View presentation HERE (pdf, 1.17 MB)

Abstract
Currently it is technically and economically feasible to convert animal manure into dischargeable water according to the Flemish legislation for discharge in surface waters (VLAREM). This can be achieved by the use of constructed wetlands (Innova Manure) following biological treatment or by intensive membrane filtration following biodigestion (for example Eneco Energy/Eco-Projects).
This thesis is focussed on the further sustainability of both processes by creating a local ‘closed’ cycle of nutrients and water (cfr. ‘cradleto- cradle’).
The first part of this thesis explores the reuse of nutrients originating from digestate processing. The post processing of digestate typically generates a wide range of derivatives, such as thick fractions coming from separation technologies, liquid concentrates coming from membrane filtration technologies and waste streams coming from gas scrubbers. These derivatives from digestate processing could potentially be used as a fertilizer, thereby providing an alternative for artificial manure. Though, research for the composition and the properties of these streams is required. In this thesis an exploratory examination was performed in aim to provide insights in the agricultural and economical value of these derivatives. Therefore these streams, all originating from the Eneco Energy/Eco-Projects biogas plants, were frequently sampled and physicochemically characterized. Our results show that mixing of the concentrate coming from first filtration steps with the thick fraction of the digestate and the further processing into a dry, pasteurized and phosphorous rich end product, is currently the most attractive option. Furthermore, a mix of the acidic water from gas scrubbers with the alkaline water and the concentrate coming from second filtration steps, could potentially be recognized as an ‘artificial manure’/’other fertilizer’. Further profound research is required to explore the most economically interesting digestate processing technologies, taking in account the physicochemical composition of the produced derivatives and their impact on soil structure, soil fertility and soil quality.
The second and most important part of this thesis is focussed on the possibility to reuse the end water coming from manure and digestate processing. The increasing water shortage, the price-rise of tap water and the run-down of permissions for the use of subsoil water, makes water supply for agriculture one of the most important challenges for the near future. At present purified agricultural wastewater is only scarcely used on the farm or in the industry. The reliable reuse of dischargeable end water originating from manure and digestate processing for both low valuable applications (for example cleaning water, cooling water) and high valuable applications (for example potable water for the animals, irrigation water for the horticulture) could therefore add extra value to the Flemish agriculture both economically as ecologically.
In this thesis the quality of the end water originating from five Innova Manure plants and two Eneco Energy/Eco-Projects biogas plants were characterized physicochemically and bacteriologically over a period of approximately one year. The variability of the quality in time as well as between different plants/processes were investigated and compared to the quality requirements for the different agricultural applications of water reuse. Bottlenecks in the upgrade to reusable water were indicated, relevant post processing technologies were lined up and experiments (lab, pilot and greenhouse) aimed at improving the quality of the effluents were set up. Quantitative insights were acquired by spreading a postal survey at the different Innova Manure plants.
During the research period, the biogas plants were still in upgrade and could therefore not yet create a continuous and representative source of water. In contrast, constructed wetlands produced a continuous source of water with promising quality for both low valuable and high valuable applications. Carbon components, salts, total hardness and iron were the most important physicochemical bottlenecks in the upgrade to potable water. Bacteriological bottlenecks in the upgrade to potable water were Clostridium perfringens and sulphite reducing Clostridia.
As the presence of recalcitrant organic material (COD) in the constructed wetlands effluent was considered as an important bottleneck for reuse, research was performed to reduce the COD thus improving the effluent quality. More specific a chemical experiment based on the use of calciumoxide (CaO), a biological experiment based on the use of submerged plants and a physical-biological experiment based on the use of aerobic bio-filters were performed. Based on our results, the CaOtreatment appears to be the most cost effective and reliable technique, because this product didn’t only cause a significant effect on COD, but also on the contents of magnesium, total hardness and iron. Based on all data obtained in the research period, the following path for reuse of the effluent as a potable water source for pigs has been proposed by way of a case-study for the Innova Manure site in Langemark: dilution of the effluent with the available open well water, treatment with CaO and last an acidic dosage for preventive hygienisation and pH-neutralization.
Finally in this thesis also research was performed to investigate the potential use of Phragmites australis, originating from the harvesting of constructed wetlands, as a sustainable source of energy by biodigestion. Hereby it is important to notice that the use of biomass for digestion implies the transfer of nutrients and difficult biodegradable organic matter into the digestate. The digestate could then potentially be reused as a fertilizer/soil amendment, which again results in a ‘closed’ cycle of nutrients. The biogas production and the withdrawal capacity of P. australis have been explored on two different points in time, respectively based on biogas-batchtests and physicochemical characterization. P. australis showed a similar biogas production to energy maize and the biogas production and nutrient contents were significantly higher for an early harvest. Further research is however required to verify these results. Based on the ‘cradle-to-cradle’ principle, our results have shown that there are perspectives to reuse the end water originating from constructed wetlands, to digest the harvested biomass and to upgrade derivatives coming from digestate processing into fertilizers/soil amendments. This path should be investigated in the following research years.

Samenvatting
Momenteel is het technisch en economisch haalbaar om effluent uit de mest- en digestaatverwerking verder te gaan verwerken tot een loosbaar water conform de VLAREM sectorale normen. Dit kan door middel van constructed wetlands (Innova Manure) na biologie of door doorgedreven filtratietechnieken na vergisting (bv. Eneco Energie/Eco-Projects). Deze scriptie is toegespitst op het verhogen van de duurzaamheid van beide procédés door het realiseren van een lokale ‘gesloten’ kringloop van nutriënten en water (cfr. ‘cradle-to-cradle’).
Een eerste deel van deze scriptie is gericht op hergebruik van nutriënten uit de digestaatverwerking. De naverwerking van digestaat genereert een wijde waaier aan nevenproducten, zoals dikke fracties uit scheidingstechnieken, concentraten uit membraanfiltratietechnieken en spuiwaters uit luchtwassers. Deze nevenproducten zouden potentieel gebruikt kunnen worden als meststof, ter vervanging van artificiële kunstmest. Onderzoek naar de samenstelling en eigenschappen van deze nevenproducten is echter noodzakelijk. In deze scriptie werd oriënterend onderzoek verricht om inzicht te verwerven in de landbouwkundige en economische waarde van deze nevenproducten. Hiertoe werden deze stromen, allen afkomstig van de Eneco Energie/Eco-Projects vergistingsinstallaties, regelmatig bemonsterd en fysicochemisch gekarakteriseerd. Uit onze resultaten blijkt dat opmenging van het concentraat uit de eerste membraanfiltratie met de dikke fractie van het digestaat en het drogen tot een gehygiëniseerde, fosfaatrijke eindkorrel momenteel de meest attractieve optie vormt. Daarnaast blijkt dat een mengsel van het zuur spuiwater uit de luchtwasser met het basisch spuiwater en het concentraat uit de tweede membraanfiltratie potentieel zou kunnen bieden voor erkenning als ‘kunstmeststof’/’andere meststof’. Verder diepgaand onderzoek is echter vereist naar de meest economische digestaatverwerkingstechnieken, rekening houdend met de fysico-chemische samenstelling van de geproduceerde nevenproducten en hun impact op de bodemstructuur, de bodemvruchtbaarheid en de bodemkwaliteit.
Een tweede en belangrijkste deel van deze scriptie is toegespitst op de mogelijkheid tot recuperatie van water uit de mest- en digestaatverwerking. De toenemende waterschaarste, de stijgende prijzen voor leidingwater en de afbouw van diep grondwatervergunningen maakt watervoorziening voor de landbouw één der belangrijkste uitdagingen van de nabije toekomst. Gezuiverd agrarisch afvalwater vindt momenteel echter nauwelijks zijn weg naar het bedrijf. Het bedrijfszeker hergebruiken van het loosbaar water uit de mest- en digestaatverwerking voor zowel laagwaardige (bv. reinigingswater, koelwater) als hoogwaardige toepassingen (bv. drinkbaar water voor het vee, irrigatiewater voor de tuinbouw) kan dan ook zowel economisch als ecologisch een belangrijke meerwaarde betekenen voor de Vlaamse landbouwsector.
In deze scriptie werd de kwaliteit van het gezuiverd eindeffluent van vijf Innova Manure landbouwbedrijven en twee Eneco Energie/Eco-Projects vergistingsinstallaties gedurende ongeveer één jaar lang maandelijks volledig fysico-chemisch en bacteriologisch gekarakteriseerd. Kwaliteitsschommelingen in de tijd en tussen locaties werden opgevolgd en getoetst aan de kwaliteitsvereisten voor de verschillende landbouwkundige toepassingen van hergebruik. Knelpunten in de opwaardering tot herbruikbaar water werden vastgelegd, relevante napolijstingstechnieken voor het effluent werden opgelijst en experimenten (labo, piloot, serre) werden uitgevoerd om de kwaliteit van het water te verbeteren. Kwantitatief inzicht in het waterverbruik werd verworven door het verspreiden van een enquête op de Innova Manure landbouwbedrijven.
Gedurende de onderzoeksperiode waren de vergistingsinstallaties nog in opstart, waardoor geen continue en representatieve bron van water gegenereerd kon worden. Het water na biologie en constructed wetlands daarentegen was wel continu beschikbaar en beschikte over een kwaliteit die veelbelovend is voor zowel laagwaardige als hoogwaardige opwaardering. Koolstofcomponenten, zouten, totale hardheid en ijzer vormden de voornaamste fysico-chemische knelpunten in de opwaardering tot drinkbaar water. Bacteriologische knelpunten in de opwaardering tot drinkbaar water waren Clostridium perfringens en sporen sulfiet reducerende Clostridia. Gezien de aanwezigheid van recalcitrant organisch materiaal (COD) een belangrijk knelpunt voor hergebruik vormde, werden in deze scriptie verschillende methodes voor COD-reductie geëvalueerd. Hiertoe werd er een chemisch experiment op basis van calciumoxide (CaO), een biologisch experiment op basis van onderwaterplanten en een fysisch-biologisch experiment op basis van aërobe biofilters opgesteld. Een behandeling met CaO werd als de meest kosteneffectieve en bedrijfszekere techniek weerhouden, mede door het feit dat dit product niet enkel een significant effect had op de COD, maar ook op het magnesiumgehalte, de totale hardheid en het ijzergehalte. Rekening houdend met alle data, verzameld in de onderzoeksperiode, werd via een case-study voor de Innova Manure site te Langemark volgend traject voor hergebruik van effluent tot drinkbaar water voor varkens voorgesteld: een verdunning van het effluent uit de constructed wetlands met open putwater, een behandeling met CaO en een nageschakelde zuurdosering voor preventieve hygiënisatie en pH-neutralisatie.
Tot slot werd in deze scriptie ook onderzoek verricht naar de mogelijkheid rond opwaardering van Phragmites australis, afkomstig van de oogst van constructed wetlands, tot een duurzame energiebron via vergisting. Hierbij is het belangrijk op te merken dat gebruik van P. australis in vergisting er zou toe leiden dat de opgenomen nutriënten en het moeilijk afbreekbaar organisch materiaal van de biomassa terecht komen in het digestaat. Dit digestaat kan dan potentieel hergebruikt worden als meststof/bodemverbeterend middel, wat opnieuw leidt tot een ‘gesloten’ nutriëntenkringloop. Het biogaspotentieel en de opnamecapaciteit van P. australis werd op twee verschillende tijdstippen beoordeeld, respectievelijk op basis van biogas-batchtesten en fysico-chemische karakterisatie. P. australis bleek over een gelijkaardige biogasproductie te beschikken als energiemaïs, waarbij het biogaspotentieel en het nutriëntengehalte significant hoger waren bij een vroege oogst. Verder onderzoek is echter vereist om deze resultaten te bevestigen.
Steunend op de ‘cradle-to-cradle’ gedachte, blijkt uit onze resultaten dat er perspectieven zijn om het loosbaar water na constructed wetlands te gaan hergebruiken, de geoogste biomassa te gaan vergisten en nevenproducten uit de digestaatverwerking op te waarderen tot meststoffen/bodemverbeterende middelen. Dit traject dient dan ook in komende onderzoeksjaren verder te worden uitgediept.

Promotoren:
Prof. Dr. ir. E. Meers
Prof. Dr. ir. F. Tack
Tutor:
Dr. ir. E. Michels
Masterproef voorgedragen tot het behalen van de graad van Master in de bio-ingenieurswetenschappen: Milieutechnologie

Eindlaureaat TNAV scriptieprijs 2010