EMISJA AMONIAKU W BUDYNKACH INWENTARSKICH DLA
BYDŁAMLECZNEGO
ZE
ŚCIOŁOWYMSYSTEMEM UTRZYMANIA
ZWIERZĄTMarek Kierończyk, Tadeusz Marcinkowski
Żuławski Ośrodek Badawczy w Elblągu,
Instytut Melioracji i Użytków Zielonych w Falentach
Wstęp
Amoniak stanowi najbardziej rozpowszechniony w atmosferze gaz o właści
wościach zasadowych. Gaz ten stanowi istotne jej zanieczyszczenie pochodzenia antropogenicznego. Rolnictwo, zwłaszcza z dużym udziałem produkcji zwierzęcej,
jest głównym jego emiterem. Wielkość strat amoniaku w Polsce z odchodów
zwierzęcych utylizowanych w postaci gospodarskich nawozów naturalnych kształ
tuje się obecnie na poziomie 230 tys. ton (wg danych IOŚ z roku 2002). W gos- podarstwie rolnym emisja amoniaku ma miejsce na każdym z etapów zagospoda- rowania odchodów zwierzęcych, poczynając od ich usuwania z budynków inwen- tarskich, poprzez przechowywanie na gnojowniach i stosowanie w postaci nawo- zów naturalnych. Wielkość tego typu gazowych strat azotu jest zróżnicowana
i zależy od wielu czynników, głównie od rodzaju zwierząt oraz systemu utylizacji odchodów zwierzęcych. Zagadnienia te, zwłaszcza w kontekście problematyki ekologicznej, są nadal niezwykle aktualne. Świadczy o tym rosnąca ilość prac,
zwłaszcza w literaturze zagranicznej [DEMMERS i in. 1998; PHILLIPS 2001; DORE 2004). Stanowią one ciągle nierozwiązany problem badawczy, szczególnie w aspek- cie ich ilościowej identyfikacji.
Materiał i metody badań
Badania określające poziom emisji amoniaku z budynków inwentarskich (obór) w wybranych żuławskich gospodarstwach mlecznych podjęto w II połowie
2004 roku. Stanowią one istotny element określania wielkości strat azotu w cało
kształcie produkcji rolniczej gospodarstwa. Charakterystykę badanych obiektów przedstawiono w tabeli 1.
Obiekt nr 1 znajdujący się w miejscowości Jegłownik stanowiła obora płyt
ka, gdzie średnioroczny stan pogłowia zwierząt kształtował się na poziomie 40-44 sztuk dużych (SD). Wytwarzane tutaj nawozy naturalne w postaci obornika usu- wano ręcznie, a odchody płynne (gnojówka) grawitacyjnie do podziemnych zbior- ników. W celu zapewnienia odpowiednich warunków zoohigienicznych w budyn-
ku zainstalowano system wentylacji mechanicznej realizowanej przez dwa ścienne
wentylatory osiowe (typ HCFf/4-400/H). Wentylatory mogły pracować w trzech trybach: na życzenie, praca ciągła, praca oliresowa. Wydajność wentylatorów w czasie badań została określona i wynosiła
4
436,2 m3·h-1 ( dla pracy okresowej) i 8 872,4 m3·h-1 (dla pracy ciągłej). Dzięki temu krotność wymiany powietrza w okresie zimowym kształtowała się na poziomie 8,ll·h-1, a w okresie letnim na poziomie 16,31·h-1• Pomiary emisji amoniaku wykonano zimą dla cyklu pracy okresowej, natomiast w okresie letnim dla cyklu pracy ciągłej. Wlot powietrza do budynku następował przez 8 otworów ( </> 10 cm) umieszczonych w dwóchprzeciwległych ścianach oraz 11 siatek o drobnych otworach umieszczonych niesy- metrycznie w oknach budynku.
Obiekt nr 2 to obora płytka położona w miejscowości Kępniewo, gdzie
średnioroczny stan pogłowia zwierząt mieścił się w przedziale 48-50 SD. Budynek
był wyposażony w zewnętrzny kanał gnojowy z mechanicznym systemem usuwania odchodów zwierzęcych oraz grawitacyjny system wymiany powietrza, zakończony stożkowym daszkiem powyżej kalenicy (krotność wymiany wynosiła 1,l ·h-1). Wlot powietrza wentylacyjnego do budynku następował poprzez 7 otworów o wymia- rach 12 x 12 cm umieszczonych w dwóch przeciwległych ścianach budynku, osło
niętych od wiatru.
Tabela 1; Table 1 Ogólna charakterystyka budynków inwentarskich
General characteristics of livestock buildings
Numer obiektu
Parametry Jednostki Number of building
Parameters Units
1 2 3
Kubatura budynku m3 543,3 574,7 495,5
Cubic capacity
Srednioroczny stan pogłowia zwierząt
SD;LU 44 50 38
Number of animals
Całkowita powierzchnia kanałów wentyla-
cyjnych mz 1,00 I) 0,29 0,39
Total area of ventilation ducts Krotność wymiany powietrza
1 ·h-1 8,17 Z)
1,09 1,13
Ventilation rate 16,3!3)
Wymiana powietrza m3-h-l 4 436,24>
627,3 557,6
Exchange of air 8 872,45)
Sposób usuwania odchodów R M M
Manner of manure removal
SD; LU sztuka duża = 500 kg; livestock unit = 500 kg R rt;cznie; manuał
M mechanicznie; mechanically
1> powierzchnia przekroju kanału wentylatorów; cross-section area of fan ducts
2> krotność wymiany powietrza w okresie zimowym; ventilation rate in winter season
'> krotność wymiany powietrza w okresie letnim; ventilation rate in summer season
•> wydajność wentylatorów w cyklu pracy ½; fans capacity in half cycle operation
~> całkowita wydajność wentylatorów w cyklu pracy ½; total fan capacity in half cycle operation
Obiekt nr 3 to obora płytka ze średniorocznym stanem pogłowia zwierząt
36-38 SD, zlokalizowana również w miejscowości Kępniewo. Kanał gnojowy
umieszczony był w środkowej części budynku, skąd odchody zwierzęce były usu- wane na gnojownię mechanicznie. Wymiana powietrza z budynku realizowana
była przez system wentylacji grawitacyjnej. Krotność wymiany powietrza wynosiła
1,13 wymiany na godzinę. Wlot powietrza do budynku następował przez 6 otwo- rów ( </J 10 cm) umieszczonych symetrycznie w ścianach budynku.
W okresie zimowym dieta zwierząt w gospodarstwach 1 i 2 oparta była głównie o mieszankę B-18 oraz własne pasze objętościowe, natomiast w gospo- darstwie nr 3 stosowano przede wszystkim pasze objętościowe (sianokiszonka),
śruty zbożowe oraz młuto browarniane. W okresie letnim w gospodarstwach 2 i 3 pasze pozyskiwane na pastwisku stanowiły podstawę dziennej dawki żywieniowej, zaś w gospodarstwie nr 1 dodatkowo uzupełniano ją również paszami treściwymi.
Pomiary stężeń amoniaku wykonano stosując proste, ale ogólnie akcepto- walne techniki pomiarowe, tj. technikę dozymetrii dynamicznej z wykorzystaniem rurek wskaźnikowych produkowanych seryjnie przez firmę Drager w zakresie po- miarowym 1,44-21,3 mg NH3·m3 oraz technikę dozymetrii pasywnej wykorzystują
cej pasywne próbniki strumieniowe Ferma [S<;::HORRING i in. 1992; DORE i in. 2004;
SCHLOLTENS i in. 2004; MOSQUERA i in. 2005].
Pomiar stężeń z wykorzystaniem rurek wskaźnikowych był wykonany na
wysokości 1,5 m oraz w kanałach wentylacyjnych na wysokości 2,6 m lub na wyso-
kości wentylatora. Natomiast próbniki pasywne Ferma umieszczano na czterech
różnych wysokościach w budynku, podobnie jak rurki wskaźnikowe Drager.
Emisję amoniaku z danego budynku oszacowano na podstawie następują
cych danych wejściowych: wydajności wentylatora, prędkości przepływu powietrza w kanałach wentylacyjnych, powierzchni przekroju wewnętrznego kanałów wenty- lacyjnych oraz zmierzonego stężenia amoniaku w powietrzu budynków oraz w powietrzu przepływającym przez kanały wentylacyjne.
Wyniki i dyskusja
Budynki inwentarskie stanowią miejsce, w którym pojawiają się pierwsze
zauważalne straty amoniaku z odchodów zwierzęcych. Są one uzależnione od ta- kich czynników jak: liczebność zwierząt, zainstalowany system wentylacji, system usuwania odchodów, jak również pory roku (tab. 2, 3). Oszacowana wielkość ulatniającego się amoniaku została przeliczona na podstawie wykonanych pomia- rów stężeń tego gazu w budynku i kanale wentylacyjnym (wentylacja grawitacyj- na) oraz przed i za wentylatorem (wentylacja mechaniczna).
Mierzone stężenia amoniaku w budynkach uzależnione były od pory roku, systemu wentylacji, jak również stosowanej techniki pomiarowej. Wartości stężeń
gazu podczas pomiarów w okresie zimowym (listopad - luty) kształtowały się
w zakresie od 0,73 do 3,51 mg NH3·m-3 oraz 0,62 do 1,60 mg NH3·m-3, odpowied- nio dla techniki dozymetrii dynamicznej i dozymetrii pasywnej. Z kolei stężenia
mierzone w kanałach wentylacyjnych w tym okresie kształtowały się na poziomie od 1,00 do 4,83 mg NH3·m-3 oraz od 0,79 do 1,93 mg NH3-m-3, odpowiednio dla dozymetrii dynamicznej i dozymetrii pasywnej.
W okresie letnim stężenie amoniaku w budynku kształtowało się w prze- dziale 0,48-2,40 mg NH3·m-3 oraz 0,34-1,30 mg NH3·m-3, odpowiednio dla do- zymetrii dynamicznej i dozymetrii pasywnej. Stężenia amoniaku w powietrzu ka-
nałów wentylacyjnych były na nieco wyższym poziomie i przyjmowały wartości
rzędu od 0,69 do 3,2 oraz od 0,54 do 1,93 mg NH3·m-3, odpowiednio dla dozy- metrii dynamicznej i dozymetrii pasywnej.
Na podstawie uzyskanych wartości stężeń gazu oraz parametrów technolo- gicznych (wymiana powietrza, kubatura budynku) oszacowano emisję amoniaku,
uwzględniając średnioroczny · stan pogłowia bydła. Przy założeniu, że punktem odniesienia jest stężenie gazu mierzone wewnątrz budynku, emisja w okresie zi- mowym kształtowała się na poziomie od 0,92 do 1,72 g NH3·SD-1·dzień-1 (stosu-
jąc technikę dozymetrii dynamicznej) i od 0,28 do 1,50 g NH3·SD-1·dzień-1 (stosu-
jąc technikę dozymetrii pasywnej). Natomiast oszacowana emisja amoniaku w tym samym okresie, ale w odniesieniu do stężeń notowanych w kanałach wen- tylacyjnych, wyniosła od 1,17 do 2,42 g NH3·SD-1·dzień-1 oraz w zakresie 0,37 do 1,91 g NH3·SD-1·dzień-1, odpowiednio dla dozymetrii dynamicznej i dozymetrii pasywnej.
Tabela 2; Table 2
Stężenie i szacowana emisja amoniaku z badanych budynków inwentarskich w okresie listopad - luty
Concentration and estimated emission of ammonia from tested livestock buildings during
· pericd October - February
Stężenie amoniaku Oszacowana wartość emisji
Numer Estimated ammonia emission
obiektu Miejsce pomiaru Concentration of ammonia (g NH3·SO°1·dzien-•
Number Place (mg NH3·m-3)
g NH3·LU-1·day-1) of buil- of measurement
ding DO OP OD OP
Budynek
0,73±0,007 0,62±0,125 1,72 1,50
Indoor I
Kanał wentylacyjny
1,00±0,347 0,79±0,053 2,42 1,91
Ventilation duet
Budynek 3,51±0,203 1,60±1,360 1,07 0,48
lndoor
2 Kanał wentylacyjny
4,83±0,411 1,93±1,401 1,45 0,58
Ventilation duet Budynek
2,33±0,234 0,76±0,123 0,92 0,28
lndoor
3 Kanał wentylacyjny 3,16±0,395 1,01±0,261 1,17 0,37
Ventilation duet
OD dozymetria dynamiczna; dynamie dosimetry, n = 8
OP dozymetria pasywna; passive dosimetry, n = 10 SD; LU sztuka duża = 500 kg; livestock unit = 500 kg
Podane w tabeli wartości są średnią z n pomiarów oraz odchyleniem standardowym; Values given in table are means from n measurements with standard deviation
W okresie letnim emisja amoniaku szacowana w oparciu o wartości stężeń
mierzonych w budynku kształtowała się na poziomie od 0,57 do 2,32 g
NH3·SD·1·dzień-1 (stosując technikę dozymetrii dynamicznej) i od 0,16 do 1,60 g
NH3·SD-1·dzień-1 (stosując technikę dozymetrii pasywnej). Natomiast oszacowana
emisja amoniaku w tym samym okresie, jednak w odniesieniu do stężeń notowa-
nych w kanałach wentylacyjnych, wyniosła od 0,73 do 3,34 g NH3·SD-1·dzień-1 oraz w zakresie 0,37 do 1,91 g NH3·SD-1·dzień-1, odpowiednio dla dozymetrii dy- namicznej i dozymetrii pasywnej.
Wartość szacowanej emisji amoniaku dla systemu wentylacji mechanicznej
wyniosła 1,72 g NH3·SD-1·h-1 i 2,32 g NH3·SD-I-h-1, odpowiednio do okresu zimo- wego i letniego. Jednakże przy założeniu, że punktem odniesienia jest stężenie
amoniaku w powietrzu kanałów wentylacyjnych, oszacowana emisja była nieco
wyższa i kształtowała się na poziomie 2,42 i 3,34 g NH3·SD-1·h-1 (przy pomiarach
techniką dozymetrii dynamicznej).
Tabela 3; Table 3
Stężenie i szacowana emisja amoniaku z badanych budynków inwentarskich w okresie marzec - październik
Concentration and estimated emission of ammonia from tested livestock buildings during March - October period
Stężenie amoniaku Oszacowana wartość emisji
Numer Estimated ammonia emission
obiektu Miejsce pomiaru Concentration of ammonia
(g NH3·SD-1·dzien-1 Number Place of measure- (mg NH3·m-3)
g NH1·LU-1·day-1)
of buil- ment
ding DD DP DD DP
budynek
0,48±0,005 0,34±0,112 2,32 1,64
indoor
1 kanał wentylacyjny
0,69±0,260 0,54±0,053 3,34 2,61
ventilation duet budynek
2,40±0,211 1,30±0,97 0,72 0,39
indoor 2
kanał wentylacyjny 3,20±0,295 1,12±1,05 0,96 0,34 ventilation duet
budynek
1,60±0340 0,46±0,156 0,57 0,16
indoor
3 kanał wentylacyjny
2,06±0,465 0,60±0,342 0,73 0,21
ventilation duet
DD dozymetria dynamiczna; dynamie dosimetry, n = 7 DP dozymetria pasywna; passive dosimetry, n = 9 SD; LU sztuka duża
=
500 kg; livestock unit=
500 kgPodane w tabeli wartości są średnią z n pomiarów oraz odchyleniem standardowym; Values given in table are means from n measurements with standard deviation
Uzyskane wartości emisji w trakcie realizacji niniejszej pracy wyraźnie róż
nią się od wartości uzyskanych przez GROOTA KOERKAMPA i in. [1998], a zebranych i opisanych przez KUCZYŃSKIEGO [2002]. Rejestrowane tam stężenia amoniaku w oborze ściołowej, z mechanicznym systemem wentylacji, kształtowały się w sze- rokim zakresie od 0,66 do 4,19 mg NH3·m-3, co powodowało emisję amoniaku do atmosfery rzędu od 6,24 do 21,36 g NH3·SD-1·dzien-1. Z kolei DORE i in. [2004) w swoich badaniach prowadzonych w budynkach z gnojowicowym systemem utyli- zacji ze średniorocznym stanem pogłowia na poziomie 130 krów wykazali emisję
amoniaku rzędu 90 g NH3·SD-1·h-1.
Wnioski
1. W budynku inwentarskim nr 1 z mechanicznym systemem wentylacji emisja amoniaku kształtowała się na poziomie 1,64-2,32 g NH3·SD-I-h-I w okresie letnim oraz na poziomie 1,50-1,72 g NH3·SD-1·h-1 w okresie zimowym.
2.
3.
Istotnie niższe wartości emisji amoniaku odnotowano w budynkach nr 2 i 3 z grawitacyjnym systemem wentylacji Oszacowane wartości emisji kształto
wały się w przedziale od 0,16 do 0,72 g NH3·SD-1·h-1 dla okresu letniego i od 0,28 do 1,07 g NH3·SD-1·h-1 dla okresu zimowego.
Uzyskane wyniki badań wskazują, że emisja amoniaku z badanych obiektów inwentarskich jest w dużym stopniu funkcją rodzaju i wydajności systemu wentylacyjnego, a jej ograniczanie jest szerokim kompromisem pomiędzy
realizacją założonych celów produkcyjnych i możliwych do spełnienia celów ekologicznych.
Literatura
DEMMERS T.G.M., BURGESS L.R., SHORT J.L., PHILLIPS V.R., CLARK J.A., WATCHES C.M., 1998. First experiences with methods to measure ammonia emisssions from naturally ventilated cattle buildings in the UK. Atmospheric Environment 32(3): 285-293.
DORE C.J., JONES B.M.R., SCHOLTENS R., HUIS in't VELD J.W.H., BURGESS L.R., PHILLIPS V.R. 2004. Measuring ammonia emission rates from livestock buildings and manure stores. Part 2. Comparative demonstrations of three methods on the farm. At- mospheric Environment 38: 3017-3024.
GROOT KOERKAMP P.W.G, METZ J.H.M., UENK G.H., PHIPILPS V.R., HOLDEN M.R., SNEATH R.W., SHORT J.L, WHITE R.P., HARTUNG J., SEEDORF J., SCHRODER M., LINKERT K.H., PEDERSEN s., TAKAI H., JOHNSEN J.O., WATHES C.M. 1998. Concentration and emission of ammonia in livestock buildings in Northem Europe. Journal of Agricultural Engineering Research 70: 79-95.
KUCZYŃSKI T. 2002. Emisja amoniaku z budynków inwentarskich a środowisko. Re- dakcja Wydawnictw Naukowo-Technicznych, Zielona Góra: 242 ss.
MOSQUERA J., MONTENY G.J., ERISMAN J.W. 2005. Overview and asssesment of techni- ques to measure ammonia emissions from anima/ houses: the case of the Nether- lands, Environmental Pollution 135: 381-388.
PHILLIPS V.R, LEE D.S„ SCHOLTENS R. GARLAND J.A. SNEATH R.W. 2001. A review of methods for measuring emission rates of ammonia from livestock buildings and slur- ,y or manure stores. Part 2. Monitoring fiux rates, concentration and airfiows rates.
Journal of Agricultural Engineering Research 78(1): 1-14.
SCHOLTENS R., DORE C.J., JONES B.M.R., LEE D.S., PHILLIPS V.R. 2004. Measuring ammonia emission rates from livestock buildings and manure stores. Part 1.
Development and validation of extemal tracer ratio, internat tracer ratioand passive fiux sampling methods. Atmospheric Environment 38: 3017-3024.
SCHORRING J.K., SOMMER S.G., FERM M. 1992. A passive sampler for measuring ammonia emission in the field. Water Air and Soil Pollution 62: 13-24.
Słowa kluczowe: em1s1a amoniaku, budynki inwentarskie, strumieniowe próbniki pasywne
Streszczenie
Rolnictwo, zwłaszcza z dużym udziałem produkcji zwierzęcej stanowi istot- ne źródło zanieczyszczeń atmosfery amoniakiem. Emisja tego gazu ma miejsce na
każdym z etapów, poczynając od usuwania odchodów zwierzęcych z budynków inwentarskich, poprzez ich przechowywanie na gnojowniach i stosowanie w posta- ci nawozów naturalnych. Wielkość tego typu gazowych strat azotu jest znacznie
zróżnicowana i zależy głównie od sposobu gospodarowania odchodami zwierzęcy
mi. Znaczący strumień ulatniającego się amoniaku pochodzi z budynków inwen- tarskich. Pomimo wykonania wielu opracowań zagadnienie to, zwłaszcza w kon-
tekście identyfikacji ilościowej, jest nadal otwartym problemem badawczym.
Uzyskane techniką dozymetrii dynamicznej średnie dobowe wartości stt;żeń
amoniaku kształtowały się w przedziale od 0,73 do 3,51 mg NHJ°m-3, przy czym w powietrzu kanałów wentylacyjnych (wysokość 2,6 m) notowano nieco wyższe stężenia rzędu 1,00 do 4,83 mg NH3·m-3. Ostatecznie oszacowana emisja amonia- ku kształtowała się na poziomie od 0,92 do 1,07 g NH3·SD-1·h-1 w okresie zimo- wym i przy systemie wentylacji grawitacyjnej, zaś 1,72 g NH3·SD-1·h-1 w okresie zimowym i 2,32 g NH3·SD-1·h·1 w okresie letnim przy systemie wentylacji mecha- nicznej.
Wartości uzyskane techniką dozymetrii pasywnej były nieco niższe w po- równaniu z techniką dozymetrii dynamicznej i tak w budynku kształtowały się pomiędzy 0,62, a 1,60 mg NH3·m·3 w okresie zimowym a pomiędzy 0,34 a 1,30 mg NH3·m-3 w okresie letnim. Wartości stężeń w kanałach wentylacyjnych noto- wano w przedziale od 0,79 do 1,93 mg NH3·m·3 w okresie zimowym i 0,54 a 1,93 mg NH3·m-3 w okresie letnim. Wartości te miały wpływ na odpowiednio niższe wartości szacowanej emisji, kształtując się w zakresie od 0,28 do 0,48 g NH3·SD-1·h·1 w okresie zimowym i od 0,16 do 0,39 g NH3·SD-1·h·1 w okresie let- nim przy systemie wentylacji grawitacyjnej, natomiast 1,50 g NH3·SD-1-h-1 w okre- sie zimowym a 1,64 w g NH3·SD-1·h-1 w okresie letnim przy systemie wentylacji mechanicznej.
AMMONIA EMISSION FROM THE DAIRY CATTLE BUILDINGS WITH LITTERED STANDS FOR ANIMALS
Marek Kierończyk, Tadeusz Marcinkowski Żuławy Branch in Elbląg,
Institute for Land Reclamation and Grassland Farming, Faienty Key words: ammonia emission, livestock buildings, passive diffusion sampler
Summary
Agriculture, especially anima! production, is an important source of atmospheric pollution with ammonia. Emission of ammonia takes place at all stages, since removing anima! wastes from buildings, during its storage period on manure pits and application in the field. Amount of gaseous losses of nitrogen is very differentiated. It depends on the manner of manure management. Impor-
tant flux of ammonia volatilized derives from anima! buildings. Apart from many works concerning ammonia emission, it is still an open research problem, parti- cularly in context of quantitative identification.
Values of average daily ammonia concentration measured by using dyna- mie dosimetry technique in buildings ranged between 0.73 and 3.51 mg NH3·m-3,
but in the air of ventilation ducts (measured at height 2.6 m) was higher (1.00-4.83 mg NH3·m-3). Finally estimated ammonia emission amounted from 0.92 to 1.07 g NH3·LU-1·h-1 in naturally ventilated buildings in winter season wh ereas 1.72 g NH3·LU-1·h-1 in winter season and 2.32 g NH3·LU-1·h-1 in the war- mer seasons at using forced-ventilation.
Values of ammonia concentration derived from passive dosimetry tech- nique were slightly lower than at dynamie dosimetry technique and in buildings ranged within 0.62, 1.60 mg NH3·m-3 in winter and within 0.34-1.30 mg NH3·m-3 in the summ er period but in ventilation duet they were on the level from O. 79 to 1.93 mg NH3·m-3• Concentration of ammonia have influenced both calculated and estimated emission and was on the level 0.28 to 0.48 g NH3·LU-1·h-1 in winter season and between 0.16 and 0.39 g NH3·LU-1·h-1 in warmer seasons at naturally ventilated whereas 1.50 g NH3·LU-1·h-1 in winter season and 164 g NH3·LU-1·h-1 in the summer in forced-ventilated buildings.
Mgr inż. Marek K.ierończyk
Żuławski Ośrodek Badawczy
Instytut Melioracji i Użytków Zielonych ul. Giermków 5
82-300 ELBLĄG
e-mail: m.f.k@plusnet.pl
