Emisje (II): jak ograniczyć emisję gazów cieplarnianych i amoniaku na fermach świń

Prędkość przenoszenia gazu z fazy ciekłej do atmosfery jest proporcjonalna do różnicy między stężeniem w fazie ciekłej a stężeniem, które miałaby, gdyby była w równowadze z fazą gazową. Stężenie równowagowe to takie, przy którym nie występuje transfer, tj. brak emisji. Gaz, który nie jest dobrze rozpuszczalny (niskie stężenie równowagowe, jak w przypadku CH₄) będzie miał tendencję do szybkiej ucieczki do fazy gazowej, podczas gdy inny (jak w przypadku NH₃) może utrzymywać wysokie stężenia w fazie ciekłej bez emisji.

Azot amonowy nie występuje w całości w postaci NH₃, lecz głównie w postaci nielotnego NH₄+. Wraz ze spadkiem pH lub temperatury, więcej azotu będzie w postaci NH₄+, a więcej azotu amonowego (suma NH₃ i NH₄+) pozostanie w ciekłym medium. Jeśli stężenie NH₃ w fazie gazowej powyżej zawiesiny wzrośnie powyżej zwykłych wartości w atmosferze, stężenie równowagi w cieczy również wzrośnie. Tak więc, przy pH 7, temperaturze 20°C i stężeniu 50 ppm NH₃ w fazie gazowej nad gnojowicą, stężenie równowagowe azotu amonowego w cieczy wynosi 5 260 mg N/L, podczas gdy przy pH 8 stężenie to wynosi 540 mg N/L. Aby zapobiec emisji i utrzymać wyższe stężenia w ciekłych mediach, pH 7 jest lepsze niż pH 8, a jeśli pH jest niższe niż 7, jest jeszcze korzystniej. Im niższe stężenie NH₃ w warstwie powietrza nad powierzchnią gnojowicy (średnie stężenie w atmosferze ziemskiej 1-5 ppb), tym niższe stężenie równowagi i szybsza emisja. Byłoby tak w przypadku wiatru lub innych zjawisk dyspersji gazu. Przykrycie zbiornika, nawet w niewielkim stopniu, w celu ochrony przed rozproszeniem lub zmniejszenia powierzchni wymiany cieczy/gazu, będzie miało wpływ na zmniejszenie emisji NH₃. Inaczej jest w przypadku CH₄, który wydostanie się do atmosfery w każdych okolicznościach, chyba że pokrywa zbiornika jest całkowicie szczelna.

Emisje CH₄ zależą od czasu, w którym mikroorganizmy beztlenowe rozkładają materię organiczną, której aktywność wzrasta wraz z temperaturą. Rysunek przedstawia wskaźniki emisji CH₄ zgodnie z publikacją IPCC (Międzyrządowego Zespołu ds. Zmian Klimatu) z 2019 r. dla klimatu umiarkowanego i ciepłego, wilgotnego lub suchego. Klimat umiarkowany odpowiada średnim rocznym temperaturom od 15°C do 25°C, a klimat ciepły - wyższym temperaturom. Według zaleceń IPCC, aby oszacować emisje w dołach pod rusztem, należy wziąć pod uwagę warunki środowiskowe w pomieszczeniu dla zwierząt - ciepłe, wilgotne środowisko - a nie warunki zewnętrzne. To ostatnie zostało udowodnione eksperymentalnie. Zwykłe usunięcie gnojowicy z chlewni tak szybko, jak to możliwe, do zewnętrznego zbiornika może zmniejszyć emisje, np. z 57% do 24% w przypadku przechowywania przez 3 miesiące (patrz rysunek).

Aby zapobiec emisji NH₃, można zastosować różne techniki, wymienione w kolejności od najważniejszej do najmniej ważnej:

1. Poprawa diety oraz strawności białka i aminokwasów. Im wyższa wydajność paszy, tym niższe stężenie azotu w gnojowicy i wolniejsze prędkości transferu.
2. Usuwanie gnojowicy z kanałów chlewni tak często, jak to możliwe, raczej codziennie niż co tydzień i raczej co 6 godzin niż co 24 godziny. Chociaż według szacunków poradnika IPCC średnie wartości emisji azotu wynoszą 25% (zakres 15% - 30%) wydalanego azotu dla dołów pod rusztami i 48% (15% - 60%) dla zewnętrznych zbiorników bez naturalnej skorupy, zbiornik umożliwia przykrycie i zapobieganie emisji (obniżonej do 3% - 12% według poradnika IPCC), co jest nieosiągalne w dołach. Zapobiega to również wdychaniu amoniaku przez zwierzęta, co przynosi korzyści zdrowotne i produkcyjne.
3. Przykrycie zewnętrznych zbiorników z gnojowicą materiałem, który zmniejsza powierzchnię kontaktu między powierzchnią przechowywanej gnojowicy a atmosferą. Na przykład, stałe pływające elementy, które pasują do siebie, aby całkowicie pokryć powierzchnię gnojowicy. Pokrycie laguny nieprzepuszczalną membraną zapobiegnie również emisji CH₄, gazu, który gromadzi się pod membraną i musi być okresowo spalany w komorze spalania lub kotle, lub w celu wykorzystania energii, aby zapobiec pęknięciu membrany z powodu nadmiernego ciśnienia. To nadmierne ciśnienie nigdy nie będzie spowodowane przez NH₃, ponieważ po osiągnięciu stężenia równowagi między fazą ciekłą i gazową, jego emisja zostanie zatrzymana.
4. Zmniejszenie pH zawiesiny poniżej 7 poprzez dodanie kwasu i użycie sprzętu specjalnie zaprojektowanego do tego celu. Istnieje również sprzęt do zakwaszania w zbiorniku transportowym gnojowicy i zbiorniku do zastosowań rolniczych, aby zapobiec utracie NH₃ podczas zastosowań.

Aby zapobiec emisji CH₄, można zastosować następujące metody:

1. Poprawa strawności diety i zapobieganie stratom paszy do gnojowicy. Chociaż nadal nie ma informacji opartych na dowodach, wyższa wydajność żywienia zwierząt powinna oznaczać niższy potencjał energetyczny lotnych substancji stałych (VS) w gnojowicy, a tym samym niższą wartość potencjalnej emisji Bo.
2. Usuwanie gnojowicy z kanałów chlewni tak szybko, jak to możliwe. Jak pokazano na rysunku, praktyka ta ma znaczący wpływ na zmniejszenie emisji CH4.
3. Zastosowanie separacji frakcji stałej i ciekłej tak szybko, jak to możliwe po usunięciu gnojowicy z chlewni. Ułożona w stos frakcja stała emituje około 4% - 5% Bo zgodnie z IPCC, biorąc pod uwagę zawarte w niej lotne substancje stałe, a frakcja ciekła będzie emitować zgodnie z odpowiednią wartością na rysunku, ale dla niższego stężenia VS, a zatem niższych emisji.
4. Przykrycie zewnętrznego zbiornika nieprzepuszczalną membraną, aby zapobiec emisji do atmosfery. Taki zbiornik musi być zaprojektowana tak, aby nigdy nie opróżniała się całkowicie, aby nie dostawało się do niej powietrze, i musi zawierać mechanizmy bezpieczeństwa w celu uniknięcia nadmiernego ciśnienia, a także sprzęt do okresowego spalania nagromadzonego gazu. Lepszą alternatywą jest wykorzystanie gazu jako paliwa do kotłów.
5. Zaplanuj biogazownię, indywidualną lub zbiorową, wykorzystującą gaz jako źródło energii. Gnojowica powinna trafiać do instalacji tak szybko, jak to możliwe, aby w pełni wykorzystać jej potencjał energetyczny. Laguna pofermentacyjna musi być przykryta, aby zapobiec emisji NH₃, ponieważ stężenie azotu amonowego jest wyższe niż w pierwotnej gnojowicy, ze względu na rozkład białek.