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(shí)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(jiǎn)介

牲畜是人為甲烷（CH₄）排放的最大來(lái)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(shì)在必行。現(xiàn)有的CH₄減排策略是通過(guò)增設(shè)厭氧消化裝置來(lái)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(duì)畜牧流體糞便，而固體糞便殘留才是CH₄排放的主要來(lái)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(guò)堆肥實(shí)驗(yàn)和生命周期分析評(píng)估體系，測(cè)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(méi)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(lái)的額外氣候效益大大降低了生物炭堆肥對(duì)全球變暖影響的潛力。如果用生物炭堆肥取代糞便儲(chǔ)存并補(bǔ)充對(duì)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(shí)能夠?qū)⑼ㄟ^(guò)奶牛糞便管理來(lái)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(shù)修剪物，以及小于1%的堅(jiān)果殼?；旌衔锿ㄟ^(guò)900℃高溫?zé)峤?，?5天的實(shí)驗(yàn)中共反混四次。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，研究人員通過(guò)將Picarro G2508與靜態(tài)密閉箱連用，每天采集每堆肥料中的9個(gè)排放點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)CO₂、CH₄和N₂O三種氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)。另外研究者也對(duì)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(cè)量的溫室氣體采樣設(shè)計(jì)如圖。從每根樁的北側(cè)、南側(cè)和頂部的三個(gè)部分對(duì)溫室氣體進(jìn)行采樣，共進(jìn)行九次測(cè)量（P1、P2、P3）。九個(gè)采樣位置用帶有相應(yīng)編號(hào)的白色圓圈標(biāo)記。樁長(zhǎng)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(gè)樁氣體流量測(cè)量的95%置信區(qū)間。

結(jié)果顯示，在堆肥過(guò)程中加入生物炭時(shí)，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(huì)被排放出來(lái)。

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

圖2：使用百年GWP模型對(duì)分離固體牛糞管理策略的生命周期評(píng)估。每個(gè)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(chǔ)存分離固體糞肥的參考系統(tǒng)相比，通過(guò)堆肥或生物炭堆肥管理一噸新鮮固體牛糞時(shí)，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(chǔ)存的CO₂當(dāng)量值分別為-535kg、-194kg和102kg。

研究結(jié)論

通過(guò)評(píng)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(shí)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(shí)監(jiān)測(cè)CO₂、CH₄、N₂O、NH₃和H₂O五種氣體，在畜牧業(yè)溫室氣體排放監(jiān)測(cè)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(píng)。

新品Picarro G2509 對(duì)原有G2508進(jìn)行了升級(jí)，將CH₄的測(cè)量范圍提升至800ppm，并對(duì)NH₃的測(cè)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