Dr. Eunsung Kan ziet zijn concept van een gesloten melkveebedrijf, die afvalwater hergebruikt, stoot geen afval uit en drijft zichzelf aan op mest, als de toekomst van duurzame veehouderij.

Kan, een Texas A&M AgriLife Research chemisch en milieu-ingenieur in Stephenville, zei dat zijn concept de manier zou kunnen veranderen waarop zuivelfabrieken, varkens- en pluimveebedrijven hebben te maken met mest, afvalwater en broeikasgassen, terwijl het afval wordt gebruikt om elektriciteit op te wekken.

Dierlijk afval is een zegen en een vloek voor zuivelfabrieken.

Mest wordt verkocht aan lokale boeren die voedingsstoffen in de grond moeten brengen voor gewassen en voedergewassen. Echter, tonnen mest kunnen ook logistiek belastend zijn, aangezien faciliteiten gelijke tred houden met de behandeling en distributie van grote hoeveelheden milieutechnisch problematische materialen die worden gecontroleerd door staats- en federale milieuregelgevers.

Bedrijfsactiviteiten zijn betrokken bij hoger dan normale niveaus van stikstof en fosfor, antibiotica, zware metalen en hormonen in oppervlakte- en grondwater stroomafwaarts van installaties. Mest is ook een bekende bijdrage aan de uitstoot van broeikasgassen, zoals methaan en koolstofdioxide.

Het Amerikaanse Department of Agriculture Natural Resources Conservation Service schat dat mest van een melkveebedrijf dat 200 koeien melkt evenveel stikstof kan produceren als in het afvalwater van een gemeenschap van 5, 000-10, 000 mensen.

Kan's onderzoek zou gebruik maken van bestaande technologie - biochar, een koolstofmateriaal vergelijkbaar met houtskool, gemaakt van dierlijke mest en landbouwafval, zoals maïsstoppels of rijststro - dat zou worden gebruikt om vast afval en afvalwater te filteren. De biochar kan worden gebruikt als meststof met langzame afgifte of omgezet, via pyrolyse, dat is de ontbinding van organisch materiaal door warmte, in energie om de boerderij van stroom te voorzien.

Het closed-loop zuivelconcept richt zich op drie hoofddoelen:afvalwaterzuivering met behulp van biochar uit zuivelmest, het produceren van bio-energie met behulp van melkveemest en het opvangen van broeikasgassen via adsorptie op van melkmest afgeleide biochar, zei Kan.

Biochar heeft bewezen een gunstige oppervlaktechemie te bieden die een breed scala aan verontreinigingen kan filteren, inclusief stikstof en fosfor, hij zei. Wanneer het oppervlak van biochar met verschillende methoden in een laboratorium wordt gewijzigd, het heeft aangetoond dat het antibiotica kan opvangen, pesticiden, hormonen, zware metalen en andere mogelijke verontreinigingen.

"De missie is de behandeling en hergebruik van zuivelafvalwater en de omzetting van zuivelafval in energie om de faciliteit van stroom te voorzien. " zei hij. "Het richt zich op het verstrekken van een model voor duurzame landbouw."

Vorig jaar, Kan ontving een subsidie ​​van $ 1 miljoen van het Texas A&M University Chancellor's Research Initiative Fund om de levensvatbaarheid van het gesloten zuivelsysteem te onderzoeken. Voordat hij bij AgriLife Research kwam, hij ontving ook ongeveer $ 400, 000 aan onderzoeksbeurzen van het Environmental Protection Agency, U.S. Department of Agriculture en U.S. Geological Survey om het potentieel van het concept voor de behandeling van dierlijk afval te onderzoeken, de uitstoot van broeikasgassen beheersen en mest omzetten in energie.

Conceptueel systeem

De gesloten zuivelfabriek is een relatief eenvoudig concept, zei Kan.

Koeien produceren mest, die wanneer gemengd met overblijfselen van lokale gewassen, kan een schijnbaar eindeloze voorraad filtermateriaal worden, kunstmest en energie.

Kolommen gevuld met biochar zouden fungeren als een waterzuiveringssysteem dat stikstof filtert, fosfor en andere verontreinigingen uit vloeistof terwijl deze er doorheen gaat, zei Kan.

"Het zijwater uit de kolom zou dan een zeer laag stikstof- en fosforgehalte hebben, " zei hij. "Als we filteren tot lage niveaus van stikstof en fosfor, zou dat geen enkel milieuprobleem veroorzaken."

De biochar die wordt gebruikt om stikstof en fosfor te filteren, kan dan worden gebruikt als meststof met langzame afgifte die de planten van de nodige voedingsstoffen voorziet en niet wegspoelt als afvoer van zware regenval. In aanvulling, biochar geïmmobiliseerd met fotokatalysatoren zou giftige verontreinigingen afbreken tot onschadelijke producten wanneer ze worden bestraald door blootstelling aan ultraviolet licht.

Bijvoorbeeld, De studie van Kan heeft aangetoond dat een biochar, geïmmobiliseerd met fotokatalysatoren, antibiotica- en hormoonverbindingen volledig afbreekt, terwijl pathogenen effectief worden bestreden. Het potentieel voor het gebruik van biochar om afvalwater te filteren gaat verder dan de landbouw en zou kunnen worden toegepast in elke afvalwaterzuiveringsinstallatie, of zelfs om verontreinigingen te filteren in injectiewater dat in de aardolie-industrie wordt gebruikt voor fracking.

voor energie, melkveemest zou ter plaatse in een pyrolysereactor worden gevoerd die relatief weinig warmte zou gebruiken, 500-1, 000 graden Fahrenheit, om gecomprimeerd waterstof- en koolmonoxidesyngas te creëren dat kan worden gebruikt om elektrische energie op te wekken, zei Kan. Overtollige elektriciteit kan worden verkocht aan lokale nutsbedrijven. Het bijproduct van pyrolyse van melkmest is biochar.

"Het principe is heel eenvoudig, " Zei Kan. "De zuivelfabriek zou gewoon een reactor van een andere grootte nodig hebben om te voldoen aan de schaal van mestproductie en energiebehoeften."

Dr. Sergio Capareda, een landbouwingenieur van AgriLife Research in College Station, bewees de pyrolytische omzetting van zuivelmest in syngas en biochar van zijn door USDA gefinancierde project, zei Kan. Kan is van plan dit concept te bevorderen door syngas biologisch om te zetten in butanol en bio-jetbrandstof als alternatieve transportbrandstoffen. en het ontwikkelen van op biochar gebaseerde processen voor afvalwaterzuivering en beheersing van broeikasgassen.

Verschillende andere onderzoekers en ingenieurs binnen het Texas A&M-systeem werken samen met Kan, en de belangstelling voor het concept groeit bij openbare instellingen en particuliere bedrijven.

Concept naar realiteit

Kan zal een laboratoriumversie van de gesloten zuivelfabriek produceren om de benodigde schaal voor toepassing en experimenten te bepalen in het naburige Southwest Regional Dairy Centre in Stephenville, een particuliere melkveebedrijf geëxploiteerd door Tarleton State University gebruikt voor educatieve doeleinden. Hij hoopt een systeem te hebben, inclusief de pyrolysereactor, binnen drie tot vier jaar op de melkveehouderij.

"Het melkveebedrijf hier biedt een goede kans voor veldgegevens, " zei hij. "De velddemonstraties zullen ons helpen eventuele problemen op te lossen die zich kunnen voordoen op de verschillende schalen die door commerciële veehouderijen kunnen worden toegepast."

De zuivelfabriek produceert melk die wordt verwerkt voor consumptie en tot producten zoals kaas en yoghurt en wordt verkocht in lokale supermarkten.

Clay Dameron, de afvalbeheerder van de zuivelfabriek, zei dat er dagelijks tussen de 300-400 koeien worden gemolken. Die koeien produceren mest en afvalwater dat via een conventioneel lagunesysteem wordt behandeld. Elke drie weken wordt ongeveer 90-130 ton vaste stoffen naar nabijgelegen akkers en weiden verplaatst, waar het als meststof wordt gebruikt. Behandelde vloeistoffen uit de lagune worden via sprinklers verspreid in nabijgelegen velden.

Kan zei dat hij gelooft dat het gesloten systeem een ​​logistiek en financieel haalbaar model zal blijken te zijn voor zuivelproducenten om in de toekomst te implementeren. Hij verwacht dat zijn proefproject bij de regionale zuivelfabriek data zal opleveren die meer belangstelling en investeringen zullen trekken van openbare instellingen en particuliere bedrijven.

"Het is erg spannend, " zei hij. "Ik kijk ernaar uit om met mijn medewerkers en collega's samen te werken om dit concept te realiseren dat de manier waarop zuivelfabrieken werken zou kunnen veranderen door een zelfvoorzienende, milieuvriendelijk model."