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牛場管理
美國用糞便處理的“新方法”降低奶牛生產成本
2020-02-11 荷斯坦奶牛俱樂部網  訪問量:42   Pegg Coffeen 譯者 王永康  [ 字號: ]

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圖1 新方法工藝包括兩個階段:超濾和反滲透。超濾生產兩種產品;高濃度的高磷肥料(左)和低磷的茶色水(中)。反滲透進一步將茶色水分成進入蓄糞塘的“超級”茶色水,和最終清潔和清澈的水(右)。
 
在威斯康辛州Spring Valley附近的Son-Bow奶牛農場,來自1400頭母牛的糞便不再直接進入蓄糞塘(lagoon)。
現在糞便通過沙的分離和回收,然后進行兩階段的新方法工藝,進一步將其分離為三個特殊的副產品:高磷液肥、低磷液肥和相當于蒸餾后的水。
成本控制
根據奶牛場主Jay Richardson的說法,該系統正好削減他的生產成本。“我們預期,每100磅牛奶的成本可以節省1美元80美分,”他說。“我不知道我們是否達到那個目標,但它肯定會在1.5美元以上,而且那是一個很大的數字。”
成本控制一直是Richardson對創新糞便管理系統感興趣的原始推動力。“當我們裝運大量糞便時,連同所有沒有養分的水,我們就浪費了錢,而且把沙子也運到田里,”他回憶說。“我們沒有得到任何的農學效果,這就是一筆純粹的費用。”
這到底有多貴?Richardson付過的支票是每加侖2.5美分的運費。為了減少這筆費用,奶牛場購置了自己的運輸和操作設備。但是當他計算燃油、勞力、折舊、磨損和損壞以及維修費用時,他發現雖然可變成本較低,但總量卻沒有變化。“在我們真正投入進去以前,我以為我們會在每加侖2.5美分以下,而一旦我們投入進去了,我震驚得口瞪目呆。”他說。
為了找到競爭的優勢,Richardson開始尋找長期控制總體成本的更好辦法,同時不犧牲母牛的護理和舒適或環境的可持續性。
 
圖2 Jay Richardson等待允許他將糞便脫水系統中的清潔水排放至地面水道而不回到蓄糞塘的許可。他對水中病原體的減少和飲用的安全性充滿信心。
 
“我們都在尋找某些辦法,而我們不知道是什么,但我們知道,我們需要用我們操作糞便和沙子的方法,找出不同的方案,”他回憶道。“其他的事情幾乎不會那么昂貴,但它們只是沒有解決問題而已。”
在2015年的糞便管理會議上,一次偶然的會面讓Richardson得到了他正在尋找的“某些東西”。在那里,他遇到了兩家努力使糞便脫水變得可行和有利潤的位于威斯康辛州的公司,即Aqua Innovations 和Fox Harvestore公司。
按照Aqua Innovations公司總裁Chris Lenzendovf的說法,雖然它不是市場上第一個分離牛糞的系統,但他們這個與其他系統之間的差異,是一種不使用任何化學品的專利機械工藝。Richardson因這個想法而受到鼓舞,他深入考慮和研究了他們的工藝和數據,并意識到他找到了解決的方案。
“我們的估計是,這將有約3500輛貨車減少在路上”,他說。這一數字基于每年減少了1500卡車的糞便離開奶牛場,加上減少了開始的1000卡車的沙子和運出的另1000輛沙子的數量。他把這一信息提供給了他的貸款人,后者很快接受這項技術,并為該項目提供了資金。
“為了降低運營的可變成本,我們愿意增加固定資本成本,”他補充道。“對于那些尋求擴大規模并想采用機器人技術的人來說,其情況有些類似,即預先投放大量的資本資金。但這樣做,是因為他們相信投資的回報將是現金流。”
今天,曾經的愿景現已全面展開。糞肥分離建筑物已經建立起來,并自2018年3月開始運轉,隨后在7月啟動了超濾(UF)和反滲透工藝(“水建筑物”)。請見下圖它是如何運轉的。到現在仍然很好。
經過幾個月的全面運轉以后,Richardson表示,該技術大部分都按計劃在運轉,并在過程中有一些了解和微調。
“沙子部分肯定有所作用”,他說。當沙子從新沙改換成再生沙用作為墊料時,我們的牛群沒有出現過任何的問題,一切正常,即使經過整個夏天,體細胞計數仍然維持在9萬。“我們知道,我們從中看到了最快的好處。”
熱應激季節也帶來意想不到的挑戰:母牛的降溫需要額外的用水量。“由于牛舍中降溫噴淋設備的運轉,我們在夏季所用的水量比我們所想的要多2~3倍,” Richardson說。額外的水量促使離心機的運轉比原計劃更為艱難,雖然設備仍然保持運轉并繼續加工成更為干燥的產品。
盡管用了更多的水,但Richardson還是對水建筑物內的設備保持良好的狀態和能力感到滿意。兩個超濾設備順利地處理著大容量物料,而反滲透仍然一天只運行3~4次,每次約1.5個小時。
“即使我們有更多的吞吐量要處理,我們仍然可以提供額外的容量,”他說。“有可能,瓶頸還在于現階段運行的離心機,但那只是吞吐量和磨損之間的問題。”
在夏季中運行的兩臺UF設備,其用電量略高于預期數,但由于只需要一臺UF設備就能處理正常的容量,他預計將會回復到原有估計的運營成本。到目前為止,電力成本已成為固體建筑物中的努力目標。
進入第一個完整的威斯康星州冬季,Richardson對該系統的水流槽(Hume)質量有些擔心。“我們可能不得不增加額外的水量保持水流槽的正常運轉,但我們經常有這個問題,”他說。“我們知道,我們可以減少用于擠奶廳的水量,并用它來清理沙子。”
然而他并不擔心冰凍。固體建筑物在去年春天開始建立時就迅速升溫,水建筑物中的UF設備的熱交換器也提供了熱量或溫度,同時還有補充的熱源。
學習技術的最好管理方法,是一種進展中的工作,但Richardson仍然關注最終的過程。“我們已經了解到,我們需要在什么是最終產品上更好地平衡整個系統,” Richardson說。“我們知道我們仍然需用干凈的水作為終端。”
最好的還在后頭
雖然重復用沙,不使固形物進入蓄糞塘,而且減少了在塘內攪拌的成本,而這些都是成功的,但Richardson認為,只有在州政府授予他允許將清潔的水排入當地的水道,而不是回放至貯存的蓄糞塘以后,他才真正可以節省運輸的費用。
一旦他得到威斯康辛州政府自然資源部門的允許,Richardson就能期望在財務和環境方面獲得全部的收益。
Aqua Innovations公司的Lenzendovf希望很快就能實現這一目標。“在下一個立法周期,立法者將會把重點放在精簡農民的排放許可程序上,并利用來自處理系統中的養分在生長季節期間施用于農田,而不是在春天和秋天期間將糞尿灑布于農田,”他解釋道。“當有機物產生自該系統時,它們幾乎沒有病原體,因而能夠在農作物需要它們的時候,有計劃地用于農田。糞便灌溉一直是一個備受爭議的話題,但隨著病原體的逐漸消除和養分的控制,它將成為更為公認的做法。”
總而言之,Richardson承認系統本身并不是最令人頭痛的問題,整個合作的最大挑戰,是如何應對法規監控的過程,這幾乎使他到了將要放棄的程度。“政府的法規和官僚機構沒有跟隨技術的步伐,”他這樣說。“最重要的是,這個項目已經在不同的階段持續了一年半,而且我們仍然沒有放棄。”
然而Richardson將他的受挫轉化為動力,并堅持將清潔水排放回環境的決心和要求。他的這種行動不僅僅為了自己成功的愿望,也想為其他面臨在處理和運送糞便上有相似挑戰的奶農先行一步。
“如果你仍然可以用拉鏟挖掘機(Dragline)處理大部分糞便,并將成本保持在每加侖約1.5美分以下,那就可能不會有償還,”他說。“但是一旦你開始了每加侖處理成本超過2美分,我認為該系統將會償還相當大的紅利。”
Richardson預測,目前使用再用沙或移除固形物技術的奶牛場,也可以準備采用下一步的水凈化技術。用于貯存固形物的建筑物也是一種意外收益。“因為用于處理沙的建筑物占了成本項目的20%,”他補充說。“如果該建筑已經存在了,那將節省大量的成本。”
還有,具有運轉沼氣發生裝置的奶牛場可能不再需要為水建筑物購置熱交換器了。正在擴大規模的奶牛場如果建設新的糞便貯存設施,也成為主要的適用或候補的對象。“你可以將這一資本成本(即糞便貯存)改換成超濾和反滲透的資本成本,繼而可以見到整個成本的降低,”他說。
Lenzendovf認為,威斯康辛州的奶農并不是該項技術的唯一受益者。“因諸如減少甲烷和水的回收利用等不同原因,其他州也在尋求Aqua系統。例如在加利福尼亞州,法規要求奶農將甲烷的數量減少至上世紀九十年代早期的水平,而且在大量征稅以前只允許使用一定數量的水,”他解釋道。“有了該系統,他們就可以回收水并利用其養分來灌溉農田,讓他們繼續在加州從事農業。”
隨著對農業和自然資源全球可持續發展興趣的日益增長,該系統或其裝置可能遠走世界。對有些奶牛場來說,像Richardson這樣的糞便脫水系統,不僅僅是環境可持續性的關鍵,也是利潤的關鍵。
新方法流程:它是如何工作或運轉的
在Son-Bow奶牛場散欄牛舍下坡的兩座相鄰建筑物,安裝有將奶牛糞便轉變成多種終端產品的設備:循環使用的沙墊料,堆肥的糞便固體,液體肥料和清潔的水。
糞便首先進入“固體建筑物”內,在那里將沙和糞便大顆粒從液流中分離出來。“這是我們正在生產較為清潔臟水的地方”Richardson說。
分離出的沙在運回臥欄作為墊料之前翻堆和移動兩次,而剩下的固形物通過多階段過程去除水分。它首先通過一個篩網,然后經過輥壓后用螺旋輸送至堆肥桶內。
液體然后輸送至離心機去除小的固形物,并將后者運至堆肥桶。在那里,兩個堆肥桶利用糞便本身的細菌產生熱量,加溫至60~76.6℃,保持48小時,確保殺滅細菌和病毒。由此產生的堆肥固體含有72%的水分和28%的干物質,目標是干物質增加至32%。
它本身就是獨特的產品,Richardson為這含有糞污的堆肥找到了市場,盡管它的營養價值可以忽略不計,但商品經銷商Diamond T Ag發現該產品中具有高水平有機物,礦物質,氨基酸和有益細菌的價值,所有這些都以不同于液體肥料的方式強化了土壤的內容物,而液體肥料不具有在蓄糞塘貯存后的“有益菌”。
隨著大部分的固體被去除,固體建筑物內產生的濃縮物開始了自己的加工過程,僅含有1%總溶解固體和只有1.6%總懸浮物的液體,通過地下管道泵入“水建筑物”內。在那里,它經過兩個階段:超濾(UF),然后反滲透。
每天有高達10萬加侖的液體流經UF工藝,它產生兩種液流:“超濾濃厚物”和“茶色水”。超濾濃厚物含有較高水平的懸浮固體以及明顯較多的磷,這樣降低了貯存,運輸和蓄糞塘維修的成本,同時保持了有價值的氨、磷和鉀的水平。每天有三分之一的初始濃縮物進入兩級蓄糞塘,有待于施用農田。
其余三分之二的茶色水經歷第二階段:反滲透,產生幾乎相等數量的一對副產品:“超級茶色水”和純凈水。在該步驟中加入硫酸,將所有剩留的氨氣轉化為銨,然后將其移除。高濃縮的茶色水,僅含有在生糞中存在的一部分磷。
后者儲存在蓄糞塘內,并作為液體肥料泵送或灌溉。由于幾乎所有可測定的固體都已去除,Richardson說最終結果相當于蒸餾水,無色,無味和清澈。該水采用所有可測定標準都是清潔的;然而在目前,它都被轉流至蓄糞塘內,而Richardson卻在等待國家允許其排放至地面水道的批準。
 
自動清洗系統全天候運轉,僅每3~4天停止運轉后有數小時的自行清洗。它由位于威斯康星州南部的Aqua Innovations公司遠程控制。
(本文譯自Progressive Dairyman  2018年第19期,2018年11月24日)
 
 
 





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