Untersuchungen zum Emissionsgeschehen von Ammoniak und Methan in der Mastschweinehaltung

Abstract

The growing of feed crops, the production of farm livestock and the processing of livestock products, along with the associated use of farmland for this entire production chain, all engender greenhouse gases on a worldwide scale. In this respect, ammonia and methane emissions are directly associated with livestock farming including the feeding of pigs for slaughter. The main aim of the work presented in this thesis was investigation of emissions produced in this way, and into selected strategies applied for reducing ammonia and methane release, particularly in management of liquid manure inside a fattening unit. In this context, the paper focusses on the three approaches – measuring, analysing and modelling - which are accordingly established as the following part-targets: • Applying emission reduction strategies as part of liquid manure management in a conventional fattening unit and comparing the resultant emissions with those from a reference system where no emission reduction actions had been taken. The selected emission reduction strategies should be practicable and sustainably applicable in existing livestock housing systems. • Analysing the main factors of influence on emissions throughout the fattening period during different seasons of the year, with special consideration of time series effects and regressions. • Examining the possibilities of substance flow modelling, application to own measurement data rather or for assessing the potential of emission reduction methods as well as evaluation of the selected approach for substance flow modelling. In-barn liquid manure management with fattening pigs markedly influences ammonia and methane emissions whereby the concrete reduction potentials are not yet sufficiently clarified. Within this study, a first work package compares, through a case control approach, the liquid manure management strategies - weekly emptying of the liquid manure channel as well as covering of the underfloor stored liquid manure surface as well as the addition of Effective Microorganisms to the liquid manure – with the strategies tested for emission reduction potential and compared over a feeding cycle in each case with the stored manure method as reference. The pig housing used in the trial was divided into two compartments (experimental and reference compartment) each holding 50 animals. In quasi-continuous measurement, incoming air, compartment and exhaust air ammonia and methane concentrations, temperatures of incoming air, compartment and exhaust air, and the temperature and pH of the liquid manure, were all recorded. Additionally, liquid manure samples were analysed in 14-day rhythm and the level of liquid manure measured as well as the degree of dirtiness of pen floors. Also recorded were pig weights and performance or feeding data. No further differences in terms of feeding, ventilation or management existed between trial and reference compartments. The applied reduction strategies were able to partially reduce ammonia and methane emissions (weekly emptying of liquid manure channel: methane emission rates reduced by 39 % based on emission rate in grams per day and livestock unit; liquid manure cover: 13.8 % ammonia emission rates reduction in grams per day and livestock unit), had in part no effect, or even a negative influence on the emissions (weekly emptying of the liquid manure channel: no effect on ammonia emissions; liquid manure cover: 119.9 % rise in methane emission rates in terms of grams per day and livestock unit). The selected interval of one week between emptying the liquid manure channel was not sufficient as a reduction strategy. With covering of the liquid manure surface underfloor, it is important to consider that the almost airtight sealing of the liquid manure surface delivered favourable conditions for methanogenesis. The influence of the addition of Effective Microorganisms to the liquid manure on the emissions of ammonia and methane was marginal. The emissions of ammonia increased of 8.3 % and the emissions of methane of 5.9 %. The evaluations (time series and regression analyses) of the data from the reference compartments from a total of four feeding cycles (two summer and two winter cycles) comprised the second work package. The time series analysis enabled insight into the relationships between the ammonia and methane emissions in terms of time, and insights into the influential factors affecting release and transport of the gases. For example, the time-related influences of high temperatures on the system “fattening unit” and on the release of emissions, could be graphically shown. The time series analysis gave indications as to how dynamic, or how stable, climatic conditions can be in pig housing. The regression analyses clearly showed that the emission process, with ammonia as well as with methane, is influenced particularly through the amount of liquid manure involved, the temperature and the air volume flow. In the same way, the distance between the liquid manure surface and the slatted flooring (‘headspace’) was found to have direct influence on the release of ammonia and methane from the liquid manure. A larger ‘headspace‘ correlated with reduced emissions and vice versa. Following recording and statistical evaluation of the emission data, the contribution that can be made through substance flow modelling of ammonia emissions towards increasing knowledge on the emission process and on methods for its reduction within pig housing was examined as a third work package. This involved the transfer of selected recorded data into the substance flow model. Serving as basis was the model from CORTUS et al. (2010a) adapted in three steps to take account of the conditions in the pig housing being used. The constructional outline of the trial livestock housing served as system limit. Berkeley Madonna 8.3.18 software was used for numerical integration of the differential equation system. Own data was applied for calibration and validation, in each case taken from the reference compartment of two different feeding cycles. In principle, the adapted model was capable of modelling ammonia concentrations and emissions. In addition, the influence of the liquid manure temperature and pH value of the liquid manure could be depicted. However, the model generally reacted sensitively to temperature and pH values. Because of this, the model underestimated and overestimated recorded values, in part substantially. An important influence on the model accuracy appeared to be related to the submodel considering urine puddles. For the purposes of own modelling, this submodel was cut out of the main model during its adaptation according to the recorded data. Compared to recordings, modelling of gas concentrations and emissions offers the advantage of cost-efficient and time-saving estimations of emission potential for different housing systems, e.g. for feeding pig production. Calibration and validation, as well as adaptation to suit the type of application requires, however, particular care and expertise. Through the various methods for measurement, analysis and modelling that were applied, the work reported here contributes to better understanding of the emission process and the reduction of emissions, particularly in the case of liquid manure management in feeding pig production.

Der Anbau von Futtermitteln, die Haltung von Nutztieren, die Verarbeitung der tierischen Produkte und die dadurch ausgeprägte Flächennutzung durch die gesamte landwirtschaftliche Tierhaltung führen weltweit zu Treibhausgasemissionen. In direktem Zusammenhang mit der Haltung von Nutztieren und somit auch in der Mastschweinehaltung stehen die Ammoniak- und Methanemissionen. Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit waren Untersuchungen zum Emissionsgeschehen und zu ausgewählten Ansätzen zur Emissionsminderung von Ammoniak und Methan, insbesondere beim Flüssigmistmanagement in der Mastschweinehaltung. In diesem Kontext standen die drei Herangehensweisen Messen – Analysieren – Modellieren im Fokus und wurden entsprechend als Teilziele festgelegt: • Durchführung von Emissionsminderungsstrategien beim Flüssigmistmanagement in einem konventionellen Schweinemaststall und Vergleich der Emissionen mit einem Referenzsystem ohne Emissionsminderungsmaßnahmen. Die ausgewählten Emissionsminderungsstrategien sollten praxistauglich und nachträglich in vorhandenen Stallbauten anwendbar sein. • Analyse der Haupteinflussfaktoren auf die Emissionen im Mastverlauf in unterschiedlichen Jahreszeiten unter besonderen Berücksichtigung von Zeitreiheneffekten und Regressionen. • Prüfung der Möglichkeiten einer Stoffflussmodellierung, Anwendung auf die eigenen Messdaten bzw. zur Potentialabschätzung von Emissionsminderungsmaßnahmen sowie Evaluierung des gewählten Ansatzes zur Stoffflussmodellierung. Das Flüssigmistmanagement im Stall beeinflusst in der Mastschweinehaltung die Emissionen von Ammoniak und Methan entscheidend, obgleich die konkreten Minderungspotentiale noch nicht hinreichend geklärt sind. In dieser Arbeit wurden im ersten Arbeitspaket in einem Case-Control-Ansatz über je einen Mastdurchgang die Flüssigmistmanagementmaßnahmen - wöchentliche Entleerung des Flüssigmistkanals, Abdeckung des unterflur gelagerten Flüssigmists sowie die Zugabe von Effektiven Mikroorganismen als Flüssigmistadditive - auf ihr Emissionsminderungspotential untersucht und mit dem Staumistverfahren als Referenz verglichen. Der Versuchsstall für Mastschweine war in zwei Abteile (Versuchs- und Referenzabteil) mit je 50 Tieren unterteilt. Quasi-kontinuierlich wurden die Zuluft,- Abteil- sowie Abluftkonzentrationen von Ammoniak und Methan, die Zuluft,- Abteil- sowie Ablufttemperaturen sowie die Temperatur und der pH-Wert des Flüssigmists erfasst. Ergänzend wurden im 14- täglichen Rhythmus Flüssigmistproben analysiert, der Flüssigmistpegel gemessen sowie der Verschmutzungsgrad der Buchtenböden, die Tiergewichte und Leistungs- bzw. Fütterungsdaten erhoben. Zwischen dem Versuchs- und Referenzabteil bestanden keine weiteren Unterschiede hinsichtlich der Fütterung, Lüftung, Haltung. Die angewendeten Minderungsstrategien konnten die Ammoniak- und Methanemissionen teilweise reduzieren (wöchentliche Entleerung des Flüssigmistkanals: Emissionsminderung bei Methan um 39,4 % bezogen auf die Emissionsrate in Gramm je Tag und GV; Flüssigmistabdeckung: 13,8 % Minderung bei den Ammoniakemissionsraten in Gramm je Tag und GV), hatten zum Teil keinen Effekt oder sogar einen negativen Einfluss auf die Emissionen (wöchentliche Entleerung des Flüssigmistkanals: kein Effekt auf die Ammoniakemissionen; Flüssigmistabdeckung: 111,9 %-iger Anstieg bei den Methanemissionsraten in Gramm je Tag und GV). Das gewählte wöchentliche Intervall für die Entleerung des Flüssigmistkanals reichte als Minderungsstrategie nicht aus. Bei der Abdeckung der Flüssigmistoberfläche unterflur muss bedacht werden, dass durch den fast luftdichten Abschluss der Flüssigmistoberfläche die Voraussetzungen für die Methanogenese begünstigt werden. Die Zugabe von Effektiven Mikroorganismen zum Flüssigmist hatte sowohl auf die Ammoniak- als auch auf die Methanemissionen nur einen geringen Einfluss. Die Ammoniakemissionen stiegen um 8,3 % und die Methanemissionen um 5,9 %. Die Auswertungen (Zeitreihen- und Regressionsanalyse) der Daten aus den Referenzabteilen von insgesamt vier Mastdurchgängen (zwei Sommer- und zwei Winterdurchgänge) umfassten das zweite Arbeitspaket. Die Zeitreihenanalyse ermöglichte Einblicke in die zeitlichen Zusammenhänge zwischen den Ammoniak- und Methanemissionen und den Einflussfaktoren, welche die Freisetzung und den Transport der Gase beeinflussen. Beispielweise konnte graphisch gezeigt werden, welchen zeitlichen Einfluss hohe Außentemperaturen auf das System „Mastschweinestall“ und die Freisetzung von Emissionen haben. Die Zeitreihenanalyse gab Hinweise darauf, wie dynamisch bzw. stabil das klimatische Geschehen in einem Mastschweinestall sein kann. Die Regressionsanalysen zeigten deutlich, dass das Emissionsgeschehen, sowohl bei Ammoniak als auch bei Methan, im Besonderen durch die vorhandene Menge an Flüssigmist, die Temperatur und den Luftvolumenstrom beeinflusst wird. Ebenso hatte der Abstand zwischen der Flüssigmistoberfläche und dem Spaltenboden (‚headspace‘) direkten Einfluss auf die Freisetzung von Ammoniak und Methan aus dem Flüssigmist. Ein großer ‚headspace‘ korrelierte mit geringeren Emissionen und umgekehrt. Anknüpfend an die Erhebung der Emissionsdaten und den statistischen Auswertungen wurde im dritten Arbeitspaket untersucht, welchen Beitrag die Stoffflussmodellierung der Ammoniakemissionen für den Erkenntnisgewinn hinsichtlich des Emissionsgeschehens und der Minderungsmaßnahmen im Mastschweinestall leisten kann. Dafür wurden ausgewählte Messdaten in ein Stoffflussmodell überführt. Als Basis diente das Modell von CORTUS et al. (2010a), welches in drei Schritten an die Bedingungen im eigenen Versuchsstall angepasst wurde. Als Systemgrenze galten die baulichen Abgrenzungen des Versuchsstalls. Für die numerische Integration der Differentialgleichungssysteme wurde die Software Berkeley Madonna 8.3.18 verwendet. Die Kalibration und Validation erfolgte anhand der eigenen Daten, jeweils aus dem Referenzabteil zwei unterschiedlicher Mastdurchgänge. Das angepasste Modell war prinzipiell in der Lage Ammoniakkonzentrationen- und emissionen zu modellieren. Zudem konnte der Einfluss der Flüssigmisttemperatur und des pH-Werts des Flüssigmists abgebildet werden. Insgesamt reagierte das Modell aber zu temperatur- und zu pH-Wert-sensitiv. Aufgrund dessen über- oder unterschätze das Modell die gemessenen Werte teilweise deutlich. Einen wesentlichen Einfluss auf die Modellgüte scheint das Untermodell der Urinpfützen zu haben. Dieses wurde für die eigenen Modellierungen, im Zusammenhang der Modellanpassung auf die erhobenen Daten, aus dem Basismodell herausgekürzt. Die Modellierung von Gaskonzentrationen- und Emissionen bietet im Vergleich zu Messungen den Vorteil, kostengünstig und zeitsparend das Emissionspotential verschiedener Haltungssysteme z.B. für die Mastschweinehaltung abschätzen zu können. Die Kalibrierung und Validierung sowie Anpassung auf den Anwendungsfall bedürfen aber besonderer Sorgfalt und Expertise. Die Arbeit leistet einen Beitrag zum besseren Verständnis des Emissionsgeschehens und der Emissionsminderung, insbesondere beim Flüssigmistmanagement in der Mastschweinehaltung mit Hilfe verschiedener methodischer Ansätze über die Messung, Analyse und Modellierung.