Assessment of the influencing factors regarding loss of methane potential due to manure storage in dairy cow and fattening pig farms

Abstract

The necessity to decrease greenhouse gas (GHG) emissions, mainly methane (CH4), is underscored in diverse national and international regulations and conventions. Agriculture, particularly livestock enteric fermentation and manure management, is a significant source of these emissions. In pig and dairy cattle farming, liquid-manure systems are the most prevalent and responsible for an upsurge in CH4 emissions. This study further investigates the potential of CH4 production from manure as a renewable energy source and an effective strategy to decrease GHG emissions, emphasizing the importance of better understanding the factors that regulate CH4 potential loss from manure storage. This study scrutinized the effect of storage conditions and changes in chemical composition on CH4 formation and emissions from dairy and fattening pig manure. Two different experimental techniques were designed to verify the influence of storage temperature on CH4 production and the effects of manure storage on biochemical methane production (BMP). In the first method, samples were stored without inoculum at varying temperatures, and CH4 production was measured. In pig manure stored at 25°C and 20°C, CH4 production amounted to 69.3% and 50.3% of the BMP, respectively. The highest CH4 production for dairy slurry were observed at 25°C but remained low. The production of CH4 in dairy manure was found to be inhibited during storage. The study suggested several potential reasons for this inhibition, though further research is recommended to confirm these hypotheses. The second set of experiments, evaluate the BMP of manure samples collected year-round from different stages on the manure storage in dairy cow and fattening pig farms. The findings indicated a 20.5% reduction in the BMP of dairy manure due to alterations in chemical composition during the transfer from the barn to outdoor storage. Similarly, there was a 39.5% drop in the BMP for samples of fattening pig manure in the transition from intermediate to outdoor storage. When examining BMP relative to the age of the manure, it was observed that pig manure decomposes quicker than dairy manure. Mathematical models were developed to predict BMP from the chemical composition, and the most effective predictors for each livestock category were identified. Improvements to predict BMP for less aged samples with reduced variability in their chemical compositions would be necessary. Overall, this study highlights the necessity of promptly transporting manure to either a biogas plant or outdoor storage facilities. Such measures can help prevent significant CH4 emissions and avoid a decrease in energy production capacity.

In verschiedenen nationalen und internationalen Verordnungen und Übereinkommen wird die Notwendigkeit, Treibhausgasemissionen (THG), insbesondere Methanemissionen (CH4) zu reduzieren, unterstrichen. Im Sektor Landwirtschaft stellen vor allem die enterische Fermentation von Nutztieren und das Güllemanagement bedeutende Quellen dieser Emissionen dar. In der Schweine- und Milchviehhaltung sind Flüssigmist-Systeme am weitesten verbreitet und für einen Anstieg der CH4-Emissionen verantwortlich. Die vorliegende Studie untersucht weiterhin das Potenzial der CH4-Produktion aus Flüssigmist als erneuerbare Energiequelle und als effektive Strategie zur Reduzierung von THG-Emissionen, und verdeutlicht die Bedeutung eines besseren Verständnisses der Faktoren, die den möglichen CH4-Verlust aus Güllelagern regulieren. Im Rahmen der vorliegenden Studie wurden die Auswirkungen von Lagerbedingungen und Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung auf die CH4-Bildung und -Emissionen aus Milchvieh- und Mastschweinegülle analysiert. Um den Einfluss der Lagertemperatur auf die CH4-Produktion und die Effekte der Güllelagerung auf das biochemische Methanpotential (BMP) zu überprüfen, wurden zwei verschiedene experimentelle Methoden angewandt. In der ersten Untersuchung wurden Proben ohne Inokulum bei verschiedenen Temperaturen gelagert und die CH4-Freisetzung gemessen. Bei der Lagerung von Schweinegülle bei 25°C und 20°C betrug die CH4-Freisetzung 69,3% bzw. 50,3% des BMP. Die höchste CH4-Freisetzung für Milchvieh-Gülle wurde bei 25°C beobachtet, blieb jedoch insgesamt auf einem niedrigen Niveau. Während der Lagerung von Milchviehgülle wurde eine Hemmung der CH4-Produktion festgestellt. Im Rahmen der Studie werden mehrere mögliche Gründe für diese Hemmung angeführt, weiterführende Untersuchungen zur Bestätigung dieser Hypothesen sind jedoch zu empfehlen. In einer zweiten experimentellen Studie wurden die BMP von Flüssigmistproben, die im Verlauf eines Jahres entlang der Managementkette des Flüssigmists auf Milchvieh- und Mastschweinebetrieben genommen wurden, bewertet. Die Ergebnisse zeigten eine Reduzierung des BMP von Milchviehgülle um 20,5% aufgrund von Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung im Verlauf des Transfers vom Stall zum Außenlager. Ebenso ergab sich ein Rückgang des BMP um 39,5% für Proben von Mastschweinegülle im Vergleich der Zwischenlagerung im Stall und des Außenlagers. Bei der Untersuchung des BMP in Bezug auf das Alter der Gülle wurde festgestellt, dass Schweinegülle bei der Lagerung schneller abgebaut wird als Milchviehgülle.Um die BMP aus der chemischen Zusammensetzung vorherzusagen, wurden mathematische Modelle entwickelt und die effektivsten Vorhersageparameter für jede Nutztierkategorie identifiziert. Für weniger gealterte Proben mit geringerer Variabilität ihrer chemischen Zusammensetzung sind weiterhin Verbesserungen zur Vorhersage der BMP erforderlich. Insgesamt verdeutlicht die vorliegende Studie die Notwendigkeit, Flüssigmist schnell zu einer Biogasanlage oder zu Außenlagern zu transportieren. Solche Maßnahmen können dazu beitragen, signifikante CH4-Emissionen zu verhindern und einen Rückgang der Energieproduktionskapazität des Flüssigmistes zu vermeiden.