ECOFERM! - De kringloopboerderij

Transcriptie

1 ECOFERM - De kringloopboerderij Juni 2011

2 ECOFERM - De kringloopboerderij Deze studie is in opdracht van InnovatieNetwerk uitgevoerd door: J. van Liere (Van Liere Management BV) G. Boosten (DOTank) L. van Dijk (Sustec BV) G. Hemke (Hemke Nutriconsult) A. Verschoor (Ingrepro BV) Tekst: J. van Kasteren (red.) (Tekst Communicatie Advies) Projectbegeleiding: Jan de Wilt (InnovatieNetwerk) Deze studie is opgesteld in het kader van het domein Land- en tuinbouw en agribusiness, concept ECOFERM. Postbus DD Utrecht tel.: Het ministerie van EL&I nam het initiatief tot en financiert InnovatieNetwerk. ISBN: Overname van tekstdelen is toegestaan, mits met bronvermelding. Rapportnr , Utrecht, juni 2011.

3

4 Voorwoord De Nederlandse varkenshouderij loopt wereldwijd voorop als het gaat om de efficiëntie waarmee voer wordt omgezet in vlees. Toch is hierin nog een flinke sprong mogelijk als we erin zouden slagen om afvalproducten uit deze omzetting (bijvoorbeeld CO 2, warmte, mest) te benutten voor economisch interessante toepassingen zoals elektriciteit en de productie van groene grondstoffen (bijvoorbeeld via algen). En het zou helemaal mooi zijn als we daarmee dan ook nog de milieudruk zouden verminderen en de gezondheid en het welzijn van de dieren kunnen verbeteren. Dat was de ambitie waarmee enkele wetenschappers en bedrijven twee jaar geleden aan de slag gingen. Hun inspanningen zijn niet voor niets geweest. Via experimenten, berekeningen en creatief verbindingen leggen tussen uiteenlopende disciplines en mensen is het concept ECOFERM ontstaan. Het is een creatieve combinatie van deels beproefde technieken (zoals mestvergisting), deels experimentele technieken (zoals algenkweek) en deels compleet nieuwe ideeën (zoals de combinatie van luchtwassers met algenkweek). Dit rapport beschrijft het concept ECOFERM, de vraagstukken waarmee de bedenkers hebben geworsteld, de experimenten die hun ideeën onderbouwen en de technische en economische berekeningen die inzicht geven in de potenties van het concept. Hiermee hebben de auteurs niet alleen een solide basis gelegd voor een nieuw, ecologisch en economisch perspectiefvol concept; ze dagen hiermee ook ontwerpers, techneuten en ondernemers uit om met deze ideeën aan de slag te gaan. Op deze manier komt een duurzame varkenshouderij enkele grote stappen dichterbij Dr. G. Vos, Directeur InnovatieNetwerk

5

6 Inhoudsopgave Voorwoord Samenvatting 1 1. Inleiding 9 2. Raffineren van mest Mestscheiding Omgekeerde osmose Strippen Fysisch-chemisch ontsluiten Vergisten Terugwinnen fosfaat Systeemkeuze Dimensionering Nutriënten Warmte Kosten Conclusies Kweken van algen Kweeksystemen Hybride systeem Potentiële opbrengst Experimentele opzet Configuraties Extrapolatie Eerste reeks experimenten Tweede reeks experimenten Opbrengsten Extrapoleren naar praktijkschaal Conclusie Praktijkschaal 54

7 4. Algen als veevoer Risicoanalyse Voedingswaarde Basisnutriënten Gezondheidsbevorderende componenten Diersoorten Waardebepaling Veel belangstelling Conclusies Bedrijfseconomische vergelijking ECOFERM op boerderijniveau ECOFERM met mestraffinage De integrale ECOFERM Varkenshouderij Mestverwerking Algenkwekerij Decentraal Energieproductie Integratie Andere routes Simpele variant Conclusies Slotoverwegingen en vervolgstappen 101 Referenties 105 Summary 109

8

9

10 Samenvatting 1 Aanleiding De Nederlandse varkenshouderij staat onder druk. De maatschappelijke weerstand groeit en uit zich onder meer in het verzet tegen de bio-industrie in zijn algemeenheid en megastallen in het bijzonder. Individuele burgers en maatschappelijke organisaties met in hun kielzog bestuurders en politici maken zich sterk voor waardigere leefomstandigheden voor de dieren. De gezondheid van de dieren en het veelvuldig gebruik van antibiotica roepen vragen op, mede vanwege de effecten op antibioticaresistentie en de gevolgen voor de menselijke gezondheid. Ook de effecten van mest en broeikasgassen op milieu en klimaat staan hoog op de agenda. De omvangrijke importen van soja als veevoer leiden in de landen van productie tot vernietiging van natuur en biodiversiteit, terwijl hierdoor in Nederland een hardnekkig mestoverschot is ontstaan. Door de samenhang tussen deze problemen zijn op vele fronten fundamentele veranderingen nodig. InnovatieNetwerk heeft een idee ontwikkeld om de varkenshouderij duurzamer te maken en de kringlopen te sluiten: ECOFERM ECOFERM Centraal in het concept ECOFERM staat het sluiten van kringlopen. De afval -producten van de varkenshouderij (mest, ammoniak, waterdamp, CO 2 en restwarmte) worden gebruikt voor de productie van algen, biogas, elektriciteit en schoon water. Het begint met het dagelijks en gescheiden afvoeren van de mest uit de stal. Hierdoor komen minder ammoniak en andere schadelijke stoffen vrij, met een veel aangenamer stalklimaat voor de dieren en de boer als gevolg.

11 2 De door de dieren geproduceerde CO 2, waterdamp en lichaamswarmte worden samen met de ammoniak in de stallucht door een reactor gevoerd en benut voor de algenkweek. De afgevoerde, deels ontwaterde mest gaat naar een centrale vergister voor de productie van biogas en elektriciteit in een WKK. De dunne mestfractie en het verder geraffineerde digestaat leveren de mineralen (vooral stikstof en fosfor) voor de algenkweek. De voorkweek van de algen vindt plaats in een gesloten bioreactor; de verdere uitgroei in een open vijver (hybride teelt). De algen dienen als gedeeltelijke vervanging van sojaschroot en visolie in het voer, maar kunnen ook worden gebruikt als bron voor medicijnen of voedingssupplementen. De gezondheidsbevorderende stoffen (zoals de omega-3-vetzuren) in de algen en het gezondere stalklimaat verbeteren de algehele conditie en het welzijn van de dieren. Daardoor zijn minder antibiotica nodig. Het concept ECOFERM betekent op essentiële punten een breuk met de huidige varkenshouderij. Het leidt tot een beter welzijn en gezondheid van de dieren, en tot vermindering van antibioticagebruik, tot vervanging van soja en visolie en tot het tegengaan van schadelijke emissies door het sluiten van kringlopen. Benutting van afvalstromen Het varken gebruikt voer, water en zuurstof om vlees te maken. Dit gaat gepaard met enorme verliezen in de vorm van mest, urine, warmte, waterdamp, ammoniak en CO 2. Figuur 1: Een vleesvarken eet in zijn opfokperiode van 25 kg tot 115 kg gemiddeld 245 kilo voer (droge stof), drinkt daarbij 540 liter water en neemt ca. 192 kg zuurstof op uit de verbrandingslucht. In totaal gaat er dus 977 kg aan brandstof, water en zuurstof in voor verbranding. Het varken produceert in die periode 90 kg vlees, ruim 445 kg mest en urine, 210 kg CO 2, 230 kg H 2O, 2 kg NH 3 en 505 kwh aan laagwaardige (lichaams)warmte. Mest en urine worden tegen betaling (het is immers afval ) uitgereden over akkers en weiden (soms na vergisting) en de waterdamp, ammoniak, CO 2 en warmte verdwijnen met behulp van ventilatoren in de buitenlucht. Centraal in de ECOFERM is het benutten van deze reststromen om vervolgens daarvan voer te maken dat geïmporteerd voer vervangt. Daarmee worden dichtbij het bedrijf de kringlopen zoveel mogelijk gesloten. Vraagstukken ECOFERM bestaat uit een nieuwe combinatie van deels bestaande technieken op het gebied van dagontmesting, luchtbehandeling, mestvergisting, mestraffinage en algenkweek. Voordat we met de integratie

12 van deze onderdelen kunnen starten, zijn enkele kritische punten in dit concept nader onderzocht. Het gaat daarbij om de volgende vragen: 1. Is het technisch mogelijk om mineralen in voldoende hoeveelheden uit de mest en urine vrij te maken voor algenkweek? 2. Is het technisch mogelijk om de algenproductie zodanig te verhogen dat de economische rentabiliteit drastisch toeneemt? 3. Is het wettelijk toegestaan om met grondstoffen uit mest algen te kweken en deze vervolgens aan varkens te voeren? Zo ja, wat is dan de waarde van algen als varkensvoer? 4. Is het te verwachten dat ECOFERM economisch zal renderen? Met andere woorden: hoe ziet het businessmodel eruit en wat zijn daarin de kritische punten? Voor het beantwoorden van deze vragen zijn experimenten in kleinschalige proefopstellingen bij bedrijven uitgevoerd. Ook zijn enkele laboratoriumexperimenten gedaan. Voorts zijn er gesprekken gevoerd met bedrijven en wetgevende en controlerende instanties. 3 Op basis van gegevens uit experimenten op laboratoriumschaal is een integraal concept ontwikkeld dat technisch en economisch is geëvalueerd. In het onderzoek is de benutting van ammoniak, warmte en CO 2 uit stallucht slechts marginaal uitgewerkt. De proefnemingen op dit vlak moeten nog plaatsvinden. Mestraffinage Er zijn verschillende technieken beschikbaar voor het raffineren van mest. Voor het concept ECOFERM heeft Sustec Consulting & Contracting BV een proces onderzocht dat bestaat uit verschillende stappen. Globaal komt het erop neer dat de mest wordt gescheiden in een dikke en een dunne fractie. De dunne fractie wordt gestript met stoom, waardoor de meeste stikstof wordt verwijderd. Via omgekeerde osmose wordt vervolgens water afgescheiden uit de dunne fractie voor gebruik als schrob- of spoelwater. De dikke fractie en het restant van de dunne fractie worden samengevoegd, eerst thermisch-chemisch ontsloten en dan vergist tot biogas. Op zijn beurt wordt het biogas gezuiverd en gebruikt voor de productie van elektriciteit en warmte. Ten slotte wordt de door de ontsluiting en vergisting vrijgemaakte fosfor uit de dunne fractie gehaald. Dit gebeurt na scheiding van het digistaat door dit neer te slaan met kalkmelk. Door de mest niet alleen te vergisten maar ook te raffineren, komt het grootste deel van de aanwezige stikstof, fosfor en CO 2 in relatief zuivere vorm beschikbaar als voedingsstoffen voor de algen. Daarmee wordt het risico voor overdracht van ziektekiemen van de mest naar de algen sterk gereduceerd. Vergisten zonder verdere raffinage is ook mogelijk. In dat geval wordt het digestaat rechtstreeks in de algenvijver gevoerd. De aldus geproduceerde algen mogen echter niet als veevoer worden gebruikt, maar bijvoorbeeld wel als biobrandstof. In dat geval is de prijs van de algen lager dan wanneer ze als veevoer worden gebruikt.

13 4 Mestraffinage maakt het mogelijk om kringlopen van mineralen, warmte, CO 2 en water te sluiten in combinatie met een algenkwekerij. Technisch gezien is dit mogelijk met een combinatie van bestaande technieken. Nieuw is wel het ontsluiten van de dikke fractie alvorens deze te vergisten. Daardoor wordt relatief ongeveer vijftig procent meer biogas uit mest gehaald tegen betrekkelijk geringe kosten. De mestraffinage kan technisch en financieel gezien het beste plaatsvinden op een centrale locatie, waarbij meerdere bedrijven zorgen voor een jaarlijkse aanvoer van ton mest of meer. Decentrale verwerking is voor onderdelen van het proces ook mogelijk; met name de voorscheiding van de mest en de omgekeerde osmose. Dat leidt echter tot hogere kosten en een langere terugverdientijd. Voor de reiniging van de stallucht door middel van voorkweek van algen is decentrale aanpak geen optie maar een absolute must. Algenkweek De teelt van algen gebeurt vanouds in grote open vijvers van een kwart meter diepte. Water en algen worden in beweging gehouden door een schoepenrad. De opbrengst ligt in het Nederlandse klimaat op circa 25 ton droge stof per hectare per jaar. Voor ECOFERM heeft algenkwekerij Ingrepro in Borculo een zogeheten hybride variant ontwikkeld. Daarbij worden de algen in eerste instantie opgekweekt in een gesloten fotobioreactor voordat ze als entstroom naar de open algenvijver worden gevoerd. Warme stallucht die CO 2, waterdamp en ammoniak bevat, wordt decentraal gebruikt om de fotobioreactor te verwarmen en van nutriënten te voorzien, zodat de algen snel kunnen worden voorgekweekt. Het eventuele overschot aan warmte in de zomer kan worden gebruikt om een lokale open (of met transparante folie afgedekte) algenvijver te verwarmen. Daardoor neemt ook daar de productie nog iets toe. Op een centrale locatie (waar de vergister-wkk staat) zijn zowel nutriënten als warmte beschikbaar van de varkens en van de gasmotor. Hier kunnen de algen grootschalig worden uitgezet en gekweekt. Het voordeel van de hybride variant is dat de grote entstroom aan verse en zuivere algen verhindert dat de open vijver wordt verontreinigd met andere, ongewenste algensoorten. De experimenten laten zien dat het hybride systeem een buitengewoon aantrekkelijke manier is om de productie van algenvijvers te verhogen. De productiviteitsverhoging ligt in de orde van 55 tot 65% ten opzichte van algenvijvers met extra CO 2 -voorziening, al dan niet verwarmd. Ten opzichte van gangbare algenvijvers is de opbrengst per hectare zelfs verdubbeld. Het extrapoleren van de kleinschalige experimenten in een beperkte periode van het jaar naar een productie per hectare over een heel jaar is echter niet eenvoudig. De resultaten lijken erop te wijzen dat een opbrengst van ton droge stof per hectare per jaar haalbaar zou kunnen zijn. Praktisch ligt de verwachte opbrengst tussen 42 en 53 ton/ha/jaar. Ter vergelijking: voor maïs ligt de opbrengst op circa 12 ton per hectare, en voor suikerbieten op 16 ton. De opbrengst aan

14 algen is dus een veelvoud van de opbrengst aan klassieke akkerbouwgewassen. 5 Toelating van algen als veevoer Om hygiënische redenen is het verboden om mest direct te gebruiken voor de kweek van algen die vervolgens als diervoeder worden gebruikt. Op die manier zouden ziektekiemen terecht kunnen komen in het voer van de varkens en mogelijk ook de consument van varkensvlees besmetten. Vandaar dat in het ECOFERM-concept is gekozen voor het raffineren van mest, en wel op zo n manier dat we alleen de mineralen stikstof en fosfor gebruiken voor de kweek van algen. De organische fractie, die ziektekiemen kan bevatten, wordt grotendeels omgezet in biogas voor een warmtekrachtinstallatie. Uit ons onderzoek is gebleken dat niets toelating van algen voor gebruik in diervoeders in de weg staat. Voorwaarde is wel dat algenkwekers GMP zijn gecertificeerd (GMP = Good Manufacturing Practice). Ook op het gebruik van mineralen uit mest als voedingsbron voor algen rust niet langer een blokkade. Toelating kan echter pas verkregen worden nadat een risicoanalyse van het te realiseren proces is uitgevoerd, inclusief bijbehorende metingen. Voederwaarde van algen Algen zijn gezond voor varkens en eventueel ook voor kippen en kweekvis. Afhankelijk van de soort bevatten ze een hoog gehalte aan eiwitten (tot meer dan 50 procent), veel ijzer en hoge gehaltes aan gezonde omega-3- en omega-6-vetzuren. Daarnaast bevatten ze antioxidanten, zoals bètacaroteen (een voorloper van vitamine A), sterolen en stoffen met een antibacteriële en ontstekingsremmende werking. Vanwege die laatste eigenschappen zou het gebruik van algen als veevoer een flinke bijdrage kunnen leveren aan het verminderen van het antibioticagebruik in de veehouderij. Er lijkt een voldoende grote markt te bestaan voor algen als ingrediënt in voer voor vissen en landbouwhuisdieren. De waarde op basis van nutriënten en vetzuren is bij de huidige prijsverhoudingen per ton algen bij toepassing in voeders voor vissen en jonge biggen en kuikens. Daarbovenop komt een potentiële meerwaarde van 100 tot 300 euro per ton algen vanwege de aanwezigheid van gezondheidsbevorderende componenten. Technische en economische haalbaarheid De ECOFERM is, zoals gezegd, een concept. Een uitdagend concept weliswaar, maar nog niet feitelijk gerealiseerd. Veel van de technieken zoals mest scheiden, vergisten, strippen en het kweken van algen worden al in de praktijk toegepast. De grote uitdaging is om ze te combineren tot een werkende ECOFERM De technische evaluatie laat zien dat de kringlopen redelijk sluitend zijn te maken. Alleen het terugwinnen van voldoende stikstof blijft een probleem bij de gekozen route. Algen nemen stikstof en fosfor op in de verhouding 7:1. De N/P-verhouding uit de mestraffinage is echter 3 : 1. Een ander kritisch punt is het neerslaan van fosfor in de vorm van calciumfosfaat. Daarbij komt ook nogal wat organisch

15 6 materiaal terecht in het bezinksel, met een kleine kans op aanwezigheid van pathogenen. Als uitsluitend mest van vleesvarkens wordt vergist, is de productie van elektriciteit uit biogas onvoldoende om de eigen behoefte van de ECOFERM te dekken. Dat betekent dat er elektriciteit moet worden ingekocht, waardoor het rendement daalt. Door ander materiaal bij te mengen (covergisting), kan de productie van biogas worden vergroot. Dan kan de ECOFERM zelfs een leverancier van elektriciteit worden. Uit de bedrijfseconomische evaluatie blijkt dat het concept ECOFERM in principe haalbaar is. Rekening houdend met variatie in tarieven en prijzen kan de variant met mestraffinage en covergisting bij de huidige marktverhoudingen een licht positief rendement opleveren. Vervolgstappen De volgende stap is om het concept uit te werken op praktijkschaal. Dat hoeft niet meteen op volle schaal en in de vorm zoals hierboven geschetst; er zijn kleinschaligere en eenvoudigere varianten die minder investeringen vergen, maar die wel de ervaringen opleveren die relevant zijn voor verdere ontwikkeling. Een optie is het plaatsen van een (hybride) algenkwekerij bij een bestaande vergistingsinstallatie. De aldus geproduceerde algen mogen dan waarschijnlijk niet als veevoer worden gebruikt, maar kunnen wel worden verwerkt tot andere producten. Een andere optie is de aanleg van een algenvijver bij een bestaand varkensbedrijf. Daarbij wordt de mest op de boerderij zelf gescheiden, maar elders ontsloten en vergist. Het digestaat wordt gesteriliseerd en terug naar de boerderij getransporteerd, waar het als voer voor de algen wordt gebruikt. Op die manier kunnen ook de lichaamswarmte van de varkens en de ventilatielucht uit de stal worden gebruikt voor de teelt van algen in de bioreactor. In feite fungeert die dan als biologische zuiveringsinstallatie voor de stallucht. Waar het om gaat, is dat er een ontwikkeling in gang wordt gezet in de richting van een duurzame varkenshouderij, waarbij het concept ECOFERM dient als inspiratiebron en leidraad voor het efficiënter benutten van het voer en het sluiten van kringlopen. Een wenkend perspectief voor een sector onder druk

16

17 8

18 1. Inleiding 9 Het ECOFERM-concept heeft als doel om de energie-inhoud en mineralen van veevoer optimaal te benutten, de gezondheid, het welzijn en de waardige leefbaarheid van dieren te verbeteren en de economische basis van de varkenshouderij te versterken. Het optimaal benutten van energie-inhoud en mineralen is meer dan de gebruikelijke voer-vlees-conversie waarmee in de dierhouderij wordt gerekend. Het omvat ook het tegengaan van verspilling en de bijbehorende vervuiling van het milieu en het sluiten van de kringlopen. Kortom, een duurzamer concept. Bevorderen van gezondheid en welzijn gebeurt door het verbeteren van het stalklimaat. In combinatie met het gebruik van algen in veevoer verbetert ook de weerstand van de dieren, zodat er in het ECOFERM-concept naar verwachting minder antibiotica nodig zijn. De aandacht voor die aspecten is impliciet; de nadruk in het concept ligt op het tegengaan van verspilling door het optimaal benutten van biomassa en het sluiten van kringlopen. De ontwikkeling van het concept kent een lange voorgeschiedenis. Een hele lange zelfs als je kijkt naar de oorsprong ervan: de combinatie van varkenshouderij en visteelt zoals die al eeuwenlang plaatsvindt in China en andere Aziatische landen. De varkensstal staat bovenop een vijver, zodat de mest meteen in het water valt. De organische stoffen in de mest en de mineralen zorgen voor een uitbundige groei van algen en plankton, die op hun beurt weer dienen als voer voor de vissen die in de vijver rondzwemmen. Vanwege voedselveiligheid en (milieu)hygiëne is een dergelijk systeem ondenkbaar voor Nederland. Het vormde echter wel de inspiratiebron voor het beter benutten van de aangevoerde biomassa en het sluiten van kringlopen in de Nederlandse varkenshouderij. Het ontwikkelen

19 10 van een analoog systeem dat wel aan de eisen voldoet op het gebied van voedselveiligheid en (milieu)hygiëne begon bij het evalueren en combineren van bestaande kennis en technologie. Om de kringlopen te sluiten, worden de afvalproducten van de varkenshouderij (mest, ammoniak, CO 2 en restwarmte) gebruikt voor de productie van algen, biogas, elektriciteit en schoon water. Het proces begint met het dagelijks en gescheiden afvoeren van de mest uit de stal. Hierdoor komen minder ammoniak en andere schadelijke stoffen vrij, met een veel aangenamer stalklimaat als gevolg. Ook de stallucht wordt afgevoerd, inclusief de door de dieren geproduceerde CO 2, waterdamp, lichaamswarmte en de ammoniak die nog ontsnapt uit de mest. De stallucht wordt vervolgens benut voor de algenkweek. De afgevoerde, deels ontwaterde mest gaat naar de vergister voor de productie van biogas. De dunne mestfractie en het verder geraffineerde digestaat leveren de mineralen (vooral stikstof en fosfor) voor de algenkweek. De voorkweek van de algen vindt plaats in een gesloten bioreactor; de verdere uitgroei in een open vijver. De algen dienen als gedeeltelijke vervanging van sojaschroot en visolie in het voer. Eventueel kunnen ze worden gebruikt als bron voor medicijnen of voedingssupplementen. De gezondheidsbevorderende stoffen (zoals de omega-3-vetzuren) in de algen en het gezondere stalklimaat verbeteren de algehele conditie en het welzijn van de dieren. Daardoor zijn minder antibiotica nodig. Op basis van een eerste uitwerking van het concept zijn vier centrale vragen geformuleerd: Is het technisch mogelijk om mineralen in voldoende hoeveelheden uit de mest en urine vrij te maken voor algenkweek? Is het technisch mogelijk om de algenproductie zodanig te verhogen dat de economische rentabiliteit drastisch toeneemt? Is het wettelijk toegestaan om met grondstoffen uit mest algen te kweken en deze vervolgens aan varkens te voeren? Zo ja, wat is dan de waarde van algen als varkensvoer? Is het te verwachten dat ECOFERM economisch kan renderen? Met andere woorden: hoe ziet het businessmodel eruit en wat zijn daarin de kritische punten? Voor een antwoord op deze vragen heeft InnovatieNetwerk een aantal deelonderzoeken uitgezet, waarvan in de volgende hoofdstukken verslag wordt gedaan. Hoofdstuk 1 beschrijft het onderzoek naar het combineren van bestaande en nieuwe technieken tot een geavanceerd procedé om mest te raffineren tot biogas, water, nutriënten en kunstmest. Hoofdstuk 2 doet verslag van het onderzoek naar de mogelijkheden van een nieuw hybridesysteem om algen te kweken met behulp van nutriënten uit mest. Hoofdstuk 3 beschrijft de wettelijke mogelijkheden om algen te gebruiken als veevoer en de voedingswaarde van algen. Hoofdstuk 4 bevat een bedrijfseconomische evaluatie van het concept ECOFERM, terwijl in Hoofdstuk 5 het concept integraal wordt beoordeeld. Het uiteindelijke doel is te komen tot een demonstratieproject op praktijkschaal.

20

21 12

22 2. Raffineren van mest 13 In Europa worden hoge eisen gesteld aan de veiligheid van algen als ingrediënt voor veevoer. Die eisen worden niet gehaald als de varkensmest uit de opslag rechtstreeks in de algenvijvers wordt geleid. Alleen al om die reden moeten we de mest zo veel mogelijk ontleden in zijn samenstellende delen. Maar misschien belangrijker nog is dat raffineren van mest noodzakelijk is om maximaal gebruik te maken van de in de mest opgeslagen energie en van de nutriënten fosfor en stikstof. In het ECOFERM-concept gaat het immers om het verduurzamen van de varkenshouderij. Om de mest in een reeks op elkaar afgestemde unit operations (processtappen) te ontleden, zijn technieken nodig, die voor een deel bewezen zijn zoals het voorscheiden van mest en die voor een deel al wel bekend zijn uit de procesindustrie maar nog niet of nauwelijks worden toegepast voor mestverwerking. Sustec Consulting & Contracting BV heeft in opdracht van InnovatieNetwerk een procesontwerp gemaakt en de verschillende stappen ervan op laboratoriumschaal onderzocht. Dat heeft geleid tot het vaststellen van kentallen voor de engineering van deelprocessen. Op basis van de kentallen is een full scale-projectie gemaakt van een systeem voor mestraffinage met een verwerkingcapaciteit van ton varkensmest per jaar. Het uiteindelijk door Sustec aanbevolen stroomschema voor het raffineren van mest (zie figuur 2) omvat op een centrale locatie de volgende unit operations : Het voorscheiden van de (waterige) mest in een dunne en een dikke fractie; Het winnen van CO 2 en ammoniak uit de dunne fractie via strippen ;

23 Figuur 2: Aanvankelijk stroomschema volgens Sustec bij de start van het onderzoek. Het concentreren van de dunne fractie met omgekeerde osmose (RO, reversed osmosis). Naast schoon water (permeaat) levert dat een concentraat op dat wordt samengevoegd met de dikke fractie; Het ontsluiten van de dikke fractie uit de voorscheiding (en eventueel het concentraat uit de omgekeerde osmose) door het toevoegen van kalkwater (ph-verhogen) en het verhogen van de temperatuur; Het vergisten van de dikke fractie en het concentraat tot biogas en digestaat; Het nascheiden van het digestaat in een vloeibare en een dikke fractie; Terugwinnen van fosfaat uit de vloeibare fractie in de vorm van calciumfosfaat; Het restant van zowel de dikke als de dunne fractie wordt ingedampt met warmte uit de gasmotor, en als kunstmest verkocht. Oorspronkelijk beoogde Sustec om de stikstof te winnen als ammoniumsulfaat, maar vanwege de benodigde chemicaliën is deze route verlaten en is het stoomstrippen ingevoerd. Zoals gezegd, gaat het voor een deel om bewezen technieken, terwijl andere nog in het ontwikkelingsstadium verkeren. Het onderzoek had vooral betrekking op die onderdelen van de mestraffinage die nieuw en innovatief zijn. In de vervolgstap is het een grote uitdaging om de verschillende technieken te combineren tot een optimaal werkende mestraffinaderij. In de nu volgende paragrafen wordt per processtap aangegeven wat de status van de techniek is, wat er in het kader van ECOFERM is onderzocht en wat de resultaten zijn. De resultaten worden vervolgens omgezet in zogeheten kentallen, die de basis vormen voor het ontwerp van de full scale, geïntegreerde mestraffinaderij.

24 2.1 Mestscheiding 15 Scheiden van ruwe of vergiste mest gebeurt al op praktijkschaal. Daarbij wordt meestal gebruik gemaakt van een schroefpers. Een alternatief is de trilzeef, maar daarmee zijn de ervaringen beperkt. Op het VarkensInnovatieCentrum Sterksel (VIC Sterksel, Brabant) is de scheiding van ruwe mest met de combinatie van schroefpers en trilzeef onderzocht. Ook is gekeken naar de directe scheiding van varkensmest met een dubbeldekstrilzeef. Figuur 3: Schroefpers. De schroefpers (zie figuur 3) bestaat uit een inlaatopening, een transport- en persschroef, een persgedeelte en een uitlaat. Bij nat afval, zoals mest, is de pers onder de schroef voorzien van een zeef om het water af te voeren. In dit geval bedroeg de maaswijdte van de zeef 100 micrometer. De toegevoerde mest komt door de draaiende transportschroef onder een steeds hoger wordende druk te staan, waardoor het volume van het afval afneemt. De uitlaatkleppen openen zich steeds verder als de ingestelde persdruk is bereikt, en de samengeperste dikke mest wordt langzaam naar buiten gedreven. Figuur 4: Trilzeerf. Bij een trilzeef (zie figuur 4) staat het zeefdek op veren. Een onbalansmotor zorgt voor het vibreren van de zeef. Door die beweging wordt het gefiltreerde materiaal naar de buitenkant van de zeef getransporteerd, ingedikt en via een opening afgevoerd. De zeef kan meerdere zeefdekken boven elkaar bevatten, die verschillende maaswijdtes hebben, variërend van 35 tot 1000 micrometer.

25 16 De proeven met schroefpers en trilzeef zijn uitgevoerd op het VIC Sterksel op 24 en 25 oktober De grondstof bestond uit ruwe varkensmest (zie tabel 1), die voor circa 95% uit water bestaat. Uit de massabalans (zie figuur 5) blijkt dat na de scheiding de dikke fractie zeven procent van het totale volume omvat en een drogestofgehalte heeft van ruim veertig procent (zie tabel 2). In zowel de dunne als de dikke fracties zijn ook het totaalgehalte aan N (stikstof) en P (fosfor) gemeten (zie tabel 2). Figuur 5: Massabalans over de mestscheiding. Tabel 1: Samenstelling mest Sterksel. Parameter Waarde Droge stof (%) 5,4 Totaal stikstof (g N/l) 5,6 Ammoniumstikstof (g N/l) 2,9 Fosfaat (g P 2O 5/l) 2,2 Tabel 2: Concentraties DS, N en P in de verschillende fracties. Parameter Mest Dunne fractie Dikke fractie Drogestof (%) 5,4 3,9 40,4 Totaal stikstof (g N/l) 5,6 4,3 23,5 Totaal fosfaat (g P 2O 5) 2,2 1,4 14,7 Naast de combinatie van trilzeef en schroefpers is ook een proef uitgevoerd waarbij mest direct werd gescheiden in een trilzeef. Daarbij is gebruik gemaakt van de dubbeldekstrilzeef met een maaswijdte van respectievelijk 100 en 35 micrometer. Het drogestofgehalte in de vaste fractie bedroeg bij dit experiment ruim twintig procent, waarmee de vaste fractie een stuk vloeibaarder is dan bij gebruik van de combinatie schroefpers en trilzeef. De consistentie van de dikke fractie uit schroefpers en trilzeef is zodanig dat die niet te verpompen is. Daarmee is deze wat minder geschikt voor de volgende stap, het ontsluiten en vergisten. De dikke fractie uit de trilzeef is, met een drogestofgehalte van 22 procent, wel verpompbaar en makkelijker te behandelen. Op grond daarvan lijkt het beter om voor de eerste scheidingsstap van de ruwe mest een trilzeef te gebruiken in de dubbeldeksuitvoering met maaswijdtes van respectievelijk 100 en 35 micrometer. De combinatie van schroefpers en trilzeef (maaswijdte 35 micrometer) is wel bruikbaar verderop in het proces voor het ontwateren van vergiste mest.