Emission of NH3, N2O and CO2 following the application of differently treated digestates from biogas production

Wolf, Ulrike

Die zunehmende Bedeutung von Biogas als erneuerbare Energiequelle in Deutschland und Europa führt zu steigenden Mengen an Biogas-Gärresten. In Deutschland werden gegenwärtig überwiegend nachwachsende Rohstoffe (insbesondere Mais) zur Biogasproduktion eingesetzt, die alleine oder mit anderen Zusätzen wie z.B. Gülle kofermentiert werden. Die Ziele dieser Arbeit waren: i) die Ammoniak (NH3)-Emissionen nach der Ausbringung von verschiedenen tierischen Güllen und Gärresten (aus tierischen Güllen oder vergorenem Mais) zu erfassen und den Einfluss von mechanischer Substratseparierung auf die NH3-Emissionen zu untersuchen, ii) den Einfluss verschiedener Dünger (Kalksalpeter, Maisgärrest und Maisgärrest mit Nitrifikationshemmstoff) auf NH3- und Lachgas (N2O)-Emissionen aus einer Maiskultur zu quantifizieren sowie die Treibhausgasbilanz dieser Düngestrategien zu ermitteln und iii) in einem Laborversuch mit verschiedenen Ausbringungstechniken den Verlauf der Denitrifikation und der C-Mineralisierung eines 13C und 15N markierten Maisgärrests zu untersuchen. Die Fragestellungen wurden in zwei verschiedenen Feldversuchen und einem Inkubationsversuch untersucht. Die Ergebnisse zeigen das Potenzial von Biogasgärresten als Quelle für NH3 Emissionen und verdeutlichen die Bedeutung einer raschen und vollständigen Einarbeitung der Gärreste zur Minderung von NH3 Verlusten. Die Verwendung des Nitrifikationshemmstoffs verringerte die N2O-Emissionen kurzzeitig um 37% und 62%, es wurde kein Einfluss auf die Jahresemissionen festgestellt. Der Markierungsansatz im Laborversuch ermöglichte die Unterscheidung zwischen zwei C-Pools innerhalb des Gärrests. Der sehr leicht verfügbare C-Pool wurde innerhalb der ersten beiden Wochen nach Ausbringung mineralisiert. Der weniger stark vergorene C-Anteil des Gärrests zeigte höhere spezifische Mineralisationsraten als eingearbeitete frische Mais-Biomasse. Dieser C-Pool beeinflusst nicht nur die Güte des Gärrests hinsichtlich der C-Speicherung in Böden, sondern ruft auch gasförmige N-Verluste durch Denitrifikation hervor. Die Gärrest-Ausbringungstechnik hatte nur einen geringen Einfluss auf die Mineralisierung des Gärrest-C und den N-Umsatz. Gärresten können sich in Abhängigkeit von den eingesetzten Substraten und Prozessbedingungen sehr stark unterscheiden. Das erschwert die Verallgemeinerung von Ergebnissen zur N und C Dynamik und verdeutlicht, dass gezielte Untersuchungen für Gärreste aus unterschiedlichen Substraten nötig sind.

Biogas is gaining growing importance as renewable energy source in Germany and Europe and the amounts of substrate residues from biogas production, called digestates, are concomitantly increasing. The composition and properties of digestates largely depend on its feedstock which is currently dominated by the use of dedicated energy crops, namely maize in Germany. The objectives of this thesis were therefore to: i) quantify and compare ammonia (NH3) emissions after field application of different animal manures and digestates (from animal manures and digested maize) and to determine the effect of mechanical substrate separation on NH3 emission, ii) determine the effect of different fertilizer types (i.e. calcium nitrate, digestate from maize, digestate from maize with a nitrification inhibitor) on NH3 and nitrous oxide (N2O) emission from a maize field and to evaluate the total greenhouse gas budget of these fertilization systems and iii) analyze the processes of denitrification and C mineralization following application of 13C and 15N labeled digestate from maize simulating different application techniques in the laboratory. The objectives were studied in two separate field experiments and one soil incubation study. The results show the great importance of biogas digestates as a source of NH3 emission and underline the importance of immediate and complete incorporation of digestates into the soil to minimize NH3 losses. The use of the nitrification inhibitor temporarily reduced N2O emissions by 37% and 62%, but there was no effect on the annual scale. The labeling approach enabled the differentiation of digestate C pools with different activity: a less processed fraction (isotopically labeled) and a longer processed fraction (without labeling). Mineralization dynamics of both C pools and denitrification (emission of N2O and N2) were quantified simulating different application techniques. The application technique had only a minor influence on mineralization of digestate C. Digestates from maize contain a fraction of easily available organic C which affects not only the value of digestate for C sequestration in soils but it also triggers gaseous N losses by denitrification. Composition and properties of digestates can vary considerably depending on the digested substrates and the digestion process. This hampers the generalization of results on N and C dynamics and it suggests that specific evaluations are necessary for digestates of different origin.

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Wolf, Ulrike: Emission of NH3, N2O and CO2 following the application of differently treated digestates from biogas production. 2014.

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