Emissões gasosas em instalações pecuárias: sumário pormenorizado da lição de síntese

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Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

Emissões gasosas em instalações pecuárias

Sumário pormenorizado da lição de síntese

Provas de Agregação em Ciências Agronómicas e Florestais

José Luís da Silva Pereira

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Para admissão a provas de Agregação na Universidade de Trás-os-Montes e Alto

Douro, em conformidade com o

estabelecido na alínea c) do artigo 5.º do Decreto-Lei n.º 239/2007, de 19 de Junho de 2007.

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Índice

1. Nota prévia ... 1

2. Plano da lição de síntese... 2

2.1. Objectivos... 2

2.2. Sumário... 2

2.3. Resumo do conteúdo programático da lição de síntese... 3

2.4. Recursos e estratégias científico-pedagógicas... 6

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José Luís da Silva Pereira 1

1. Nota prévia

De acordo com o artigo 5.º do Decreto-Lei n.º 239/2007 de 19 de Junho, os candidatos a provas de Agregação apresentam um “sumário pormenorizado de um seminário ou lição sobre um tema dentro do âmbito do ramo do conhecimento ou especialidade em que são prestadas as provas”.

A produção animal é das principais fontes de emissão de amoníaco (NH3), óxido

nitroso (N2O) e metano (CH4) para a atmosfera, os quais se encontram relacionados com

problemas ambientais e económicos. Actualmente, tem sido publicada diversa legislação nacional e internacional com o objectivo de reduzir as emissões de amoníaco e de gases com efeito de estufa, designadamente a Directiva (UE) 2016/2284 de 14 de Dezembro, com implicações directas em diversos sectores da agricultura. As emissões de NH3 e de gases com

efeito de estufa representam cerca de 90 e 11%, respectivamente, das emissões totais nacionais com origem nos sectores da agricultura, nomeadamente: fermentação entérica, gestão de efluentes, cultivo de arroz, fertilizantes e correctivos aos solos e queima de resíduos agrícolas. A emissão de NH3 e de gases com efeito de estufa ocorre em todas as etapas de

gestão de efluentes, designadamente nas instalações, estruturas de armazenamento, valorização agrícola de efluentes pecuários e pastoreio. As instalações pecuárias são fontes de emissão significativas, em particular de NH3 e CH4.

Esta lição destina-se aos alunos da unidade curricular de Qualidade Ambiental (2.º ano, 2.º semestre) do Curso de Licenciatura (1.º Ciclo) em Ciência e Tecnologia Animal, ministrado pela Escola Superior Agrária de Viseu (ESAV) do Instituto Politécnico de Viseu (IPV).

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José Luís da Silva Pereira

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2. Plano da lição de síntese

2.1. Objectivos

• Conhecer as fontes e compreender os mecanismos de emissão de amoníaco e de gases com efeito de estufa com origem na produção animal;

• Conhecer metodologias e equipamentos de medição de amoníaco e de gases com efeito de estufa;

• Identificar e quantificar os problemas ambientais sobre a atmosfera e aplicar técnicas de protecção ambiental;

• Contribuir para o desenvolvimento de factores de emissão com origem na produção animal.

2.2. Sumário

A. Introdução

B. Origem das emissões gasosas B.1. Fontes de emissão

B.2. Processos de formação B.3. Factores condicionantes

C. Monitorização das emissões gasosas C.1. Determinação de gases

C.2. Determinação da ventilação C.3. Recolha de amostras gasosas D. Avaliação de emissões gasosas D.1. Instalações para aves

D.2. Instalações para bovinos E. Considerações finais

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2.3. Resumo do conteúdo programático da lição de síntese

A. Introdução

É apresentada a estrutura da lição, descriminando-se os objectivos a abordar e justificando-se a relação entre cada um deles. Descreve-se a importância do tópico da lição, incluindo a legislação em vigor e as consequências da concentração e emissão de amoníaco (NH3), óxido nitroso (N2O) e metano (CH4) no ambiente e saúde pública.

O tópico da lição foca-se na investigação desenvolvida em contexto nacional, nos trabalhos originais realizados nos últimos 10 anos, pela necessidade de estarem disponíveis factores de emissão de gases, com origem na agricultura, próprios e adequados à realidade portuguesa. Nesta perspectiva abordam-se os principais aspectos associados à origem, monitorização e mitigação de NH3, N2O e CH4 com origem nas instalações pecuárias.

Referências: Bittman et al. (2014), CIGR (1994), CIGR (2014), EMEP-EEA (2016), Hartmann et al. (2013), IPCC (2006), PIIR (2017) e PNIR (2016).

B. Origem das emissões gasosas

B.1. Fontes de emissão

É explicada a importância da agricultura na emissão de NH3 e de gases com efeito de

estufa no âmbito do inventário nacional das emissões atmosféricas, descrevendo-se as fontes de emissão significativas, nomeadamente: fermentação entérica, pastoreio, etapas de gestão de efluentes nas explorações e aplicação de fertilizantes aos solos. Apresenta-se o contributo dos sectores da agricultura, em particular da produção animal, nas emissões totais nacionais de NH3, N2O e CH4, incluindo a legislação em vigor e as consequências da concentração e

emissão de gases no ambiente e saúde e bem-estar humana e animal.

Referências: Andrews et al. (2016), Bittman et al. (2014), CIGR (1994), CIGR (2014), EMEP-EEA (2016), Hartmann et al. (2013), IPCC (2006), Pereira et al. (2017), PIIR (2017), PNIR (2016), Rodrigues et al. (2017) e Sommer et al. (2013).

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B.2. Processos de formação

Processos de formação e emissão de gases com efeito de estufa (N2O, CO2 (dióxido de

carbono) e CH4) e acidificante (NH3, NO (óxido nítrico)), com referência à origem,

transformações e decomposição das dejecções animais e dos fertilizantes orgânicos e minerais aplicados aos solos. Emissão de CH4 em condições de anaerobiose. Descrição dos processos

de mineralização, imobilização, hidrólise, nitrificação, desnitrificação e metanogénese.

Referências: Hartung e Philips (1994), Montes et al. (2013), Pereira e Trindade (2014), Sommer et al. (2006) e Sommer et al. (2013).

B.3. Factores condicionantes

Principais factores que regulam a formação e emissão de NH3, NO, N2O, CO2 e CH4,

em particular a composição do efluente (quantidade, superfície de exposição e teores de N e C, valor de pH e temperatura) e os factores climáticos (temperatura, humidade e velocidade do ar).

Referências: Bleizgys e Bagdoniene (2016), Hartung e Philips (1994), Méda et al. (2011), Montes et al. (2013), Pereira et al. (2011), Pereira et al. (2012), Philippe et al. (2011) e Sommer et al. (2006).

C. Monitorização das emissões gasosas

C.1. Determinação de gases

Descrição dos principais instrumentos de medição de gases: armadilhas ácidas, analisador de quimioluminescência, tubos de detecção de gases, analisador foto-acústico de gases e cromatografia gasosa.

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C.2. Determinação da ventilação

Abordagem a técnicas de medição da ventilação em edíficos, directamente pela medição do fluxo de ar (anemómetro de fio quente e ultrasónico 3-D, pressão estática (manómetro)), e indirectamente através de traçadores de gás (exemplo: hexafluoreto de enxofre) e balanço de massa (exemplo: CO2).

Referências: Alberdi et al. (2016), Edouard et al. (2016), Hassouna e Eglin (2016), Joo

et al. (2014), Pereira (2017), Pereira e Trindade (2014), Ogink et al. (2013) e Samer et al.

(2011).

C.3. Recolha de amostras gasosas

Apresentação de técnicas de medição das emissões de CH4 com origem na

fermentação entérica, designadamente diluição de marcador (exemplo: hexafluoreto de enxofre) e sistema greenfeed. Descrição das principais técnicas micro-meteorológicas e de clausura para amostragem de gases. Técnicas de amostragem de gases com recurso a dispositivos passivos de amostragem do fluxo, técnica da concentração de equilíbrio (câmaras

Svensson), câmaras dinâmicas (túnel de vento) e câmaras estáticas (gradiente de

concentração).

Referências: Chadwick et al. (2014), Hammond et al. (2016), Hassouna e Eglin (2016), Hu et al. (2014), Pereira et al. (2010) e Sommer e Misselbrook (2016).

D. Avaliação de emissões gasosas

D.1. Instalações para aves

Como exemplo de monitorização de emissões gasosas em instalações pecuárias com ventilação mecânica, procede-se à apresentação dos principais resultados de monitorização de emissões gasosas em instalações para aves realizados em Portugal. Comparação com resultados de monitorização de gases em outros países e descrição das principais medidas de mitigação para redução das emissões gasosas (exemplos: aditivos, scrubber e biofiltro).

Referências: Eugene et al. 2015), Maurer et al. (2016), Pereira (2017) e Van der Heyden et al. (2015).

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D.2. Instalações para bovinos

Como exemplo de monitorização de emissões gasosas em instalações pecuárias com ventilação natural, procede-se à apresentação dos principais resultados de monitorização de emissões gasosas em instalações para bovinos realizados em Portugal. Comparação com resultados de monitorização de gases em outros países e descrição das principais medidas de mitigação para redução das emissões gasosas (exemplos: produtividade, separação da urina e aditivos).

Referências: Braam et al. (1997), Fangueiro et al. (2015), Mendes et al. (2017), Pereira et al. (2010), Pereira et al. (2013), Pereira e Trindade (2014), Pereira e Trindade (2015) e Swierstra et al. (2001).

E. Considerações finais

Referência à necessidade de avaliação de medidas de mitigação e obtenção de factores de emissão próprios para as condições de Portugal, em alternativa aos factores de emissão recomendados pelo Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC) e Agência Europeia do Ambiente (EEA).

Referências: Bittman et al. (2014), EMEP-EEA (2016), Hristov et al. (2013), Ndegwa

et al. (2008), IPCC (2006), PIIR (2017), PNIR (2016), Rotz (2004), Sakadevan e Nguyen

(2017) e Santonja et al. (2017).

2.4. Recursos e estratégias científico-pedagógicas

A apresentação do conteúdo da lição de síntese será efectuada em sala de aula, com recurso a MS PowerPoint e duração total de cinquenta minutos. No decurso da aula, serão mencionados os autores de referência e respectivos textos e obras relativos a cada contéudo. No final desta aula seria reservado um período de dez minutos para discussão e para que os alunos pudessem colocar dúvidas.

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2.5. Referências bibliográficas

Trabalhos próprios

Andrews, J., Davison, T., Pereira, J., 2016. Dairy Farm Layout and Design: Building and Yard Design, Warm Climates. In: Smithers G. (Ed.) Reference Module in Food Science. Elsevier, UK. doi: 10.1016/B978-0-08-100596-5.00705-8.

Pereira, J.L.S., 2017. Assessment of ammonia and greenhouse gas emissions from broiler houses in Portugal. Atmospheric Pollution Research 8, 949-955.

Pereira, J., Barneze, A.S., Misselbrook T.H., Coutinho J., Moreira N., Trindade H., 2013. Effects of a urease inhibitor and aluminium chloride alone or combined with a nitrification inhibitor on gaseous N emissions following soil application of cattle urine. Biosystems Engineering 115, 396-407.

Pereira, J., Fangueiro, D., Misselbrook, T.H., Chadwick, D.R., Coutinho, J., Trindade, H., 2011. Ammonia and greenhouse gas emissions from slatted and solid floors in dairy cattle houses: A scale model study. Biosystems Engineering 109, 148-157.

Pereira, J.L.S., Ferreira, S., Garcia, C.S.P., Conde, A., Ferreira, P., Pinheiro, V., Trindade, H., 2017. Assessment of ammonia and carbon dioxide concentrations in a breeding hen building under Portuguese winter. International Journal of Food and Biosystems Engineering 5, 1-6.

Pereira, J., Misselbrook, T.H., Chadwick, D.R., Coutinho, J., Trindade, H., 2010. Ammonia emissions from naturally ventilated dairy cattle buildings and outdoor concrete yards in Portugal. Atmospheric Environment 44, 3413-3421.

Pereira, J., Misselbrook, T.H., Chadwick, D.R., Coutinho, J., Trindade, H., 2012. Effects of temperature and dairy cattle excreta characteristics on potential ammonia and greenhouse gas emissions from housing: A laboratory study. Biosystems Engineering 112, 138-150.

Pereira, J., Trindade, H., 2014. Control of ammonia emissions in naturally ventilated dairy cattle facilities in Portugal. Engenharia Agrícola 34, 600-609.

Pereira, J., Trindade, H., 2015. Impact of the intensity of milk production on ammonia and greenhouse gas emissions in Portuguese cattle farms. Spanish Journal of Agricultural Research 13 (4), e06SC05.

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Rodrigues, A.R., Gomes, A., Ferreira, L., Cabrita, A.R.J., Trindade, H., Fonseca, A.J.M., Pereira, J.L.S, 2017. Ammonia and carbon dioxide concentrations in dairy-cattle houses of northwest Portugal. Animal Science Doctoral Programme - IV Workshop. The Book of Abstracts, Instituto de Ciências Biomédicas Abel Salazar, Universidade do Porto, 14 September 2017, Porto, Portugal.

Trabalhos de outros autores

Alberdi, O., Arriaga, H., Calvet, S., Estellés, F., Merino, P., 2016. Ammonia and greenhouse gas emissions from an enriched cage laying hen facility. Biosystems Engineering 144, 1-12.

Bittman, S., Dedina, M., Howard, C.M., Oenema, O., Sutton, M.A., (Eds), 2014. Options for Ammonia Mitigation: Guidance from the UNECE Task Force on Reactive Nitrogen. Centre for Ecology and Hydrology, Edinburgh, UK, 83 pp.

Bleizgys, R., Bagdoniene, I., 2016. Control of ammonia air pollution through the management of thermal processes in cowsheds. Science of the Total Environment 568, 990-997. Braam, C.R., Smits, M.C.J., Gunnink, H., Swierstra, D., 1997. Ammonia emission from a

double-sloped floor in a cubicle house for dairy cows. Journal of Agricultural Engineering Research 68, 375-386.

Chadwick, D.R., Cardenas, L., Misselbrook, T.H., Smith, K.A., Rees, R.M.,Watson, C.J., McGeough, K.L., Williams, J.R., Cloy, J.M., Thorman, R.E., Dhanoa, M.S., 2014. Optimizing chamber methods for measuring nitrous oxide emissions from plot-based agricultural experiments. European Journal of Soil Science, 65, 295-307.

CIGR, 1994. Aerial environment in animal housing. Working Group Report Series No 94.1. International Commission of Agricultural Engineering (CIGR) and CEMAGREF, Rennes, France, 116 pp.

CIGR, 2014. The Design of Dairy Cow and Replacement Heifer Housing. Report of the CIGR Section II Working Group N° 14 Cattle Housing. International Commission of Agricultural and Biosystems Engineering, ISBN 978-2-9552352-0-1, 60 pp.

Edouard, N., Mosquera, J., Van-Dooren, H.J.C., Mendes, L.B., Ogink, N.W.M., 2016. Comparison of CO2- and SF6- based tracer gas methods for the estimation of ventilation

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José Luís da Silva Pereira 9 EMEP-EEA, 2016. EMEP/EEA air pollutant emission inventory guidebook 2013. EEA Technical report No 21/2016. European Environment Agency (EEA). Copenhagen, Denmark, ISBN 978-92-9213-806-6.

Eugene, B., Moore, P.A., Li, H., Miles, D., Trabue, S., Burns, R., Buser, M., 2015. Effect of alum additions to poultry litter on in-house ammonia and greenhouse gas concentrations and emissions. Journal of Environmental Quality 44, 1530-1540.

Fangueiro, D., Hjorth, M., Gioelli, F., 2015. Acidification of animal slurry - a review. Journal of Environmental Management 149, 46-56.

Hammond, K.J., Crompton, L.A., Bannink, A., Dijkstra, J., Yáñez-Ruiz, D.R., O’Kiely, P., Kebreab, E., Eugène, M.A., Yu, Z., Shingfield, K.J., Schwarm, A., Hristov, A.N., Reynolds, C.K., 2016. Review of current in vivo measurement techniques for quantifying enteric methane emission from ruminants. Animal Feed Science and Technology 219, 13-30.

Hartmann, D.L., Klein Tank, A.M.G., Rusticucci, M., Alexander, L.V., Brönnimann, S., Charabi, Y., Dentener, F.J., Dlugokencky, E.J., Easterling, D.R., Kaplan, A., Soden, B.J., Thorne, P.W., Wild, M., Zhai, P.M., 2013. Observations: Atmosphere and Surface. In: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker, T.F., Qin, D., G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (Eds)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.

Hartung, J., Phillips, V.R., 1994. Control of gaseous emissions from livestock buildings and manure stores. Journal of Agricultural Engineering Research 57, 173-189.

Hassouna, M., Eglin, T., (Eds), 2016. Measuring emissions from livestock farming: greenhouse gases, ammonia and nitrogen oxides. INRA-ADEME, France, 220 pp, ISBN 2-7380-1392-9.

Hristov, A.N., Oh, J., Firkins, J., Dijkstra, J., Kebreab, E., Waghorn, G., Adesogan, A., Yang, W., Tricarico, J., Lee, C., Gerber, P.J., Henderson, B., Makkar, H.P.S., 2013. Mitigation of methane and nitrous oxide emissions from animal operations: I. A review of enteric methane mitigation options. Journal of Animal Science 91, 5045-5069.

Hu, E., Babcock, E.L., Bialkowski, S.E., Jones, S.B., Tuller, M., 2014. Methods and techniques for measuring gas emissions from agricultural and animal feeding operations. Critical Review Analytical Chemistry 44, 200-219.

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IPCC, 2006. 2006. IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories. In: IPCC national greenhouse gas inventories programme, Technical support unit; Eggleston, H.S., Buendia, L., Miwa, K., Ngara, T., Tanabe, K. (Eds). IGES, Hayama, Japan. Joo, H.S., Ndegwa, P.M., Heber, A.J., Bogan, B.W., Ni, J.-Q., Cortus, E.L.,

Ramirez-Dorronsoro, J.C., 2014. A direct method of measuring gaseous emissions from naturally ventilated dairy barns. Atmospheric Environment 86, 176-186.

Maurer, D.L., Koziel, J.A., Harmon, J.D., Hoff, S.J., Rieck-Hinz, A.M., Andersen, D.S., 2016. Summary of performance data for technologies to control gaseous, odor, and particulate emissions from livestock operations: air management practices assessment tool (AMPAT). Data in Brief 7, 1413-1429.

Mendes, L.B., Pieters, J.G., Snoek, D., Ogink, N.W.M., Brusselman, E., Demeyer, P., 2017. Reduction of ammonia emissions from dairy cattle cubicle houses via improved management- or design-based strategies: A modeling approach. Science of the Total Environment 574, 520-531.

Méda, B., Hassouna, M., Aubert, C., Robin, P., Dourmad, J.Y., 2011. Influence of rearing conditions and manure management practices on ammonia and greenhouse gas emissions from poultry houses. World’s Poultry Science Journal 67, 441-456.

Montes, F., Meinen, R., Dell, C., Rotz, A., Hristov, A.N., Oh, J., Waghorn, G., Gerber, P.J., Henderson, B., Makkar, H.P.S., 2013. Mitigation of methane and nitrous oxide emissions from animal operations: II. A review of manure management options. Journal of Animal Science 91, 5070-5094.

Ndegwa, P.M., Hristov, A.N., Arogo, J., Sheffield, R.E., 2008. A review of ammonia emission mitigation techniques for concentrated animal feeding operations. Biosystems Engineering 100, 453-469.

Ni, J.Q., Heber, A.J., 2008. Sampling and measurement of ammonia at animal facilities. Advances in Agronomy 98, 201-269.

Ogink, N.W.M., Mosquera, J., Calvet, S., Zhang, G., 2013. Methods for measuring gas emissions from naturally ventilated livestock buildings: developments over the last decade and perspectives for improvement. Biosystems Engineering 116, 297-308. Philippe, F.X., Cabaraux, J.F., Nicks, B., 2011. Ammonia emissions from pig houses:

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PNIR, 2016. Portuguese National inventory report on greenhouse gases, 1990-2014. Submitted under the United Nations Framework Convention on Climate Change, Portuguese National Inventory Report (PNIR), Portuguese Environmental Agency, Portugal.

Rotz, C.A., 2004. Management to reduce nitrogen losses in animal production. Journal of Animal Science 82, E119-E137.

Sakadevan, K., Nguyen, M.-L., 2017. Livestock production and its impact on nutrient pollution and greenhouse gas emissions. Advances in Agronomy 141, 147-184.

Samer, M., Loebsin, C., Fiedler, M., Ammon, C., Berg, W., Sanftleben, P., Brunsch, R., 2011. Heat balance and tracer gas technique for airflow rates measurement and gaseous emissions quantification in naturally ventilated livestock buildings. Energy and Buildings 43, 3718-3728.

Santonja, G.G., Georgitzikis, K., Scalet, B.M., Montobbio, P., Roudier, S., Sancho, L.D., 2017. Best Available Techniques (BAT) Reference Document for the Intensive Rearing of Poultry or Pigs. Italy, EUR 28674 EN, 858 pp.

Sommer, S.G., Christensen, M.L., Schmidt, T., Jensen, L.S., 2013. Animal Manure Recycling: Treatment and Management. Wiley, UK, 384 pp.

Sommer, S.G., Misselbrook, T.H., 2016. A review of ammonia emission measured using wind tunnels compared with micrometeorological techniques. Soil Use and Management 32, 101-108.

Sommer, S.G., Zhang, G.Q., Bannink, A., Chadwick, D., Misselbrook, T., Harrison, R., Hutchings, N.J., Menzi, H., Monteny, G.J., Ni, J.Q., Oenema, O., Webb, J., 2006. Algorithms determining ammonia emission from buildings housing cattle and pigs and from manure stores. Advances in Agronomy 89, 261-335.

Swierstra, D., Braam, C.R., Smits, M.C., 2001. Grooved floor system for cattle housing: ammonia emission reduction and good slip resistance. Applied Engineering in Agriculture 17, 85-90.

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Van der Heyden, C., Demeyer, C., Volcke, E.I.P., 2015. Mitigating emissions from pig and poultry housing facilities through air scrubbers and biofilters: state-of-the-art and perspectives. Biosystems Engineering 134, 74-93.