Closing nutrient loops through decentralized anaerobic digestion of organic residues in agricultural regions: A multi-dimensional sustainability assessment

Decentralized anaerobic digestion (AD) of manure and organic residues is a possible strategy to improve carbon and nutrient cycling within agricultural regions, meanwhile generating renewable energy. To date, there has been limited adoption of decentralized AD technology in industrialized countries owing to low profitability for plant operators. There remains a need to demonstrate the wider sustainability of small-scale, decentralized AD in order to justify policy support for such a strategy. This study applies a multi-dimensional assessment of the environmental, economic and social sustainability of two scenarios of decentralized, farm-scale AD of pig slurry and organic residues in Southern Sweden. The environmental dimension was assessed by means of an expanded boundary life cycle assessment, in which trade-offs between fertilizer replacement, soil organic carbon accumulation, digestate/manure storage and application, transport and soil emissions were evaluated. The economic dimension was assessed through modelling of the net present value and internal rate of return. Finally, the social dimension was assessed by means of a stakeholder perception inquiry among key stakeholders in the field. It was concluded that the overall environmental balance of decentralized AD was favorable, while also the net present value could be positive. Fertilizer replacement, soil organic carbon and digestate storage effects were identified as important factors that should be accounted for in future life cycle assessments. A key issue for interviewed stakeholders was product quality assurance. Wider application of multi-dimensional sustainability assessment, capturing important nutrient cycling effects, could provide an evidence base for policy to support sustainable deployment of decentralized AD

Manure sampling instructions

These instructions for manure sampling were formulated within the project Manure Standards (Advanced manure Standards for sustainable nutrient management and reduced emissions, Interreg Project No #R057) with the aim of harmonising sampling methods used within the Baltic Sea Region. The instructions are based on output from a previous project, Baltic Manure (Sindhöj et al., 2013), literature from within and outside the EU and feedback from tests of a first version on around 100 farms representing all nine countries bordering the Baltic Sea. These instructions have been circulated to project partners (see list in Appendix 2) and associate partners, including universities, research organisations, advisory services and other stakeholders in the Manure Standards project. A central factor during the work was to assess the impact on the analysis results of sampling factors such as number of samples (or subsamples), sampling depth, handling of samples, time period between sampling and analysis etc. Note that some countries, or even food companies, may have more rigid regulations on how sampling should be carried out (e.g. number of subsamples needed). In such cases, those special instructions should of course be followed in the first instance

Klimagassutslipp fra utendørslager for bløtgjødsel fra storfe

Det er et mål å redusere klimagassutslipp relatert til jordbruket. Bedre gjødselhandtering og fermentering av bløtgjødsel i biogassanlegg er foreslått som tiltak som vil bidra til dette. En stor utfordring for estimatene i det nasjonale utslippsregnskapet er at det er gjort svært få målinger under norske forhold på utslipp av lystgass (N2O), ammoniakk (NH3) og metan (CH4). Fordi utslipp av alle gasser øker med temperatur og fordi temperaturen jevnt over er lavere i Norge enn i mange andre land, er det viktig å få mer kunnskap om hvor store de faktiske utslippene er ved ulik temperatur og lagerforhold av husdyrgjødsel i Norge. Derfor har vi i 2019 og 2020 målt utslipp av klimagasser fra utendørs gjødselkummer med storfegjødsel. I 2019 var det tre kummer som ble undersøkt og i 2020 ble antallet utvidet til fem. To av gjødselkummene var åpne, to hadde tak og en Plany flytedekke. Alle var plassert på gårder med melkeproduksjon. Metodikken vi brukte for å ta gassprøver fra gjødselkummene var basert på tysk utstyr for å måle gassutslipp fra vandige overflater med et kammer som samler opp gass kombinert med gassprøvetaking ved hjelp av sprøyter. Gassprøvene ble analysert for innhold av CO2, CH4 og N2O ved hjelp av gasskromatograf. I tillegg ble temperaturen i gjødsla målt i to ulike dyp, det ble tatt gjødselprøver fra kummene, prøver av eventuell skorpe og tykkelsen på skorpe ble målt. Gjødselprøvene ble analysert for næringsinnhold og pH. Det var utfordringer med temperaturregisteringer. En del sensorer og loggere tålte ikke forholdene i gjødsellageret over tid eller ble ødelagt på andre måter. Ved 150 cm dyp var temperaturen i gjødsla ganske stabil. Gjødsla var kaldere enn lufta når det var varmt i lufta og varmere når det var kaldt i lufta. Vi registrerte aldri høyere temperatur i gjødsellageret enn 15°C. Av utslippene vi registrerte var det metanutslipp som betydde mest for global oppvarming. Målt i CO2 ekvivalenter var utslippene av CO2 og N2O svært mye lavere enn CH4 utslipp. Gjennomsnittlig utslipp av metan fra gjødselkummene var 12 g CH4 per m3 gjødsel per døgn (variasjon 0,1 – 28). Dette er i samme størrelsesorden som resultater fra andre skandinaviske undersøkelser. Når lufttemperaturen var under 14 °C, var metanutslippene lave. Metanutslippene per enhet organisk stoff (VS) var høye når det var lite gjødsel i kummen i forhold til overflaten samtidig som det var varmt. Det var tendens til lavere metanutslipp per enhet organisk stoff ved økende mengde gjødsel, og når gjødsla ble tilført i bunnen av kummen. Lave registrerte utslipp av metan der ny gjødsel ble tilført i bunn selv ved høy lufttemperatur kan skyldes at temperaturen i gjødsla har holdt seg lavere da det var store kummer og det ikke ble tilført ny gjødsel ovenfra. Vi hadde forventet høyere tørrstoffinnhold og porøsitet i skorpa og lavere metanutslipp der ny gjødsel ble tilført i bunn og det samtidig var tak over kummen som beskyttet mot nedbør, men våre undersøkelser kan så langt hverken bekrefte eller avkrefte dette. Årsaken til lave utslipp av lystgass var sannsynligvis at det enten ikke var skorpe på gjødsla eller skorpa var våt og kompakt og dermed ikke porøs selv under tak. Ammonium ble dermed ikke oksidert til lystgass. Sannsynligvis av samme årsak, fant vi heller ikke reduserte metanutslipp med økende skorpetykkelse som vi hadde forventet, da skorpa heller ikke var porøs nok til at CH4 ble oksidert og dermed omdannet til CO2. Teoretiske studier av biogassanlegg og noen målinger gjort i Norge og i utlandet understreker behovet for tett oppfølging av etablerte biogassanlegg. Det vil si gjøre målinger og justeringer for drift og bruk av biorest slik at man oppnår beregnet og ønsket positiv effekt på klimaet. Ved å lagre bløtgjødsel og biorest kjølig, kan utslippene av metan og ammoniakk begrenses. Praktiske råd kan være å minimere mengden gjødsel i kummen om sommeren, og når ny kum skal bygges grave den ned og sørge for at gjødselkummen er mest mulig i skygge. Total tømming av lagret og rengjøring innen ny påfylling kan være en effektiv strategi for å redusere utslipp av metan. Årsaken er at gjødselresten kan fungere som et inokolum og stimulere metandannelsen når lagret fylles med fersk gjødsel. Ved biogassanlegg er metanproduksjonen allerede stimulert når bioresten kommer inn i lageret. Nedkjøling eller tett kum er derfor ekstra viktig her. Surgjøring av bløtgjødsel til ca pH 5,5, oftest med svovelsyre, reduserer både NH3- og CH4-utslipp under lagring. Surgjøring er hittil ikke mye brukt i Norge da det har praktiske utfordringer. Tak eller dekke på gjødselkummene hindrer nedbør i kummen, og dermed øker lagerkapasiteten samtidig som det blir mindre vann som må kjøres ut. Hvor mange timer kjøring som spares ved utkjøring av gjødsla avhenger av størrelsen på gjødselkummen, størrelse på gjødselvogna og avstanden til arealene som skal gjødsles. Økonomisk kostnad til tak eller dekke avhenger av diameteren på kummen. Kostnaden med å montere tak på en kum med diameter på 25 meter var ca 340 000 kr (regnet i 2020-priser)