from the solid fraction was generated. On the other hand the two-phase process consumes much energy and the investment costs are high (>2000 euros m-3 reactor volume). Dry digestion on-farm offers the following advantages: Good process stability and reliability, no problems like foam or sedimentation, cheap modules for batch reactors, less reactor capacity, reduced transport costs due to reduced mass ransfer with respect of the produced biogas quantity per mass unit, compost of solid digestion residues suitable as fertiliser also outside the farm gate, use of on-farm available technology for filling and discharging the reactor, less process energy for heat ing because of reduced reactor size, no process energy for stirring, reduced odour emissions, reduced nutrient run off during storage and distribution of residues because there is no liquid mass transfer, suitable for farms using deep litter system s. These advantages are compensated by following constraints: Up to 50% of digestion residues are needed as inoculation material (cattle manure does not need inoculation) requiring more reactor capacity and mixing facilities. Retention time of dry digestion is up to three times longer compared to wet digestion requiring more reactor capacity and more process energy, filling and discharging batch reactors is time and energy consuming. We conclude that only farm specific conditions may be in favour for dry digestion technology. Generally, four factors decide about the economy of biogas production on-farm: Income from waste disposal services, compensation for reduction of greenhouse gas emission, compensation for energy production and - most important for sustainable agriculture - nutrient recycling benefits. Evaluation of the results: We did not find any refereed scientific paper that includes a documentation of an on-farm dry digestion biogas plant. It seems that we tried first. We also could not find any results about the biogas potential of oat husks, so we may have found these results first. Farm scale production of anaerobically treated solid manure for composting is new. Dry fermentation biogas plants offer the possibility to design solid manure compost by variation of fermentation process parameters. From different scientific publication databases we found about 10 000 references concerning biogas research during the past 10 years. Less than ten are dealing with biogas reactors for nonliquid substrates on-farm. Recent research mainly concentrates on basic research, biogas process research for communal waste, largescale biogas plants, and research on laboratory level. This mirrors the fact, that production of research papers is rather financed than product development on site. Our conclusion is that it seems worldwide to be very difficult or even impossible to find financial support for on site research, especially for on-farm prototype biogas reactors. We suppose the following reasons for this fact: biogas plant research requires proficiency in many different scientific disciplines, lack of co-operation between engineering and life sciences, high development costs to transfer basic research results into practical technical solutions, low interest of researchers because on site and on-farm research enjoys low appreciation in terms of scientific credits, portability of farm specific design and process solutions is difficult. Our conclusion is that on site and on-farm research has to be supported by funding agencies if integration of biogas and bio energy into the farm organism is considered as an important target within the agricultural policy framework. Future research on both dry fermentation technique and biogas yield of solid organic residues may close present knowledge gaps. Prototype research may offer competitive alternatives to wet fermentation for farms using a solid manure chain and/or energy crops for biogas production. To encourage farmers and entrepreneurs to foster the development of dry fermentation technology support in terms of education and advisory services is also necessary.