Methods and technologies for ammonia emission assessment following organic and mineral fertilizers application. Measurements and dynamics in mediterranean climate
Author(s)
Scotto Di Perta, Ester
Date Issued
March 19, 2018
Type
Doctoral Thesis
Abstract
Ammonia volatilization is widely recognized as one of the major environmental problem, because it leads to soil acidification, particulate formation and water eutrophication. Among all the agricultural activities, livestock farming contributes considerably to anthropogenic ammonia emission in Europe and it represents a growing issue due to the rapid increase in livestock production and next National Emission Ceilings EU Directive adoption, which will limit emissions of NH3 as well as SO2, NOx and NMVOC applicable from 2020 and 2030.
Accurate ammonia assessment is needed in order to control ammonia emissions, developing new reducing technologies and to update national emission inventories. Unfortunately, even though NH3 emissions measurements have been widely investigated, some uncertainties are still related to the fluxes assessment, mainly because of the absence of a standard measurement technique, due to the complexity of the volatilization process. This is the reason why there is still an increasing interest in the development of improved ammonia assessing methods.
For this reason, the main objective of the thesis was to provide further insight into NH3 emissions assessment in field applications, highlighting the limitations, the accuracy and the possible improvements of some of measuring methods. Moreover, since little is known about Mediterranean buffalo (Bubalus bubalis L.) manure emissions, the other purpose of this research is a preliminary quantification and study of the dynamics of ammonia emissions after buffalo manure and digestate spreading into the field, in order to expand the Italian database.
Different measurement methods were used in order to evaluate the ammonia emission following the application of different fertilisers in two locations, taking into account also the weather conditions and soil properties. Hence, two field trials were carried out during the winter season in Denmark, while three field trials were performed during the summer season in Campania region. Both of them are focused on methods comparison. Specifically, in the first case ammonia emission were measured using Dräger tubes method (DTM), the backward Lagrangian stochastic dispersion model (bLS) applied in three circular plot radius configurations (20, 10 and 5 m), in combination with passive ALPHA samplers. Those were compared with the Integrated Horizontal Flux method (IHF) and the ZINST method with Leuning samplers, after urea applications. In the other three experiments, Integrated Horizontal Flux (IHF) and wind tunnel (WT) methods results were compared, using urea, buffalo manure and digestate under Mediterranean climate. Previously, Computational Fluid
Dynamics (CFD) simulations were used to modified the wind tunnels geometry applied into the field, in order to find optimal dimensions, which lead to have symmetrical and fully developed flow inside the chamber, obtaining replicable results. Additionally, three more field trials were carried out in order to compare ammonia emissions from buffalo manure and digestate on bare soil, under Mediterranean climate. Wind tunnel technique was chosen to evaluate ammonia emission, thanks to its flexibility and simplicity to use.
Based on the results, it has been found that cumulative ammonia emissions of urea in 5 days is 4.9 and 10.2 % of total N, in summer and winter period, respectively. On the other hand, cumulative ammonia emissions of buffalo raw manure and digestate resulted 52% and 84% of TAN applied respectively, during the summer in Mediterranean climate.
All the experiments demonstrated the importance of the field investigations since the amount of ammonia volatilized and the duration of the whole process are strongly dependent on the weather conditions and fertilizer used. Moreover, it was confirmed that some methods improvements are possible and these could inspire further investigations.
La volatilizzazione dell'ammoniaca in atmosfera è considerato uno dei principali problemi ambientali, a causa degli innumerevoli effetti dannosi sulla salute animale e umana, che un accumulo di ammoniaca in atmosfera può comportare. Infatti, oltre ad essere responsabile dell’acidificazione dei suoli e della formazione del particolato, è da considerarsi un gas ad effetto serra “indiretto”, essendo il precursore del protossido di azoto. Tra le varie attività agricole, l'allevamento del bestiame contribuisce notevolmente all'emissione di ammoniaca in Europa e rappresenta un problema crescente sia a causa della diffusione progressiva degli allevamenti intesivi, che dell'adozione della prossima direttiva europea NEC, la quale limiterà ulteriormente le emissioni di NH3 e SO2, NOx e NMVOC a partire dal 2020 e dal 2030.
Si è venuta così a determinare la necessità, da parte delle nazioni europee, di ridurre le emissioni ammoniacali, e di operare una quantificazione accurata delle stesse, aggiornando quelli che sono gli inventari nazionali. Sfortunatamente, anche se le tecniche di misura delle emissioni di NH3 sono state oggetto di numerosi studi, alcune incertezze sono ancora legate alla valutazione dei flussi ammoniacali, dovute principalmente all'assenza di una tecnica di misura standard, a causa della complessità del processo di volatilizzazione. Questo è il motivo per cui l’implementazione di nuove tecniche volte al miglioramento della sensibilità delle misurazioni e dell’applicabilità delle stesse, risulta tuttora un campo in continua espansione.
Quindi, l'obiettivo principale della tesi è stato quello di approfondire la valutazione delle emissioni di NH3 nelle applicazioni di campo, evidenziando i limiti, l'accuratezza e i possibili miglioramenti di alcuni metodi di misura. Inoltre, poiché non si dispongono attualmente di dati relativi alle emissioni da refluo bufalino (Bubalus bubalis L.), l'altro scopo di questa ricerca è stato la quantificazione preliminare e lo studio della dinamica delle emissioni ammoniacali, a seguito dello spandimento in campo di refluo tal quale e digestato di origine bufalino, al fine di espandere il database italiano.
A tal proposito, nel corso del dottorato diversi metodi di misura sono stati applicati e confrontati, in seguito all'applicazione di diversi fertilizzanti, tenendo conto anche delle condizioni meteorologiche e delle proprietà del suolo. In particolare, due prove di campo sono state effettuate durante la stagione invernale in Danimarca, mentre tre prove sul campo sono state eseguite durante la stagione estiva in Campania. Nello specifico, nel primo caso, l'emissione di ammoniaca è stata misurata dopo l’applicazioni dell'urea utilizzando: il Dräger tubes method (DTM), the backward Lagrangian stochastic dispersion model (bLS)
considerando tre configurazioni di plot circolare (20, 10 e 5 m di raggio), in combinazione con i campionatori passivi ALPHA. Questi sono stati confrontati con il metodo Integrated Horizontal Flux (IHF) e il metodo ZINST con i campionatori Leuning. Negli altri tre esperimenti, sono stati confrontati i risultati dei metodi: Integrated Horizontal Flux (IHF) e wind tunnel (WT), usando urea, refluo bufalino e digestato in clima mediterraneo. Precedentemente, la geometria dei wind tunnel utilizzati durante la sperimentazione è stata studiata mediante la Computational Fluid Dynamics (CFD), al fine di trovare delle dimensioni ottimali, che possano portare ad avere un flusso simmetrico e completamente sviluppato all'interno della camera, ottenendo risultati replicabili. Successivamente, sono state condotte altre tre prove sul campo al fine di confrontare le emissioni ammoniacali da refluo bufalino e da digestato su suolo nudo, in clima mediterraneo. La tecnica del wind tunnel è stata scelta per valutare l'emissione di ammoniaca in questo studio comparativo, grazie alla sua flessibilità e semplicità d'uso.
Sulla base dei risultati, è stato riscontrato che le emissioni cumulate di ammoniaca da urea in 5 giorni sono state pari a 4,9 e 10,2% del N totale applicato, rispettivamente nel periodo estivo ed invernale. D'altra parte, le emissioni cumulate di ammoniaca da refluo e digestato bufalini corrispondono rispettivamente al 52% e all'84% del TAN applicato, durante il periodo estativo in clima mediterraneo.
Tutti gli esperimenti hanno sottolineato l'importanza delle sperimentazioni in campo, dal momento che la quantità di ammoniaca volatilizzata e la durata dell'intero processo dipende fortemente dalle condizioni meteorologiche e dal fertilizzante utilizzato. Inoltre, è stato confermato che alcuni miglioramenti dei metodi sono possibili e questi potrebbero ispirare ulteriori indagini future.
Additional information
Dottorato di ricerca in Scienze delle produzioni vegetali e animali
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