Composting for increasing the fertilizer value of chicken manure: effects of feedstock on P availability B. Vandecasteele1, B. Reubens1, K. Willekens1, A. Beeckman2, L. Delanote2, S. De Neve3 1Institute for Agricultural and Fisheries Research (ILVO), Belgium 2Inagro, Belgium 3Ghent University, Belgium ORBIT 2012 Topic 7 – Nutrients 14/06/2012 Instituut voor Landbouw- en Visserijonderzoek Eenheid Plant www.ilvo.vlaanderen.be Beleidsdomein Landbouw en Visserij

Composting for increasing the fertilizer value of chicken manure: effects of feedstock on P availability Introduction and background Experimental set-up Results Compost trial 1 Compost trial 2 Mixing chicken manure with compost P availability in composts Practical issues Conclusions ILVO?

Introduction Flanders Region (N Belgium): High soil P status, high P levels in surface water Nitrate directive => Manure Decree: limited use of N and P in agriculture low P input! N:P ratio of manures and compost Soil org. C low => C:P ratio of manures and compost Chicken manure: low C:P and N:P

Background Organic agriculture: closing the nutrient cycle Chicken manure Reducing nutrient losses during storage Amelioration of the product (fertilizer and soil improver) Optimising the manure application Evolution towards a 100% organic cycle Manure from organic chicken farms => organic vegetable farming Higher C:P ratio, higher application rate (manure decree) C:P ratio as end-user criterion

Experimental set-up Using chicken manure in composting Farm composting: windrow composting in open air: - Feedstock mixtures? - Amount of chicken manure? Mixing chicken manure with compost products Central manure processing: chicken manure + horse manure + green waste compost Storage of chicken manure with green waste compost Applying green waste compost as bedding material 3. Short-term field trial with compost products

Composting trial ≠ feedstock mixtures Feedstock composition ratio volume%: chicken manure 15 % + grass 10% + wheat straw 30% + hay 25% + green W compost 20% chicken manure 7.5% + grass 20% + wheat straw 30% + bark 42.5% chicken manure 7.5% + grass 20% + wheat straw 30% + hay 42.5% Feedstock composition ratio %DM: chicken manure 30% + grass 1% + wheat straw 10% + hay 4% + green W compost 55% chicken manure 30% + grass 5% + wheat straw 10% + bark 55% chicken manure 45% + grass 5% + wheat straw 15% + hay 35% Initial C/N ratio: 24 29 22 A B C 70-75 vol% bruin materiaal Redenering: vertrekkende van een vooropgestelde verhouding tussen de verschillende materialen (streven naar gunstige C/N verhouding van 30 en verhouding tussen bruine en groene materialen) werden bij de opzet de materialen stuk per stuk afgewogen. Dit leidde tot de gewichtsverhouding zoals hier voorgesteld. Omgerekend naar volumeverhouding geeft dat het volgende …. C/N verhouding … Werkelijke vol verhoudingen Kippenmest 8% + grasmaaisel 20% + tarwestro 25% + gz-hooi 35% + groencompost 12% Kippenmest 5% + grasmaaisel 35% + tarwestro 25% + houtschors 35% Kippenmest 5% + grasmaaisel 23% + tarwestro 15% + gz-hooi 57%

Composting trial ≠ feedstock mixtures Set-up: Windrows of 20m Moisten with drip irrigation “Uniram” (8L/meter/hour) Compost cover: semi-permeable fabrics Tractor-pulled compost turner Regular monitoring of temperature and CO2

Initial feedstock mixture During composting process materials Initial feedstock mixture During composting process Compost storage and curing total and available concentrations total concentrations

Composting trial ≠ feedstock mixtures compost C initially highest CO2 contents Then followed by compost A Compost B: delayed peak for CO2 contents Circumstances: intensive rain, snow and temp < 0°C => wet composts N losses: 13, 0 and 30% N losses dro compost A – B - C Visueel: allen vrij vochtig. Vooral A en C enorm kleverig. B relatief beste materiaal, meest luchtige materiaal

Composting trial ≠ feedstock mixtures Composting process (sept 2010 – nov 2010): 6x turned – 1x irrigated 11x turned – 6x irrigated 10x turned – 3x irrigated Hoop A 6x gekeerd waarvan 4x in de 1e 14 dagen; Hoop B 11x gekeerd waarvan 5x in de 1e 14 dagen en 2x voor verplaatsing; Hoop C 10x gekeerd waarvan 5x in de 1e 14 dagen en 2x voor verplaatsing Opvallend: B langst actief gebleven – hoogste temp – luchtiger en meer stabiele C A plotse heropleving na verplaatsing en ophoping

Degree of biodegradation Van Soest: NDF, ADF, ADL Degree of biodegradation: (hemicellulose + cellulose)/ lignin

Compost Quality (1) Parameter A B C pH-H2O (-) 8.56 8.59 8.31 EC (μS/cm) 3385 945 2453 NO3-N (mg/l) 114.0 40.5 57.4 NH4-N (mg/l) 45.83 <5 15.45 OM (%/DM) 36.8 51.0 30.8 OUR (mmol/kg OM/h) 7.2 4.1 11.1 Hoop B springt er duidelijk uit Qua stabiliteit: zeer stabiel tov A stabiel en C matig stabiel Ammoniumgehalte erg laag -> duidt ook op stabiliteit. Voor alle producten wel zo dat nitraat hoger is dan ammonium -> wijst op zekere rijping C/N verhouding significant hoger dan A en C. Allen wel een vrij goeie C/N -> streven naar een waarde van 12 à 15 zoals bodem N/P verhouding hoger voor B -> interessant. C/P verhouding hoger en lagere fosfaatinhoud -> interessant want we streven naar een product met lage P-inhoud Fosfaatinhoud beduidend lager voor B dan A en C -> interessant Kali-inhoud ook beduidend lager voor B: goed want voor compost wordt gestreefd naar een zo laag mogelijke kali-mg verhouding

Compost Quality (2) Parameter A B C Cd (mg/kg DM) 0.72 1.14 0.35 Zn (mg/kg DM) 341 280 303 Mn (mg/kg DM) 489 231 339 C/N (-) 10.4 17.7 10.9 N/P (-) 1.6 2.2 1.4 C/P (-) 17.2 38.4 15.4 Ntot (kg/tonne DM) 19.7 16.4 15.9 P2O5 (kg/tonne DM) 27.7 17.3 25.8 Importance of high amount of bark or wood chips for composting chicken manure Availability and cost price bark knelpunt Compost B: highest product quality, lowest nutrient losses

Composting trial ≠ amount of manure Feedstock composition ratio volume%: Feedstock composition ratio %DM: Initial C/N ratio: 27 22 19 D E F Stock Motivatie beschrijven van materialen (prijs-kwaliteit-beschikbaarheid-relevantie). Houtschors gedeeltelijk vervangen door snippers + motivatie van verhoudingen (berekeningen C/N – reactiviteit –verhouding bruine en groene materialen) Voorbereiding OK (enkel kippenmest nog te leveren en gras te maaien) – locaties OK -> van zodra we grasmaaisel+mest hebben en het weer het toelaat, gaan we van start Additional: storage chicken manure + green waste compost (50/50 %DM)

Composting trial ≠ amount of manure Spring 2011: dry and warm weather conditions Chicken M + wood as long-term C source: high activity and temperature => intensive treatment (need for irrigation and regular turning) N losses: 30, 30 and 50% for compost D, E and F High mass reduction: 40, 36 and 47% for compost D, E and F

Composting trial ≠ amount of manure Composting (17 February 2011 – 15 May 2011): High need for continuous drip irrigation (dry weather conditions, high temperatures) D. 14x turned E. 15x turned F. 14x turned

Compost Quality (1) Parameter A B C D E F pH-H2O (-) 8.56 8.59 8.31 8.70 8.60 EC (μS/cm) 3385 945 2453 801 1404 804 NO3-N (mg/l) 114.0 40.5 57.4 17.8 133.8 43.4 NH4-N (mg/l) 45.83 <5 15.45 < 5 OM (%/DM) 36.8 51.0 30.8 65.1 58.9 55.9 OUR (mmol/kg OM/h) 7.2 4.1 11.1 7.4 4.9 5.9 Hoop B springt er duidelijk uit Qua stabiliteit: zeer stabiel tov A stabiel en C matig stabiel Ammoniumgehalte erg laag -> duidt ook op stabiliteit. Voor alle producten wel zo dat nitraat hoger is dan ammonium -> wijst op zekere rijping C/N verhouding significant hoger dan A en C. Allen wel een vrij goeie C/N -> streven naar een waarde van 12 à 15 zoals bodem N/P verhouding hoger voor B -> interessant. C/P verhouding hoger en lagere fosfaatinhoud -> interessant want we streven naar een product met lage P-inhoud Fosfaatinhoud beduidend lager voor B dan A en C -> interessant Kali-inhoud ook beduidend lager voor B: goed want voor compost wordt gestreefd naar een zo laag mogelijke kali-mg verhouding

Compost Quality (2) Parameter A B C D E F Cd (mg/kg DM) 0.72 1.14 0.35 2.92 2.44 2.42 Zn (mg/kg DM) 341 280 303 372 513 456 Mn (mg/kg DM) 489 231 339 340 426 512 C/N (-) 10.4 17.7 10.9 18.5 14.8 16.0 N/P (-) 1.6 2.2 1.4 2.0 1.7 C/P (-) 17.2 38.4 15.4 38.0 24.9 26.1 Ntot (kg/tonne DM) 19.7 16.4 15.9 19.6 22.2 19.5 P2O5 (kg/tonne DM) 27.7 17.3 25.8 22.0 30.8 27.6 Hoop B springt er duidelijk uit Qua stabiliteit: zeer stabiel tov A stabiel en C matig stabiel Ammoniumgehalte erg laag -> duidt ook op stabiliteit. Voor alle producten wel zo dat nitraat hoger is dan ammonium -> wijst op zekere rijping C/N verhouding significant hoger dan A en C. Allen wel een vrij goeie C/N -> streven naar een waarde van 12 à 15 zoals bodem N/P verhouding hoger voor B -> interessant. C/P verhouding hoger en lagere fosfaatinhoud -> interessant want we streven naar een product met lage P-inhoud Fosfaatinhoud beduidend lager voor B dan A en C -> interessant Kali-inhoud ook beduidend lager voor B: goed want voor compost wordt gestreefd naar een zo laag mogelijke kali-mg verhouding

Central processing facility Opdebeeck Plant, manure processing facility for export Mixture: 73.5% chicken manure + 21% green waste compost + 5.5% horse manure Aim: hygienisation (10 hours >70°C) with active tunnel aeration (7 days), then storage (closed system, NH3 recirculation with NH3 stripping)

Central processing facility

Storage of Chicken M – GW compost Set-up: chicken manure + green waste compost (50/50 %DM) Aim: reducing N losses hypothesis: create a better product than pure chicken manure or GW compost Relatively easily to realise Open air Average temp. in the mixture: 36 °C

Storage of Chicken M – GW compost High N (35%) and C losses Low C/P and N/P ratio, even lower than for chicken manure Product after 7 months not stable: high risk for N losses

Compost as bedding material Two parts in one stable 30 cm of green waste compost Wetting the compost with irrigation system Homogenisation of the bedding material with cultivator During 5.5 months; After 4 months: low amounts of chipped straw added (as C source): ± 200 kg/ month Lower NH3 in compost compartment (2 measurements)

Compost as bedding material Low N losses: 5% decreasing C/P and N/P ratio during the 5.5 months Product with high C/P, N/P and mineral N content

Biological quality PLFA analysis: structure of the microbial community 4 products: COMP 1B: compost B COMP 2E: compost E JOSA: bedding material STOCK, manure/compost storage

P content and availability Storage after mixing with GW compost: higher P availability Composting versus initial feedstock mixture: higher relative P availability Composting: P stabilisation Composts A-B-C-D-E-F: comparable P availability

P content and availability Chicken M/GW compost storage

P content and availability Chicken M/GW compost storage 7 months Processed Chicken M

P content and availability Chicken M/GW compost storage

P content and availability Chicken M/GW compost storage

Practical issues? Costs? In comparison with other products: Prijzen hier inclusief een vergelijkbare transportprijs voor elk product (om de vergelijking mogelijk te maken met andere bemestingsproducten waar kost vaak volledig door transport + uitrijden bepaald wordt) Interessant is bv de vergelijking bemesting met zuivere groencompost versus scharrelcompost: aanrijking met N en P -> bemestingskost per ha ligt niet hoger, en toch is een afzet voor kippenmest gevonden. Zowel op eigen bedrijf is dit van tel, als voor iemand die extern afneemt (die zou bv de prijs kunnen betalen die gelijk is aan de kostprijs voor bemesting met groencompost of zo)

Conclusions Total P concentration in the compost is the result of: P in feedstock mixture Mass reduction during composting (biodegradability) Upper limit for chicken manure in the feedstock mixture: 10 vol% Storage: not efficient, better to mix manure and GW compost at time of application? High potential for using compost as bedding material P availability: Composting versus feedstock or storage: lower relative P availability Effect of stability/redox circumstances Stable composts: similar potential plant available P Welk standpunt neemt men in: kippenmest binnen sector houden of niet?

More information? Vandecasteele, B., Reubens, B., Willekens, K., De Neve, S. 2014. Composting for increasing the fertilizer value of chicken manure: effects of feedstock on P availability. Waste and Biomass Valorization, 5, 491-503 Welk standpunt neemt men in: kippenmest binnen sector houden of niet?

Thanks for your kind attention! Questions? Instituut voor Landbouw- en Visserijonderzoek Eenheid Plant www.ilvo.vlaanderen.be Beleidsdomein Landbouw en Visserij