Gaseous emissions from biogas-digestate management and from fertilized soils : a study with special reference to nitrous oxide determination by stable isotope and isotopomer techniques

Köster, Jan Reent

Biogas production from energy crops and organic residues for generating electricity is promoted in several European countries to reduce greenhouse gas (GHG) emissions from fossil fuels and thus to slow down global warming and climate change. However, significant GHG (in particular methane, CH4, and nitrous oxide, N2O) as well as ammonia (NH3) emissions may occur from anaerobic digestates (AD), the residues of the biogas production process, during storage periods prior to land spreading as organic fertilizers, when these storage facilities are not covered. In the present study, Open Path FTIR as a non invasive remote sensing technique in combination with the micrometeorological bLS model was successfully evaluated upon its applicability at open AD lagoons, and emissions from two lagoons were determined in several trials. Emissions were found to be dominated by CH4 and NH3, reducing the GHG savings of biogas energy considerably. During AD land spreading significant trace gas amounts can be emitted to the atmosphere, which are usually dominated by NH3. During winter, these emissions are often considered to be low; however, in the present study it was shown that NH3 emissions under cold temperature conditions can be significant, especially when the soil is frozen and AD infiltration is hampered. AD applied to soil as organic fertilizer may increase N2O emissions, which derive from biochemical N transformation processes. N2O as well as N2 emissions after AD and cattle slurry application to soil have been investigated in an incubation study, indicating lower N2O and N2 emissions via denitrification from AD treated soil due to its lower carbon content. N2O source apportioning in such studies is crucial for improving process understanding and advancing mitigation strategies. The analysis of the different N2O isotopomer species with particular focus on the intramolecular 15N distribution within the asymmetric N2O molecules (the so called ‘site preference’, SP) allows some insights into these source processes. Here, this approach confirmed denitrification as the predominating N2O source. The isotopic fractionation factors during N2O production and reduction via denitrification are still an uncertainty factor for stable isotope approaches relying on isotope ratios at natural abundance level. Therefore, these fractionation factors have been further investigated using different soil incubation approaches in two studies. The observed isotope fractionation during these experiments was partly in agreement with previous studies; however, in some cases the results deviated from literature values, probably due to experimental artefacts in some of the previous studies. N2O Isotopomer analysis is commonly done by isotope ratio mass spectrometry (IRMS), which has relatively low throughput and does not allow real time analysis. Here, recently developed laser spectroscopic techniques capable of site specific N2O 15N analysis may provide significant advantages compared to IRMS. Therefore, an experimental setup involving a new QCL absorption spectrometer was tested for its applicability in soil studies. The SP values of soil derived N2O were successfully determined continuously over several days, and were in good agreement with IRMS analysis, presenting laser spectroscopy as a promising new analytical approach for analyzing N2O in soil studies.

Biogasproduktion aus Energiepflanzen und organischen Abfällen zur Stromerzeugung wird in verschiedenen europäischen Ländern gefördert, um Emissionen von Treibhausgasen (THGs) zu reduzieren, und somit die globale Erwärmung und den Klimawandel zu verlangsamen. Bei der Biogaserzeugung anfallende Gärreste werden als Wirtschaftsdünger auf landwirtschaftlichen Flächen ausgebracht. Jedoch können bei der Gärrestlagerung vor der Feldausbringung erhebliche THG- (v.a. Methan – CH4 und Lachgas – N2O) sowie Ammoniak-Emissionen (NH3) auftreten, wenn die entsprechenden Lagerstätten nicht luftdicht abgedeckt sind. Das Ausmaß dieser Emissionen ist kaum bekannt, jedoch wichtig für die ökologische Bewertung von Biogas Strom. Für Emissionsmessungen an offenen Gärrestlagunen wurde daher die Open Path FTIR Methodik in Kombination mit einem mikrometeorologischen Transportmodell als sensitives nicht-invasives Fernmessverfahren validiert. In sechs z.T. mehrtägigen Messkampagnen wurden die Spurengasemissionen aus zwei Gärrestlagunen ermittelt, welche von CH4 und NH3 dominiert wurden und deren Ausmaß die Klimabilanz von Biogas-Strom der untersuchten Anlagen deutlich verschlechterte. Auch während der Feldausbringung von Gärresten können erhebliche NH3 Emissionen auftreten. Bei der Ausbringung im Winter werden diese Emissionen zumeist als gering eingeschätzt. Jedoch konnte hier gezeigt werden, dass auch bei kalter Witterung hohe NH3-Emissionen auftreten können, vor allem wenn bei gefrorenem Boden die Infiltration der Gärreste in den Boden eingeschränkt ist. N2O als besonders wirksames Treibhausgas wird vor allem durch biochemische Prozesse in Böden gebildet, wobei organische Düngung z.B. mit Gärresten die N2O-Freisetzung beträchtlich erhöhen kann. In einem Bodeninkubationsversuch wurde die Produktion von N2O als auch von molekularem N2 nach Gärrest- und Gülledüngung untersucht. Dabei wurden geringere N2O und N2 Emissionen nach Gärrestbehandlung beobachtet, was auf den durch den Gärprozess reduzierten Kohlenstoffanteil der Gärreste zurückgeführt wurde. Die Abschätzung der N2O Beiträge verschiedener Bodenprozesse ist von großer Bedeutung für das Prozessverständnis und daher essentiell für die Entwicklung von N2O Minderungsstrategien. Die Bestimmung der intramolekularen 15N-Verteilung im asymmetrischen N2O-Molekül (die sogenannte ‚site preference‘, SP) ermöglicht gewisse Rückschlüsse über die invol¬vierten Ursprungsprozesse und wies hier auf die überwiegende N2O-Bildung durch Denitrifikation hin. Die Isotopenfraktionierungsfaktoren während der N2O Produktion und -Reduktion durch Denitrifikation stellen noch einen Unsicherheitsfaktor bei der Nutzung natürlicher Isotopen-verhältnisse dar. Daher wurden diese Fraktionierungsfaktoren mit Hilfe verschiedener Bodeninkubationstechniken näher untersucht. Die aus diesen Versuchen resultierenden Fraktionierungsfaktoren stimmen zum Teil gut mit Literaturwerten überein, in einigen Fällen jedoch weichen diese Werte deutlich voneinander ab, was wahrscheinlich in versuchsbedingten Unterschieden gegenüber den vorangegangenen Studien begründet liegt. Die Bestimmung von N2O-Isotopomerverhältnissen erfolgt i.d.R. durch Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie (IRMS), die jedoch nur einen relativ geringen Probendurchsatz erlaubt und keine Echtzeit-Analysen ermöglicht. Daher wurde anhand eines Bodeninkubationsversuchs ein neuartiger Laser spektroskopischer Messansatz zur positions¬spezifischen 15N Analyse von N2O getestet, mit welchem die N2O SP Werte in höchster zeitlicher Auflösung kontinuierlich über mehrere Tage bestimmt werden konnten. Die Ergebnisse stimmten gut mit IRMS-Vergleichsmessungen überein, wodurch sich der genutzte Laser basierte Messansatz als vielversprechende Technik für N2O Isotopenanalysen in Bodenstudien herausstellte.

Quote

Citation style:

Köster, Jan Reent: Gaseous emissions from biogas-digestate management and from fertilized soils : a study with special reference to nitrous oxide determination by stable isotope and isotopomer techniques.

Rights

Use and reproduction:
No CC License (german copyright law applies)

Export