Agricultural ammonia in the atmosphere: transport, monitoring and environmental impacts [Elektronische Ressource] / Kristina von Bobrutzki. Betreuer: Dieter Scherer

Kristina

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• Publié par: technische_universitat_berlin
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 43
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 33 Mo

Extrait

Agricultural ammonia in the atmosphere: transport,
monitoring and environmental impacts

vorgelegt von
Dipl.-Ing. Kristina von Bobrutzki
aus Putbus auf Rügen

Von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt –
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktorin der Ingenieurwissenschaften
Dr.-Ing.

genehmigte Dissertation




Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr. rer. nat. Martin Kaupenjohann
Berichter: Prof. Dr. phil. Dieter Scherer
Berichter: Prof. Dr. agr. Rainer Brunsch
Berichter: Dr.-Ing. Hans-Joachim Müller


Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 24.06.2011

Berlin 2011

D 83







Fast alles
ist leichter begonnen
als beendet…

Johann Wolfgang von Goethe

Table of contents
Zusammenfassung....................................................................................................... II
Abstract........................................................................................................................IV
1 Introduction...............................................................................................................1
1.1 Emission and atmospheric transport ...................................................................3
1.2 Monitoring approaches ........................................................................................5
1.3 Environmental impacts6
1.4 Open issues and objectives of the thesis ............................................................7
2 Materials and methods.............................................................................................9
2.1 Study sites ...........................................................................................................9
2.2 Measurements...................................................................................................11
2.3 Statistical analyses ............................................................................................14
3 Results and discussion..........................................................................................17
3.1 Monitoring of atmospheric NH ..........................................................................17 3
3.2 Selected factors-of-influence (FOI)....................................................................20
3.3 Comprehensive evaluation ................................................................................22
4 Conclusions and outlook.......................................................................................25
5 References ..............................................................................................................27
Appendix A: .................................................................................................................33
Paper I Field inter-comparison of eleven atmospheric ammonia measurement
techniques
Appendix B:59
Paper II Factors affecting the ammonia content in the air surrounding a broiler
farm
Appendix C:75
Paper III Ammonia emissions from a broiler farm: spatial variability of
concentrations in the vicinity and impacts on adjacent woodland
Appendix D: Contribution of author to included papers .........................................99
Appendix E: Acknowledgements.............................................................................111



Zusammenfassung
Die Landwirtschaft, speziell die Tierproduktion, ist die Hauptquelle für anthropogen
erzeugte Ammoniakemissionen in Europa. Der Grund dafür liegt in einem erhöhten
Nahrungsbedarf einer stetig wachsenden Weltbevölkerung. Diese Ammoniak-
emissionen besitzen einen direkten Einfluss auf die angrenzende Umwelt und führen
zur Beeinträchtigung der Luftqualität bis hin zu massiver Geruchsbelästigung.
Ein Ziel dieser Dissertation ist es, die Transport- und Ausbreitungsprozesse von
Ammoniak (NH ) zu beschreiben sowie damit verbundene Monitoring-Methoden und 3
auftretende Umwelteinflüsse zu charakterisieren. Um grundlegende Faktoren zu
bestimmen, die einen regulierenden Einfluss auf NH -Konzentrationen haben, wurden 3
Umweltbedingungen, meteorologische Aspekte und die Betriebsbedingungen der
Stallanlagen berücksichtigt. Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit liegt in der Untersuchung
der Beziehung zwischen NH -Konzentrationen und der auftretenden Vegetation in 3
unterschiedlichen Entfernungen einer Stallanlage.
Für das Monitoring von NH -Konzentrationen in landwirtschaftlich genutzten Gebieten 3
wurden unterschiedliche Messtechniken entwickelt. Aufgrund der großen Vielzahl an
NH -Messmethoden wurden Vergleichsmessungen unter typischen Feldbedingungen 3
initiiert, um geeignete Geräte für exakte Messungen zu finden. Der hier präsentierte
-Konzentrationen, Vergleich umfasst elf Geräte zur Detektion von atmosphärischen NH3
die auf acht unterschiedlichen Messmethoden basieren. Die Messungen fanden auf
einer intensiv bewirtschafteten landwirtschaftlichen Weidefläche statt. Trotz der
überaus guten Übereinstimmung der mit den unterschiedlichen Geräten gemessenen
durchschnittlichen NH -Konzentrationen, bleibt die kontinuierliche Erfassung von NH -3 3
Konzentrationen ein herausforderndes Vorhaben.
Transport- und Ausbreitungsprozesse von atmosphärischem NH werden durch viele 3
lokale Faktoren beeinflusst. Während der durchgeführten Feldmessungen wurden
Hauptfaktoren ausgewählt und evaluiert, die sowohl die Umweltbedingungen und die
meteorologischen Aspekte als auch die Betriebsbedingungen der Stallanlagen
charakterisieren.
Als Untersuchungsobjekt wurde eine große Broilermastanlage gewählt, die typisch für
die landwirtschaftliche Landschaft in Deutschland und Europa ist. Mittels multipler
linearer Regressionsanalyse (MLR) wurde die Beziehung zwischen zehn
Haupteinflussfaktoren und den gemessenen NH-Konzentrationen analysiert. 3
Hinsichtlich der Anwendung geeigneter Monitoring-Methoden stellt die Wahl des
II
Standortes für die Beobachtungspunkte einen entscheidenden Aspekt dar, um wirklich
belastbare und sinnvolle Messergebnisse zu erzielen. Das emittierte NH wird durch 3
die auftretenden Windrichtungen stark beeinflusst. Dennoch weisen die Ergebnisse der
MLR auf einen rück- bzw. abwärtsgerichteten Transport der NH -angereicherten Luft 3
zum Beobachtungspunkt hin, auch wenn der Wind aus einer Richtung ohne NH -3
Quelle weht. Diese Ergebnisse zeigen einen starken Einfluss der durch das
vorhandene Lüftungssystem bedingten Austrittshöhe der Abluft aus den
Schornsteinen.
Während weiterer Versuche an derselben Broilermastanlage wurden die NH -3
Emissionen und die daraus resultierenden atmosphärischen NH -Konzentrationen an 3
fünf Beobachtungspunkten quantifiziert. Zusätzlich erfolgte eine Analyse der
auftretenden Vegetation entlang eines Transekts durch ein sich anschließendes
Waldgebiet. Die Broilermastanlage als Emissionsquelle bewirkt einen signifikanten
Anstieg der atmosphärischen NH -Konzentrationen in der unmittelbaren Umgebung. 3
Diese erfassten atmosphärischen NH-Konzentrationen wurden stark durch die 3
auftretenden Windrichtungen beeinflusst. Es ist anzunehmen, dass das unmittelbar
angrenzende Waldgebiet eine weiträumige Ausbreitung der Luftverunreinigungen
durch die NH-Emissionen verhindert. Jedoch wird der Wald innerhalb eines 3
Abstandes von ~400 m von der Broilermastanlage durch den erhöhten Eintrag von
NH -Konzentrationen nachteilig beeinträchtigt. Diese Ergebnisse verdeutlichen eine 3
Notwendigkeit von Waldstreifen als Schutzpflanzungen. Sie zeigen aber auch, dass die
Umsetzungen weiterer Maßnahmen zur Minderung von NH -Emissionen notwendig 3
sind.
III
Abstract
Agriculture and especially the livestock industry is the major source of anthropogenic
emissions of ammonia (NH ) in Europe. Ammonia emissions are likely to increase due 3
to the pressure on the food production industry to keep pace with the growing world
population. These emissions affect the air quality can cause odour nuisance and have
direct impacts on the environment.
This thesis focuses on the investigation of transport and dispersion processes of
atmospheric NH . Further aspects take into account the evaluation of relevant 3
monitoring methods and the characterisation of the direct environmental impacts of
NH . The processes involved in transport and dispersion of NH are complex. In order 3 3
to fully understand the underlying and influencing factors, environmental conditions,
meteorological aspects and the operational mode of the animal production facilities
were considered. The relationship between atmospheric NH concentrations and the 3
abundance and diversity of vegetation with increasing distance from the NH source 3
was a further issue.
For monitoring atmospheric NH in agricultural used areas, various different techniques 3
have been developed. Owing to this wide variety of methods, a comparison under
typical field conditions was initiated to identify the most suitable instrumen