Низкодозированное подкисление свиного навоза: экономически эффективный метод снижения выбросов метана?

Метан — мощный парниковый газ, и в цепочке поставок свинины на его долю приходится около 25% выбросов. Время существования метана в атмосфере короче, чем у CO2, поэтому снижение выбросов метана на фермах может внести важный вклад в сдерживание глобального потепления в краткосрочной перспективе.

На свинофермах 85% выбросов метана приходится на хранение навоза, поэтому основным направлением смягчения последствий является его утилизация. Среди нескольких изучаемых в настоящее время стратегий обработки и переработки, низкодозированное подкисление жидкого навоза — это новый подход, который может стать гибкой и экономически эффективной технологией для борьбы с изменением климата.

Образование метана и механизм ингибирования

Метан вырабатывается специализированными микроорганизмами (метаногенами), которые взаимодействуют с несколькими другими группами микроорганизмов, разлагая органическое вещество в навозе. Метаногены, активные в навозе, отличаются от метаногенов в пищеварительной системе животных, и подкисление навоза замедляет адаптацию и рост «новых» метаногенов, которые могут быть активны в этой стрессовой среде.

Подкисление новозной жижи серной кислотой изменяет химический баланс, ингибирующий метаногены. Кроме того, специализированная группа бактерий может использовать сульфат из серной кислоты, напрямую конкурируя с метаногенами и образуя сероводород, который дополнительно усиливает ингибирование метаногенов. Это может способствовать поддержанию ингибирования в течение длительного времени.

Что такое подкисление навоза?

Подкисление навоза концентрированной серной кислотой (96%) было разработано около 25 лет назад в Дании как метод предотвращения потерь аммиака из навозной жижи. Позднее было обнаружено, что эта обработка также эффективно снижает выбросы метана, и что некоторые другие соединения, содержащие серу, также демонстрируют некоторое ингибирующее действие (Petersen et al., 2012).

Исследования, проведённые в нескольких странах, впоследствии подтвердили эти наблюдения и то, что серная кислота является наиболее эффективным средством для подавления выбросов метана. Это побудило нас рассмотреть, как снижение дозы серной кислоты повлияет на выбросы метана и аммиака. Какую пользу для климата даёт снижение дозы кислоты и каковы компромиссы с точки зрения потерь азота и экономии затрат?

Пилотное исследование было проведено в 2021 году. Оно показало, что подкисление низкими дозами серной кислоты 2 кг на тонну свиного навоза (одна треть предписанной дозы для снижения выбросов аммиака) может быть весьма экономически эффективным для снижения выбросов метана, но с меньшим снижением выбросов аммиака (Ma, C., et al., 2022).

Подкисление навоза на практике в хозяйствах

Концентрированная серная кислота опасна, поэтому необходимы технические решения для обеспечения здоровья и безопасности как персонала, так и животных. Полностью автоматизированная промышленная технология подкисления навоза на свинофермах уже существует, но требует высоких инвестиционных затрат. Подкисление навоза также можно осуществлять во внешних резервуарах хранения, добавляя кислоту при интенсивном перемешивании. Это должно выполняться обученным персоналом с использованием необходимого оборудования и процедур безопасности, и обычно выполняется подрядчиком.

Подкисление навоза в наружных резервуарах для хранения сегодня применяется во многих хозяйствах Дании, но незадолго до внесения в поле. Целью этого является снижение потерь аммиака при внесении. Однако для снижения выбросов метана при хранении необходимо подкислять навоз в резервуарах в течение периода хранения.

Выбросы метана особенно высоки летом и ранней осенью, поэтому подкисление следует проводить в июне и повторно около 1 сентября. Свежая навозная жижа из корпусов будет регулярно перекачиваться в резервуар для хранения. В июне и сентябре следует добавлять достаточное количество кислоты для разбавления навоза, чтобы к концу периода хранения поддерживать его конечную концентрацию 2 кг серной кислоты на м³ навозной жижи.

Регулярная перекачка навоза из корпусов в резервуар для хранения может способствовать общему сокращению выбросов метана за счёт использования подкисления или других технологий обработки вне корпуса. Однако на многих существующих свинафермах имеются глубокие или неглубокие ямы с системой выноса навоза, которые невозможно часто опорожнять. Необходимо разработать и внедрить новые конструкции помещений для более эффективного использования навоза.

Проверка эффективности низкодозированного подкисления

Основываясь на многообещающих результатах лабораторных и пилотных испытаний, технология подкисления малыми дозами в настоящее время проходит практическую оценку в рамках исследования, в котором задействовано 16 резервуаров для хранения навоза: восемь резервуаров на свинофермах и ещё восемь на животноводческих фермах. Подкисление производится в шести из восьми резервуаров. Образцы навоза отбирались несколько раз в процессе хранения в разных местах и ​​на разных глубинах для анализа его состава и скорости выделения метана.

Необходимо, чтобы в резервуаре уже имелось некоторое количество навоза при добавлении серной кислоты, поэтому свиной навоз подкисляли около 1 июля и затем ещё раз в сентябре. В большинство резервуаров регулярно подавали свежий навоз из корпуса.

Результаты первого года исследования подтвердили возможность эффективного подавления образования метана. Однако в резервуарах со свиным навозом, которые полностью подаются снизу, мы часто наблюдали скопления навоза вблизи впускного отверстия с высоким уровнем выделения метана даже при изначальном подкислении навоза. Поэтому необходимы дальнейшие работы по оптимизации технологии очистки и документированию общего снижения выбросов метана. На следующем этапе проекта будут проведены внутрихозяйственные измерения.

Новая разработка датской компании – система добавления кислоты при перекачке навоза из корпуса в наружное хранилище. Испытания пройдут в 2025 году на свиноферме и ферме крупного рогатого скота. Это позволит минимизировать необходимость работы с кислотой на ферме, обеспечивая при этом мгновенное ингибирование метаногенов.

Экономическая эффективность стратегий подкисления низкими дозами будет определена весной 2026 года. Предварительная оценка экономической эффективности была проведена на основе результатов пилотного исследования. Стоимость снижения выбросов парниковых газов, выраженная в евро на тонну эквивалента CO2, была рассчитана в зависимости от дозы кислоты и стратегии применения (1, 3 или 10 обработок кислотой) (рис. 2). Рассматривались затраты на подкисление, проводимое подрядчиком, стоимость экономии азота за счёт предотвращения потерь аммиака, снижение выбросов метана и предотвращение выбросов закиси азота, образующихся из аммиака.

Стоимость разрешений ЕС на выбросы углерода в настоящее время составляет 75 евро за тонну эквивалента CO2. В зависимости от необходимости перемешивания во время хранения, низкодозное подкисление может быть экономически эффективным решением.

Подкисление свиного навоза в резервуарах для хранения от одного до трёх раз в год может стать экономически эффективной стратегией для снижения выбросов парниковых газов в сельском хозяйстве. Экономическую эффективность можно дополнительно повысить за счёт частой перекачки навоза из корпусов в открытые резервуары для хранения, что позволит подкислению влиять на большую долю общих выбросов метана при использовании навоза. Кроме того, поскольку большая часть выбросов CH₄ происходит летом и ранней осенью, внесение полной дозы кислоты — например, 2,1 кг серной кислоты на м3 свиного навоза в конечном объёме — до лета может максимально снизить выбросы в период пиковых выбросов, предотвращая при этом чрезмерное поступление серы в почву при внесении навоза в поле.