Greenhouse gas emissions from different pig manure management techniques: a critical analysis

Highlights

Emissions from manure management are the primary source of GHGs in pig farming.

The effect of pig manure management practises on GHG emissions was assessed.

Recommendations made to standardise units and account for indirect N₂O emissions.

AD and compositing should be employed to mitigate GHG emissions in PGM management.

Abstract

Manure management is the primary source of greenhouse gas (GHG) emissions from pig farming, which in turn accounts for 18% of the total global GHG emissions from the livestock industry. In this review, GHG emissions (N₂O and CH₄ emissions in particular) from individual pig manure (PGM) management practices (European practises in particular) are systematically analyzed and discussed. These manure management practices include manure storage, land application, solid/liquid separation, anaerobic digestion, composting and aerobic wastewater treatment. The potential reduction in net GHG emissions by changing and optimising these techniques is assessed. This review also identifies key research gaps in the literature including the effect of straw covering of liquid PGM storages, the effect of solid/liquid separation, and the effect of dry anaerobic digestion on net GHG emissions from PGM management. In addition to identifying these research gaps, several recommendations including the need to standardize units used to report GHG emissions, to account for indirect N₂O emissions, and to include a broader research scope by conducting detailed life cycle assessment are also discussed. Overall, anaerobic digestion and compositing to liquid and solid fractions are best PGM management practices with respect to their high GHG mitigation potential.

Graphical abstract

Keywords

CH₄ / N₂O / Storage / Anaerobic digestion / Composting / Separation

References

[1] Philippe F X, Nicks B. Review on greenhouse gas emissions from pig houses: production of carbon dioxide, methane and nitrous oxide by animals and manure. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2015, 199(0): 10–25

[2] World Livestock F A O. 2011– Livestock in Food Security. Rome 2011. Available online at http://www.fao.org/docrep/014/i2373e/i2373e.pdf (accessed January 18, 2017)

[3] Pigs F A O. Available online at http://www.fao.org/ag/againfo/themes/en/pigs/home.html (accessed March 11, 2016)

[4] FAO. FAOSTAT 2013. Available online at http://faostat.fao.org/site/573/default.aspx#ancor(accessed September 7, 2016)

[5] European Commission. EU Climate Action: Key targets for 2030. Available online at http://ec.europa.eu/clima/citizens/eu_en (accessed January 18, 2017)

[6] Smith P, Martino D, Cai Z, Gwary D, Janzen H, Kumar P, McCarl B, Ogle S, O’Mara F, Rice C, Scholes B, Sirotenko O, Howden M, McAllister T, Pan G, Romanenkov V, Schneider U, Towprayoon S, Wattenbach M, Smith J. Greenhouse gas mitigation in agriculture. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences, 2008, 363(1492): 789–813

[7] Monteny G J, Bannink A, Chadwick D. Greenhouse gas abatement strategies for animal husbandry. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2006, 112(2–3): 163–170

[8] Xie S. Evaluation of Biogas Production from Anaerobic Digestion of Pig Manure and Grass Silage. Dissertation for Doctoral Degree.Galway: National University of Ireland, 2011

[9] Amon T, Amon B, Kryvoruchko V, Zollitsch W, Mayer K, Gruber L. Biogas production from maize and dairy cattle manure—influence of biomass composition on the methane yield. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2007, 118(1–4): 173–182

[10] Burton C H. The potential contribution of separation technologies to the management of livestock manure. Livestock Science, 2007, 112(3): 208–216

[11] Burton C H, Turner C. Manure Management: Treatment Strategies for Sustainable Agriculture. Bedford, UK: Silsoe Institute Silsoe, 2003

[12] McKenna G, Hyde T, Gibson M. Cross Compliance Workbook. Teagasc, Ireland: Teagasc 2013

[13] Deng L, Li Y, Chen Z, Liu G, Yang H. Separation of swine slurry into different concentration fractions and its influence on biogas fermentation. Applied Energy, 2014, 114(0): 504–511

[14] Wnetrzak R, Kwapinski W, Peters K, Sommer S G, Jensen L S, Leahy J J. The influence of the pig manure separation system on the energy production potentials. Bioresource Technology, 2013, 136: 502–508

[15] Dinuccio E, Berg W, Balsari P. Gaseous emissions from the storage of untreated slurries and the fractions obtained after mechanical separation. Atmospheric Environment, 2008, 42(10): 2448–2459

[16] Tait S, Tamis J, Edgerton B, Batstone D J. Anaerobic digestion of spent bedding from deep litter piggery housing. Bioresource Technology, 2009, 100(7): 2210–2218

[17] Chynoweth D, Wilkie A, Owens J. Anaerobic processing of piggery wastes: a review. In: ASAE Annual International Meeting, Orlando, Florida, USA, 12–16 July, 1998. Florida: American Society of Agricultural Engineers (ASAE), 1998

[18] Myhre G, Shindell D, Bréon F, Collins W, Fuglestvedt J, Huang J, Koch D, Lamarque J, Lee D, Mendoza B. Anthropogenic and Natural Radiative Forcing. In: Stocker T F, Qin D, Plattner G K, Tignor M, Allen S K, Boschung J, Nauels A, Xia Y, Bex V, Midgley P M, eds. Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group 1 to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge, United Kingdom & New York, NY, USA: Cambridge University Press, 2013, 714

[19] Intergovernmental Panel on Climate Change. 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories, Prepared by the National Greenhouse Gas Inventories Programme. Kangawa, Japan: IGES, 2006

[20] Metcalf L, Eddy H P, Tchobanoglous G. Wastewater Engineering: Treatment, Disposal, and Reuse. NewYork: McGraw-Hill, 1972

[21] Chadwick D, Sommer S, Thorman R, Fangueiro D, Cardenas L, Amon B, Misselbrook T. Manure management: Implications for greenhouse gas emissions. Animal Feed Science and Technology, 2011, 166–167: 514–531

[22] Montes F, Meinen R, Dell C, Rotz A, Hristov A N, Oh J, Waghorn G, Gerber P J, Henderson B, Makkar H P, Dijkstra J. Special topics—Mitigation of methane and nitrous oxide emissions from animal operations: II. A review of manure management mitigation options. Journal of Animal Science, 2013, 91(11): 5070–5094

[23] Maag M, Vinther F P. Nitrous oxide emission by nitrification and denitrification in different soil types and at different soil moisture contents and temperatures. Applied Soil Ecology, 1996, 4(1): 5–14

[24] Husted S. Seasonal variation in methane emission from stored slurry and solid manures. Journal of Environmental Quality, 1994, 23(3): 585–592

[25] Laguee C, Gaudet E, Agnew J, Fonstad T. Greenhouse gas emissions from liquid swine manure storage facilities in Saskatchewan. Transactions of the ASAE. American Society of Agricultural Engineers, 2005, 48(6): 2289–2296

[26] Park K H, Thompson A G, Marinier M, Clark K, Wagner-Riddle C. Greenhouse gas emissions from stored liquid swine manure in a cold climate. Atmospheric Environment, 2006, 40(4): 618–627

[27] Loyon L, Guiziou F, Beline F, Peu P. Gaseous emissions (NH₃, N₂O, CH₄ and CO₂) from the aerobic treatment of piggery slurry—Comparison with a conventional storage system. Biosystems Engineering, 2007, 97(4): 472–480

[28] Petersen S O, Dorno N, Lindholst S, Feilberg A, Eriksen J. Emissions of CH₄, N₂O, NH₃ and odorants from pig slurry during winter and summer storage. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2013, 95(1): 103–113

[29] Sommer S G, Petersen S O, Sørensen P, Poulsen H D, Møller H B. Methane and carbon dioxide emissions and nitrogen turnover during liquid manure storage. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2007, 78(1): 27–36

[30] Elsgaard L, Olsen A B, Petersen S O. Temperature response of methane production in liquid manures and co-digestates. Science of the Total Environment, 2016, 539: 78–84

[31] Sommer S G, Petersen S O, Møller H B. Algorithms for calculating methane and nitrous oxide emissions from manure management. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2004, 69(2): 143–154

[32] Hansen M N, Henriksen K, Sommer S G. Observations of production and emission of greenhouse gases and ammonia during storage of solids separated from pig slurry: effects of covering. Atmospheric Environment, 2006, 40(22): 4172–4181

[33] Bobbink R, Hornung M, Roelofs J G M. The effects of air-borne nitrogen pollutants on species diversity in natural and semi-natural European vegetation. Journal of Ecology, 1998, 86(5): 717–738

[34] Rodhe L K K, Abubaker J, Ascue J, Pell M, Nordberg Å. Greenhouse gas emissions from pig slurry during storage and after field application in northern European conditions. Biosystems Engineering, 2012, 113(4): 379–394

[35] VanderZaag A, Gordon R, Jamieson R, Burton D, Stratton G, Gas emissions from straw covered liquid dairy manure during summer storage and autumn agitation. Transactions of the ASABE, 2009, 52(2): 599–608

[36] Petersen S O, Amon B, Gattinger A. Methane oxidation in slurry storage surface crusts. Journal of Environmental Quality, 2005, 34(2): 455–461

[37] McCrory D F, Hobbs P J. Additives to reduce ammonia and odor emissions from livestock wastes: a review. Journal of Environmental Quality, 2001, 30(2): 345–355

[38] Cocolo G, Hjorth M, Zarebska A, Provolo G. Effect of acidification on solid–liquid separation of pig slurry. Biosystems Engineering, 2016, 143: 20–27

[39] Stevens R J, Laughlin R J, Frost J P. Effect of acidification with sulphuric acid on the volatilization of ammonia from cow and pig slurries. Journal of Agricultural Science, 1989, 113(03): 389–395

[40] Berg W, Brunsch R, Pazsiczki I. Greenhouse gas emissions from covered slurry compared with uncovered during storage. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2006, 112(2–3): 129–134

[41] Fangueiro D, Hjorth M, Gioelli F. Acidification of animal slurry—A review. Journal of Environmental Management, 2015, 149: 46–56

[42] Gómez-Muñoz B, Case S D C, Jensen L S. Pig slurry acidification and separation techniques affect soil N and C turnover and N₂O emissions from solid, liquid and biochar fractions. Journal of Environmental Management, 2016, 168: 236–244

[43] Brink C, Kroeze C, Klimont Z. Ammonia abatement and its impact on emissions of nitrous oxide and methane—Part 2: Application for Europe. Atmospheric Environment, 2001, 35(36): 6313–6325

[44] VanderZaag A, Gordon R, Jamieson R, Burton D, Stratton G. Effects of winter storage conditions and subsequent agitation on gaseous emissions from liquid dairy manure. Canadian Journal of Soil Science, 2010, 90(1): 229–239

[45] Chadwick D R, Pain B F. Methane fluxes following slurry applications to grassland soils: laboratory experiments. Agriculture, Ecosystems & Environment, 1997, 63(1): 51–60

[46] Van Groenigen J, Kasper G, Velthof G, van den Pol-van Dasselaar A, Kuikman P J. Nitrous oxide emissions from silage maize fields under different mineral nitrogen fertilizer and slurry applications. Plant and Soil, 2004, 263(1): 101–111

[47] Sherlock R R, Sommer S G, Khan R Z, Wood C W, Guertal E A, Freney J R, Dawson C O, Cameron K C. Ammonia, methane, and nitrous oxide emission from pig slurry applied to a pasture in New Zealand. Journal of Environmental Quality, 2002, 31(5): 1491–1501

[48] Zhong J, Wei Y, Wan H, Wu Y, Zheng J, Han S, Zheng B. Greenhouse gas emission from the total process of swine manure composting and land application of compost. Atmospheric Environment, 2013, 81: 348–355

[49] Amon B, Kryvoruchko V, Amon T, Zechmeister-Boltenstern S. Methane, nitrous oxide and ammonia emissions during storage and after application of dairy cattle slurry and influence of slurry treatment. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2006, 112(2–3): 153–162

[50] Pelster D E, Chantigny M H, Rochette P, Angers D A, Rieux C, Vanasse A. Nitrous oxide emissions respond differently to mineral and organic nitrogen sources in contrasting soil types. Journal of Environmental Quality, 2012, 41(2): 427–435

[51] VanderZaag A C, Jayasundara S, Wagner-Riddle C. Strategies to mitigate nitrous oxide emissions from land applied manure. Animal Feed Science and Technology, 2011, 166–167: 464–479

[52] Minet E P, Jahangir M M R, Krol D J, Rochford N, Fenton O, Rooney D, Lanigan G, Forrestal P J, Breslin C, Richards K G. Amendment of cattle slurry with the nitrification inhibitor dicyandiamide during storage: A new effective and practical N₂O mitigation measure for landspreading. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2016, 215: 68–75

[53] McGeough K L, Watson C J, Müller C, Laughlin R J, Chadwick D R. Evidence that the efficacy of the nitrification inhibitor dicyandiamide (DCD) is affected by soil properties in UK soils. Soil Biology & Biochemistry, 2016, 94: 222–232

[54] Gilsanz C, Báez D, Misselbrook T H, Dhanoa M S, Cárdenas L M. Development of emission factors and efficiency of two nitrification inhibitors, DCD and DMPP. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2016, 216: 1–8

[55] Bertora C, Alluvione F, Zavattaro L, van Groenigen J W, Velthof G, Grignani C. Pig slurry treatment modifies slurry composition, N₂O, and CO₂ emissions after soil incorporation. Soil Biology & Biochemistry, 2008, 40(8): 1999–2006

[56] Chadwick D R, Pain B F, Brookman S K E. Nitrous oxide and methane emissions following application of animal manures to grassland. Journal of Environmental Quality, 2000, 29(1): 277–287

[57] De Vries J W, Aarnink A J, Groot Koerkamp P W, De Boer I J. Life cycle assessment of segregating fattening pig urine and feces compared to conventional liquid manure management. Environmental Science & Technology, 2013, 47(3): 1589–1597

[58] Meade G, Pierce K, O’Doherty J V, Mueller C, Lanigan G, Mc Cabe T. Ammonia and nitrous oxide emissions following land application of high and low nitrogen pig manures to winter wheat at three growth stages. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2011, 140(1–2): 208–217

[59] Sistani K, Warren J, Lovanh N, Higgins S, Shearer S. Greenhouse gas emissions from swine effluent applied to soil by different methods. Soil Science Society of America Journal, 2010, 74(2): 429–435

[60] Thomsen I K, Pedersen A R, Nyord T, Petersen S O. Effects of slurry pre-treatment and application technique on short-term N₂O emissions as determined by a new non-linear approach. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2010, 136(3–4): 227–235

[61] Vallejo A, García-Torres L, Díez J, Arce A, López-Fernández S. Comparison of N losses (NO3−, N₂O₂, NO) from surface applied, injected or amended (DCD) pig slurry of an irrigated soil in a Mediterranean climate. Plant and Soil, 2005, 272(1–2): 313–325

[62] Velthof G L, Mosquera J. The impact of slurry application technique on nitrous oxide emission from agricultural soils. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2011, 140(1–2): 298–308

[63] Velthof G, Kuikman P, Oenema O. Nitrous oxide emission from animal manures applied to soil under controlled conditions. Biology and Fertility of Soils, 2003, 37(4): 221–230

[64] Weslien P, Klemedtsson L, Svensson L, Galle B, Kasimir-Klemedtsson Å, Gustafsson A. Nitrogen losses following application of pig slurry to arable land. Soil Use and Management, 1998, 14(4): 200–208

[65] Zhu K, Christel W, Bruun S, Jensen L S. The different effects of applying fresh, composted or charred manure on soil N₂O emissions. Soil Biology & Biochemistry, 2014, 74(0): 61–69

[66] Lovanh N, Warren J, Sistani K. Determination of ammonia and greenhouse gas emissions from land application of swine slurry: a comparison of three application methods. Bioresource Technology, 2010, 101(6): 1662–1667

[67] Sommer S G, Sherlock R R, Khan R Z. Nitrous oxide and methane emissions from pig slurry amended soils. Soil Biology & Biochemistry, 1996, 28(10–11): 1541–1544

[68] Webb J, Pain B, Bittman S, Morgan J. The impacts of manure application methods on emissions of ammonia, nitrous oxide and on crop response—A review. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2010, 137(1–2): 39–46

[69] Bortone G. Integrated anaerobic/aerobic biological treatment for intensive swine production. Bioresource Technology, 2009, 100(22): 5424–5430

[70] Møller H B, Lund S G, Sommer. Solid-liquid separation of livestock slurry: efficiency and cost. Bioresource Technology, 2000, 74(3): 223–229

[71] Nolan T, Troy S M, Gilkinson S, Frost P, Xie S, Zhan X, Harrington C, Healy M G, Lawlor P G. Economic analyses of pig manure treatment options in Ireland. Bioresource Technology, 2012, 105: 15–23

[72] Fangueiro D, Coutinho J, Chadwick D, Moreira N, Trindade H. Effect of cattle slurry separation on greenhouse gas and ammonia emissions during storage. Journal of Environmental Quality, 2008, 37(6): 2322–2331

[73] Bhandral R, Bittman S, Kowalenko G, Buckley K, Chantigny M H, Hunt D E, Bounaix F, Friesen A. Enhancing soil infiltration reduces gaseous emissions and improves N uptake from applied dairy slurry. Journal of Environmental Quality, 2009, 38(4): 1372–1382

[74] Amon B, Kryvoruchko V, Moitzi G, Amon T. Greenhouse gas and ammonia emission abatement by slurry treatment. In: International Congress Series: Greenhouse Gases and Animal Agriculture: An Update. Proceedings of the 2nd International Conference on Greenhouse Gases and Animal Agriculture, held in Zurich, Switzerland between 20 and 24 September 2005. Zurich, Switzerland: Elsevier, 2006, 1293: 295–298

[75] Pereira J, Fangueiro D, Chadwick D R, Misselbrook T H, Coutinho J, Trindade H. Effect of cattle slurry pre-treatment by separation and addition of nitrification inhibitors on gaseous emissions and N dynamics: a laboratory study. Chemosphere, 2010, 79(6): 620–627

[76] Fangueiro D, Senbayran M, Trindade H, Chadwick D. Cattle slurry treatment by screw press separation and chemically enhanced settling: effect on greenhouse gas emissions after land spreading and grass yield. Bioresource Technology, 2008, 99(15): 7132–7142

[77] Cantrell K B, Ducey T, Ro K S, Hunt P G. Livestock waste-to-bioenergy generation opportunities. Bioresource Technology, 2008, 99(17): 7941–7953

[78] Kaparaju P, Rintala J. Mitigation of greenhouse gas emissions by adopting anaerobic digestion technology on dairy, sow and pig farms in Finland. Renewable Energy, 2011, 36(1): 31–41

[79] Prapaspongsa T, Poulsen T G, Hansen J A, Christensen P. Energy production, nutrient recovery and greenhouse gas emission potentials from integrated pig manure management systems. Waste Management & Research, 2010, 28(5): 411–422

[80] Maraseni T N, Maroulis J. Piggery: from environmental pollution to a climate change solution. Journal of Environmental Science and Health. Part. B, Pesticides, Food Contaminants, and Agricultural Wastes, 2008, 43(4): 358–363

[81] De Vries J W, Vinken T M, Hamelin L, De Boer I J. Comparing environmental consequences of anaerobic mono- and co-digestion of pig manure to produce bio-energy—A life cycle perspective. Bioresource Technology, 2012, 125: 239–248

[82] Hansen K H, Angelidaki I, Ahring B K. Anaerobic digestion of swine manure: inhibition by ammonia. Water Research, 1998, 32(1): 5–12

[83] Wang Y, Dong H, Zhu Z, Li L, Zhou T, Jiang B, Xin H. CH₄, NH₃, N₂O and NO emissions from stored biogas digester effluent of pig manure at different temperatures. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2016, 217: 1–12

[84] Möller K, Müller T. Effects of anaerobic digestion on digestate nutrient availability and crop growth: A review. Engineering in Life Sciences, 2012, 12(3): 242–257

[85] Flesch T K, Desjardins R L, Worth D. Fugitive methane emissions from an agricultural biodigester. Biomass and Bioenergy, 2011, 35(9): 3927–3935

[86] Liebetrau J, Clemens J, Cuhls C, Hafermann C, Friehe J, Weiland P, Daniel-Gromke J. Methane emissions from biogas-producing facilities within the agricultural sector. Engineering in Life Sciences, 2010, 10(6): 595–599

[87] Jiang T, Frank S, Li G. Effect of turning and covering on greenhouse gas and ammonia emissions during the winter composting. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2011, 27(10): 212–217

[88] Thompson A G, Wagner-Riddle C, Fleming R. Emissions of N₂O and CH₄ during the composting of liquid swine manure. Environmental Monitoring and Assessment, 2004, 91(1–3): 87–104

[89] Park K H, Jeon J H, Jeon K H, Kwag J H, Choi D Y. Low greenhouse gas emissions during composting of solid swine manure. Animal Feed Science and Technology, 2011, 166–167(0): 550–556

[90] Osada T, Kuroda K, Yonaga M. Determination of nitrous oxide, methane, and ammonia emissions from a swine waste composting process. Journal of Material Cycles and Waste Management, 2000, 2(1): 51–56

[91] Nicks B, Laitat M, Vandenheede M, Désiron A, Verhaeghe C, Canart B. Emissions of ammonia, nitrous oxide, methane, carbon dioxide and water vapor in the raising of weaned pigs on straw-based and sawdust-based deep litters. Animal Research, 2003, 52(3): 299–308

[92] Szanto G L, Hamelers H V, Rulkens W H, Veeken A H. NH₃, N₂O and CH₄ emissions during passively aerated composting of straw-rich pig manure. Bioresource Technology, 2007, 98(14): 2659–2670

[93] Sommer S G, Møller H B. Emission of greenhouse gases during composting of deep litter from pig production–effect of straw content. Journal of Agricultural Science, 2000, 134(3): 327–335

[94] Cabaraux J F, Philippe F X, Laitat M, Canart B, Vandenheede M, Nicks B. Gaseous emissions from weaned pigs raised on different floor systems. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2009, 130(3–4): 86–92

[95] Jiang T, Schuchardt F, Li G, Guo R, Zhao Y. Effect of C/N ratio, aeration rate and moisture content on ammonia and greenhouse gas emission during the composting. Journal of Environmental Sciences-China, 2011, 23(10): 1754–1760

[96] Béline F, Daumer M L, Loyon L, Pourcher A M, Dabert P, Guiziou F, Peu P. The efficiency of biological aerobic treatment of piggery wastewater to control nitrogen, phosphorus, pathogen and gas emissions. Water Science and Technology, 2008, 57(12): 1909–1914

[97] Vanotti M B, Szogi A A, Vives C A. Greenhouse gas emission reduction and environmental quality improvement from implementation of aerobic waste treatment systems in swine farms. Waste Management (New York, N.Y.), 2008, 28(4): 759–766

[98] Huang W, Zhao Z, Yuan T, Lei Z, Cai W, Li H, Zhang Z. Effective ammonia recovery from swine excreta through dry anaerobic digestion followed by ammonia stripping at high total solids content. Biomass and Bioenergy, 2016, 90: 139–147

[99] McAuliffe G A, Chapman D V, Sage C L. A thematic review of life cycle assessment (LCA) applied to pig production. Environmental Impact Assessment Review, 2016, 56: 12–22

Acknowledgements

Funding for this study was provided by the Green Farm project supported by a Science Foundation Ireland Investigator Project Award (Ref: 12/IP/1519).

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg