Ammonia and GHG emission from environmental techniques in livestock farms based on modelization

Abstract

Actualmente, los sistemas agro-ganaderos tienen que hacer frente a desafíos ambientales, técnicos y económicos para tratar de responder a las demandas de desarrollo sostenible de la sociedad, lo cual requiere de soluciones innovadoras. En este sentido, las explotaciones avícolas y porcinas de gran tamaño deben obtener una autorización ambiental basada en la implementación de las Mejores Técnicas Disponibles (MTD) de acuerdo a la Directiva de Emisiones Industriales IED 2010/75 / EU. Esta tesis aborda el desarrollo de un modelo (modelo BATFARM) para la selección de técnicas ambientales en granjas comerciales de ganado porcino, avícola y de vacuno leche. Su objetivo es identificar las etapas clave que contribuyen a la emisión de amoniaco y de gases de efecto invernadero (GEI) en las explotaciones ganaderas, así como la comparación de diferentes escenarios de implementación de MTD. Diseñado con rigor metodológico y como una herramienta fácil de usar, calcula la producción y composición de los estiércoles y purines, las emisiones, los consumos y la producción animal. El modelo combina diferentes metodologías incluyendo factores de emisión y ecuaciones, tanto empíricas como basadas en procesos. Las pruebas realizadas parecen indicar que tanto las interacciones como el efecto de los factores con un impacto relevante en las emisiones, son considerados por el modelo. Sin embargo, los resultados deben ser interpretados como indicativos de la reducción relativa lograda y no como valores absolutos de emisión. La disponibilidad de estudios de investigación aplicada en granjas para determinar factores de emisión es fundamental en la modelización. En el marco de esta tesis se ha llevado a cabo la evaluación de un lavador de aire húmedo en una explotación comercial de ganado porcino, cuyos resultados se han incorporado en el modelo. Los lavadores húmedos parecen ser, también en nuestras condiciones climáticas, muy eficaces en la reducción de amoniaco. Sin embargo, es una técnica costosa que además puede perder su eficacia si no se aplican medidas adicionales en las subsiguientes etapas. Precisamente, los modelos permiten realizar este tipo de evaluaciones a lo largo de todas las fases de producción ganadera, clave para la selección de las técnicas que permitan alcanzar los objetivos de reducción de emisión requeridos en cada caso de la forma más eficaz.

In trying to respond to societal demands for sustainable development, farming systems have to deal with environmental, technical and economic challenges, in which innovative solutions are required. At this regard, poultry and swine farms over certain size must have a permit to operate based on the implementation of Best Available Techniques (BAT) according to Industrial Emissions Directive IED 2010/75/EU. In this thesis we have developed a practical model (BATFARM model) for environmental techniques selection in swine, poultry and dairy cattle farms. The model aims to identify the key stages giving rise to farm gas emissions (ammonia and greenhouse gases, GHG), which would most benefit from implementing environmental techniques and predicts farm emission variation under different scenarios. Designed with methodological rigour and as a userfriendly tool, the model calculates mass balances throughout farm stages in order to estimate manure evolution, related emissions, feed consumptions and animal production. It was set up using a combination of methodologies including emission factors, empirical equations and process-oriented mechanisms. Model testing seems to indicate that the model considers relevant interactions between farm components and captures the effect of factors having an important impact on gas emission. However, results must be interpreted as indicative of the relative emission reduction achieved due to implementation of mitigation practices rather than absolute values. Besides, direct measurements on farm are required to establish emission factors for up-scaling farm level processes in modeling work. In this thesis, the evaluation of the performance of a wet scrubber in a commercial pig farm has been carried out and results have been incorporated in the model. Wet scrubbers seem to be, also in our climatic conditions, very effective for ammonia reduction. However air cleaning may not be a generally applicable technique due to the high implementation cost and it can lose its efficiency if applied without any further measures in downstream farming activities. Precisely, whole-farm models can help in these integrated scenario evaluations and can support in the selection of most effective mitigation option in each particular farm case.