Dr. Eunsung Kan ser sitt koncept med en mjölkgård med sluten slinga, som återanvänder avloppsvatten, släpper ut noll avfall och drivs av gödsel, som framtiden för hållbar djuruppfödning.

Kan, en Texas A&M AgriLife Research kemi- och miljöingenjör i Stephenville, sa att hans koncept kan förändra hur mejerier, svin- och fjäderfägårdar hanterar gödsel, avloppsvatten och växthusgaser samtidigt som avfallet utnyttjas för att generera el.

Djuravfall är en välsignelse och förbannelse för mejerier.

Gödsel säljs till lokala bönder som behöver tillföra näringsämnen i jorden för grödor och foder. Dock, ton gödsel kan också vara logistiskt belastande eftersom anläggningar håller jämna steg med behandlingen och distributionen av stora mängder miljöproblematiska material som övervakas av statliga och federala miljötillsynsmyndigheter.

Gårdsdrift har varit inblandad i högre än normalt nivåer av kväve och fosfor, antibiotika, tungmetaller och hormoner i yt- och grundvatten nedströms anläggningar. Gödsel är också en känd bidragsgivare till utsläpp av växthusgaser, som metan och koldioxid.

U.S.A. Department of Agriculture Natural Resources Conservation Service uppskattar att gödsel från ett mejeri som mjölkar 200 kor kan producera lika mycket kväve som finns i avloppsvattnet från ett samhälle på 5, 000-10, 000 personer.

Kans forskning skulle utnyttja befintlig teknik – biokol, ett kolmaterial som liknar träkol, skapad av djurgödsel och jordbruksavfall, såsom majsstubb eller rishalm – som skulle användas för att filtrera fast avfall och avloppsvatten. Biokolet kan användas som gödselmedel med långsam frisättning eller omvandlas, via pyrolys, som är nedbrytning av organiskt material genom värme, till energi för att driva gården.

Mejerikonceptet med sluten krets fokuserar på tre huvudmål – avloppsvattenrening med hjälp av biokol från mejerigödsel, producera bioenergi med hjälp av mjölkgödsel och fånga upp växthusgaser via adsorption på biokol från mjölkgödsel, Sa Kan.

Biokol har visat sig ge en fördelaktig ytkemi som kan filtrera ett brett spektrum av föroreningar, inklusive kväve och fosfor, han sa. När ytan av biokol modifieras med flera metoder i ett labb, det har visat en förmåga att fånga antibiotika, bekämpningsmedel, hormoner, tungmetaller och andra möjliga föroreningar.

"Uppdraget är rening och återanvändning av mejeriavloppsvatten och omvandling av mejeriavfall till energi för att driva anläggningen, " sade han. "Det fokuserar på att tillhandahålla en modell för hållbart jordbruk."

Förra året, Kan fick ett anslag på 1 miljon dollar från Texas A&M University Chancellor's Research Initiative Fund för att undersöka lönsamheten hos mejerisystemet med slutna kretslopp. Innan du började med AgriLife Research, han fick också cirka 400 dollar, 000 i forskningsanslag från Naturvårdsverket, U.S.A. Department of Agriculture och U.S. Geologic Survey för att undersöka konceptets potential att behandla animaliskt avfall, kontrollera utsläppen av växthusgaser och omvandla gödsel till energi.

Konceptuellt system

Mejeriet med stängda kretslopp är ett relativt enkelt koncept, Sa Kan.

Kor producerar gödsel, som när det blandas med rester av lokala grödor, kan bli ett till synes oändligt utbud av filtermaterial, gödsel och energi.

Kolonner fyllda med biokol skulle fungera som ett vattenreningssystem som filtrerar kväve, fosfor och andra föroreningar från vätska när den passerar genom, Sa Kan.

"Förmögenheten från kolonnen skulle då vara mycket låg i kväve och fosfor, "Om vi ​​filtrerar till låga nivåer av kväve och fosfor skulle det inte orsaka några miljöproblem."

Biokolet som används för att filtrera kväve och fosfor kan sedan användas som gödselmedel med långsam frisättning som ger nödvändiga näringsämnen till växter och som inte sköljs bort som avrinning från kraftiga regn. Dessutom, biokol immobiliserat med fotokatalysatorer skulle bryta ner giftiga föroreningar till ofarliga produkter när de bestrålas genom exponering för ultraviolett ljus.

Till exempel, Kans studie har visat att en biokol immobiliserad med fotokatalysatorer fullständigt bröt ner antibiotika och hormonföreningar samtidigt som de effektivt kontrollerade patogener. Potentialen för biokols användning för att filtrera avloppsvatten går utöver jordbruket och kan tillämpas på alla avloppsreningsverk, eller till och med för att filtrera föroreningar i injektionsvatten som används inom petroleumindustrin för fracking.

För energi, mjölkgödsel skulle matas in i en pyrolysreaktor på plats som skulle använda relativt låg värme, 500-1, 000 grader Fahrenheit, att skapa komprimerad väte- och kolmonoxidsyngas som kan användas för att skapa elektrisk kraft, Sa Kan. Överskottsel kan säljas till lokala elbolag. Biprodukten från pyrolys av mjölkgödsel är biokol.

"Principen är väldigt enkel, " Sa Kan. "Mejeriet skulle bara behöva en annan storlek reaktor för att möta sin omfattning av gödselproduktion och energibehov."

Dr Sergio Capareda, en AgriLife Research jordbruksingenjör vid College Station, bevisade den pyrolytiska omvandlingen av mjölkgödsel till syngas och biokol från hans USDA-finansierade projekt, Sa Kan. Kan planerar att främja detta koncept genom att biologiskt omvandla syngas till butanol och biojetbränsle som alternativa transportbränslen, och utveckla biokolbaserade processer för rening av avloppsvatten och kontroll av växthusgaser.

Flera andra forskare och ingenjörer inom Texas A&M-systemet samarbetar med Kan, och intresset för konceptet växer bland offentliga institutioner och privata företag.

Koncept till verkligheten

Kan kommer att producera en labb-skala version av mejeriet med slutna slingor för att bestämma den nödvändiga skalan för tillämpning och experiment på det närliggande Southwest Regional Dairy Center i Stephenville, ett privatägt fungerande mejeri som drivs av Tarleton State University som används för utbildningsändamål. Han hoppas på ett system, inklusive pyrolysreaktorn, verksamma på mejeriet inom tre till fyra år.

"Att ha mjölkgården här ger en bra möjlighet för fältdata, "Fältdemonstrationer kommer att hjälpa oss att lösa eventuella problem som kan uppstå i de olika skalorna som kan tillämpas av kommersiella djurgårdar."

Mejeriet producerar mjölk som förädlas för konsumtion och till produkter som ost och yoghurt och säljs i lokala livsmedelsbutiker.

Clay Dameron, mejeriets avfallshanterare, mellan 300-400 kor mjölkas dagligen. Dessa kor producerar gödsel och avloppsvatten som behandlas via ett konventionellt lagunsystem. Omkring 90-130 ton fast material flyttas till närliggande odlingsmarker och betesmarker var tredje vecka där det används som gödningsmedel. Behandlade vätskor från lagunen sprids via sprinkler på närliggande fält.

Kan sa att han tror att det slutna systemet kommer att visa sig vara en logistiskt och ekonomiskt gångbar modell för mejeriproducenter att implementera i framtiden. Han förväntar sig att hans pilotprojekt på det regionala mejeriet ska producera data som kommer att dra till sig mer intresse och investeringar från offentliga institutioner och privata företag.

"Det är väldigt spännande, " sa han. "Jag ser fram emot att arbeta med mina medarbetare och kollegor för att göra detta koncept till verklighet som kan förändra hur mejerier fungerar genom att tillhandahålla en självförsörjande, miljövänlig modell."