Meststoffen en kunstmestvervangers uit reststromen: Ervaringen vanuit het EU H2020 project SYSTEMIC

Van dierlijke mest naar kunstmestvervanger

De huidige energie- en grondstoffencrisis illustreert het belang van een hogere benutting van nutriënten uit reststromen. Het project laat zien dat het technisch mogelijk is om mest, organische reststromen en zuiveringsslib te verwerken tot meststoffen zonder dat milieu-emissies daarbij toenemen al blijft het een uitdaging om een goed verdienmodel te realiseren.

Het Nederlandse bedrijf Groot Zevert Vergisting (GZV, Beltrum) was één van demonstratielocaties in het project. Dit bedrijf richt zich op de vergisting van mest en co-producten. Door co-vergisting van reststromen uit de agro-food industrie wordt een hoge biogasproductie gerealiseerd en dit biogas wordt via een pijpleiding getransporteerd naar een nabijgelegen zuivelfabriek. De afzet van digestaat is echter een grote kostenpost omdat er in de regio een overschot is aan is dierlijke mest. Er is wel behoefte aan stikstof in de vorm van kunstmestvervangers als aanvulling op de basisbemesting met dierlijke mest. Voor fosfaatrijke meststoffen is er geen afzetmarkt omdat de fosfaatgebruiksnormen de aanvoer van fosfaat naar landbouwgronden beperken.

Het bedrijf investeerde daarom in scheidingsinstallaties waarbij fosfaat wordt afgescheiden in een dikke fractie. Een deel van de stikstof wordt teruggewonnen in een mineralenconcentraat en water wordt afgescheiden als schoon loosbaar water. Aanvankelijk was de doelstelling om 45% van het digestaat om te zetten in schoon water maar dit bleek gaandeweg niet haalbaar. Wel zijn er succesvol stappen doorgevoerd om het gebruik van zwavelzuur, polymeer en andere additieven sterk terug te dringen. Ongeveer 33% van de minerale stikstof wordt teruggewonnen in het concentraat na omgekeerde osmose. Dit product wordt aangeduid als mineralenconcentraat al zijn de gehalten aan mineralen laag (0.8% N) ten opzichte van vloeibare kunstmeststoffen. Fosfaat wordt teruggewonnen in een dikke fractie en daarna verkocht in de Eiffel regio waar vraag is naar fosfaatmeststoffen.

Mineralenconcentraat is een geschikte kunstmestvervanger om de stikstof voor meer dan 90% aanwezig is in minerale vorm (NH₄). Er is echter ook wettelijke erkenning nodig als kunstmestvervanger om het product als zodanig toe te passen. Een definitieve vrijstelling voor kunstmestvervangers uit mest – ook wel aangeduid als RENURE (Recovered Nitrogen from manURE) producten - wacht nog op een besluit door de Europese Commissie (tekst 23 aug. 2022). Voorlopig werkt Groot Zevert met een tijdelijke ontheffing in het kader van de pilot ‘Kunstmestvrije Achterhoek’ waarmee mineralenconcentraat gebruikt mag worden boven de gebruiksnorm voor dierlijke mest.

Om het product beter in de markt te kunnen zetten wordt er extra stikstof in de vorm van Urean (ammoniumnitraat) bijgemengd waarna het product onder de merknaam ‘Groene Weide Meststof’ wordt verkocht aan lokale boeren. Het bijmengen van stikstof is nodig om een product te maken waarin zowel stikstof, kalium en zwavel in verhouding staan tot de gewasbehoefte. Het product wordt verkocht voor de kunstmestwaarde. Deels gaan die inkomsten op aan kosten voor opslag buiten het seizoen, transport en het uitrijden want deze kosten zijn bij gebruik van de waterige kunstmestvervangers hoger dan bij gebruik van de reguliere gekorrelde kunstmeststoffen.

Een innovatieve stikstofstripper

Op de demonstratielocatie van Benas (Bremen, Duitsland) worden energiegewassen en kippenmest vergist. De vergisting van de stikstofrijke kippenmest is alleen mogelijk door het ammoniakgehalte in de vergister te verlagen omdat hoge ammoniakconcentraties toxisch zijn voor de biogasvormende bacteriën. Hiervoor is de vergister voorzien van een innovatieve stikstofstripper en scrubber ontworpen door GNS (Halle, Duitsland). Innovatief omdat deze scrubber ammoniak bindt met gips (CaSO₄, een restproduct uit de industrie) in plaats van het dure zwavelzuur wat gebruikt wordt in reguliere scrubbers. Er ontstaat een ammoniumsulfaat en een kalkmeststof en een digestaat. Alle meststoffen worden gebruikt op eigen grond voor de teelt van energiegewassen. Hoewel dit vanuit circulariteit een mooi voorbeeld is, geeft dit ook een risico op te hoge zwavelgiften bij overmatig gebruik van ammoniumsulfaat.

De vergistingsinstallatie van BENAS (Bremen, Duitsland) heeft een solide business case vanuit de verkoop van energie. Afhankelijk van de vraag op het elektriciteitsnet wordt de biogas omgezet naar elektriciteit óf opgewaardeerd tot groengas. Groengas heeft een methaangehalte gelijk aan aardgas en kan zodoende op gasnetwerk geleverd worden. De mogelijkheid om vraag gestuurd elektriciteit te produceren uit biogas draagt bij aan een hogere stabiliteit op het elektriciteitsnet en geeft hogere inkomsten voor de producent.

Hoogwaardige toepassingen voor organische vezels uit digestaat

Groot Zevert Vergisting en Benas creëren daarnaast waarde door de opwerking van organische vezels uit digestaat voor gebruik in hoogwaardige producten. Bij Benas worden organische vezels, afkomstig uit de energiegewassen, op eigen locatie verwerkt tot kartonnen producten waaronder plantenpotjes. De vezels zijn ook geschikt voor gebruik in potgrond en toegelaten in de biologische landbouw. Groot Zevert Vergisting heeft geïnvesteerd in een systeem waarmee de organische vezels gespoeld kunnen worden om zouten en fosfaat te verwijderen. Hierna is het product geschikt voor toepassing in potgronden ter vervanging van veen. Potgrondbedrijven hebben de doelstelling om het gebruik aan veen in potgrond en substraat terug te dringen en er is veel interesse in kwalitatief hoogwaardige alternatieve producten. Bij beide bedrijven is er een langdurig ontwikkeltraject aan voorafgegaan en is er ondanks goede perspectieven nog geen langdurige afzet van de producten.

Drogen en indampen van digestaat met restwarmte

Twee demonstratiebedrijven zijn gevestigd in Vlaanderen, een regio waar afzet van digestaat lastig is door een overschot aan dierlijke mest in de markt. AmPower (Ieper, België) vergist reststromen uit de agro-food industrie en huishoudelijk organisch afval. Bij Waterleau New Energy (Ieper, België) wordt daarnaast ook varkensmest aan de vergister toegevoegd. Beide bedrijven hebben een vergelijkbaar verwerkingsroute voor het digestaat. Na een eerste scheidingsstap wordt de dikke fractie gedroogd tot een vaste meststof geschikt voor export.

De resterende waterige fractie wordt ingedampt met behulp van restwarmte om het volume te verlagen. Tijdens het indampen vervluchtigd ook ammoniak en koolstofdioxide. Door condensatie kan dit worden teruggewonnen waarbij een oplossing ontstaat met ammonium-bicarbonaat. In de praktijk wordt dit ook wel ammoniumwater genoemd. Deze oplossing is niet geschikt voor gebruik als meststof omdat ammoniak snel vervluchtigt door de hoge pH waarde. Waterleau verkoopt het ammoniumrijke water aan een nabijgelegen fabriek als vervanging van ammoniumwater in luchtgasreinigingsinstallaties. Hoewel dit een duurzame oplossing is, heeft de bedrijfseigenaar voor de toekomst plannen om de stikstof met een zure wasser terug te winnen in de vorm van ammoniumsulfaat wat wel een geschikte meststof is. Het bedrijf wacht echter nog op de nieuwe regelgeving die het gebruik van ammoniumsulfaat uit dierlijke mest als kunstmestvervanger toestaan.

Ook bij AmPower wordt het waterige digestaat indampt maar zonder daarbij de stikstof af te scheiden. Om te voorkomen dat ammonium tijdens het verhitten vervluchtigd, wordt het digestaat aangezuurd met zwavelzuur. Het proces levert een organische meststof op rijk aan stikstof en zwavel. AmPower verwerkt geen dierlijke mest waardoor de gebruiksnorm voor dierlijke mest (170 kg N/ha) niet van toepassing is bij gebruik van de eindproducten. Toch ervaren ze moeilijkheden bij de afzet van de meststoffen in de regio o.a. door beperkingen t.a.v. fosfaat en omdat het injecteren van een vloeibaar concentraat duurder is dan het uitrijden van kunstmest.

Bij beide bedrijven vraagt het drogen en indampen van digestaat veel thermische energie. Hiervoor wordt restwarmte gebruikt welke vrijkomt bij de omzetting van gas naar elektriciteit. Hierbij wordt ongeveer 40% van energetische waarde van biogas omgezet in elektriciteit, 40% in restwarmte en 20% in verliezen. Hoewel de energiebehoefte van de digestaatverwerking ingevuld wordt met duurzame energie zou vanuit duurzaamheidsoogpunt de vraag gesteld kunnen worden of er een meer hoogwaardige toepassing van restwarmte mogelijk is zoals verwarming van woningen. Een ander nadeel is dat deze bedrijven door de afhankelijkheid van restwarmte niet kunnen overstappen naar productie van groengas.

Sluiten van de fosfaatkringloop door gebruik van zuiveringsslib

Dat ook zuiveringsslib van rioolwaterzuiveringen geschikt is voor productie van meststoffen bewijst het Italiaanse bedrijf Aqua&Sole, gelegen nabij Milaan. Door de thermofiele vergisting bij 55 °C ontstaat een stabiel en gehygieniseerd digestaat. Thermofiele vergisting vraagt om controle van ammoniakconcentraties in de vergistingsinstallatie omdat hoge concentraties van ammoniak de biogasproductie remmen. Aqua&Sole heeft daarom geïnvesteerd in een geavanceerde stikstof stripper waarmee tot 40% van de minerale stikstof uit het digestaat wordt afgevangen in de vorm van ammonium sulfaat oplossing. Het digestaat wordt lokaal gebruikt ter bemesting van akkerbouwgronden terwijl het ammoniumsulfaat – dankzij een einde-afval status – vrij verhandeld wordt en benut wordt als kunstmestvervanger. In de regio gelden geen fosfaatgebruiksnormen waardoor er met digestaat meer fosfaat wordt bemest dan nodig is. De onderzoekers adviseren om fosfaatevenwichtsbemesting toe te passen om ophoping van fosfaat in de bodem te voorkomen en tevens de aanvoer van zware metalen naar de bodem te verlagen. Terugwinning en hergebruik van fosfaat uit rioolwater is cruciaal om te komen tot een gesloten fosfaatkringloop. Toch staat ook in Italië het gebruik van zuiveringsslib in de landbouw onder druk vanwege zorgen over contaminanten.

Kunstmestvervangers

Binnen het project werden diverse organische en minerale meststoffen gemaakt waaronder ook kunstmestvervangers zoals ammoniumsulfaat en mineralenconcentraat. Kunstmestvervangers zijn meststoffen waarin stikstof voor minimaal 90% aanwezig is in minerale vorm.

Bij kunstmestvervangers is stikstof aanwezig in de vorm van ammonium (NH₄) waardoor er risico’s zijn op vervluchtiging van ammoniak. Dit geldt met name voor mineralenconcentraat wat zich kenmerkt door een relatief hoge pH. Door het concentraat in de bodem te injecteren zijn emissies lager dan drijfmest omdat het product sneller in de bodem infiltreert. Groot Zevert liet hiervoor een nieuwe bemester ontwikkelen. Veldproeven wijzen uit dat bij een goede aanwending de stikstofwerking en opbrengsten gelijk zijn ten opzichte van kunstmest. Het mengen van mineralenconcentraat met mest wordt afgeraden omdat de stikstofwerking dan lager zal zijn door hogere ammoniakverliezen. In dat geval zal ook de stikstofwerking lager zijn waardoor een deel opbrengst wordt gemist.

Ammoniumsulfaat is een geschikte kunstmestvervanger maar het hoge zwavelgehalte is een aandachtspunt. Maar een klein deel van de stikstofbehoefte kan ingevuld worden met ammoniumsulfaat omdat hoge zwavelgift nadelig is voor de opname van sporenelementen en leidt tot uitspoeling zwavel in de vorm van sulfaat. Ammoniumsulfaat mag niet gemengd worden met mest of digestaat omdat hierbij schadelijke mestgassen gevormd kunnen worden. Hoge zwavelgehalten zijn ook een punt van aandacht bij concentraten na omgekeerde osmose of verdamping omdat hierbij zwavelzuur wordt gedoseerd om ammoniak vervluchtiging te voorkomen. Bij het opstellen van bemestingsplannen met herwonnen meststoffen moet daarom ook rekening gehouden gaan worden met zwavel.

Afhankelijk van de techniek wordt tot 35% van de totale stikstof uit het digestaat teruggewonnen in de vorm van een minerale kunstmestvervanger. De overige 70% van de stikstof wordt afgevoerd in de vorm van organische meststoffen waaronder digestaat en vaste meststoffen. Bij het doorrekenen van effecten op stikstofemissies is het van belang om niet alleen de kunstmestvervanger te beschouwen maar ook de resterende organische meststoffen omdat die laatste ook bijdragen aan emissies van nitraat en ammoniak.

Grote verschillen in gewasbeschikbaar fosfaat

Fosfaat werd op de meeste bedrijven afgescheiden in een dikke fractie welke al dan niet verder gedroogd werd. Analyse van de fosfaatbeschikbaarheid laat echter zien dat er grote verschillen zijn in beschikbaarheid van fosfaat tussen meststoffen uit digestaat. De fosfaatbeschikbaarheid is hoog bij meststoffen uit vergiste dierlijke mest maar neemt af zodra de vergister ook ijzerhoudende reststromen verwerkt. De vaste fosfaatrijke meststoffen worden veelal verhandeld in Frankrijk waar het gebruik niet gelimiteerd wordt door fosfaatgebruiksnormen. Een lagere fosfaatbeschikbaarheid wordt door de verwerkers niet als knelpunt ervaren bij de afzet van het product. Hierbij speelt ook mee dat het gebruikelijk is om alleen totaal fosfaat gehalte te vermelden en de afnemer dus niet bekend is met de mate van beschikbaarheid.

Géén organische contaminanten in loosbaar water

De onderzoekers brachten ook de gehalten aan organische microverontreinigingen in beeld. Digestaat bevat residuen van herbiciden, pesticiden en in enkele gevallen ook residuen van veterinaire geneesmiddelen. Op drie bedrijven werd digestaat ontwaterd waarbij schoon water ontstaat wat wordt geloosd op oppervlaktewater; in deze waterstromen zijn geen residuen aangetroffen wat aangeeft dat deze lozingen geen risico’s vormen voor verspreiding van residuen. Ook in ammoniumsulfaat werden geen residuen aangetroffen. Opvallend was dat digestaat van zuiveringsslib, welke was vergist bij relatief hoge temperaturen (thermofiele vergisting, 55 °C), géén residuen van geneesmiddelen bevatte. Op de andere locaties werd vergist bij lagere temperaturen (mesofiele vergisting, 40 °C) en werden wel residuen van diergeneesmiddelen aangetroffen.

Negatieve CO₂ voetafdruk door opwek biogas en vervangen kunstmest

De onderzoekers brachten ook de CO₂ voetafdruk van de demobedrijven in beeld. Alle bedrijven hebben een negatieve CO₂ voetafdruk wanneer we aannemen dat biogas een vervanger is voor fossiele brandstoffen. Dierlijke mest en zuiveringsslib geven een relatief lage biogasopbrengst omdat dit stromen zijn met een hoog vochtgehalte. Hoge biogasopbrengsten worden behaald door vergisting van co-producten of – in Duitsland - energiewassen.

De opwerking van digestaat tot nieuwe meststoffen heeft een klein positief effect op de algehele CO₂ voetafdruk van de demonstratiebedrijven. Door digestaat te verwerken tot meer geconcentreerde meststoffen daalt de CO₂ uitstoot geassocieerd met transport van digestaat maar dit voordeel wordt voor een deel teniet gedaan door het energieverbruik voor de scheiding van het digestaat. Een klein deel van de opgewekte energie wordt gebruikt voor digestaat-verwerking; alle bedrijven leveren netto energie aan het net in de vorm van gas of elektriciteit.

Daarnaast wordt voordeel behaald het vervangen van stikstofkunstmest door herwonnen meststoffen. De productie van minerale stikstofkunstmest kost veel energie en het vervangen van kunstmest door digestaat of een kunstmestvervanger levert een besparing op in CO₂ emissies.

Herwonnen meststoffen leveren nog niet altijd geld op

De voornaamste bron van inkomsten is de verkoop van energie. De opwerking van digestaat tot meststoffen heeft beperkt effect op de totale business case omdat de afzet van deze meststoffen vaak nog steeds een kostenpost is. Dit komt deels door een lagere waardering in de markt ten opzichte van kunstmest en deels omdat herwonnen meststoffen minder geconcentreerd zijn waardoor de logistieke kosten hoger zijn dan bij gebruik van kunstmest. De opwerking van digestaat tot meststoffen draagt wel bij een hogere mate van flexibiliteit in de afzet van herwonnen meststoffen ten opzichte van onbewerkte digestaat. Deze economische analyse is echter uitgevoerd vóór de huidige energie- en grondstoffencrisis. Met name kunstmestvervangers uit digestaat profiteren van de huidige hoge prijzen voor kunstmest.

De deelnemende bedrijven bevonden zich allen in gebieden met veel intensieve veehouderij waardoor er in de regio geen vraag is naar onbewerkte digestaat. Uit een verkenning voor andere biogasbedrijven blijkt dat opwerking van digestaat geen economisch voordeel biedt wanneer er mogelijkheden zijn om het onbewerkte digestaat als meststof af te zetten. De lokale markt voor meststoffen is daarmee sturend bij de keuze voor investering in verwerkingstechnieken voor digestaat.

Veel kennis beschikbaar voor andere biogas installaties

Het SYSTEMIC project heeft een grote hoeveelheid data en nieuwe inzichten geleverd over de technische werking van installaties, energie- en chemieverbruik, kwaliteit van de meststoffen, kosten voor de verwerking en de milieukundige voordelen. Deze gegevens zijn nu openbaar toegankelijk. Hiermee draagt het project bij aan de transitie naar een circulaire economie.

Klik hier voor een volledige lijst van alle eindproducten van het project.