Emissies uit aan de bron gescheiden mestfracties, een experiment

Samenvatting:

• Het scheiden van mest aan de bron heeft de potentie om ammoniak- en broeikasgasemissies sterk te verlagen, maar daarvoor moet wel een extra behandeling plaatsvinden, met name op de dunne urinefractie.
• De urinefractie is zeer gevoelig voor ammoniakverliezen.
• De dikke fractie is een emissiearm product van drijfmest.
• Met aanzuren van de dunne fractie daalt de ammoniakemissie sterk. Om een voldoende lage zuurgraad (lager dan pH 5,5) te behouden moet in de zuurgift rekening worden gehouden met de geringe zuurbufferende werking van deze fractie.
• Aanzuren van de dikke fractie is minder effectief door de lage ammoniakemissie van het product zelf en de hoge zuurbuffering.
• Toevoegen van stro aan de dikke fractie zorgt voor lagere ammoniak- maar hogere broeikasgasemissies; afhankelijk of het mest/stro-mengsel afgedekt wordt opgeslagen betreft dit lachgas- of methaanemissie. Beide effecten zijn beperkt en de broeikasgasemissies bleven ruim onder het niveau van drijfmest.
• Toevoegen van zeezout, magnesiumchloride of klei had in dit experiment slechts beperkte effecten op de emissies van ammoniak en broeikasgassen uit de dikke mestfractie.
• Door drijfmest te scheiden en de urinefractie aan te zuren wordt de ammoniakemissie gehalveerd.

Aanleiding en doel
Dagontmesting en scheiden van mest aan de bron is een kansrijke ontwikkeling voor een aantal opgaven: de emissie van zowel ammoniak als broeikasgassen uit de stal kan lager worden en de gescheiden meststromen bieden mogelijkheden om gewassen preciezer te bemesten waardoor opbrengsten en nutriëntenbenutting verbeteren en bijvoorbeeld nitraatuitspoeling lager kan zijn.
Het is van belang om zicht te hebben op de samenstelling van deze twee meststromen en op waar de risico’s liggen voor emissies tussen het moment van uitscheiding door het dier en de aanwending op het land. En als er dan risico’s zijn op emissies van ammoniak of broeikasgassen, dan is het goed om te weten waar mogelijkheden liggen om dit te voorkomen of te beperken.
Het experiment is uitgevoerd door Louis Bolk Instituut (LBI, Nutriënten Management Instituut (NMI) en Wageningen Research.

Opzet onderzoek
Voor het onderzoek is gebruik gemaakt van mest van een biologisch melkveebedrijf dat met het Zeraflex-vloer werkt. In dit systeem wordt met doorlatende tegels de urine en de vaste fractie van elkaar gescheiden.



In het experiment is onderzocht:
- wat de emissies zijn uit deze mestfracties;
- wat de effecten zijn van maatregelen als aanzuren (biologisch en met zwavelzuur), van enkele toevoegmiddelen en van opmengen van dikke fractie met stro (in drie varianten).

In totaal kende de incubatieproef twaalf behandelingen die in drievoud zijn uitgevoerd:

1. Onbehandelde dikke (feces-) fractie;
2. Onbehandelde dunne (urine-) fractie;
3. ‘Drijfmest’, zijnde een mengsel van 60% dikke en 40% dunne fractie;
4. Aangezuurde dikke fractie (zwavelzuur), met als doel een pH (zuurgraad) van 5,5. Bij een lagere pH wordt het risico op ammoniakemissie snel lager;
5. Aangezuurde dunne fractie (zwavelzuur) , met als doel een pH van 5,5;
6. Biologisch aangezuurde dikke fractie (melasse). Door de melasse vindt een soort inkuileffect plaats waardoor suikers uit de mest worden omgezet in azijnzuur en melkzuur;
7. Dikke fractie aangevuld met zeezout. De gedachte hierbij is dat het zout de afbraakprocessen in de mest vertragen waardoor de emissie van CO₂ en CH₄ (methaan) lager kunnen zijn;
8. Dikke fractie aangevuld met mineralen (MgCl₂). Het idee hierbij is dat met een overmaat aan magnesium (Mg) ten opzichte van fosfaat er struviet gevormd wordt. Struviet is een verbinding van magnesium, fosfaat en ammonium. Hierdoor wordt ammonium gebonden en zou de ammoniakemissie lager kunnen zijn;
9. Dikke fractie met klei gemengd. Het idee hiervan is dat klei door de negatieve lading en het grote bindende oppervlak positief geladen deeltjes als ammonium kan binden. Hierdoor zou de ammoniakemissie lager kunnen zijn. Een aanvullende reden voor deze behandeling is dat klei op veengraslanden voor een remming van de veenafbraak kan zorgen, en daarmee voor een lagere emissie van broeikasgassen;
10. Dikke fractie met stro gemengd;
11. Dikke fractie met stro gemengd, dat na goed aandrukken wordt afgesloten met plastic;
12. Dikke fractie met stro en bokashi-middelen (schelpenzand, klei en ‘Microferm’ van het bedrijf Agriton. Het idee is dat het fermentatieproces door deze toegevoegde middelen zal verbeteren ten opzichte van behandeling 11.

Tabel 1: Samenstelling ingaande mest


Van iedere behandeling werden monsters genomen en in kolommen geplaatst. Iedere kolom (20 cm diameter) had een inhoud van 20 liter waarvan 10 liter werd gevuld. De twaalf behandelingen werden in drievoud uitgevoerd. De kolommen werden geplaatst in een ruimte met een temperatuur tussen de 18 en 23 °C, dat is dus warmer dan gemiddeld genomen in een mestopslag.
De incubatieproef duurde vijf weken en gedurende die periode werd op veertien momenten gemeten naar de concentraties van ammoniak (NH₃), CO₂, methaan (CH₄) en lachgas (N₂O). Aan het begin en het einde werden de twaalf soorten mest geanalyseerd. Van de behandelingen met aanzuren werd de pH tussentijds een aantal maal gemeten in de bovenlaag.
Op basis van de flux en de gemeten concentraties is vervolgens de emissie berekend. Voor de broeikasgassen zijn de CO2-equivalenten berekend volgens:

               CO₂-eq = CO₂ + 298 * N₂O + 25 * CH₄

Om het verschil tussen ‘drijfmest’ en de gezamenlijke emissies van dikke en dunne fracties is ‘drijfmest’ vergeleken met de som van 60% van de emissies uit de dikke fractie en 40% van de emissies uit de dunne fractie.

Resultaten onbehandelde mestfracties

Urinefractie heeft een hoge ammoniakemissie
De ammoniakemissie was vrij stabiel over de tijd. Ten opzichte van drijfmest was die van de dikke fractie drie keer lager en die van de urinefractie zes keer hoger. In totaal is de emissie van de gescheiden mestfracties hiermee 2,7 x hoger dan van niet gescheiden drijfmest.
De veronderstelling dat aan de bron gescheiden urine niet tot ammoniakemissie leidt omdat er geen of amper urease bij de urine komt blijkt hiermee niet te kloppen. Urease is een enzym dat onder andere in de feces zit en dat nodig is voor de omzetting van ureum (in urine) naar ammoniak. In het rapport wordt duidelijk gesteld, op basis van internationale wetenschappelijke onderzoeken, dat direct al bij het urineren van de koe het urease bij de urine komt, en dat daarna al vrij snel de omzetting tot ammoniak plaatsvindt. Dit proces is in de praktijk dus niet te voorkomen. Bovendien wordt een enzym tijdens de omzetting niet afgebroken en blijft het dus voortdurend in de urinefractie aanwezig.

Broeikasgassen: CO₂ en CH₄ hoger bij drijfmest ten opzichte van gescheiden mestfracties
Na een aantal dagen werden er grote en significante verschillen gemeten in CO₂- en methaanemissies uit de verschillende mestfracties. Drijfmest had duidelijk de hoogste en de dunne fractie de laagste emissie. Van lachgas was het patroon minder duidelijk: pas aan het einde van de meetperiode werden emissies gemeten (in drijfmest en in de dikke fractie), maar door de grote variatie waren de verschillen niet significant. Mogelijk is een reden voor deze late emissies dat het ammonium eerst moet nitrificeren (omgezet worden naar nitraat, van NH₄ naar NO₃) voordat er lachgas kan ontstaan.
Op de laatste dag werd de mest een keer gemixt, en daarna daalde de lachgasemissie direct weer naar nul.
De emissie van CO₂-equivalenten was van de gescheiden mestfracties 3,4 x lager dan van drijfmest.

Figuur 1: Emissies uit onbehandelde mestfracties. Drijfmest (grijze lijn) is een mengsel van 60% dikke en 40% dunne fractie. De blauwe lijn geeft het gewogen gemiddelde van de dikke (rode lijn) en dunne (gele lijn) fractie.

Effecten van de behandelingen

Dikke fractie is emissiearm, aanzuren heeft maar heel tijdelijk extra positief effect op ammoniak
Dikke fractie heeft een lage ammoniakemissie van zichzelf en een sterk zuurbufferende werking. Daardoor leidt aanzuren ervan maar tot een beperkte daling van ammoniakemissie die bovendien slechts heel tijdelijk is. Sterker nog: de emissie van ammoniak was uiteindelijk zelfs wat hoger dan van niet aangezuurde dikke fractie. Dit kwam doordat de aangezuurde mest fysieke samenhang verloor, en daardoor ontstond er na verloop van tijd ontmenging waarbij de bovenlaag minder vloeibaar was en een hogere pH had.

Aanzuren dikke fractie met zwavelzuur zorgt voor fors lagere broeikasgasemissie
De methaanemissie werd sterk en blijvend gereduceerd door het aanzuren van de dikke fractie. De CO₂-emissie van de behandeling met zwavelzuur was nagenoeg gelijk aan die van de onbehandelde dikke fractie. Lachgas werd nagenoeg niet gemeten bij deze behandeling.

Biologisch aanzuren dikke fractie zorgt voor een tijdelijke methaanpiek maar daarna een forse daling
Aanzuren met melasse gaf eerst een duidelijke piek van CO₂ en van methaan door de afbraak van melasse. Van CO₂ bleef deze gedurende de hele periode hoger, van methaan daalde deze na circa een week tot vrijwel nul, dat gedurende de hele periode zo bleef.
Netto waren de 'CO₂-equivalenten' over de gehele meetperiode van de met zwavelzuur behandelde dikke fractie lager dan, en van de biologisch aangezuurde dikke fractie vergelijkbaar met de onbehandelde dikke fractie.

Figuur 2: Effect van (biologisch en met zwavelzuur) aanzuren van de dikke fractie op emissies van ammoniak, CO₂, lachgas en methaan.



Aanzuren dunne fractie is een noodzakelijke en effectieve manier om ammoniakemissie te beperken

Fors minder ammoniak door aanzuren urinefractie
Het scheiden van drijfmest leidde tot een netto hogere ammoniakemissie (van de dikke en dunne fractie samen ten opzichte van drijfmest) door het concentreren van het ammoniakaal stikstof in de urinefractie. Door het aanzuren van de urinefractie tot een pH van 5,5 daalde de ammoniakemissie tot nagenoeg nul. Echter, ook hier werd een bufferend effect waargenomen waardoor de pH weer steeg tot 7,0. In het experiment werd er vervolgens opnieuw aangezuurd waarna de ammoniakemissie direct weer daalde tot nul.
Over de gehele periode was deze een factor twee tot zes lager dan van de onbehandelde dunne fractie. Door drijfmest te scheiden en de urinefractie aan te zuren wordt de ammoniakemissie gehalveerd.

Broeikasgasemissies: CO₂ tijdelijke piek, methaan blijvend laag door aanzuren
De CO₂-emissie was bij de onbehandelde dunne fractie over de hele periode laag. Aanzuren met zwavelzuur zorgde op de eerste dag voor een grote piek van CO₂ (factor 20 hoger) die binnen enkele dagen weer daalde tot het niveau van de onbehandelde dunne fractie en daar ook bleef.
De methaanemissie was door het aanzuren echter een factor twee tot drie lager. Er was nauwelijks lachgasemissie uit de dunne fractie, ongeacht de behandeling.

Figuur 3: Effect van met zwavelzuur aanzuren van de dunne fractie op emissies van ammoniak, CO₂, lachgas en methaan. Berekende emissie van onbehandelde dikke fractie en onbehandelde dunne fractie, en van onbehandelde dikke fractie en aangezuurde dunne fractie.

 

Cumulatief effect aanzuren dikke en dunne fractie
Het beste ‘aanzuur-scenario’ was hiermee om de dikke fractie niet en de dunne fractie wel aan te zuren. Dit zorgt voor een zeer fors lagere emissie van zowel de ammoniak als broeikasgassen ten opzichte van drijfmest. Zonder aanvullende behandeling van de dunne fractie zou de ammoniakemissie juist veel hoger worden.

Figuur 4: Cumulatief effect. Zonder aanvullende behandeling is de ammoniakemissie uit opslag van deze aan de bron gescheiden mestfracties hoger dan van drijfmest. Met aanzuren van de dunne fractie is deze lager. Broeikasgasemissies zijn lager dan van drijfmest. Verschillende letters geven aan dat de verschillen significant zijn.

Toevoegen zeezout, MgCl₂ en klei aan dikke fractie heeft beperkt effect
Het toevoegen van respectievelijk zeezout, magnesiumchloride en klei aan de dikke fractie, hadden in dit experiment slechts een beperkt effect op de emissies van ammoniak en broeikasgassen, die nergens significant lager waren dan onbehandelde dikke fractie. Voor een nadere uitleg verwijzen we u naar het rapport.


Figuur 5: Effect van het toevoegen van zeezout, magnesiumchloride en klei aan dikke fractie op emissies.


Stro bij dikke fractie: lagere ammoniak en wat hogere broeikasgasemissies
Er waren drie behandelingen waar stro bij de dikke fractie werd gevoegd: een onbedekte behandeling (aeroob), een behandeling waarbij het mengsel werd aangedrukt en met een plastic folie werd afgedicht (anaeroob) en een behandeling waarbij daarnaast bokashi-middelen werden toegevoegd (bokashi). Deze behandelingen hadden geen groot effect op de emissies van ammoniak uit de dikke mestfractie.

Ten aanzien van broeikasgasemissies waren er wel opvallende verschillen.
Over de gehele periode was de cumulatieve emissie van broeikasgassen (CO₂-equivalenten) het laagst bij de dikke fractie zonder verdere stro-opmenging. Het bleek dat bij de behandeling ‘aeroob’ de lachgasemissie hoger was en bij de behandeling ‘anaeroob’ de methaanemissie. Het niveau van broeikasgasemissies bleef overigens in alle gevallen ver onder het niveau van drijfmest.


Figuur 6: Effect opmengen dikke fractie met stro: (nog) lagere ammoniakemissie maar (iets maar wel significant) hogere broeikasgasemissie


Conclusies:

Uit het experiment blijkt dat de urinefractie erg gevoelig is voor ammoniakemissie, zodanig dat de gecombineerde NH₃-emissie van de dikke en dunne fractie hoger is dan die van drijfmest. De combinatie van een hoog gehalte ammoniakale stikstof (ammonium, NH₄⁺) en een hoge pH is hiervoor de verklaring. Maatregelen om ammoniakemissie te verkleinen zijn voor de urinefractie onder andere:

• Aanzuren waardoor de pH lager wordt, minimaal 5,5. Hierbij is het belangrijk om na het aanzuren van de urinefractie de pH te monitoren. Ook dunne fractie heeft namelijk een zuurbufferende werking. De mate van scheiding bepaalt ook de zuurbuffering: hoe beter de scheiding hoe lager de zuurbuffering. De mate van buffering moet worden meegenomen in de dosering van het zuur. Aanzuren met zwavelzuur moet overigens zorgvuldig gebeuren, omdat er met gevaarlijke stoffen wordt gewerkt (en risico op schuimvorming) en omdat er risico’s zijn voor overdosering van zwavel in de bemesting op het land. Op basis van oriënterende labproeven zien we dat aanzuren van de urine ook met melasse goed kan. Gebruik van gevaarlijke zuren is hiermee niet nodig.
• Een betere afsluiting van de opslag, niet in de stal maar in een gesloten opslag. Hierbij moet worden voorkomen dat de ammoniak niet alsnog bij het aanwenden vervluchtigt.
• Meer verdunnen met (aangezuurd) water.
• Een lagere opslagtemperatuur, bijvoorbeeld door te koelen. 

De proef laat zien dat dikke fractie ten opzichte van drijfmest een emissiearme meststof is, en dat verder verwerken of mengen niet nodig is om tot nog lagere emissies te komen.
Aanzuren had geen  effect op de ammoniakemissie van de dikke fractie door de lage ammoniakemissie en de hoge zuurbuffering.

Er zijn praktische overwegingen om de dikke fractie te behandelen. De dikke fractie van rundermest is namelijk een papperig product met een drogestofgehalte van slechts 12%. Hierdoor bestaat de behoefte om dit product vaster / stapelbaar te maken. Stro bijmengen is een van de mogelijkheden, maar deze fractie nog eens mechanisch scheiden is ook een mogelijkheid.
Toevoegen van mineralen had slechts een beperkt effect, wat overigens niet overeenkomt met een aantal eerdere ervaringen uit proeven met pluimveemest.
Toevoegen van stro deed de ammoniakemissie verder dalen, maar zorgde – afhankelijk van de gekozen methode – voor een hogere broeikasgasemissie, die sowieso lager bleef dan die van drijfmest.

De beschikbaarheid van twee totaal verschillende meststromen op een melkveebedrijf brengt dus praktische uitdagingen met zich mee, maar het is ook een kans om emissies verder te verlagen en om de mineralen en organische stof in de mest beter en gerichter te benutten.

Nadere informatie
Het volledige rapport (ook bijgevoegd) en een verkorte versie via een artikel in V-Focus zijn op de website van Louis Bolk Instituut te downloaden.

Voor aanvullende vragen kunt u contact opnemen met Joachim Deru, onderzoeker Duurzame Veehouderij & Agrobiodiversiteit bij Louis Bolk Instituut.

NCM dankt Louis Bolk-instituut voor het reviewen van dit artikel.