| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste |

Evaluering af mulige tiltag til reduktion af landbrugets metanemissioner

3 Metanoxidation i flydelag

• 3.1 Indledning
• 3.2 Forsøgsopstilling
• 3.3 Afprøvning
  • 3.3.1 Kalibrering af de peristaltiske pumper
  • 3.3.2 Kontrol af pumpestyring, metanstandard
• 3.4 Konklusion
• 3.5 Referencer

Søren O. Petersen, Danmarks JordbrugsForskning, Afd. for Jordbrugsproduktion og Miljø

3.1 Indledning

Landbrugets udledning af drivhusgasser til atmosfæren udgør ca. 18% af de samlede antropogene udledninger i Danmark (Olesen et al., 2005). Metan repræsenterer godt en trediedel af disse udledninger, som primært stammer fra husdyrs fordøjelse og fra husdyrgødning. Hovedparten af husdyrgødningen i Danmark håndteres som gylle, en flydende blanding af fæces og urin, eventuelt iblandet strøelse. I dette stærkt anaerobe miljø er der et betydeligt potentiale for metandannelse, og gyllelagre er derfor en væsentlig kilde til metan, hvis drivhuseffekt er 21 gange større end effekten af CO₂.

Målinger under praktiske og forsøgsmæssige lagringsforhold har tidligere indikeret, at et flydelag kan reducere udledningen af metan til atmosfæren (Husted, 1994; Sommer et al., 2000). Forekomst af metanoxiderende bakterier i flydelaget har været foreslået (Sommer et al., 2000; Miner et al, 2003), men ikke dokumenteret. Nye undersøgelser har nu vist, at metanoxidation finder sted i dette miljø, og at aktiviteten er på niveau med hvad man har målt i fx rismarker og sumpområder (Petersen et al., 2005; Petersen & Ambus, 2005; Ambus og Petersen, 2005). Petersen et al. (2005) fandt metanoxidation i såvel et naturligt flydelag på lagret kvæggylle som i et lag halm, der fungerede som kunstigt flydelag i et lager med biogasbehandlet kvæggylle. I en efterfølgende screening af intakte flydelag fra lagre med kvæg- og svinegylle var der et potentiale for metanoxidation i alle lagre; dog viste prøver udtaget fra et lag Leca-sten ingen målbar aktivitet (Petersen & Ambus, 2005). Inkubation med 13C-mærket metan viste desuden omdannelse af metan til CO₂ i alle materialer undtagen prøverne med Leca-sten (Ambus & Petersen, 2005).

En fast overdækning kan tilsyneladende reducere udledningen af metan (Clemens et al., 2005). Årsagen kan være, at et låg stabiliserer fugtighed og temperatur i flydelaget og dermed giver bedre vilkår for opformering af metanoxiderende bakterier. Overdækningens tæthed kan variere, og det vil påvirke luftskiftet over den lagrede gylle. Williams & Nigro (1997) varierede luftskiftet over gylle mellem 0,5 og 0,0025 m pr. sekund i et laboratorieforsøg og fandt, at emissionen af metan ved det laveste flow var 90% lavere end ved det højeste flow, der skulle svare til en udækket beholder. Forfatterne vurderede, at metan blev tilbageholdt i bobler under flydelaget, og at reduktionen derfor ikke nødvendigvis var udtryk for metanfjernelse. Imidlertid har nye forsøg vist, at metanoxidationen øges med stigende metankoncentration i luften over flydelaget (Petersen & Ambus, 2005). En alternativ forklaring på den reducerede emission af metan er derfor, at metanoxidationen stimuleres som følge af den højere steady state-koncentration i luften over gyllen. Denne forklaring støttes af, at halvmætningskonstanten for metanoxidation i de fleste naturlige miljøer svarer til 1500-7000 ppm CH₄, dvs. langt over det atmosfæriske niveau på 1,8 ppm (King, 1992).

På baggrund af de observationer og resultater, som er beskrevet ovenfor, var udgangshypotesen for dette udviklingsprojekt, at styring af luftskiftet over gyllelagre med flydelag kan reducere udledningen af metan til atmosfæren.

Målsætningen for denne indledende fase var at udvikle et styringsværktøj, som kan regulere luftskiftet over lagret gylle på grundlag af gasanalyser før, i og efter lukkede beholdere med lagret gylle. Konkret var det målet at designe, konstruere og teste et system, der kan løse denne opgave.

Figur 3.1. En principskitse af forsøgsopstilling til styring af luftskifte på grundlag af gasanalyser. Gasudtag er markeret med numrene 1-6, og gasledninger er vist med fuldt optrukne streger. Elektriske signaler til gasrelæ og de to pumper er markeret med stiplede streger. Gaschromatografen analyserer gassen for metan, ilt, CO₂ og N2, men til styringen anvendes kun informationer om ilt og metan.

3.2 Forsøgsopstilling

Forsøgsopstillingen er skitseret i figur 3.1. Gasudtag før, i og efter hver af to 70-liters beholdere af polyethylen (Bonar Plastics, Smørum) samles i en seksportsventil (Cheminert, Valco Instr., Schenkon, Schweiz) via 1/16” PTFE-slanger. Gassen analyseres ved hjælp af en Model 3000 Micro GC (Agilent, Nærum) med to separate analyseenheder, begge med TCD detektor, og gaskoncentrationsdata lagres i en .csv-fil. Et program skrevet i Visual Basic sørger for, at ventilen skifter mellem de seks kanaler. Hvis der er tale om gasprøver fra et af lagrenes headspace (position 2 eller 5), beregnes desuden ny pumpehastighed på grundlag af forskellen mellem ilt- eller metankoncentration og det valgte set-point. Udledningen af metan kan beregnes på grundlag af metankoncentrationen i udgangsluften og den tilhørende pumpehastighed.

Denne første version af programmet sigter mod at styre luftskiftet til en forvalgt værdi for enten ilt eller metan. Hensigten er at bruge forsøgsopstillingen til en systematisk undersøgelse af sammenhængen mellem substrattilgængelighed og metanoxidation. En analyse-sekvens er skitseret i tabel 3.1.

Tabel 3.1 Analysesekvens for program til styring af luftskifte i måleopstillingen.

Der er fastsat en max-værdi på 20 vol% for metan af hensyn til eksplosionsfaren; overskrides denne tærskel, ændres pumpehastigheden til højeste værdi.

Ilt forbruges i mange mikrobielle processer udover metanoxidation, og den kombination af ilt og metan i lagrenes headspace, som er optimal med hensyn til at minimere metanudledningen, kan ikke nødvendigvis opnås blot ved at justere luftskiftet med atmosfærisk luft. Derfor er systemet forberedt til indblæsning af ren ilt via ekstra ventiler.

3.3 Afprøvning

I løbet af december 2004 blev systemet samlet og software-kommunikation etableret. HR_refter blev følgende aktiviteter gennemført:

3.3.1 Kalibrering af de peristaltiske pumper

Luftflowet afhænger af slangediameter og pumpens specifikke ydelse som funktion af input-spænding. De to pumper blev kalibreret individuelt ved hjælp af en elektronisk flowmåler (se figur 3.2). Responsen var tilnærmelsesvis lineær, men forskellig for de to pumper. Derfor blev der lagt en separat omregning fra luftflow (som beregnes efter hver måling) til spænding ind i pumpestyringsprogrammet.

Det var ikke muligt at aktivere pumperne ved en spænding på under ca. 50 V, og derfor stoppes pumperne helt, hvis det beregnede pumpeflow svarer til en spænding <60 V. I praksis betyder det, at gasfasekoncentrationen vil fluktuere omkring den fastsatte værdi.

Figur 3.2. Kalibreringskurver for de to pumper til styring af luftflow i beholdere med lagret gylle.

3.3.2 Kontrol af pumpestyring, metanstandard

Et kontrolforsøg blev gennemført, hvor gas med et kendt indhold af metan (5 vol%) blev pumpet ind i en 70-liters beholder med varierende hastighed. Der blev benyttet et fortryk på 10 psi, mens det aktuelle flow blev reguleret via et kugle-flowmeter.

Der blev eksperimenteret med forskellige koncentrationer og tilførselsrater for at belyse, hvilken metan-emissionsrate der kan kompenseres for med den aktuelle opsætning. Et konkret eksempel er vist i figur 3.3A.

Kompensationsgrænsen blev estimeret til ca. 30 g CH₄ m^-2 d^-1. Til sammenligning målte Clemens et al. (2004) i et netop afsluttet EU projekt emissioner fra forsøgslagre med kvæggylle på 0,2-10 g CH₄ m^-2 d^-1, mens Sommer et al. (2000) målte maksimale emissioner på 18 g CH₄ m^-2 d^-1. Det indikerer, at forsøgsopstillingen vil være i stand til at styre gasfasekoncentrationen af metan til et ønsket niveau.

Eksempler på inkubation af frisk svinegylle er vist i figur 3.3B og 3.3C. Som det fremgår af figur 3.3B, så steg metanudviklingen i starten eksponentielt, men blev fastholdt ved det valgte set-point på 0,3 vol%. I figur 3.3C vises resultater, hvor metankoncentrationen fik lov at stige fra 0,3 vol% op til 2 vol%. I stigningsperioden faldt iltkoncentrationen, fordi pumperne stod stille indtil det nye set-point var nået. Systemet er som tidligere nævnt udstyret med ventiler, som gør det muligt at kompensere for dramatiske fald i iltkoncentrationen, men disse er ikke taget i brug endnu.

Figur 3.3. Udvalgte resultater med pumpestyring på baggrund af metankoncentrationen i den lukkede beholder. A. En kendt standard (5 vol% CH₄) blev pumpet ind i beholderen med kendt hastighed. B. Inkubation af svinegylle (set-point 0,3 vol% CH₄). C. Koncentrationer af ilt og metan under og efter overgang til et nyt set-point på 2 vol% CH₄.

3.4 Konklusion

Der er udviklet et system til styring af metan- og/eller iltkoncentrationen i en lukket beholder, hvis funktionalitet er blevet valideret. Det er muligt at fastholde en ønsket koncentration indenfor et emissionsinterval, som er realistisk i forhold til forventede emissioner under praktiske lagringsforhold. Målsætningen for denne første etape af udviklingsprojektet er dermed opfyldt.

Næste skridt vil være at gennemføre lagringsforsøg med og uden flydelag på gyllen for at bestemme potentialet for metanoxidation i flydelaget, og forsøg med flydelag, men med eller uden ilt. Endvidere bør det undersøges, om metankoncentrationen i headspace vekselvirker med metanoxidationen, dvs. om det er muligt at mindske emissionen fra lageret ved at fastholde en forhøjet koncentration af metan i lagerets headspace.

3.5 Referencer

Ambus, P. & Petersen, S.O. 2005. Oxidation of 13C-labeled methane in surface crusts of pig- and cattle slurry. Indsendt.

Clemens, J., M. Trimborn, P. Weiland, and B. Amon. 2004. Mitigation of greenhouse gas emissions by anaerobic digestion of cattle slurry. Submitted.

Clemens, J., Trimborn, M., Weiland, P. & B. Amon. 2005. Mitigation of greenhouse gas emissions by anaerobic digestion of cattle slurry. Agric. Ecosyst. Environ. (in press).

Husted, S. 1994. Seasonal variation in methane emission from stored slurry and solid manures. J. Environ. Qual. 23, 585-592.

King, G.M. 1992. Ecological aspects of methane oxidation, a key determinant of global methane dynamics. Adv. Microb. Ecol. 12, 431-468.

Miner, J.R., Humenik, F.J., Rice, J.M., Rashash, D.M.C., Williams, C.M., Robarge, W., Harris, D.B. & Sheffield, R. 2003. Evaluation of a permeable, 5 cm thick, polyethylene foam lagoon cover. Trans. ASAE 46, 1421-1426.

Petersen, S.O. & Ambus, P. 2005. Methane oxidation in pig and cattle slurry storages as influenced by surface crust moisture and methane availability. Indsendt.

Petersen, S.O., Amon, B. & Gattinger, A. 2005. Methane oxidation in slurry storage surface crusts. J. Environ. Qual. (i trykken).

Sommer S.G., Petersen, S.O. & Søgaard, H.T. 2000. Emission of greenhouse gases from stored cattle slurry and slurry fermented at a biogas plant. J. Environ. Qual. 29:744-751.

Williams, A.G. & Nigro, E. 1997. Covering slurry stores and effects on emissions of ammonia and methane. In Proc. Int. Symp. 6-10 October 1997. Ammonia and Odour Control from Animal Production Facilities. P. 421-428. Vinkeloord, The Netherlands.

| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste | | Top |

Version 1.0 Juli 2005, © Miljøstyrelsen.