Ammoniakspredning omkring en svineproduktion

Danmarks Miljøundersøgelser har siden slutningen af 1980’erne gennemført registreringer af den atmosfæriske deposition af kvælstof i Danmark [1]. Depositionen af kvælstof kan modelmæssigt deles op efter de oprindelige kilder. Den ene gruppe af kilder er kvælstofilterne der primært stammer fra forbrænding af fossilt brændstof, den anden gruppe er ammoniak og ammoniumforbindelserne, der primært stammer fra landbrugsproduktionen. De enkelte kvælstofforbindelser har forskellige egenskaber i atmosfæren. Kvælstofilterne og ammoniumforbindelserne transporteres over lange afstande, mens ammoniak afsættes relativt tæt på kilden. Når ammoniak fordamper fra en landbrugsbedrift vil den enten relativt hurtigt afsættes som ammoniak eller omdannes til partikulært ammonium i atmosfæren. Dette fremgår bl.a. af Danmarks Miljøundersøgelsers målinger på Anholt, hvor der stort set ingen ammoniak er i luften, fordi der er meget langt til de nærmeste kilder [1].

Da ammoniak afsættes relativt tæt på kilden, er der ved miljøgodkendelser meget fokus på, hvor stor fordampningen af ammoniak er fra et husdyrbrug i relation til følsomme naturarealer. Det er imidlertid meget vanskeligt at måle afsætningen af ammoniak. I praksis måler man derfor ofte kun koncentrationen af ammoniak og bruger en model til at fastlægge afsætningen af ammoniak. I sagsbehandlingen vedr. godkendelser af husdyrbrug bruger man en model, der både beregner spredningen og herudfra deposition af ammoniak.

I gennem de senere år har der været en række eksempler på modeller til beregning af spredning og deposition af ammoniak, fx N-dep, Amtsmodellen og OML-DEP [2], [3] og [4]. I forbindelse med den nye husdyrlov er det besluttet, at spredning og deposition af ammoniak skal foretages med OML-DEP.

Det er specielt tæt på en ammoniakkilde, fx en svineproduktion, hvor der er størst usikkerhed om, at depositionen af ammoniak beregnes rigtigt. Der findes eksempler på, at der tidligere er beregnet depositionen så stor som op til 2.000 kg N/ha årligt [2].

Formålet med projektet var at sammenligne målte og beregnede koncentrationer af ammoniak i udeluften i forskellig afstand fra en svinestald. Dette blev gjort med henblik på at validere præcisionen af sprednings- og depositionsmodellen OML-DEP, der anvendes af myndigheder til bestemmelse af staldens bidrag til omgivelserne [4]. Ammoniakemissionen fra staldanlægget blev målt af Dansk Svineproduktion, mens Danmarks Miljøundersøgelser, Afdeling for Atmosfærisk Miljø var ansvarlig for målinger af ammoniakkoncentration omkring svinebesætningen samt at foretage spredningsberegninger med OML-DEP.

Med henblik på at mindske variationen blev der ved planlægning af projektet stillet følgende krav til den lokalitet/svinestald, der skulle indgå i projektet:

• Fladt terræn, ingen generende bygninger og træer i nærheden
• Ingen husdyrproduktionsenheder, gødningslagre eller gyllebeholdere i nærheden
• Overkommelig stald at måle på, dvs. relativt få ventilationsafkast
• Ingen udkørsel af husdyrgødning i området i måleperioden

Flere end hundrede lokaliteter med svineproduktion blev vurderet, før en smågrise- og slagtesvinestald placeret på den sydlige del af Falster blev udvalgt som den bedst egnede. Lokaliteten kunne i al væsentlighed opfylde de fleste krav på nær kravet om ”ingen gyllebeholder”. Imidlertid var det kun den ene af to gylleboldere, der var i brug. Ved validering af modellen var det derfor nødvendigt at anslå emissionen af ammoniak fra den ene gyllebeholder, da det ikke var muligt at måle emissionen. Et satellitfoto af besætningen er vist i figur 1.

Figur 1. Billedet viser et satellitfoto af området, hvor svinestalden og målepunkterne hhv. 75, 150 og 300 m fra svinestalden er indsat. Satellitfotoet er fra 2004, hvilket var før stalden blev etableret. Kun det det ene af fire målepunkter omkring gyllebeholderen er vist på figuren. (0189)

Staldindretning og produktionsforhold

Stalden var indrettet med tre hele og en ”halv” smågrisesektion med hhv. 384 og 192 stipladser, i alt 1.344 stipladser i smågrisestalden. I slagtesvinestalden var der syv sektioner med 192 stipladser, i alt 1.344 stipladser. Smågrisestalden var indrettet med toklima, vådfodring og totredjedel fast gulv. Slagtesvinestalden var indrettet med vådfodring og 60 pct. fast gulv. Luften blev indtaget via diffust luftindtag og fra hver staldsektion var en udsugningsskorsten med en maks. kapacitet på ca. 20.000 m³/time.

Ammoniakemission fra svinestald

Fra juni 2006 og til begyndelsen af september 2006 målte Dansk Svineproduktion emissionen af ammoniak fra hele staldanlægget på nær gyllebeholderne.

Udsugningsskorstenen i hver af de 11 staldsektioner var forsynet med en såkaldt målevinge, der kunne måle den mængde luft, der blev suget ud af stalden. Fra hver udsugningsenhed var der ført en slange frem til central enhed til måling af ammoniakkoncentration. Der blev brugt en måler af typen Innova 1412 Photoacustic - Field Gas Monitor, som var forbundet med en Innova 1309 Multipoint Gas Sampler, se figur 2. Herved var det muligt at måle på de 11 staldsektioner og en ”baggrund”, som var et målepunkt placeret i loftsrummet, hvorfra ventilationsluften blev indtaget.

Luftydelsen blev målt kontinuerligt, og der blev opsamlet en værdi hvert femte minut. Ammoniakmåleudstyret foretog en måling af ammoniakkoncentrationen 4-5 gange pr. staldafsnit pr. time.

Til kontrol af ammoniakmåleudstyr og korrektion af måledata blev der to gange dagligt foretaget målinger af ammoniakkoncentration med sporgasrør af typen Kitagawa 105 SD, se figur 2.

Figur 2. Måling af ammoniakkoncentration med Innova 1412 Photoacustic - Field Gas Monitor, som var forbundet med en Innova 1309 Multipoint Gas Sampler. Kontrolmålinger blev foretaget med Kitagawa 105SD sporgasrør. (0186 og 0181)

Ammoniakkoncentration omkring svinestald

Måling af ammoniakkoncentration i omgivelserne blev foretaget af Danmarks Miljøundersøgelser med passive diffusionsopsamler af typen ”Radiello”, se figur 3a. Princippet i den passive teknik er opsamling af gas ved molekylær diffusion gennem et rør til et effektivt absorberende medium. Opsamleren giver en integreret koncentrationsbestemmelse over et kortere eller længere tidsrum.

To Radiello-diffusionsopsamlere blev hængt til parallel eksponering under en overskåret spand, der var monteret på en ca. 2 m høj pind. Prøveopsamleren bestod af et porøst rør af polyethylen (4,6 cm langt, 1,6 cm i diameter), der fungerede som diffusionskappe. Ammoniakmolekylerne diffunderede igennem kappen til et absorberende rør (4,6 cm langt, 0,6 cm i diameter), der var fikseret inden i kappen. Efter eksponering blev absorberende rør ekstraheret og ekstraktet blev analyseret vha. spektrofotometrisk detektion med kontinuerlig flow injektion (ISO 11732).

Figur 3a. Passiv diffusionsopsamler af typen ”Radiello” (0182)
Figur 3b. Fordeling af målepunkter omkring stald og gyllebeholder (0222)         

Der blev målt i 27 punkter, fordelt med tre målepunkter på transekter i otte retninger (nord, nordøst, øst, sydøst, syd, sydvest, vest, nordvest) og yderligere tre målepunkter ved gylletanken, se figur 3b. Det første målepunkt i nordøstlig retning stod ved gylletanken, dvs. der blev målt i fire retninger omkring gylletanken (nordøst, sydøst, sydvest og nordvest). Første målepunkt var ca. 75 m fra stalden, næste målepunkt ca. 150 m, og målepunktet længst fra stalden var i en afstand af ca. 300 m. Figur 4 viser det sydvestlige og det sydøstlige transekt med de tre målepinde.

Figur 4. Billedet viser den sydvestlige og sydøstlige transsekt med målestationer placeret i ca. 300, 150 og 75 m fra staldanlægget. (0183 og 0184)

Ammoniakemission fra gyllebeholder

Det var ikke muligt at måle emissionen af ammoniak fra gyllebeholderen direkte. For at få en ide om emissionen blev der derfor placeret fire målestationer rundt om gyllebeholderen, se figur 5.

Figur 5. Billederne viser gyllebeholderen den 21. juli 2006 – godt 2 måneder efter sidste udkørsel af gylle. På billedet til højre ses to af fire målestationer omkring gyllebeholderen. (0188 og 0187)

Måling af meteorologi

Vha. en meteorologimast, der blev forsynet med strøm dels fra solceller og dels fra lille vindmølle, se figur 6 blev følgende parametre registreret ved hjælp af et sonicanemometer.

• Vindretning og vindhastighed
• Temperatur
• Luftfugtighed og nedbør
• Solar indstråling

Figur 6. Billedet viser meteorologimasten med sonicanemometer samt vindmølle og solceller til strømforsyning. (0185)

Statistik og dataopgørelse

De kontinuerlige ammoniakmålinger foretaget med Innova blev korrigeret i forhold til kontrolmålingerne foretaget med Kitagawa. Der blev foretaget korrektion af dels nulpunkt og dels lineær korrektion af sammenhængen mellem de kontinuerlige målinger og kontrol målingerne. Der blev beregnet timegennemsnit af ammoniakkoncentration, luftydelse, ammoniakemission, ude- og staldtemperatur.

Alle disse parametre og de meteorologiske data indgik efterfølgende ved beregning af ammoniakkoncentrationer i omgivelserne med sprednings- og depositionsmodellen OML-DEP.

Ammoniakemission fra staldanlæg

Den beregnede ammoniakemission ud fra luftydelse og ammoniakkoncentration fra hele staldanlægget er vist i figur 7. Den gennemsnitlige ammoniakkoncentration i smågrisestaldene var 0,6 mg/m³, mens den var 2,5 mg/m³ i slagtesvinestaldene. Ammoniakemissionen fra smågrisestaldene på 0,019 g NH₃-N pr. time var lavere end forventet ud fra normtal for husdyrgødning, mens emissionen fra slagtesvinestaldene med 0,18 g NH₃-N pr. time var lidt højere end forventet. Dette tilskrives den meget varme sommer og udpræget svineri på det faste gulv.

Både de kontinuerlige og kontrolmålingerne af ammoniakkoncentrationen er vist på figur 1-4 i appendiks B. Der blev foretaget i alt 1172 kontrolmålinger med Kitagawa sporgasrør fordelt på de 11 sektioner. De viste Innovamålinger er korrigeret ud fra kontrolmålingerne, dels en korrektion af nulpunktet, dels en lineær korrektion af sammenhængen mellem de kontinuerlige målinger og kontrol målingerne. Der var to huller af flere dages varighed i datasættet som følge af dels udfald i opsamlingsudstyret, dels en defekt pumpe i Innovamåleren. Ved beregning af ammoniakspredning med OML-modellen blev der estimeret en gennemsnitlig emission ud fra emissionen før og efter udfald. Ved målingerne i sektion 2 var der en defekt slange, som først blev opdaget medio august. De kontinuerlige målinger i denne sektion er derfor konstrueret ud fra kontrolmålingerne, se figur 1 i appendiks B.

Der kan forekomme negative værdier for ammoniakkoncentrationen, hvilket dels er en følge af, at der korrigeres i forhold til en udekoncentration, dels at der ikke er helt tidsmæssig sammenhæng, dels vil almindelig variation på nulpunktsmålingerne og målingerne i de enkelte sektioner bevirke, at der kommer negative værdier.

Figur 7.  Ammoniakemission fra hele staldanlægget eksklusive gyllebeholdere angivet i g NH₃-N pr. time (0223)

Ammoniakkoncentration omkring staldanlæg

Samtlige målte ammoniakkoncentrationer omkring svinestalden, gyllebeholderen og i loftrummet er vist i appendiks C. Som det fremgår af målingerne og tabel 1, så var der en meget tydelig gradient, således at koncentrationerne aftog med stigende afstand fra svinestalden, og i afstanden 300 m var koncentrationen tæt på baggrundsniveauet. De højeste koncentrationer (10-30 μg NH₃-N/m³) blev målt ved de fire målestationer omkring gyllebeholderen i den første del af måleperioden. De målte koncentrationer omkring gyllebeholderne faldt i løbet af måleperioden formentlig som en følge af at flydelaget blev tykkere med tiden efter at beholderen havde været omrørt og tømt i forbindelse med gyllekørsel ind til midten af maj 2006.

Tabel 1. Middelkoncentrationer af ammoniak, standardafvigelse på koncentrationerne og variationskoefficienten i de forskellige afstande fra stalden i hele måleperioden

For at kontrollere baggrundsniveauet for målingerne af ammoniakkoncentration i staldene blev der over seks dage foretaget måling af ammoniakkoncentration på fem placeringer i loftsrummet. Den gennemsnitlige koncentration for seks dage lå på knap 10 μg NH₃-N/m³.

Beregning af ammoniakspredning med spredningsmodellen OML-DEP

På baggrund af de målte koncentrationer, luftmængder og temperaturer i samtlige afkast i stalden, men uden hensyntagen til emissionen fra gylletanken, blev koncentrationen i de 27 målepunkterne omkring stalden beregnet med OML-modellen. En sammenligning af målinger og beregninger er vist i figur 8, hvor målingerne er fratrukket baggrundsniveauet. Figuren er opdelt således, at venstre figur viser alle målinger, undtagen dem omkring gylletanken og til højre ses de fire målepunkter umiddelbart op af gylletanken.  For punkterne ved gylletanken var korrelationen (R²=0,09) mellem målinger og beregninger meget lav, mens der for de øvrige punkter var en god korrelation (R²=0,74) og modellen forklarede 74 pct. af den målte variation og beregnede i gennemsnit 93 pct. af det målte. Hældningen for bedste rette linie var 0,91.

Figur 8. Sammenligning af målt og beregnet koncentration for alle målere, undtagen dem omkring gylletanken (venstre) samt for målere placeret omkring gylletanken (højre). Der er korrigeret for baggrundsbidrag. Der er kun beregnet med emission fra svinestalden og ikke fra gylletanken. Den fede linie er bedste fit af ret linie og den stiplede linie svarer til 1-1-linien. (0225, 0224)

Ammoniakemission fra gyllebeholder

Det fremgår tydeligt af figur 8, at de højeste koncentrationer blev målt ved gylletanken, og at der dermed var emission fra tanken. Generelt vurderes emissionen fra gylletanke med flydelag i gennemsnit til at være 0,6 g NH₃-N m^-2 dag^-1, dog med stor spredning pga. gyllens sammensætning [5].

Koncentrationens udvikling over tid er vist som gennemsnit af de fire målere ved gylletanken i figur 9. Det ses, at koncentrationen aftog gennem måleperioden. Det stemmer overens med, at tanken har været under omrøring og under tømning frem til midten af maj 2006, hvorefter der formodentligt blev opbygget et gradvist tættere flydelag, som begrænsede emissionen, se figur 9. Den relative variation af koncentrationen ved tanken blev brugt til at anslå en omtrent tilsvarende relativ variation af emissionen i intervallet 0,2-1,5 g NH₃-N m^-2 dag^-1, som vist i figur 9. Den samlede emission fra gylletanken udgjorde herved ca. 4 pct. af emissionen fra stalden i gennemsnit. Emissionen var dog en tilnærmelse, idet lufttemperatur, fugtighed, solindstråling og vindhastighed formodentlig også havde en indflydelse på variationen af emissionen på døgnbasis og over perioden.

Med denne anslåede emission fra gylletanken blev der foretaget genberegning af koncentrationen ved at den cirkulære tank med diameter på 22 m blev simuleret som en kvadratisk arealkilde med en sidelængde på 20 m. Resultatet for samtlige målepunkter var sammenlignet med målingerne i figur 10. Her var der en overordentlig god korrelation, som forklarede 89 pct. af variationen i målingerne, hvilket var langt bedre end forventet af spredningsmodeller. Ikke alene blev beregningerne for punkterne ved gylletanken meget bedre; men der blev også opnået bedre resultater for en del af de øvrige punkter. Dette ses ved en sammenligning af den venstre del af figur 8 og figur 10. Resultaterne viste, at der ikke var nogen systematisk forskel mellem målinger og beregninger set i forhold til usikkerheden på målinger (ca. 10 pct.) og på emissionen (ca. 10-15 pct.). OML beregnede ligeledes her i gennemsnit 93 pct. af det målte.

Figur 9. Målt ammoniakkoncentration ved gylletank (middel af de fire målere) samt anslået emission fra gylletank. (0227)
Figur 10. Sammenligning af målt og beregnet koncentration for alle målepunkter med estimeret stald emission og under antagelse af emission fra gylletank som vist i figur 9 (0226).

Beregning af den årlige deposition af ammoniak omkring svinestalden

På baggrund af målt ammoniakemission fra svinestalden og meteorologiske parametre blev der foretaget en beregning af depositionen af ammoniak omkring svinestalden for måleperioden på 85 dage, se figur 11. Den årlige deposition blev estimeret ved simpel opskallering til 365 dage, idet der ikke var meteorologidata for et år, se figur 12. Her blev den største deposition beregnet til 13 kg-N/ha/år for et punkt lige op af stalden. Beregningerne viser, hvor meget stalden bidrager med til tørdeposition af ammoniak i lokalområdet, hvilket er den del, der indgår i myndighedsbehandling vedr. ammoniak. Derudover bidrager stalden også med ammoniak, der blæser længere væk fra området og afsættes med regnvand eller omsættes kemisk til ammonium på partikler i atmosfæren, som tør- eller våddeponerer.

Beregning af den årlige deposition er formentlig overestimeret, da den er beregnet på ammoniakemissionen i sommerperioden. Ammoniakemissionen er forventelig lavere i vinterperioden, og det vil blive afklaret ved målinger 2006/07.

Figur 11. OML-DEP beregning af tørdeposition af ammoniak i kg N/ha i måleperioden på 85 dage. (0229)                                      

Ved en svineproduktion med smågrise og slagtesvin på det sydlige Falster blev spredning af ammoniak omkring en svinestald målt for at validere præcisionen af sprednings- og depositionsmodellen OML-DEP.

På baggrund af de målte koncentrationer, luftmængder og temperaturer i samtlige afkast i stalden, men uden hensyntagen til emissionen fra gylletanken, blev koncentrationen i de 27 målepunkterne omkring stalden beregnet med OML-modellen. For punkterne ved gylletanken var der stort set ingen korrelation mellem målinger og beregninger, mens der for de øvrige punkter var en god korrelation. Efterfølgende blev der på baggrund af målingerne omkring gyllebeholderne estimeret en emission fra gyllebeholderne svarende til ca. 4 pct. af emissionen fra staldanlægget. Herefter blev der opnået en overordentlig god korrelation, som forklarede 89 pct. af variationen i målingerne, hvilket var langt bedre end forventet af spredningsmodeller. OML-DEP beregnede i gennemsnit 93 pct. af det målte.

Konklusionen er derfor, at OML-DEP beregner spredningen af ammoniak omkring denne svineproduktion meget præcist. Det betyder også, at koncentrationsmålinger og måling af meteorologiske parametre omkring en svineproduktion kan bruges til at bestemme den samlede emission af ammoniak fra et helt staldanlæg.

Afprøvningen giver dog ikke svar på, om afsætningen af ammoniak beregnes korrekt – den beregnes fortsat med modeller på baggrund af den beregnede koncentration af ammoniak.

Deltagere:
Thomas Lund Sørensen, Dansk Svineproduktion
Afprøvning: Afprøvning 911: Ammoniakspredning omkring en svineproduktion

Temperatur, ventilationsydelse og ammoniakkoncentration i perioden 6. juni 2006 til 6. september 2006

Målte ammoniakkoncentrationer

Figur 1. Ammoniakkoncentration målt med Innova 1412 og sporgasrør Kitagawa 105 SD i slagtesvinesektion 1 og 2 samt sektion 2, hvor første del af data er skønnet ud fra kontrolmålinger med Kitagawa 105 SD. (0231, 0232, 0230)

Figur 2. Ammoniakkoncentration målt med Innova 1412 og sporgasrør Kitagawa 105 SD i slagtesvinesektion 4, 5 og 6. (0234, 0235, 0233)

Figur 3. Ammoniakkoncentration målt med Innova 1412 og sporgasrør Kitagawa 105 SD i slagtesvinesektion 7 og 8 samt ”halv” smågrisesektion 9. (0237, 0238, 0236)

Figur 4. Ammoniakkoncentration målt med Innova 1412 og sporgasrør Kitagawa 105 SD i smågrisesektion 10, 11 og 12. (0240, 0241, 0239)

Målte ammoniakkoncentrationer omkring svinestald

Figur 1. Ugemiddel af ammoniakkoncentrationer (måleperioden angives på startdatoen) i de otte målepunkter i stigende afstand fra stalden, hhv. 75, 150 og 300 m fra stalden. Bemærk at y-aksen med koncentrationer har forskellig skala på de tre figurer. (0242, 0243, 0244)

Figur 2a. Ammoniakkoncentrationen langs transekterne i de fire måleretninger nordøst, øst, sydøst og syd for stalden. Bemærk at y-aksens inddeling med koncentrationer er anderledes for nordøstlig retning. (0245, 0246, 0247, 0248, 0249)

Figur 2b. Ammoniakkoncentrationen langs transekterne i de fire måleretninger sydvest, vest, nordvest og nord for stalden. Bemærk at y-aksens inddeling med koncentrationer er anderledes for vestlig retning. (0250, 0251, 0252, 0253, 0249)

Tabel 1. Middelkoncentrationer, standardafvigelse på koncentrationerne og variationskoefficienten i varierende afstand fra stalden i hele måleperioden

 

Figur 3. Døgnmiddelværdier af loftmålingerne på de fem positioner ned gennem loftrummet øst-vest, position 1 er det østligste målepunkt. Der var ca. 10 m mellem målepunkterne. (0254