Effecten van plasmabehandeling van digestaat op pH, nitrificatie en stikstofomzetting tijdens opslag en na bodemtoepassing

Auteurs: Jared Onyango Nyang’au, Peter Sørensen, Henrik Bjarne Møller

 

Department of Agroecology, Aarhus University, Blichers Allé 20, Tjele 8830, Denmark^bDepartment of Biological and Chemical Engineering, Aarhus University, Blichers Allé 20, Tjele 8830, Denmark

 

February 2024.

 

Hoogtepunten

• Plasmabehandeling verhoogt het totale stikstof (N) in digestaten door atmosferisch stikstof vast te leggen.
• Plasmabehandeling verlaagde de pH van digestaat, afhankelijk van de behandelingsintensiteit.
• Plasmabehandeling vertraagde de nitrificatie van NH4+ in de bodem gedurende 80 dagen.
• Plasmabehandeling kan een alternatief zijn voor op zuur gebaseerde verzuring.

 

Samenvatting

Verzuring door plasmabehandelingstechnologie biedt een potentiële oplossing om stikstofverliezen in de mestbeheerketen te verminderen. Deze technologie heeft een dubbel voordeel: atmosferisch stikstof wordt in de mest opgenomen en tegelijkertijd vindt er verzuring plaats. In deze studie werd het gebruik en de effectiviteit van plasmabehandelingstechnologie als een eenmalige verzuringsstrategie voor vergiste mest beoordeeld. Dit werd getest tijdens langdurige opslag en de effecten op de beschikbaarheid van stikstof in mest en de daaropvolgende afgifte in de bodem. Digestaat uit een volwaardige anaerobe vergister werd gescheiden met behulp van een decanteercentrifuge, waarna de vloeibare fractie (LF) werd behandeld met plasma om drie verschillende initiële pH-niveaus te bereiken (4,27, 5,03 en 5,42). Vervolgens werd een opslagexperiment van 180 dagen opgezet om de pH-evolutie en veranderingen in NH4+, NO3- en NO2- te volgen. Tegelijkertijd werd een bodemincubatie-experiment uitgevoerd om de stikstofomzetting te bestuderen gedurende 80 dagen na inbreng van organisch materiaal (vloeibare fractie, plasma-behandelde vloeibare fracties, digestaat en ruwe mest).

Plasmabehandeling verhoogde significant het totale stikstof en het aandeel anorganisch stikstof in de mest door atmosferisch stikstof vast te leggen als NO3- en NO2-, en verlaagde de mest-pH afhankelijk van de behandelingsduur. Na zes maanden opslag steeg de pH met 0,91 pH-eenheden in de plasma-behandelde vloeibare fractie met de hoogste initiële pH (LFpH-5.42). Plasmabehandeling verhoogde de netto anorganische stikstofafgifte in de bodem met 5-14% in vergelijking met een onbehandelde vloeibare fractie. Er werd een onverwachte langdurige remming van de nitrificatie van NH4+ in de bodem waargenomen gedurende meer dan 80 dagen na toepassing van plasma-behandelde mest.

Concluderend blijkt plasmabehandeling een veelbelovend alternatief voor zuur- en bioverzuring te zijn, met een langdurige stabilisatie van een lage pH van de mest, verbeterde bemestingswaarde en vertraagde nitrificatie van NH4+-N in de bodem.

Trefwoorden: Anaerobe vergisting, Nitriet, Mestverzuring, Stikstoffixatie, Mest, Nitraat

 

Inleiding

Ammoniak (NH3)-verdamping vanuit de veehouderij is een belangrijke bron van atmosferische emissies en schadelijke microdeeltjes, en het is een bron van zorg omdat het in de hele beheersketen van mest plaatsvindt, van de verwerking in stallen, opslag en veldtoepassing (Kai et al., 2008). Deze emissies leiden tot ernstige milieuproblemen die samenhangen met de afzetting van NH3 en ammonium (NH4+), zoals eutrofiëring en luchtkwaliteitsproblemen. Voor boeren vermindert NH3-emissie bovendien het beschikbare NH4+ in mest, wat de bemestingswaarde verlaagt (Sørensen & Amato, 2002). De langdurige opslag van mest voorafgaand aan veldtoepassing kan leiden tot aanzienlijke NH3-emissies en de uitstoot van broeikasgassen, zoals methaan (Petersen et al., 2012). Bovendien vormt veldtoepassing van mest een hoog risico op NH3-emissies, vooral wanneer digestaat met een hoge pH en hoog drogestofgehalte wordt gebruikt (Pedersen et al., 2021). Daarom moeten er maatregelen worden genomen om NH3-emissies in alle fasen van mestbeheer te verminderen.

 

Het behandelen van mest door verzuring met geconcentreerd zwavelzuur (H2SO4) is gebruikt om NH3-emissies te verminderen tijdens opslag en veldtoepassing (Fangueiro et al., 2015a; Kai et al., 2008; Sørensen en Eriksen, 2009). Mestverzuring vermindert NH3-emissies door de mestkenmerken te veranderen en het chemische evenwicht te verschuiven van vluchtig niet-geïoniseerd NH3 naar niet-vluchtig geïoniseerd NH4+ (Fangueiro et al., 2015a; Pedersen en Nyord, 2023). Bovendien beïnvloedt verzuring de afbraak van organisch materiaal in mest tijdens opslag en dus de beschikbaarheid van stikstof (N) (Hjorth et al., 2015; Sørensen en Eriksen, 2009). Mestverzuring kan worden toegepast in stallen, bij opslagtanks of net voor veldtoepassing. Vanwege de hoge bufferingscapaciteit kan de pH van de mest terugkeren naar de oorspronkelijke waarde, wat de effectiviteit van verzuring tijdens opslag kan verminderen (Husted et al., 2006).

 

Het wijdverspreide gebruik van geconcentreerd H2SO4 voor mestverzuring wordt toegeschreven aan de relatief lage kosten en efficiëntie bij het verlagen van de mest-pH (Fangueiro et al., 2015a; Ma et al., 2022). Verzuring met H2SO4 heeft echter kosten, aangezien ongeveer 5–7 kg zuur per ton mest nodig is om de pH tot 5,5 te verlagen, waarbij een nog grotere hoeveelheid zuur nodig is om de pH van digestaat te verlagen vanwege de hoge bufferingscapaciteit. Bovendien is de technologie niet effectief in het verzuren van mest en digestaten in het veld vanwege overmatige schuimvorming, een verhoogd risico op overbemesting met zwavel, beperkingen voor gebruik in gecertificeerde biologische productie en mogelijke risico's zoals corrosiviteit en de ontwikkeling van vluchtige zwavelhoudende verbindingen (Kai et al., 2008; Pedersen en Nyord, 2023).

 

Alternatieve strategieën voor zwavelzuurverzuring, zoals bioverzuring, zijn recentelijk verkend (Prado et al., 2020; Regueiro et al., 2022). Bioverzuring kan worden bereikt door gemakkelijk afbreekbare organische substraten/organische zuren aan de mest toe te voegen, gevolgd door de afbraak ervan onder zuurstofarme omstandigheden door micro-organismen die aanwezig zijn in de mest, zoals beschreven door Regueiro et al. (2022). Net als bij zwavelzuurverzuring kent deze strategie echter verschillende beperkingen. De gebruikte organische zuren zijn vaak zwak en vereisen grote hoeveelheden om een doel-pH te bereiken. Bovendien degraderen ze snel, waardoor de mest-pH mogelijk weer stijgt tijdens opslag (Bittman et al., 2014). Daarnaast kan bioverzuring beperkt zijn door de beschikbaarheid van voldoende hoeveelheden geschikte, fermenteerbare residuen als substraat (Regueiro et al., 2022).

 

Om deze redenen verkent deze studie een nieuwe plasmabehandelingstechniek ontwikkeld door het Noorse Agritechbedrijf N2 Applied (Asker, Noorwegen) als alternatief voor op zwavelzuur gebaseerde verzuring en bioverzuring. Deze technologie is gericht op het verminderen van NH3-emissies tijdens opslag en veldtoepassing van mest, het beperken van CH4-emissies en het verhogen van beschikbaar anorganisch stikstof in mest (N2-Applied, 2023).

 

De plasmabehandeling door de N2 Applied-technologie fixeert reactief stikstof uit de atmosfeer in de mest in de vorm van NO3- en NO2- (Graves et al., 2018; N2-Applied, 2023). De plasma-ioniseert lucht met een sterk elektrisch veld, waardoor stikstof en zuurstof reactieve stikstofgasvormen creëren. Dit gas wordt vervolgens geabsorbeerd in de vloeistof, waardoor de mest verrijkt wordt met stikstof. Tijdens de plasmabehandeling worden ook waterstofperoxide (H2O2) en peroxynitriet (ONOO-) gevormd in de oplossing (Graves et al., 2019). De fixatie van NO3- en NO2- vormt salpeterzuur (HNO3) en salpeterigzuur (HNO2), waardoor de mest-pH daalt en het risico op NH3-emissies vermindert.

 

Plasmabehandeling van mest heeft een potentieel getoond om meer kunstmest te vervangen en de opbrengsten te verhogen in vergelijking met onbehandelde mest (Cottis et al., 2023; Mousavi et al., 2022), terwijl het zowel CH4- als NH3-emissies tijdens opslag en veldtoepassing vermindert (Graves et al., 2018). Het gebruik ervan als een eenmalige verzuringsstrategie tijdens langdurige opslag van mest in opslagtanks voorafgaand aan veldtoepassing is echter nog onbekend. De mogelijkheid om een constante pH te bereiken en te behouden gedurende de opslagperiode kan middelen besparen en het milieu beschermen (Overmeyer et al., 2021).

 

Plasmabehandeling om een specifieke pH te bereiken kan resulteren in verschillende hoeveelheden vastgelegde NO3- en NO2- in de mest. Hoewel NO2- deel uitmaakt van de biologische stikstofassimilatieweg, kunnen hoge NO2-niveaus in de bodem, met name door mestinjectie, toxiciteit veroorzaken in het bodem-plantsysteem, vooral voor wortels in hun vroege ontwikkelingsstadium (Pedersen et al., 2020; Zsoldos et al., 1993). Het lot van ongewenst vastgelegd NO2- en het effect van plasmabehandeling op nitrificatie na mesttoepassing op de bodem is niet gedocumenteerd. Ook is onbekend of de voordelen van het vastleggen van NO3- en NO2- worden tegengewerkt door andere stikstofverliezen tijdens opslag en bodemtoepassing.

 

De doelen van deze studie waren: a) het evalueren van de pH-stabiliteit van de vloeibare fractie van digestaat tijdens langdurige opslag na plasmabehandelde verzuring, b) het onderzoeken van de effecten van plasmabehandelde verzuring met verschillende initiële pH-waarden op stikstofbeschikbaarheid in de bodem, en c) het onderzoeken van de dynamiek van stikstofvormen (NH4+, NO3- en NO2-) gedurende een opslagperiode van zes maanden en na bodemtoepassing. We hypothesizeerden dat i) hoe lager de pH van de plasmabehandelde vloeibare fractie van digestaat, hoe hoger het gehalte aan toegevoegd NO3--N en NO2--N, en vervolgens hoe hoger de netto anorganische stikstofafgifte na bodemtoepassing, en ii) hoe lager de pH van de plasmabehandelde vloeibare fractie van digestaat, hoe stabieler de pH blijft tijdens opslag.

 

Materiaal en methoden

Organische materialen en scheiding van vast-vloeibaar
Het digestaat dat voor dit experiment werd gebruikt, was afkomstig van een secundaire reactor van 3400 m³ op volledige schaal, met een hydraulische verblijftijd (HRT) van 30 dagen, na primaire vergisting in een primaire reactor van 1200 m³ op volledige schaal, met een HRT van 15 dagen. Beide biogasreactoren, zowel de primaire als de secundaire, werden op thermofiele temperaturen (52 °C) bedreven. De input voor de primaire reactor bestond voor 75% uit runderdrijfmest en voor 25% uit vaste biomassa, waaronder gras- en hooi-ensilage, gras, diepstrooisel, weidegras, stro, biologisch weidegras en biologische grasensilage. De vloeibare fractie (LF) werd verzameld uit een opslagtank na vast-vloeibaar scheiding van het digestaat uit de secundaire reactor met behulp van een decanter-centrifuge (Model UCD 305-00-02, GEA Westfalia, Duitsland).

 

Plasma behandeling van de vloeibare fractie van het digestaat
De vloeibare fractie (LF) werd met plasma behandeld met behulp van de N2 Applied plasma-unit, die werkt door atmosferisch stikstof te fixeren als stikstofoxiden (NOx) met behulp van elektriciteit. De gasvormige NOx reageren met de mest om salpeterzuur (HNO3) en salpeterigzuur (HNO2) te vormen, waardoor de pH daalt. De pH van de resulterende met plasma behandelde mest hangt af van de hoeveelheid stikstof die in de mest is opgenomen, waarbij het energieverbruik evenredig toeneemt met de hoeveelheid gefixeerde stikstof. Het verhogen van de behandelingsintensiteit verhoogt de hoeveelheid atmosferische N die wordt gefixeerd, wat leidt tot een hogere zuurgraad van de mest. Een lagere pH wordt bereikt door meer energie toe te passen om de concentratie van stikstof en zuurstof in het plasma te verhogen, waardoor hoge concentraties reactieve N worden bereikt. Zodra het gewenste pH-doelpunt is bereikt, wordt de mest geëxporteerd uit de N2 Applied-unit.

 

De benodigde energie om een ingestelde pH te bereiken, hangt af van de buffercapaciteit van de mest. Een mest met een lagere buffercapaciteit (bijv. runderdrijfmest) vergt minder energie om te behandelen dan een mest met een hoge buffercapaciteit (bijv. een biogasdigestaat). In dit experiment was het energieverbruik 60 kWh/kg NOx-N gefixeerd tijdens de plasmabehandeling. De scheiding van digestaat vóór plasmabehandeling is gebaseerd op het huidige ontwerp van de N2 Applied-unit, die alleen kleine deeltjes < 3 mm kan verwerken om verstopping te voorkomen. Voor dit experiment bedroegen de pH-waarden van de met plasma behandelde mestpH 4,27 (LFpH-4,27), pH 5,03 (LFpH-5,03) en pH 5,42 (LFpH-5,42). De selectie van pH ≈ 5,5 was gebaseerd op de huidige praktijk van mestzuurbehandeling in stallen. Daarentegen werd een selectie van een lagere pH (4,27 en 5,03) getest om de effecten van plasmabehandeling tot een lagere pH op N-beschikbaarheid en pH-stabiliteit tijdens opslag te onderzoeken. De plasmabehandelingen werden op verschillende dagen uitgevoerd, wat inhield dat de bedrijfsparameters moesten worden aangepast. Het is vermeldenswaard dat er tijdens de plasmabehandeling geen schuimvorming werd waargenomen.

 

Opzet van het opslagexperiment
Het opslagexperiment bestond uit zes behandelingen in drievoud van ruwe mest, digestaat, een vloeibare fractie (LF) en de drie met plasma behandelde vloeibare fracties (LFpH-4,27, LFpH-5,03 en LFpH-5,42). Ongeveer 12 kg van de organische materialen werden overgebracht in plastic emmers van 15 kg (hoogte = 0,30 m, diameter = 0,28 m) na homogenisatie in containers van 100 L met behulp van een laboratoriumschaal elektrische roerder gedurende twee minuten en opgeslagen gedurende 180 dagen bij 10 °C om de pH-ontwikkeling en veranderingen in stikstofvormen te beoordelen, wat de gemiddelde jaartemperaturen in Denemarken weerspiegelt. De behandelingen werden afgedekt met deksels met een gat in het midden (0,5 cm diameter) om luchtuitwisseling mogelijk te maken zonder verdampingsverliezen. Een deel van de organische materialen (5 kg van elke behandeling) werd opgeslagen bij −18 °C voor gebruik in de bodemincubatie-experimenten. Op dagen 0, 30, 60, 90, 120, 150 en 180 werden monsters (100 mL) verzameld uit elke container na gematigd roeren (met behulp van een elektrische roerder op lage snelheid) voor analyse van pH, NH4+-N, NO3--N en NO2--N. Totaal N, totaal C, droogstofgehalte en vluchtige stoffen werden ook geanalyseerd op monsters genomen op dag 0 en dag 180.

 

Bodemincubatiestudie
De grond die voor deze studie werd gebruikt, werd verzameld van de experimentele boerderij van de Universiteit van Aarhus, Foulumgaard (56°30' N, 09°35' O), op het Onderzoekscentrum Foulum uit de bovenste ploeglaag van 0–20 cm in maart 2022. De bodem is een zandleem met een pH (1:2,5 H2O) van 6,18 en bevat 83 g klei per kg, 284 g slib per kg, 610 g zand per kg, 31 g organische stof per kg, 15,6 g totaal koolstof per kg en 1,3 g totaal N per kg. De bodem werd een week luchtgedroogd en vervolgens gezeefd door een < 2 mm zeef om stenen en grotere plantenresten te verwijderen. De bodem werd vervolgens gehomogeniseerd, bevochtigd en vóór het begin van het experiment voorgeïncubeerd bij 10°C.

 

De incubatie-experimenten hielden in dat 50 g droge stofbodem werd afgewogen in een 250 mL polyethyleenfles, waarna organisch materiaal werd toegevoegd tegen een snelheid van 200 mg N per kg bodem. Vervolgens werd nog eens 50 g equivalent aan droge bodem toegevoegd om het organisch materiaal af te dekken. Een controlegroep met niet-bewerkte bodem werd opgenomen. Water werd aan elke polyethyleenfles toegevoegd om een vochtgehalte te bereiken dat gelijk is aan 55% van de waterhoudcapaciteit (WHC), wat optimaal is voor microbiële activiteit en net laag genoeg om denitrificatie te beperken. De flessen werden afgedekt met met gaatjes doorboorde parafilm om te voorkomen dat er veel water verloren zou gaan door verdamping, terwijl de beluchting tijdens de hele incubatieperiode werd gewaarborgd. Elk van de acht behandelingen werd 21 keer herhaald om ervoor te zorgen dat er drie herhalingen per behandelingsgroep destructief konden worden bemonsterd voor analyse op dagen 0, 3, 7, 14, 28, 50 en 80, wat resulteerde in een totaal van 168 monsters.

 

Resultaten

Effecten van plasmabehandeling op de kenmerken van organische materialen

Zie de originele tekst.

 

Discussie

Veranderingen in de eigenschappen van organisch materiaal na plasmabehandeling en tijdens de opslagperiode

De hoeveelheid zuur of additief die nodig is om de pH van de mest tot een specifiek doel te verlagen, is variabel. Dit hangt af van de eigenschappen van het zuur/additief en de bufferende capaciteit van de mest, die op haar beurt weer afhankelijk is van de aanwezigheid van ammoniakaal stikstof, carbonaten, fosfaten en vluchtige vetzuren (Sommer & Husted, 2009). De bufferende capaciteit is het hoogst in digestaten afkomstig van biogasproductie vanwege een hoog gehalte aan carbonaten (Sommer & Husted, 1995). In deze studie werden drie verschillende pH-niveaus bereikt door de intensiteit van de plasmabehandeling van de mest te variëren. De vloeibare fractie (LF) werd gezuurd tot pH ≈ 5,5 op basis van de gangbare praktijk van mestsverzuring in stallen in Denemarken, en twee lagere pH-niveaus, pH 5,03 en pH 4,27, werden toegepast om de effecten van plasmageassisteerde verzuring op de pH-stabiliteit gedurende zes maanden opslag te vergelijken. In tegenstelling tot verzuring met een sterk zuur zoals H2SO4, waarbij aanzienlijke hoeveelheden schuim ontstaan door de vorming van CO2, werd er bij plasmabehandeling geen schuim gevormd. Dit zou de noodzaak van extra ruimte van 0,5–1 meter in de opslagtanks boven de mest kunnen verminderen, die normaal nodig is om schuimoverloop te voorkomen (Lemes et al., 2022).

 

De afname van de pH was positief gecorreleerd met de hoeveelheid NO3- die in de mest werd gefixeerd en omgekeerd gerelateerd aan het NO2- gehalte (Fig. 2, Tabel 2). Hoe lager de pH van de plasmabehandelde digestaat, des te meer NO3- werd gefixeerd en des te minder NO2-. De afnemende NO2--N-niveaus bij een dalende pH kunnen worden verklaard door peroxynitrietreacties, waarbij zuurgraad een cruciale rol speelt in de stabiliteit van NO3-, NO2- en H2O2 (Graves et al., 2018, Ranieri et al., 2021). In dit geval neemt de reactiviteit van NO2- toe bij een lagere pH om het stabielere NO3--N in de mest te vormen (3NO2- + 3 H+ → 2NO + NO3- + H3O+). Het gevormde NO reageert met NO2 in de mest om extra NO2- te vormen (Graves et al., 2018). In tegenstelling tot op zwavelzuur gebaseerde verzuring, waarbij de totale stikstofconcentratie in de verzuurde materialen niet verandert, voegt plasmabehandeling anorganische stikstof (NO3--N + NO2--N) toe aan de mest, die direct beschikbaar is voor gewasopname, en mogelijk meer synthetische stikstofmeststoffen kan vervangen indien correct gebruikt.

 

Naast de verzuring die NH3-emissies vermindert, verandert het de fysische eigenschappen van de mest (Hjorth et al., 2015), en kan het CH4-emissies uit mest tijdens opslag verminderen, omdat het methaanvormende micro-organismen remt (Fangueiro et al., 2015b, Petersen et al., 2012). Regueiro et al. (2016) vonden hogere NH4+-N in de verzuurde mest door toevoeging van verschillende additieven in vergelijking met een niet-verzuurde ruwe mest, waarbij mest verzuurd tot pH 3,5 gedurende de opslagperiode van 60 dagen hogere NH4+-N had. In deze studie vonden we echter tegengestelde resultaten, waarbij het NH4+-N-gehalte in de plasmabehandelde digestaten een derde lager was dan in de onbehandelde vloeibare fractie (LF). Het lagere NH4+-N-gehalte in plasmabehandelde monsters kan mogelijk worden verklaard door de oxidatie van een deel van het aanwezige NH4+-N in de vloeibare fractie tot NO3--N en NO2--N, gestimuleerd door de aanwezigheid van zuurstof (NH4+ + 2 O2 → NO2- + 2 H2O; 2NO2- + O2 → 2NO3-). Een vergelijkbare trend werd waargenomen door Björs (2023) in plasmabehandelde mestmonsters.

 

De evolutie van de pH van mest tijdens opslag is zeer variabel en afhankelijk van tal van factoren, zoals de initiële pH, opslagperiode, mesttype, opslagtemperaturen, type zuur/additief, bedekte of onbedekte opslagfaciliteiten, mestbeluchting, enzovoort (Adamsen et al., 2021; Fangueiro et al., 2015a; Sørensen en Eriksen, 2009). Onze bevindingen toonden aan dat langdurige pH-stabiliteit en een eenmalig langdurig verzuringseffect door plasmabehandeling konden worden bereikt door de mest te verzuren tot pH ≈ 5,0 of lager. Echter, een constantere pH werd bereikt wanneer de mest werd verzuurd tot pH 4,27, wat mogelijk te wijten is aan de remming van microbiële activiteiten bij lagere pH-niveaus. Onze resultaten komen overeen met die van Regueiro et al. (2016), die een constante pH vonden wanneer ze mest verzuurden tot een lagere pH van 3,5 in vergelijking met pH 5,5. De grootste pH-toename deed zich voor in LFpH-5.42, waar de pH steeg van 5,42 naar 6,33, wat mogelijk een nieuwe verzuring noodzakelijk maakt voordat de mest op het veld wordt aangebracht (Pedersen et al., 2022). Sørensen en Eriksen (2009) zagen een vergelijkbare trend bij op zwavelzuur gebaseerde verzuring, waarbij de pH steeg van 5,5 naar ongeveer 6,0–6,2 binnen enkele weken, terwijl Petersen et al. (2012) een pH-toename van ongeveer 4,5 naar pH 6,0 waarnamen na 90 dagen opslag van mest.

 

De pH-toename in mest tijdens opslag kan worden veroorzaakt door de afbraak van gedissocieerde organische zuren, wat leidt tot de vorming van CO2, mineralisatie van organische stikstof of de oplossing van carbonaten (Petersen et al., 2012; Regueiro et al., 2022), in verband met microbiële activiteiten. De onverwachte pH-daling in het digestaat na 30 dagen opslag, die relatief constant bleef na dag 90, kan worden verklaard door een afweging tussen de productie en oxidatie van vluchtige vetzuren (Perazzolo et al., 2017). Het digestaat was afkomstig uit een thermofiele vergister en de drastische veranderingen van thermofiele naar psychrofiele opslagtijden kunnen mogelijk de activiteit van temperatuurgevoelige methanogene consortia hebben geremd, wat verdere afbraak van opgehoopte vluchtige vetzuren beperkte en leidde tot een lichte pH-daling.

 

De waargenomen toename in het droge stofgehalte onmiddellijk na plasmabehandeling kan worden verklaard door de extra NO3--N en NO2--N die zijn gefixeerd. Een vergelijkbare trend werd gerapporteerd door Sørensen en Eriksen (2009), Kai et al. (2008) en Regueiro et al. (2016) bij op zwavelzuur gebaseerde en bio-verzuring van mest na de toevoeging van zuren en additieven. Verliezen van stikstof in verschillende vormen en CO2-uitstoot in verband met de afbraak van organische stoffen kunnen waarschijnlijk de afname van droge stof na zes maanden opslag verklaren. Bovendien kan verzuring hydrolyse van organische stoffen in de mest induceren, wat leidt tot de afbraak van cellulose en hemicellulose tot oplosbare suikers (Hjorth et al., 2015). De suikers kunnen worden omgezet en geëvolueerd als CO2 uit de opslagtanks, waardoor de koolstof- en droge stofgehaltes afnemen. Een afname van organische stikstof kan ook worden gekoppeld aan de afbraak van organische stikstof tijdens de opslagperiode.

 

Verzuring houdt over het algemeen het evenwicht in stand ten gunste van niet-vluchtig NH4+ gedurende de opslagperiode, waardoor NH3-verliezen door verdamping worden beperkt. De lichte veranderingen die werden waargenomen in NH4+-N, met name bij de ruwe mest en het digestaat, kunnen worden toegeschreven aan NH3-verliezen tijdens de opslag. De resultaten toonden ook een afname van NO2--N in de plasma-behandelde monsters aan het einde van de opslagperiode, waarbij de grootste afname optrad in LFpH-5.42. Deze afname kan waarschijnlijk worden verklaard door ofwel gedeeltelijke oxidatie van NO2--N naar NO3--N, wat lijkt te correleren met een toename van het NO3--N-gehalte, vooral bij LFpH-4.27, of door verliezen via NO/N2O-emissies. NO2- is een onstabiele anion die gemakkelijk kan worden geoxideerd tot NO3- onder zure omstandigheden, of kan worden gereduceerd tot N2O in het denitrificatieproces als er anaërobe omstandigheden heersen in de opslagcontainers. We konden de afname van NO2--N echter niet direct koppelen aan N2O-emissies, aangezien dit niet in dit experiment werd gemeten. De mogelijke stikstofverliezen tijdens de opslag, zoals blijkt uit de afnames in de totale stikstofconcentraties (Tabel 2), resulteerden uiteindelijk in een afname van het aandeel anorganische stikstof in de plasma-behandelde monsters.

 

Effecten van plasmabehandeling op N-dynamiek en omzet in de bodem
Over het algemeen resulteerde de plasmabehandeling van mest in de hoogste netto vrijgave van anorganische N (% van de toegepaste N) in de bodem na 80 dagen incubatie. De hogere netto vrijgave van anorganische N in vergelijking met onbehandelde mest kan worden verklaard door de extra gemakkelijk beschikbare anorganische N (NO2--N naar NO3--N) die door het plasma is gefixeerd. De waargenomen kortetermijndaling van de vrijgave van anorganische N naar de bodem na twee dagen van incorporatie van ruwe mest en een digestaat kan worden toegeschreven aan de microbiële assimilatie van anorganische N, gerelateerd aan de afbraak van afbreekbare organische stoffen die aanwezig zijn in de twee materialen (Kirchmann & Lundvall, 1993). Vergelijkenderwijs vertoonden de plasmabehandelde materialen en de vloeibare fractie (VF) geen daling van de anorganische N-vrijgave in dezelfde periode, wat verklaard kan worden door de lage hoeveelheden afbreekbare organische stoffen die aanwezig zijn.

De studie toont aan dat plasmabehandeling van digestaten een significante invloed heeft op het nitrificatieproces na incorporatie. Het hoge herstel van NH4+-N gedurende de 80 dagen van incubatie laat zien dat de plasmabehandeling de nitrificatie van NH4+-N in de bodem heeft gestopt. De vertraging in nitrificatie kan worden toegeschreven aan de giftige verbindingen, zoals waterstofperoxide en peroxynitriet, die aan de mest zijn toegevoegd tijdens de plasmabehandeling (Graves et al., 2018). Hoge concentraties waterstofperoxide kunnen giftig zijn voor nitrificerende bacteriën, zoals Nitrosomonas en Nitrobacter, die een cruciale rol spelen in het nitrificatieproces. De oxidatieve stress veroorzaakt door waterstofperoxide kan de activiteit van deze bacteriën remmen, wat mogelijk de nitrificatie vertraagt of verstoort. Echter, de werkelijke effecten van componenten van plasmabehandelde mest op nitrificerende bacteriën vereisen verder onderzoek.

De hogere tijdelijke nitrificatiesnelheden die in de eerste dagen werden waargenomen, kunnen worden gekoppeld aan de oxidatie van instabiele NO2- die door het plasma tijdens de behandeling is gefixeerd. De langdurige remming van nitrificatie kan verdere verschuivingen in microbiële gemeenschappen in de bodem hebben veroorzaakt, waarbij nitrificerende bacteriën afnemen en andere bacteriën dominant worden, wat verder herstel van het nitrificatieproces vertraagt. Een vertraging van NH4+-N-nitrificatie kan mogelijk stikstofverliezen door uitspoeling verminderen en N2O-emissies die verband houden met nitrificatie-denitrificatieprocessen verminderen (Qiao et al., 2015). Een soortgelijke remming van NH4+-N-nitrificatie in de bodem door plasmabehandeling van mest tot pH 4,4 is gerapporteerd door Björs (2023) gedurende zes weken, een kortere periode dan in deze studie. Fangueiro et al. (2016) rapporteerden eveneens een kortdurende vertraging van NH4+-N-nitrificatie voor 8–15 dagen, zij het met zwavelzuur-gebaseerde verzuring.

Deze studie toont aan dat naast de plasmabehandelingstechniek die de pH van mest verlaagt, het tegelijkertijd variabele NO2--N- en NO3--N-hoeveelheden aan de bodem toevoegt, afhankelijk van de behandelingstijd en intensiteit, wat de meststofwaarde van de mest positief verhoogt. Niettemin creëert deze techniek een risico op potentiële vervuilingsuitwisseling. Zo verhoogt het bijvoorbeeld het risico dat de toegevoegde N verloren gaat via NO/N2O-emissies in het denitrificatieproces of door NO3--uitspoeling. Een studie van Cottis et al. (2023) onthulde dat plasmabehandelde mest leidde tot een 20–30% hogere opbrengst dan onbehandelde rundermest wanneer beide werden toegepast bij dezelfde totale N-gehalten. Ze konden echter 17% van de N in de plasmabehandelde mest niet verklaren.

Nitriet in de bodem wordt beschouwd als giftig voor plantengroei en metabolisme, en het toxiciteitseffect is meer uitgesproken wanneer het in evenwicht bestaat met vrije salpeterigzuur (Lee, 1979). In deze studie werd nitriet in de bodem gedetecteerd tussen dag 7 en 28 na bemesting, met de langste aanwezigheid in de VFpH-5.42. De hoge NO2--gehalten, samen met het hoge NH4+-gehalte in de plasmabehandelde digestaten, kunnen nadelige effecten hebben op de wortelontwikkeling, vooral in de vroege stadia van plantengroei (Van Cleemput & Samater, 1995). Pedersen et al. (2020) observeerden schade aan de primaire wortels van jonge maïsplanten 21 en 35 dagen na het toepassen van rundermest, en zij schreven de wortelschade toe aan een mogelijk toxisch effect van nitriet, gevormd als een tussenproduct in het denitrificatieproces. De studie kon echter de schade niet loskoppelen van NH4+-N-toxiciteit, die ook aanwezig was in hoge concentraties.

In de onbehandelde monsters (ruwe mest, digestaat en VF) kon een geleidelijke daling van het NH4+-N-gehalte in de eerste 28 dagen worden toegeschreven aan nitrificatie (Sørensen, 1998). Tegelijkertijd nam NO3--N toe van dag 0 tot 28, waarna het constant bleef tot het einde van de incubatieperiode. De veranderingen in N-vormen door nitrificatie resulteerden tegelijkertijd in een dalende trend van de bodem-pH tot dag 28, waarna deze stabiel bleef (Tabel 4). Na dag 50 was de bodem-pH bijna hetzelfde in alle behandelingen, waarbij de plasmabehandelde digestaten significant een hogere pH hadden. De aanwezigheid van afbreekbare organische stoffen in het digestaat, waarschijnlijk als gevolg van onvolledige afbraak tijdens het AD-proces, kan langdurige N-immobilisatie door de microbiële biomassa in de bodem veroorzaken, zoals te zien is in de digestaatbehandeling (Tabel S2). Deze bevindingen bevestigen die van Nyang’au et al. (2023), die een vergelijkbare trend observeerden toen zij een digestaat van een co-vergisting van rundermest en niet-ingekuilde stro incorporeerden. De toenemende verschuiving naar het gebruik van recalcitrante vaste biomassa zoals stro en diepstrooisel in biogasinstallaties, ondanks de positieve voordelen van het verhogen van hernieuwbare biogasenergie, heeft een negatief effect op de meststofwaarde van de digestaten.

 

Praktische perspectieven
De fixatie van nitraat en nitriet tijdens plasmabehandeling, samen met de afname van ammoniakvervluchtiging, verbetert de stikstofmeststofwaarde van mest. Hierdoor kan plasmabehandelde mest potentieel meer minerale stikstofmeststoffen vervangen en milieuproblemen door ammoniakvervluchtiging verminderen. Een langdurige remming van nitrificatie in de bodem werd waargenomen na het toepassen van plasmabehandelde digestaten, wat mogelijk de uitspoeling van nitraat kan verminderen. Bovendien biedt de techniek een extra mogelijkheid om geur te verminderen, mest te steriliseren en methaanemissies tijdens mestopslag te verlagen (Graves et al., 2018). Daarom kan het koppelen van plasma-ondersteunde verzuring aan biogasinstallaties aanzienlijke milieuwinst opleveren door de meststofwaarde van digestaten te verhogen en restemissies van CH4 en NH3 na opslag en veldtoepassing van digestaat te verminderen.

 

Echter, de plasmabehandelingstechnologie is afhankelijk van een intens plasma aangedreven door elektriciteit, wat mogelijk een hoger energieverbruik met zich meebrengt dan nodig is om vergelijkbare hoeveelheden stikstof te produceren in commerciële meststoffen. Het energieverbruik moet worden meegenomen bij de beoordeling van het potentiële gebruik van deze techniek, en het kan variëren afhankelijk van het gebruik van overtollige elektriciteit tegen een relatief lage prijs. Bijvoorbeeld, het kan worden gebruikt in perioden met een hoge elektriciteitsproductie uit wind- en zonne-energie, en daardoor lagere elektriciteitsprijzen.

 

Conclusies
Deze studie benadrukt het potentieel van plasmabehandeling als een eenmalige verzuringsstrategie voor mest om ammoniakemissies tijdens opslag en na toepassing te verminderen. Het bereiken van pH-niveaus van 4,27 en 5,03 tijdens de behandeling resulteerde in een stabielere pH tijdens de opslag. De plasmabehandelde vloeibare fractie vertoonde een significante toename in gefixeerde stikstofinhoud, wat de beschikbaarheid van anorganische stikstof bij bodembemesting met 5-14% verbeterde in vergelijking met onbehandelde vloeibare fractie. De waargenomen remming van NH4+-N-nitrificatie was onverwacht, en verder onderzoek is nodig om de onderliggende mechanismen te begrijpen.
Het is cruciaal om potentiële risico's aan te pakken, met name de verhoogde nitrietconcentraties, die de ontwikkeling van planten in de vroege stadia kunnen bedreigen, vooral de wortels. Verder onderzoek moet ook gericht zijn op het begrijpen van de effecten van het mengen van plasmabehandelde mest met onbehandelde mest voorafgaand aan veldtoepassing en de mogelijke effecten van dit mengen op N2O-emissies, NH3-verliezen en de uiteindelijke beschikbaarheid van anorganische stikstof.

 

Voor de originele tekst met literatuuropgave klik hier.