Development and evaluation of physicochemical quick methods for the analysis of nutrients in liquid organic manures

by Max-Frederik Piepel
Cumulative thesis
Date of Examination:2023-06-09
Date of issue:2023-06-27
Advisor:Prof. Dr. Klaus Dittert
Referee:Prof. Dr. Klaus Dittert
Referee:Prof. Dr. Hans-Werner Olfs
Sponsor:Deutsche Bundesstiftung Umwelt
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-9948

 

 

Files in this item

Name:Disputation Max-Frederik Piepel.pdf
Size:2.54Mb
Format:PDF

The following license files are associated with this item:

Abstract

English

Liquid organic manures can be used to return surplus nutrients from animal and biogas production to agricultural land. For correct ecological and economic use, the nutrient concentrations of the farm manures must be known as precisely as possible. With physicochemical quick methods, the three main nutrients nitrogen, phosphorus and potassium can be determined quickly and on site. In this thesis, different established methods were evaluated. Differences between direct and indirect methods were found. With direct methods, well-fitted regression models can be created for variable sample sets, which can then be used for different types and production conditions of manures. To create well-fitting regression models with indirect methods, the variability of the sample sets must be restricted. Thus, the models can only be applied to samples that match the properties of the specific sample set. Ion-selective electrodes and an electronic infrared moisture analyser were tested as new methods for direct measurement of ammonium and potassium as well as dry matter. With the electrodes, well-fitted models for variable farm manure sample sets could be calculated. By combining the ammonium electrode and the moisture analyser, well-fitted regression models for total nitrogen concentration could be constructed. However, it was not possible to generate well-fitted phosphorus models for variable sample sets. In the last 50 years, various regression models for diverse physicochemical methods have been published. In order for the models to be used in agricultural practice, farmers need access and they need to be able to decide whether the models are applicable for their farm manures. To simplify this process, a mobile app was introduced. With this app, farmers have access to a database of different models and can select the most compatible models for their samples by entering production parameters. The studies in this dissertation show that it is possible to determine nitrogen, phosphorus and potassium concentrations in liquid organic farm manure by using various physicochemical methods. Direct methods can be applied to sample sets with greater variability than indirect methods, but are usually more labour-intensive. Accurate determination of nutrient concentrations is only possible if well-fitted regression models are available for the methods, which were produced with farm manures whose production parameters correspond to the farm manure to be measured.
Keywords: manure rapid tests; nutrient quantification; biogas digestate; pig slurry; cattle slurry

German

Mit flüssigen organischen Wirtschaftsdüngern können überschüssige Nährstoffe aus Tier- und Biogasproduktion in landwirtschaftliche Flächen zurückgeführt werden. Für einen korrekten ökologischen und ökonomischen Einsatz müssen die Nährstoffkonzentrationen der Wirtschaftsdünger so genau wie möglich bekannt sein. Mit physikochemischen Schnellmethoden lassen sich die drei Hauptnährstoffe Stickstoff, Phosphor und Kalium schnell und vor Ort bestimmen. In dieser Arbeit wurden verschiedene etablierte Methoden evaluiert. Es zeigten sich Unterschiede zwischen direkten und indirekten Methoden. Mit direkten Methoden lassen sich gut angepasste Regressionsmodelle für variable Probensätze erstellen, die dann für verschiedene Arten und Produktionsbedingungen von Wirtschaftsdüngern verwendet werden können. Um gut angepasste Regressionsmodelle mit indirekten Methoden zu erzeugen muss die Variabilität der Probensätze eingeschränkt werden. Die Modelle können dann nur auf Proben angewendet werden, die den Eigenschaften des speziellen Probensatzes entsprechen. Ionenselektive Elektroden und ein elektronischer Infrarot-Feuchtebestimmer wurden als neue Methoden zur direkten Messung von Ammonium- und Kalium sowie der Trockenmasse erprobt. Mit den Elektroden konnten gut angepasste Modelle für variable Wirtschaftsdüngerprobensätze berechnet werden. Durch Kombination der Ammoniumelektrode und des Feuchtebestimmers konnten gut angepasste Regressionsmodelle für die Gesamtstickstoffkonzentration erstellt werden. Es war jedoch nicht möglich gut angepasste Phosphormodelle für variable Probensätze zu erzeugen. In den letzten 50 Jahren wurden verschiedene Regressionsmodelle für diverse physikochemische Methoden publiziert. Damit die Modelle in der landwirtschaftlichen Praxis eingesetzt werden können, benötigen Landwirte Zugang zu diesen und sie müssen in der Lage sein zu entscheiden, ob die Modelle auf ihre Wirtschaftsdünger anwendbar sind. Um diesen Prozess zu vereinfachen wurde eine mobile App vorgestellt. Mit dieser App haben Landwirte Zugriff auf eine Datenbank mit verschiedenen Modellen und können durch die Eingabe von Produktionsparametern die am besten angepassten Modelle für ihre Proben auswählen. Die Studien dieser Dissertation zeigen, dass es mit verschiedenen physikochemischen Methoden möglich ist Stickstoff-, Phosphor- und Kaliumkonzentrationen in flüssigen organischen Wirtschaftsdüngern zu bestimmen. Direkte Methoden können auf Probensätze mit größerer Variabilität als indirekte Methoden angewendet werden, sind jedoch in der Regel arbeitsaufwendiger. Eine genaue Bestimmung von Nährstoffkonzentrationen ist nur möglich, wenn für die Methoden gut angepasste Regressionsmodelle zur Verfügung stehen, die mit Wirtschaftsdüngern erzeugt wurden, deren Produktionsparameter dem zu messenden Wirtschaftsdünger entsprechen.
 
Statistik