應(yīng)用案例

Picarro G2508（生物質(zhì)炭共堆肥方法在實(shí)現(xiàn)甲烷減排目標(biāo)方面發(fā)揮的作用）

發(fā)表時間：2024-04-17

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原文題目：Brendan P. Harrison et al，Dairy Manure Co-composting with Wood Biochar Plays a Critical Role in Meeting Global Methane Goals，Environmental Science & Technology，2022，ASAP

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.est.2c03467

背景簡介

牲畜是人為甲烷（CH₄）排放的最大來源，大型畜牧飼養(yǎng)體系中，畜牧糞便的排放可以貢獻(xiàn)牲畜CH₄排放總量的一半。為響應(yīng)2030年大幅減少牲畜CH₄排放目標(biāo)的呼吁，減排勢在必行。現(xiàn)有的CH₄減排策略是通過增設(shè)厭氧消化裝置來實(shí)現(xiàn)的，但是該方法在經(jīng)濟(jì)上推行困難，另外該方法主要針對畜牧流體糞便，而固體糞便殘留才是CH₄排放的主要來源。

在本篇文章中，專家利用一種新的添加生物質(zhì)炭的堆肥方法，通過堆肥實(shí)驗(yàn)和生命周期分析評估體系，測量了奶牛糞便生物炭堆肥的CH₄和凈溫室氣體減排的潛力。研究發(fā)現(xiàn)，與沒有添加生物炭的堆肥相比，生物炭共堆肥方法減少了接近79%的CH₄排放量。除了減少CH₄外，研究還表明，生物炭生產(chǎn)和應(yīng)用帶來的額外氣候效益大大降低了生物炭堆肥對全球變暖影響的潛力。如果用生物炭堆肥取代糞便儲存并補(bǔ)充對其進(jìn)行厭氧消化，則投入更少的消化器即可滿足政策的要求。如果生物質(zhì)炭堆肥方法能夠推廣，就可以大幅降低CH₄排放，同時能夠?qū)⑼ㄟ^奶牛糞便管理來緩解氣候變化的潛力提高一倍。

研究方法

生物炭堆肥使用的生物炭原料由約85%的道格拉斯冷杉和黃松木材廢料混合物組成，另有14−15%的杏仁和核桃樹修剪物，以及小于1%的堅果殼?；旌衔锿ㄟ^900℃高溫?zé)峤?，?5天的實(shí)驗(yàn)中共反混四次。

實(shí)驗(yàn)過程中，研究人員通過將Picarro G2508與靜態(tài)密閉箱連用，每天采集每堆肥料中的9個排放點(diǎn)，重點(diǎn)對CO₂、CH₄和N₂O三種氣體進(jìn)行監(jiān)測。另外研究者也對堆肥的元素/離子組成、孔隙度、比表面積、電鏡表面形態(tài)等多種指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行分析。

圖1：每日堆肥堆測量的溫室氣體采樣設(shè)計如圖。從每根樁的北側(cè)、南側(cè)和頂部的三個部分對溫室氣體進(jìn)行采樣，共進(jìn)行九次測量（P1、P2、P3）。九個采樣位置用帶有相應(yīng)編號的白色圓圈標(biāo)記。樁長約30米，寬3米，高1米。

圖為35天堆肥實(shí)驗(yàn)中累積CH₄（a）和CO₂（b）排放量。CH₄排放量為每千克干料中的每克CH₄排放。CO₂排放量為每千克干料中每克 CO₂排放。黑色曲線顯示生物炭共堆肥的累積排放量，黃色曲線顯示堆肥的累積排放量。每條曲線的陰影區(qū)域顯示了每個樁氣體流量測量的95%置信區(qū)間。

結(jié)果顯示，在堆肥過程中加入生物炭時，甲烷的排放量顯著減少。生物炭共堆肥的甲烷排放因子比純糞堆肥低79%。在堆肥的前三周，大多數(shù)甲烷會被排放出來。

最后通過生命周期評估模型（LCA），估算了生物炭堆肥、堆肥和儲存的每個主要階段相關(guān)氣候影響，并通過GWB（全球變暖潛能值）進(jìn)行量化。

圖2：使用百年GWP模型對分離固體牛糞管理策略的生命周期評估。每個策略上面的數(shù)字是凈GWP（單位：kg CO₂eMg^−1）。每種顏色代表不同的生命周期階段。

結(jié)果顯示，與儲存分離固體糞肥的參考系統(tǒng)相比，通過堆肥或生物炭堆肥管理一噸新鮮固體牛糞時，凈全球變暖潛力(GWP)顯著降低。在百年GWP模型結(jié)果中生物炭、堆肥和儲存的CO₂當(dāng)量值分別為-535kg、-194kg和102kg。

研究結(jié)論

通過評估，生物炭堆肥的方法相較于傳統(tǒng)堆肥方法，CH₄的排放量可以減少高達(dá)79%。另外生物炭堆肥的方法，同時兼顧了發(fā)電、土壤碳固存、土質(zhì)改良等多種功能。為政府提供減少畜牧業(yè)的溫室氣體排放提供了新的戰(zhàn)略選擇。

設(shè)備分享

Picarro G2508 可以同時監(jiān)測CO₂、CH₄、N₂O、NH₃和H₂O五種氣體，在畜牧業(yè)溫室氣體排放監(jiān)測中廣泛應(yīng)用。因其性能穩(wěn)定、精度高、響應(yīng)快的特點(diǎn)受到科研工作者的廣泛好評。

新品Picarro G2509 對原有G2508進(jìn)行了升級，將CH₄的測量范圍提升至800ppm，并對NH₃的測量進(jìn)行了重大優(yōu)化。更加適合在畜牧行業(yè)的應(yīng)用。

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本期責(zé)任編輯：吳闖

審核：王繼軍