hig.sePublications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard-cite-them-right
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • sv-SE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • de-DE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Anaerobic digestion of horse manure: renewable energy and plant nutrients in a systems perspective
University of Gävle, Faculty of Engineering and Sustainable Development, Department of Building, Energy and Environmental Engineering, Environmental engineering.
2016 (English)Licentiate thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

In horse keeping horse manure is produced, which can be utilized as a fertilizer or considered a waste. Horse manure constitutes a resource in terms of both plant nutrients and energy. In addition energy policies and objectives aim at replacing fossil fuels with renewable energy sources. The interest to improve resource recovery of horse manure increases due various incentives for renewable vehicle fuels, legal requirements on management of manure, and environmental impact from current horse manure management.

This thesis aims at describing horse manure management in a life cycle perspective. This is made by (1) identifying factors in horse keeping affect­ing the possibility to use horse manure as a biogas feedstock and to recycle plant nutrients, (2) analysing factors in anaerobic digestion with influence on methane potential and biofertilizer nutrient content and (3) comparing the environmental impact from different horse manure treatment methods. Literature reviews, systematic combining, and simulations have been used as research methods.

The results show that horse keeping activities such as feeding, indoor keeping, outdoor keeping and manure storage affect the amount and charac­teristics of horse manure and thereby also the possibilities for anaerobic digestion horse manure. Transport affects the collected amount and spread­ing affects loss of nutrients and nutrient recycling. Simulation results in­dicate the highest methane yield and energy balance from paper bedding, while straw and peat gave a higher nutrient content of the biofertilizer. The highest methane yield was achieved with a low rate of bedding, which in the cases of woodchips and paper is also preferable for plant nutrient recycling. Still, results indicate the best energy balance from anaerobic digestion with a high ratio of bedding. The environmental impact assessment indicates a reduction in global warming potential for anaerobic digestion compared to incineration or composting.

Abstract [sv]

Vid hästhållning alstras hästgödsel som kan användas som växtnäring eller anses vara ett avfall. Hästgödsel utgör både en växtnäringsresurs och en energi resurs. Dessutom styr uppsatta energimål mot att förnybar energi ska ersätta fossila bränslen. Intresset för att öka resursutnyttjandet av hästgödsel ökar på grund av olika incitament för förnybara drivmedel, lagstiftning om gödselhantering och miljöpåverkan från dagens hantering av hästgödsel.

I den här avhandlingen beskrivs hästgödselhantering i ett livscykel­perspektiv genom att (1) identifiera olika faktorer vid hästhållningen som påverkar möjligheten att utvinna biogas ur hästgödsel och återföra näringen till jordbruksmark, (2) analysera faktorer i biogasprocessen som påverkar den specifika metanmängden och innehållet av växtnäring i gödseln och (3) jämföra olika gödselhanteringsmetoders miljöpåverkan. Metoderna i avhan­dlingen har varit litteraturstudier, systematisk kombination av teori och em­piri samt simulering. Resultaten visar att utfodringen, om och hur hästarna hålls inomhus och utomhus och hur hästgödsel lagras påverkar mängden hästgödsel och dess egenskaper, och därmed också hur den fungerar som ett biogassubstrat. Trans­porterna har betydelse för hur mycket gödsel som kan samlas in och spridas, medan gödselspridningen påverkar näringsförluster och närings återföring.

Resultaten från simuleringarna indikerar högst metanutbyte och bäst energi­balans från papper som strömaterial, medan halm och torv gav högre växt­näringsinnehåll i biogödseln. De högsta resultaten på specifik metanmängd nåddes med låg andel strö, vilket också var positivt för växtnäringsinnehållet vid scenarierna med spån och papper. Samtidigt indikerar resultaten att en hög andel strömaterial ger den bästa energibalansen. Miljöpåverkansbedöm­ningen indikerar att potentialen för klimatpåverkan minskar om hästgödsel behandlas i en biogasprocess jämfört med förbränning eller kompostering.

Place, publisher, year, edition, pages
Gävle: Gävle University Press , 2016. , 40 p.
Series
Studies in the Research Profile Built Environment. Licentiate thesis, 2
Keyword [en]
Horse manure, horse keeping, anaerobic digestion, nutrient recycling, systems perspective, bedding, methane potential, feedstock, biogas, biofertilizer
Keyword [sv]
Hästgödsel, hästhållning, rötning, näringsåterföring, systemperspektiv, strömaterial, metanpotential, biogassubstrat, biogas, biogödsel
National Category
Bioenergy
Identifiers
URN: urn:nbn:se:hig:diva-22716ISBN: 978-91-88145-05-5 (print)ISBN: 978-91-88145-06-2 (print)OAI: oai:DiVA.org:hig-22716DiVA: diva2:1045332
Presentation
2016-12-15, Krusenstjernasalen, Kungsbäcksvägen 47, Gävle, 10:30 (English)
Supervisors
Available from: 2016-12-19 Created: 2016-11-09 Last updated: 2017-01-10Bibliographically approved
List of papers
1. A review of potential critical factors in horse keeping for anaerobic digestion of horse manure
Open this publication in new window or tab >>A review of potential critical factors in horse keeping for anaerobic digestion of horse manure
2016 (English)In: Renewable & sustainable energy reviews, ISSN 1364-0321, E-ISSN 1879-0690, Vol. 65, 432-442 p.Article, review/survey (Refereed) Published
Abstract [en]

Keeping horses causes environmental impacts through the whole chain from feed production to manure. According to national statistics, the number of horses in Sweden is currently 360,000 and is continuing to increase. This result in increasing amounts of horse manure that has to be managed and treated, which is currently done using practices that cause local, regional, and global environmental impacts. However, horse manure and its content of nutrients and organic material could be a useful fertiliser for arable land and a substrate for renewable energy production as biogas. The aim of the paper is to identify and describe potentially critical factors in horse keeping determining the amount (total mass) and characteristics (nutrient content and biodegradability) of horse manure, and thus the potential for anaerobic digestion. A systematic combining approach is used as a structural framework for reviewed relevant literature. All factors identified are expressed as discrete choices available to the horse keeper. In all, 12 different factors were identified: type and amount of feed, type and amount of bedding, mucking out regime, residence time outdoors, storage type and residence time of manure in storage, spreading and soil conditions, and transport distance and type of vehicle fuel used. Managing horses in terms of these factors is of vital importance in reducing the direct environmental impacts from horse keeping and in making horse manure attractive as a substrate for anaerobic digestion. The results are also relevant to environmental systems analysis, where numerical calculations are employed and different biogas system set-ups are compared to current and other treatments. In such assessments, the relevance and importance of the critical factors identified here and corresponding conditions can be examined and the most promising system set-up can be devised.

Keyword
Biodegradability, Biogas, Crashworthiness, Environmental impact, Fertilizers, Fuel storage, Fuels, Manures, Nutrients, Substrates, Systems analysis, Environmental systems analysis, Global environmental impacts, Horse keeping, Horse manure, Numerical calculation, Nutrient recycling, Structural frameworks, Transport distances, Anaerobic digestion
National Category
Environmental Engineering
Identifiers
urn:nbn:se:hig:diva-22236 (URN)10.1016/j.rser.2016.06.058 (DOI)000383293800031 ()2-s2.0-84978732237 (Scopus ID)
Available from: 2016-08-17 Created: 2016-08-17 Last updated: 2017-06-29Bibliographically approved
2. Horse manure as feedstock for anaerobic digestion
Open this publication in new window or tab >>Horse manure as feedstock for anaerobic digestion
2016 (English)In: Waste Management, ISSN 0956-053X, E-ISSN 1879-2456, Vol. 65, 506-518 p.Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

Horse keeping is of great economic, social and environmental benefit for society, but causes environmental impacts throughout the whole chain from feed production to manure treatment. According to national statistics, the number of horses in Sweden is continually increasing and is currently approximately 360,000. This in turn leads to increasing amounts of horse manure that have to be managed and treated. Current practices could cause local and global environmental impacts due to poor performance or lack of proper management. Horse manure with its content of nutrients and organic material can however contribute to fertilisation of arable land and recovery of renewable energy following anaerobic digestion. At present anaerobic digestion of horse manure is not a common treatment. In this paper the potential for producing biogas and biofertiliser from horse manure is analysed based on a thorough literature review in combination with mathematical modelling and simulations. Anaerobic digestion was chosen as it has a high degree of resource conservation, both in terms of energy (biogas) and nutrients (digestate). Important factors regarding manure characteristics and operating factors in the biogas plant are identified. Two crucial factors are the type and amount of bedding material used, which has strong implications for feedstock characteristics, and the type of digestion method applied (dry or wet process). Straw and waste paper are identified as the best materials in an energy point of view. While the specific methane yield decreases with a high amount of bedding, the bedding material still makes a positive contribution to the energy balance. Thermophilic digestion increases the methane generation rate and yield, compared with mesophilic digestion, but the total effect is negligible.

Keyword
Horse manure, Bedding, Anaerobic digestion, SS-AD, Methane potential, Feedstock, Operating factor, Biogas, Digestate, BMP, Co-digestion
National Category
Environmental Engineering
Identifiers
urn:nbn:se:hig:diva-22230 (URN)10.1016/j.wasman.2016.06.023 (DOI)000383827700056 ()27396682 (PubMedID)2-s2.0-85004130281 (Scopus ID)
Available from: 2016-08-16 Created: 2016-08-16 Last updated: 2017-01-10Bibliographically approved
3. Life cycle assessment of horse manure treatment
Open this publication in new window or tab >>Life cycle assessment of horse manure treatment
2016 (English)In: Energies, ISSN 1996-1073, E-ISSN 1996-1073, Vol. 9, no 12, 1011Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

Horse manure consists of feces, urine, and varying amounts of various bedding materials. The management of horse manure causes environmental problems when emissions occur during the decomposition of organic material, in addition to nutrients not being recycled. The interest in horse manure undergoing anaerobic digestion and thereby producing biogas has increased with an increasing interest in biogas as a renewable fuel. This study aims to highlight the environmental impact of different treatment options for horse manure from a system perspective. The treatment methods investigated are: (1) unmanaged composting; (2) managed composting; (3) large-scale incineration in a waste-fired combined heat and power (CHP) plant; (4) drying and small-scale combustion; and (5) liquid anaerobic digestion with thermal pre-treatment. Following significant data uncertainty in the survey, the results are only indicative. No clear conclusions can be drawn regarding any preference in treatment methods, with the exception of their climate impact, for which anaerobic digestion is preferred. The overall conclusion is that more research is needed to ensure the quality of future surveys, thus an overall research effort from horse management to waste management.

Keyword
horse manure; bedding material; life cycle assessment (LCA); anaerobic digestion; incineration; composting; biogas; combustion
National Category
Bioenergy
Identifiers
urn:nbn:se:hig:diva-23035 (URN)10.3390/en9121011 (DOI)000392402700012 ()2-s2.0-85002989961 (Scopus ID)
Note

Funding: Region Gävleborg

Available from: 2016-12-15 Created: 2016-12-14 Last updated: 2017-03-01Bibliographically approved
4. Energi och växtnäring från hästgödsel: Förbehandling, rötning och biogödselavsättning
Open this publication in new window or tab >>Energi och växtnäring från hästgödsel: Förbehandling, rötning och biogödselavsättning
2015 (Swedish)Report (Other academic)
Abstract [sv]

Antalet hästar i samhället ökar och idag finns det enligt Jordbruksverket drygt 360 000 hästar i Sverige, där tre fjärdedelar återfinns inom tätorter eller i tätortsnära miljöer. Alla dessa hästar skall enligt beräkningar ge upphov till en total gödselmängd på uppemot 1,4 miljoner ton per år. Om denna gödsel rötas effektivt motsvarar detta en årlig biogaspro­duktion på 641 GWh, vilket är knappt hälften av all biogas som producerades i Sverige 2010. Även om det föreligger en del praktiska begränsningar i hur mycket av potentialen som kan utnyttjas så finns här trots allt en betydande potential till ökad användning av förnybar energi. Genom att samla in gödseln och röta den uppnås tre miljövinster:

  1. Utsläppen från konventionell hantering där gödseln ligger kvar eller komposteras upphör.
  2. Rötning av gödseln ger upphov till biogas som kan användas för att generera el och värme eller, efter rening, som fordonsbränsle; därigenom kan utsläpp från fossila bränslen reduceras.
  3. Den efter processen uppkomna biogödseln kan användas inom jordbruket och däri­genom ersätta konstgödsel varigenom ytterligare miljövinster uppstår.

Trots alla dessa möjligheter finns det dock en del hinder och kunskapsluckor. I denna rapport görs en systematisk genomgång av kunskapsläget angående hästgödselhantering, förbehandlingsmetoder, rötningsmetoder för hästgödsel samt aspekter på spridning av biogödsel från hästgödsel. I denna del görs i huvudsak kvalitativa beskrivningar medan kommande rapporter redovisar indikativa beräkningar av miljövinsterna med olika sätt att ställa om hanteringen.

Slutsatserna är att det finns många faktorer som talar för att utvinna energi från häst­gödsel som t.ex. att det finns betydande gödselmängder relativt nära tätorter, att halm som strömaterial ger ett tillskott i biogasproduktionen, att det finns gott om mark för spridning av biogödsel och att en förbättrad hästgödselhantering även är en bra vattenskyddsåtgärd. På den negativa sidan finns att rötning av hästgödsel är relativt oprövat och att det är svårt att bedöma hur ökade kostnader för avfallshantering påverkar hästnäringen. En annan slutsats är att det överlag saknas kunskap om hästgödsel ur ett miljöperspektiv på en sådan nivå som krävs för tillförlitliga miljöbedömningar. Vi hoppas trots detta kunna föreslå systemlösningar som i högre utsträckning än tidigare ska kunna visa sig fungera tekniskt och vara genomförbara ekonomiskt. Om dessa systemlösningar omsätts i praktisk verklighet kan miljövinster göras genom minskad klimatpåverkan, minskad övergödning, ökad biologisk mångfald och minskad användning av ändliga resurser.

Abstract [en]

The number of horses in society is increasing and today, according to Swedish Board of Agriculture, there are approximately 360,000 horses in Sweden, where three-quarters are found in urban or near-urban environments. All these horses will, according to calcula­tions, give rise to a total amount of manure of up to 1.4 million tons per year. If this manure is digested efficiently, this corresponds to an annual biogas production of 641 GWh, which is almost half of all biogas produced in Sweden in 2010. Although there are some practical limitations on how much of the potential that can be exploited, there is nevertheless a significant potential for increased use of renewable energy. By collecting manure and digesting it, three environmental benefits can be achieved:

  1. Emissions from conventional management where the manure is piled and stored, or spontaneously composted, are avoided
  2. Anaerobic digestion of manure produces biogas that can be used to generate elec­tricity and heat and, after upgrading (purification and pressure increase), as vehicle fuel; thereby fossil fuel emissions are reduced
  3. The resulting digestate can be used in agriculture, thereby replacing chemical ferti­lizer which provides additional environmental benefits

Despite all these possibilities there are some obstacles and gaps in knowledge. This report is a systematic review of the state of knowledge about horse manure management, pre­treatment methods, digestion methods of horse manure, as well as aspects of the prolifer­ation of bio-fertilizer from horse manure. This part is mainly qualitative descriptions while subsequent reports present indicative calculations of the environmental benefits of different ways to design the management.

The conclusions are that there are many factors that point to extract energy from horse manure, e.g. there are significant amounts of manure relatively close to urban areas, the straw bedding materials provide a supplement in biogas production, there is plenty of land for spreading digestate, and an improved horse manure management is also a good water protection measure. Drawbacks are that the digestion of horse manure is relatively untested and it is difficult to assess how increased waste management costs affect the horse industry. Another conclusion is the general lack of knowledge of horse manure from an environmental perspective at a level required for reliable environmental assess­ments. Nevertheless we hope to be able to propose system solutions which to a greater extent than previously should prove to work technically and be economically feasible. If these systems are translated into practical reality, environmental gains can be made through reduced environmental impact, reduced eutrophication, increased biodiversity and reduced use of finite resources.

Place, publisher, year, edition, pages
Gävle: Gävle University Press, 2015. 43 p.
Series
RD-report, ISSN 1403-8749 ; 42
National Category
Bioenergy
Identifiers
urn:nbn:se:hig:diva-20780 (URN)
Projects
Hästkrafter och hästnäring - hållbara systemlösningar för biogas och biogödsel
Note

Delrapport 1 inom projektet ”Hästkrafter och hästnäring -hållbara systemlösningar för biogas och biogödsel”

Available from: 2015-12-04 Created: 2015-12-04 Last updated: 2016-12-19Bibliographically approved
5. Hästkrafter och hästnäring – hållbara systemlösningar för biogas och biogödsel: Explorativ systemanalys med datormodellen ORWARE
Open this publication in new window or tab >>Hästkrafter och hästnäring – hållbara systemlösningar för biogas och biogödsel: Explorativ systemanalys med datormodellen ORWARE
2015 (Swedish)Report (Other academic)
Abstract [sv]

Antalet hästar i Sverige ökar och enligt beräknad statistik från Jordbruksverket finns det uppskattningsvis 360 000 hästar i landet. Dessa hästar återfinns i olika typer av verksam­heter (jordbruk, turridning, trav och galopp med mera) och ger upphov till stora mängder hästgödsel. Hästgödsel består av fekalier, urin och strömaterial där olika strömaterial används olika mycket. Hanteringen av hästgödseln medför miljöproblem då miljöstö­rande ämnen avges vid nedbrytning av det organiska materialet, samtidigt som växtnä­ringsämnen inte återförs till kretsloppet. Intresset för att kunna röta hästgödseln och till­verka biogas har ökat i och med ett ökat intresse för biogas som förnybart drivmedel.

Denna studie har haft som mål att belysa miljöpåverkan från olika sätt att hantera häst­gödsel i ett systemperspektiv. Särskild uppmärksamhet har riktats mot inblandningen av olika typer av strömedel och hur det påverkar effektiviteten i olika behandlingsprocesser. Behandlingsmetoderna som undersökts är

  1. Okontrollerad kompostering
  2. Kontrollerad kompostering
  3. Storskalig förbränning i ett avfallskraftvärmeverk
  4. Torkning och småskalig förbränning
  5. Torrötning
  6. Våtrötning med och utan termisk förbehandling

Till följd av betydande dataosäkerhet i undersökningen är resultaten endast indikativa men de pekar ändå på storskalig förbränning som en miljömässigt bra metod. Undantag utgör bidrag till klimatpåverkan där rötning i olika former är att föredra. Utifrån under­sökningen av olika strömaterial framstår pappersströ som ett intressant alternativ att gå vidare med.

Den övergripande slutsatsen är att mer forskning behövs för att säkerställa kvaliteten i kommande undersökningar, det vill säga en samlad forskningsinsats från hästhållning till avfallshantering. 

Abstract [en]

The number of horses in Sweden is increasing and according to estimated statistics from Swedish Board of Agriculture, there are an estimated amount of 360,000 horses in the country. These horses are found in different types of activities (agriculture, trail riding, trot and canter, etc.) and they generate large quantities of horse manure. Horse manure consists of feces, urine and bedding material which various bedding materials used to various amount. The management of horse manure causes environmental problems when emissions occur during decomposition of organic material, in addition to nutrients not being recycled. The interest for horse manure be subject to anaerobic digestion and thereby produce biogas has increased with the increased interest in biogas as a renewable fuel.

This study has aimed to highlight the environmental impact of different ways to treat horse manure from a system perspective. Special attention has been focused on the involve­ment of different types of litter/bedding material and how it affects the effective­ness of various treatment processes. The treatment methods investigated are

  1. Unmanged composting
  2. Managed Composting
  3. Large-scale incineration in a waste fired CHP plant
  4. Drying and small-scale combustion
  5. Solid state anaerobic digestion
  6. Liquid state anaerobic digestion with and without thermal pre-treatment

Following significant data uncertainty in the survey, the results are only indicative, but they still point to large-scale incineration as an environmentally sound method. An excep­tion is the contribution to climate impact where digestion in different forms are preferred. Based on the study of various bedding materials, paper pellet appear as an interesting alternative to move forward with.

The overall conclusion is that more research is needed to ensure the quality of future surveys, thus an overall research effort from horse management to waste management.

Place, publisher, year, edition, pages
Gävle: Gävle University Press, 2015. 48 p.
Series
RD-report, ISSN 1403-8749 ; 43
Keyword
horse manure, bedding material, biogas, incineration, composting, LCA, hästgödsel, strömedel, biogas, förbränning, kompostering, LCA
National Category
Bioenergy Other Civil Engineering
Identifiers
urn:nbn:se:hig:diva-20781 (URN)
Projects
Hästkrafter och hästnäring – hållbara systemlösningar för biogas och biogödsel
Note

Slutrapport

Available from: 2015-12-04 Created: 2015-12-04 Last updated: 2016-12-19Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(542 kB)537 downloads
File information
File name FULLTEXT02.pdfFile size 542 kBChecksum SHA-512
c8ff8a24862f8ff79001b12f8ef033cddf728da0073fc7b48c80c2e6dca8c1e2ea2a4181e1d9f5fcf6bc2168dd9b5f8e63c817c1f8efc86304abf98d469bb973
Type fulltextMimetype application/pdf

Search in DiVA

By author/editor
Hadin, Åsa
By organisation
Environmental engineering
Bioenergy

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 538 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

Total: 234 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard-cite-them-right
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • sv-SE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • de-DE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf