Mechanical pretreatment of animal bedding materials to improve water absorbability and biogas potential

Abstract

Water absorbability and retention are essential qualities of bedding materials, as they ensure effective moisture absorption from bedding and are directly linked to animal well-being. As peat is the most commonly used bedding material in Finland, there is growing interest in environmentally friendly alternatives. Mechanical pretreatment has been shown to increase absorption capacity of bedding materials through particle size reduction. This thesis focuses on evaluating the effects of mechanical treatment on water absorption and retention of straw, reed canary grass (RCG), and sawdust, and examines the biogas potential of mechanically treated RCG and sawdust.

Mechanical treatment was conducted through milling using a ball mill and a planetary ball mill, and factors influencing particle size reduction were investigated. Water absorption was tested across a 0.3-2.5 mm particle size range, within straw exhibited the highest overall water absorption and retention. However, size reduction didn’t improve straw’s absorbency, likely due to distribution on its capillary structure. In contrast, size reduction increased water absorption with RCG and sawdust.

Biogas potential was evaluated using anaerobic digestion, where RCG achieved higher methane yields than sawdust across all particle sizes, by approximately 20-50 %. For RCG particle size reduction primarily enhanced digestion kinetics rather than total methane yield. Sawdust showed inconsistent particle size effects, indicating that biomass structure and composition play a significant role in digestion performance.

Veden imeytyvyys ja pidätyskyky ovat kuivikemateriaalinen keskeisiä ominaisuuksia, sillä ne mahdollistavat tehokkaan kosteuden sitomisen ja ovat näin suoraan yhteydessä eläinten hyvinvointiin. Turve on Suomessa yleisimmin käytetty kuivikemateriaali, mikä on lisännyt kiinnostusta löytää sille korvaavia, ympäristöystävällisempiä vaihtoehtoja. Mekaanisen esikäsittelyn on osoitettu parantavan kuivikkeiden vedenimeytyskykyä partikkelikoon pienentämisen kautta. Tässä diplomityössä tarkastellaan mekaanisen käsittelyn vaikutuksia oljen, ruokohelven ja sahanpurun vedenimeytys- ja vedenpidätysominaisuuksiin, sekä mekaanisesti käsitellyn ruokohelven ja sahanpurun biokaasupotentiaaliin.

Mekaaninen käsittely toteutettiin jauhamalla materiaaleja kuulamyllyllä ja planeettakuulamyllyllä, ja partikkelikoon pienentymiseen vaikuttavia ominaisuuksia tutkittiin. Vedenimeytyvyyskykyä testattiin 0.3–2.5 mm partikkelikokovälillä, jossa olki osoitti korkeimmat vedenimeytys- ja vedenpidätysarvot. Partikkelikoon pienentäminen ei parantanut oljen imeytyskykyä, mikä saattaa johtua sen kapilaarirakenteen vaurioitumisesta. Sen sijaan ruokohelvellä ja sahanpurulla partikkelikoon pienentäminen lisäsi vedenimeytyskykyä.

Biokaasupotentiaalia arvioitiin anaerobisessa mädätyksessä, jossa ruokohelpi saavutti kaikissa partikkelikokoluokissa noin 20–50 % suuremmat metaanituotot verrattuna sahanpuruun. Ruokohelven osalta koon pienentäminen nopeutti mädätysprosessin kinetiikkaa, mutta ei merkittävästi lisännyt kokonaismetaanituottoa. Sahanpurun kohdalla havaitut epäjohdonmukaiset partikkelikoon vaikutukset viittaavat siihen, että biomassan rakenteella ja koostumuksella on merkittävä rooli mädätysprosessin toiminnassa.