Op 23 februari 2022 werd de conceptnota PAS door de Vlaamse Regering vrijgegeven, het zogenaamde “krokusakkoord”. De drempel voor ammoniakuitstoot voor veeteelt en mestverwerking is vastgelegd op 0,025% en voor NOx bij industrie en transport op 1%. Dit strenge significantiekader wordt zeker al tot 2025 aangehouden, en kan dan na evaluatie in het beste geval bijgesteld worden tot 0,8%. Voor alle veehouders zijn er generieke emissiereducties opgelegd die ten laatste tegen 2030 gerealiseerd moeten zijn. Voor varkens- en kippenhouders is een emissiereductie van 60% in alle niet-Ammoniak Emissie Arme stallen (niet-AEA stallen) vereist en dit bovenop de generieke emissiereductie van ca. 10% tegen 2030 uit het Luchtbeleidsplan. Men doet daarbij geen uitspraak via welke weg of instrumenten deze reducties bekomen dienen te worden. Reducties kunnen gerealiseerd worden door reductie in aantal dieren, investeringen in moderne technieken of een combinatie van beide. De varkenshouderij, in het bijzonder, zal zwaar getroffen worden door deze maatregelen. In deze sector zijn oplossingen meer dan welkom. Is sturing van diergedrag een mogelijke oplossing om ammoniakemissie te reduceren? En hoe kan die gerealiseerde reductie aantoonbaar worden gemaakt?
Om de interactie diergedrag en ammoniakemissie te bestuderen zijn monitoringssystemen noodzakelijk om beide te meten. Binnen het doctoraat van Dr. Shaojie Zhuang –ILVO ((Instituut voor Landbouw-, Visserij- en Voedingsonderzoek) en Universiteit Gent), afgelegd op 14 januari 2022, werden hiervoor monitoringssystemen ontwikkeld. Er werd een case studie uitgevoerd om het potentieel van deze systemen te onderzoeken. Dit artikel beschrijft de belangrijkste resultaten.
De snelle ontwikkeling van gassensortechnologie opent een aantal mogelijkheden om automatisch relevante informatie te verzamelen. Afhankelijk van de kosten, de betrouwbaarheid en het toepassingsdoel kunnen deze meetsystemen volgens een door ILVO voorgesteld schema in drie categorieën worden ingedeeld, namelijk Categorie-1: duurdere systemen ("high-end") voor het vaststellen van de gouden standaard (referentiemetingen), Categorie-2: systemen met gematigde kostprijs ("mid-end") voor officiële routinematige beoordelingen op het niveau van stalsystemen en Categorie-3: goedkopere systemen ("low-end") voor monitoring van individuele stallen.
De referentiemeettechniek voor ammoniak (NH3) is de zgn. nat-chemische methode maar deze is om praktische redenen moeilijk inzetbaar voor continue metingen. Voor continue metingen van ammoniak kunnen er verscheidene sensoren gebruikt worden. Hoogwaardige sensoren zijn meestal gebaseerd op spectroscopische sensortechnieken. Geavanceerde spectroscopische sensoren kunnen zeer goede prestaties leveren op ppmv- en ppbv-niveau, maar de kosten zijn ook relatief hoog. Er komen geleidelijk meer spectroscopische NH3-sensoren uit het middensegment in de handel. Sensoren op basis van elektrochemische cellen of metaaloxide-halfgeleiders zijn relatief goedkoop, maar in de veehouderij kunnen deze sensoren te kampen hebben met een aantal betrouwbaarheidsproblemen. Ook CO2 sensoren zijn hoofdzakelijk gebaseerd op spectroscopie. Relatief goedkope sensoren zijn met succes ontwikkeld en worden op grote schaal gebruikt voor het meten van de binnenluchtkwaliteit. Het is bekend dat bemonsteringsfouten een aanzienlijk deel van de meetfouten uitmaken. Dit probleem doet zich vooral voor bij NH3-metingen als gevolg van de ‘kleverigheid’ en het reactievermogen van het gas. Het ontwerp van een sensor heeft een rechtstreekse invloed op de compatibiliteit met verschillende bemonsteringsstrategieën voor lucht, en de combinatie bepaalt verder of de sensor geschikt is voor het meten van lucht uit een veeteeltomgeving.
De Axetris® LGD F200-A is een in de handel verkrijgbare optische sensormodule gebruik makend van laserlicht voor de detectie van één enkel gas. Door de geclaimde fabricageprestaties en de relatief lage kosten is het een interessante kandidaat voor de ontwikkeling van een Categorie-2 systeem (huidige prijs: 8 000 à 10 000 euro). Voor deze studie werden een NH3-module en een CO2-module geïntegreerd in een luchtmonitoringsysteem (LMS). Er werd ook een multisampler gebouwd die met de LMS werd gecombineerd voor metingen op meerdere locaties (Figuur 1).
Figuur 1. Luchtmonitoringssysteem met ingebouwde multisampler en Axetris® LGD F200-A (1. Axetris LGD F200-A NH3, 2. Axetris LGD F200-A CO2,3. Druk omvormer, 4. Massa doorstroommeter, 5. Vacuümpomp, 6. Naald ventiel)
Aangezien de meetnauwkeurigheid voor CO2 kan beïnvloed worden door veranderende CO2-concentraties in de omgeving van het apparaat, werd een methode voorgesteld om de sensor regelmatig automatisch opnieuw te ijken. Het ontwikkelde LMS werd geëvalueerd in een vleesvarkenscompartiment en vergeleken met een high-end gasanalysator (kostprijs: ongeveer 100 000 euro). De foutmarges van de LMS voor metingen op één enkele locatie bedroegen <0,2 ppmv voor NH3 en <30 ppmv voor CO2 in vergelijking met het high-end analyseapparaat.
Om de LMS verder te verifiëren voor NH3 metingen, werd het systeem vergeleken met de nat-chemische methode volgens de procedure beschreven in de norm EN 14793:2017. Vier door fabrikanten gekalibreerde high-end gasanalysatoren (Categorie-1 systemen) werden eveneens in een veldtest opgenomen. De resultaten van in totaal dertig herhaalde metingen werden verkregen in een varkensstal en een pluimveestal. Er werden hoge correlaties (r > 0,99) gevonden tussen de high-end analysatoren in een bereik van 0,98– 19,1 ppmv NH3 met <1 ppmv meetfout tussen analysatoren. De meetfouten ten opzichte van de nat-chemische methode waren in het algemeen <2 ppmv of 10%. Er werd wel een discrepantie gevonden tussen de kalibratiecurven die werden verkregen met behulp van gecertificeerde gascilinders en die van de nat-chemische metingen, hetgeen suggereerde dat voor een optimale meetnauwkeurigheid herkalibratie in de stal nodig zou zijn of dat de gecertificeerde cilinders onnauwkeurig waren. Uit de studie bleek dat de LMS een groot potentieel heeft om als Categorie-2 systeem in te zetten. De kosteneffectiviteit van dit systeem maakt het een interessant systeem voor het verzamelen van continue metingen in commerciële varkensstallen.
Naast het onderzoek naar gassensoren werden ook sensoren voor het monitoren van varkensgedrag onderzocht, met de nadruk op beweging en lichaamshouding.
De RealSense™ D415 is een in de handel verkrijgbare goedkope RGB-D (kleur en diepte) camera (ca. 300 euro). In dit werk werd de camera gebruikt om dieptebeelden te maken voor het monitoren van het liggedrag van vleesvarkens op groepsniveau. Er werden tests uitgevoerd in twee varkenscompartimenten, elk bestaande uit vier hokken van 8 m2 met deelroostervloeren.
Figuur 2. Varkenscompartiment met 4 deelroosterhokken (groen) met gasmeetpunten (groene kruisjes), drinkbakjes (rood) en voederbakken (blauw).
Een D415 camera werd gemonteerd boven elk hok. Er werd een algoritme voor de classificatie van varkenshoudingen ontwikkeld om varkens te detecteren en hun sta-/ligpositie te bepalen op basis van hun afstand ten opzichte van de camera. Er werden modellen opgesteld om rekening te houden met de verandering van de grootte van de varkens naarmate ze groeiden. Opnames van twee varkenshokken werden gebruikt om de prestaties van dit op dieptecamera’s gebaseerde meetsysteem te evalueren. Een totale nauwkeurigheid van 98,4% werd bereikt voor het identificeren van staande en liggende varkens. Het D415-model had verscheidene inherente prestatieproblemen, zoals hoge beeldruis en suboptimale systeemstabiliteit. Niettemin was het systeem met een goede configuratie voldoende performant voor toepassingen in de stal. De lage kosten van de camera maken het een interessant apparaat om te overwegen voor toepassingen in onderzoeksstallen en commerciële varkensbedrijven.
Zowel de LMS als het camerasysteem werden voldoende betrouwbaar geacht voor praktische toepassingen. Om de bruikbaarheid aan te tonen, werden de twee systemen samen toegepast in een kleinschalige pilootstudie voor het monitoren van de gasconcentraties en het liggedrag van vleesvarkens in hokken met deelroostervloeren. Er werden twee proeven uitgevoerd, respectievelijk rond de zomer en de herfst, die een volledige vleesvarkensronde bestreken. In elke proef werden twee hokken bestudeerd. In beide proeven werd de variatie van de concentraties van NH3 en het liggedrag van de varkens in verschillende groeistadia, onder verschillende temperaturen en hokbevuilingsomstandigheden opgemeten.
Figuur 3 toont het gebruik van de dichte vloer en roostervloer door de varkens in 2 hokken met verschillende hokbevuilingsgraad (hok 1: ‘vuil’ en hok 2: ‘proper’). Hokbevuiling had een direct effect op de keuze van de rustplaats van de varkens. In het vuile hok 1 hebben de varkens eerder de neiging op de roosters te liggen en te mesten op de dichte vloer. De vloeren werden op geregelde tijdstippen manueel gereinigd (verticale stippellijnen in figuur 3). Dit leidde tot een tijdelijke wijziging van het gedrag van de varkens waarbij de varkens meer op de dichte vloer gingen liggen (zie korte pieken in de rode grafiek), maar binnen 24 uur waren deze plekken weer vervuild. De varkens hadden de neiging niet te gaan rusten op de vervuilde plek, behalve als de temperatuur boven de 25 °C steeg.
Figuur 3. Preferentie index in de hokken (vuil hok: rode lijn; proper hok: blauwe stippellijn; binnentemperatuur: zwarte stippellijn) gedurende een mestperiode in de zomer. De verticale stippellijnen geven de momenten van hokreiniging aan.
Figuur 4 toont de relatieve geraamde ammoniakemissie in de hokken op basis van concentratie- en ventilatiedebietsmetingen en dit t.o.v. het reinigingstijdstip. Na de reiniging is er een duidelijke daling van de emissie door de reiniging en het tijdelijke gewijzigde gedrag van de varkens. Wanneer de varkens echter terug in de oude gewoonte hervallen na 24 u (liggen op roosters en mesten op dichte vloer) zien we de ammoniakemissie opnieuw stijgen.
Naarmate de varkens zwaarder werden, nam de ammoniakconcentratie in het hok toe, en hadden de varkens ook de neiging om meer te rusten op de roostervloer, omdat de plaats op de dichte vloer beperkt werd. De geraamde emissie van NH3 in hokken met vervuiling was tot 2,7 g·h−1 of 32,1% hoger dan in hokken met minder bevuiling. Het schoonmaken van de vervuilde hokken verminderde de geraamde emissies aanzienlijk.
Figuur 4. De relatieve geraamde ammoniakemissie in de hokken relatief t.o.v. de emissie 1 uur voor het reinigingstijdstip voor het zomer- en herfstexperiment.
Dit onderzoek geeft aan dat technische of managementmaatregelen die het mestgedrag van varkens kunnen sturen, een potentieel hebben om ammoniakemissie te reduceren. Bovendien toonde Zweeds-Duits onderzoek aan dat een verhoogde luchtsnelheid in de ligruimte in deelroosterhokken gedurende de zomerperiode het liggedrag stuurde, de hokhygiëne verhoogde en de ammoniakemissies met 21% reduceerde (8,4 t.o.v. 6,6 g per varken per dag) (Jeppsson et al., 2021). Dit is vergelijkbaar met onze raming van de emissiereductie.
Dit proefschrift heeft nuttige inzichten opgeleverd over de toepasbaarheid van verschillende in de handel verkrijgbare sensoren. Het ontwikkelde luchtmonitoringsysteem is een kosteneffectieve kandidaat voor het continu monitoren van de binnenluchtkwaliteit en het schatten van de uitstoot van NH3 in varkensstallen. Het liggedrag en de activiteit van varkens kan worden gemonitord met een goedkope dieptecamera in combinatie met een relatief eenvoudig algoritme. Het ligpatroon bood interessante inzichten in de relatie tussen het gedrag van de varkens, de bevuiling van het hok en de geraamde NH3-emissies in varkensstallen met deelroostervloeren. De uitgevoerde experimenten suggereren dat het sturen van lig- en mestgedrag mogelijkheden biedt om significante ammoniakemissiereducties te realiseren, in het bijzonder tijdens de zomermaanden (grootte-orde 20 tot 30% lagere sensorwaarden op dagbasis).,
Auteurs: Shaojie Zhang, Jarissa Maselyne, Bart Sonck, Peter Demeyer, ILVO – Instituut voor Landbouw, Visserij en Voedingsonderzoek.