Выбросы (II): как минимизировать выбросы парниковых газов и аммиака на свинофермах

Скорость переноса газа из жидкой фазы в атмосферу пропорциональна разнице между концентрацией в жидкой фазе и той, которую она имела бы, если бы находилась в равновесии с газовой фазой. Равновесная концентрация — это та, при которой нет переноса, т. е. нет выбросов. Газ, который не очень растворим (низкая равновесная концентрация, как в случае CH4), будет иметь тенденцию быстро уходить в газовую фазу, тогда как в противном случае (как в случае NH3) он может поддерживать высокие концентрации в жидкой фазе без выбросов.

Не весь аммиачный азот находится в форме NH3, скорее он, в основном, находится в форме нелетучего NH4+. По мере снижения pH или температуры больше азота будет находиться в форме NH4+, и больше аммиачного азота (сумма NH3 и NH4+) останется в жидкой среде. Если концентрация NH3 в газовой фазе над пульпой увеличится сверх обычных значений в атмосфере, то же самое произойдет и с равновесной концентрацией в жидкости. Таким образом, при pH 7, температуре 20°C и концентрации 50 ppm NH3 в газовой фазе над пульпой равновесная концентрация аммиачного азота в жидкости составит 5260 мг N/л, тогда как при pH 8 эта концентрация составит 540 мг N/л. Для предотвращения выбросов и поддержания более высоких концентраций в жидких средах pH 7 лучше, чем pH 8, а если pH ниже 7, то еще лучше. Чем ниже концентрация NH3 в воздушном слое над поверхностью жидкой фракции навоза (средняя концентрация в атмосфере Земли составляет 1–5 ppb), тем ниже равновесная концентрация и тем быстрее будет происходить выброс. Это может иметь место в случае ветра или любого другого явления рассеивания газа. Наличие верхнего закрывающего слоя у лагуны для защиты ее от рассеивания или для уменьшения площади поверхности обмена жидкостью/газом, будет иметь эффект в снижении выбросов NH3. Но это не относится к CH4, который будет улетучиваться в атмосферу при любых обстоятельствах, если только покрытие лагуны не будет полностью герметичным.

Выбросы CH4 зависят от времени, в течение которого анаэробные микроорганизмы разлагают органическое вещество, активность которого увеличивается с температурой. На рисунке показаны коэффициенты выбросов CH4 согласно руководству МГЭИК (Межправительственная группа экспертов по изменению климата) 2019 года для умеренного и теплого климата, как влажного, так и засушливого. Умеренный климат соответствует среднегодовым температурам от 15°C до 25°C, а теплый климат — более высоким температурам. В руководстве МГЭИК указано, что для оценки выбросов в ваннах навозоудаления под щелевыми полами следует учитывать условия окружающей среды в станках для животных — теплую, влажную среду, а не внешние условия. Последнее было экспериментально доказано. Простое удаление навозной жижи из корпусов как можно скорее в открытую лагуну может сократить выбросы, например, с 57% до 24% в случае хранения в течение 3 месяцев (см. рисунок).

Для предотвращения выбросов NH3 можно применять различные методы в порядке приоритетности:

1. Улучшить рационы и усвояемость белков и аминокислот. Чем выше эффективность корма, тем ниже концентрация азота в жиже и тем медленнее скорость переноса.
2. Удаляйте навозную жижу из ванн навозоудаления в корпусах как можно чаще, каждый день, а не каждую неделю, и каждые 6 часов, а не каждые 24 часа. Хотя руководство МГЭИК оценивает средние значения выбросов азота в 25% (диапазон 15% - 30%) от выделяемого азота для ванн навозоудаления под щелевыми полами и 48% (15% - 60%) для внешних лагун без естественной корки, лагуна позволяет покрывать и предотвращать выбросы (сниженные до 3% - 12% согласно руководству МГЭИК), что недостижимо в ваннах. Это также предотвращает вдыхание животными аммиака, что имеет преимущества для здоровья и производительности.
3. Накройте наружные лагуны материалом, который уменьшает площадь контакта между поверхностью хранимого навоза и атмосферой. Например, твердые плавающие части, которые подходят друг к другу, чтобы полностью изолировать поверхность навоза. Накрытие лагуны непроницаемой мембраной также предотвратит выброс CH4, газа, который будет скапливаться под мембраной и должен периодически сжигаться в факеле или котле, или его можно использовать в качестве источника в энергии, чтобы предотвратить разрыв мембраны из-за избыточного давления. Это избыточное давление никогда не будет вызвано NH3, поскольку после достижения равновесных концентраций между жидкой и газовой фазами его выброс прекратится.
4. Уменьшите pH жижи до значения ниже 7, добавив кислоту и используя специально разработанное для этой цели оборудование. Также имеется оборудование для подкисления в резервуаре для транспортировки жижи и сельскохозяйственного применения, чтобы предотвратить потерю NH3 во время использования.

Для предотвращения выбросов CH4 можно применять следующие методы:

1. Улучшить усвояемость рационов и предотвратить потери корма в навозной жиже. Хотя до сих пор нет основанной на фактических данных информации, более высокая эффективность кормления животных должна подразумевать более низкий энергетический потенциал летучих твердых веществ (ЛТВ) в навозной жиже и, следовательно, более низкое значение потенциала выбросов B_o.
2. Удаляйте жижу из ванн как можно чаще. Как показано на рисунке, эта практика оказывает значительное влияние на сокращение выбросов CH4.
3. Применяйте разделение твердой и жидкой фракции как можно скорее после откачивания жижи из корпусов. Сложенная твердая фракция имеет выбросы около 4% - 5% Bo согласно МГЭИК, учитывая содержащиеся в ней летучие твердые вещества, а жидкая фракция будет выделять согласно соответствующему значению на рисунке, но для более низкой концентрации VS и, следовательно, более низких выбросов.
4. Накройте внешнюю лагуну непроницаемой мембраной, чтобы предотвратить выброс в атмосферу. Такая лагуна должна быть спроектирована так, чтобы она никогда не опустошалась полностью, чтобы не попадал воздух, и она должна включать в себя предохранительные механизмы, чтобы избежать избыточного давления, а также факел для периодического сжигания накопленного газа. Лучшей альтернативой является использование газа в качестве топлива.
5. Запланируйте биогазовую установку, индивидуальную или коллективную, использующую газ в качестве источника энергии. Навозная жижа должна поступать на установку как можно скорее, чтобы использовать весь ее энергетический потенциал. Лагуна для дигестата должна быть закрыта, чтобы предотвратить выбросы NH3, поскольку концентрация аммиачного азота выше, чем в исходной навозной жиже из-за разложения белков.