CRDS技術(shù)在降低奶牛廠氨排放方面的應(yīng)用

背景介紹

氨(NH3)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氣態(tài)活性氮的主要形式之一。它對(duì)生態(tài)系統(tǒng)有負(fù)面影響，如富營(yíng)養(yǎng)化、酸化和生物多樣性的喪失等。一般來(lái)說(shuō)，畜牧業(yè)，特別是奶牛業(yè)是氨排放的重要來(lái)源，需要降低。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，荷蘭制定了一系列法律法規(guī)。

奶牛場(chǎng)的氨來(lái)源于排出尿液中的尿素。尿素在排泄后的最初幾個(gè)小時(shí)內(nèi)轉(zhuǎn)化為氨，并從尿坑中尿液和糞便混合物的頂層(漿液)中排放出來(lái)。在過(guò)去的幾十年里，混凝土板條地板替代品的發(fā)展主要集中在封閉的混凝土地板上，有時(shí)出于動(dòng)物福利的原因與橡膠結(jié)合在一起。這些地板背后的工作原理是限制坑頂空間的空氣交換和快速排尿到這些坑中。CowToilet奶牛廁所提供了另一種選擇，它在尿液到達(dá)地面之前收集(部分)尿液。通過(guò)這種方式，尿液和糞便(部分)被分開(kāi)，氨排放的主要來(lái)源從住房系統(tǒng)中移除，儲(chǔ)存在其他地方，排放量可以忽略不計(jì)。奶牛廁所作為一種低排放系統(tǒng)已被添加到Rav法規(guī)a1.36和BWL 2021.05中，每個(gè)動(dòng)物場(chǎng)所每年的臨時(shí)氨排放系數(shù)為8.4公斤。為了獲得系統(tǒng)的確定排放系數(shù)，制造商(Hanskamp BV)必須向“荷蘭國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)”(RVO)3提供符合適當(dāng)要求的排放測(cè)量數(shù)據(jù)集。排放測(cè)量是評(píng)估的一部分，本報(bào)告描述了在應(yīng)用確定氨排放因子的背景下的排放測(cè)量。

CowToilet介紹

奶牛廁所是根據(jù)奶牛的生理機(jī)能設(shè)計(jì)的，它由Hanskamp AgroTech BV, Doetinchem開(kāi)發(fā)。在奶牛養(yǎng)殖業(yè)中，為滿足奶牛個(gè)體需求而在自動(dòng)喂食站供應(yīng)精料是很常見(jiàn)的。步行式喂食站為奶牛提供了離開(kāi)喂食站而不用向后走的機(jī)會(huì)。奶牛廁所是在步行式喂食站上增加的一個(gè)自動(dòng)小便器。

奶牛從喂食圍欄一側(cè)進(jìn)入奶牛坐便器，從另一側(cè)離開(kāi)奶牛坐便器。所有精料均在奶牛廁所內(nèi)飼喂。在奶牛食用濃縮飼料時(shí)，將小便池降低到母牛后下方。自動(dòng)小便器刺激奶牛，引起排尿。尿液被收集在一個(gè)小的蓄水池中，從那里泵送到一個(gè)儲(chǔ)存庫(kù)。

奶牛廁所的主要減排原理是通過(guò)收集部分動(dòng)物尿液來(lái)降低動(dòng)物舍內(nèi)氮源強(qiáng)度。收集的尿液?jiǎn)为?dú)存放。在這種儲(chǔ)存中，尿素最終轉(zhuǎn)化為氨，如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)母采w，會(huì)導(dǎo)致大量的氨排放。這樣做，預(yù)計(jì)尿液的儲(chǔ)存不會(huì)對(duì)氨排放產(chǎn)生顯著影響。

測(cè)試位置：

測(cè)量在荷蘭Leeuwarden乳業(yè)園區(qū)的環(huán)境研究倉(cāng)中進(jìn)行，下圖顯示了環(huán)境研究倉(cāng)的位置和乳業(yè)園區(qū)的位置。

荷蘭環(huán)境研究倉(cāng)的位置和乳制品園區(qū)的地形，包括背景采樣點(diǎn)。。

環(huán)境研究倉(cāng)其中一個(gè)隔間的兩張照片組合圖。注意從天花板上安裝的兩個(gè)通風(fēng)井。

測(cè)量方法：

由于各單元采用機(jī)械通風(fēng)，因此兩個(gè)通風(fēng)井代表了測(cè)量通風(fēng)率和氨濃度的房間的排放點(diǎn)。氨的背景(環(huán)境)濃度在谷倉(cāng)外谷倉(cāng)兩側(cè)距離10米的2至4個(gè)地點(diǎn)測(cè)定，濃度值最小的點(diǎn)被認(rèn)為是背景濃度。通風(fēng)率由各通風(fēng)豎井下的風(fēng)機(jī)輪風(fēng)速計(jì)測(cè)量。

該方法基于腔衰蕩光譜（CRDS）。每個(gè)通風(fēng)機(jī)的一組采樣管中的空氣首先通過(guò)Picarro A0311S 16通道進(jìn)樣器。兩個(gè)單元的每個(gè)通風(fēng)機(jī)和兩個(gè)背景點(diǎn)(東南和西北)布設(shè)采樣管路。管路的切換時(shí)間為5分鐘。測(cè)定氨濃度的平均時(shí)間為1分鐘。在5分鐘的總采樣時(shí)間中，前3分鐘的值用于獲得穩(wěn)定的濃度水平，這些值被排除在氨排放的進(jìn)一步計(jì)算之外。僅取第4分鐘和第5分鐘的平均值作為氨濃度。A0311S有16個(gè)入口，分別用于6個(gè)單元和4個(gè)背景點(diǎn)。采樣空氣中氨的濃度由Picarro G2508光譜儀測(cè)量。

氨氣絕對(duì)排放量(kg/每年/每個(gè)動(dòng)物場(chǎng)所)由下式計(jì)算:

Eijk=第i天在測(cè)量時(shí)段j在房間k的氨排放量(kg /每年/每個(gè)動(dòng)物場(chǎng)所)

Qijk=第I天在k室測(cè)量時(shí)段j內(nèi)的平均通風(fēng)量(m3/h/每個(gè)動(dòng)物場(chǎng)所)

Coutijk=第I天第k室測(cè)量時(shí)段j內(nèi)出風(fēng)口氨平均濃度(mg/m3)

Cinijk=第I天在第j個(gè)測(cè)量周期內(nèi)，房間k入風(fēng)氨的平均濃度(mg/m3)

AP=動(dòng)物場(chǎng)所的數(shù)量(=16)

相關(guān)研究結(jié)論：

不同測(cè)量方法和周期的標(biāo)準(zhǔn)化排放結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的 NOx、Picarro（每日）測(cè)量期間的排放結(jié)果。

這項(xiàng)研究意義重大，因?yàn)樗鼮闇p少畜牧業(yè)有害排放提供了潛在的解決方案，有助于環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。 使用 Picarro分析儀進(jìn)行連續(xù)測(cè)量可以精確監(jiān)測(cè)氨水平，這對(duì)于評(píng)估 CowToilet 等排放控制方法的有效性至關(guān)重要。

• 與傳統(tǒng)的混凝土板條地板相比，使用奶牛廁所減少了47.2%的氨排放。

• 這種減少相當(dāng)于0.528的比例排放率。再乘以控制室每年13 kg/畜位的排放系數(shù)，牛廁每年的氨排放率為6.9 kg/畜位。

• 根據(jù)本報(bào)告中的點(diǎn)測(cè)量，分類排放系數(shù)為每年每個(gè)動(dòng)物場(chǎng)所7千克NH3。

• 為獲得Rav立法的官方排放因子，需要第二種案例對(duì)照方法的測(cè)量結(jié)果或在至少兩個(gè)其他帶有奶牛廁所的畜棚的實(shí)際排放測(cè)量結(jié)果。

• 減排和由此產(chǎn)生的排放因子受測(cè)量氨濃度的方法的影響。

o使用氮氧化物方法，每年每個(gè)動(dòng)物場(chǎng)所的排放量減少35%，標(biāo)準(zhǔn)排放系數(shù)為8.5千克NH3。

o使用Picarro測(cè)量方法顯示排放量減少37%，每個(gè)動(dòng)物場(chǎng)所每年的標(biāo)準(zhǔn)化排放系數(shù)為8.2千克NH3。