Передовые методы переработки навоза становятся все более реалистичными решениями для крупных, консолидированных молочных ферм.
Навоз является ключевым элементом биоцикличности в системах производства молочной продукции, поскольку питательные вещества из коровьего навоза возвращаются в землю для выращивания культур, которые используются в качестве корма для животных.
По мере увеличения поголовья скота и консолидации ферм эта переработка может стать сложной задачей, как из-за увеличения расстояний, на которые необходимо транспортировать навоз, так и из-за того, что объем производимого навоза превышает площадь земель, на которых его можно ответственно использовать. В таких ситуациях могут потребоваться передовые системы переработки навоза, которые позволяют объединить и разделить питательные вещества навоза для облегчения их транспортировки или вывоза с фермы. Хотя эти методы все еще находятся в стадии становления, инновации и разработки последних 10 лет сделали передовые методы переработки навоза более реальными решениями для крупных, консолидированных молочных ферм.
Начните с первичного отделения
Передовые системы переработки навоза обычно внедряются последовательно, начиная с отделения твердой фазы от жидкой. Шнековый пресс, наиболее распространенная система первичного разделения, используемая молочными фермерами для навозной жижи (5–15 % сухого вещества), может уменьшить ее объем на 5–15 % и улавливать около 45 % общего количества твердых веществ [15–20 % общего количества органического и неорганического азота (N), и 10–20 % общего фосфора (P) и калия].
Для некоторых ферм этого может быть достаточно для уменьшения объема и количества питательных веществ, а также для облегчения перекачки отделенной жидкости на большие расстояния или транспортировки выделенных твердых веществ. Полученные твердые вещества также можно компостировать, что может облегчить их экспорт на другие фермы или потенциальную реализацию потребителям. Последовательное разделение (например, ленточный пресс, центрифуга) может еще больше повысить эффективность удаления, достигая почти 60% улавливания твердых веществ и удваивая извлечение питательных веществ.
Сепарация мелких твердых частиц
Если первичная сепарация не может достаточно снизить объем навоза или разделить нутриенты для устранения дисбаланса между размером стада и земельным наделом, можно использовать дополнительные методы и технологии, направленные преимущественно на извлечение фосфора или азота. Фосфор, который обычно содержится в навозе молочного скота в виде нерастворимых солей кальция или магния, может быть извлечен с помощью химически усиленного разделения мелких твердых частиц, ультрафильтрации, намеренного образования струвита или биологического удаления.
Намеренное образование струвита и биологическое удаление пока не являются коммерчески целесообразными из-за более высокого содержания кальция в навозе молочного скота по сравнению с магнием, что ограничивает извлечение струвита, а также из-за сложностей с поддержанием культур водорослей и бактерий, накапливающих фосфор. Однако химически усиленное разделение мелких твердых частиц и ультрафильтрация становятся все более осуществимыми на крупных молочных фермах.
Химически усиленное разделение мелких твердых частиц требует использования железосодержащего коагулянта и/или полимера для объединения и отделения мелких взвешенных твердых частиц, богатых фосфором. В то время как ранние системы, использующие флотацию растворенным воздухом, были большими, энергоемкими и не давали надежно уплотняемого питательно насыщенного твердого вещества, более новые и эффективные прессы с подвижными дисками могут производить уплотненное твердое вещество (25% сухого вещества), содержащее от 85% до 95% поступающего фосфора и органического азота. Твердые вещества могут составлять более 10 кг органического азота и 7,5 кг фосфатного эквивалента на тонну, оставляя низкофосфатную «чайную воду», содержащую 1,2-1,8 кг азота и калийного эквивалента на м3. Основной проблемой для этих систем остается стоимость железосодержащего коагулянта и полимера, которая для некоторых ферм может достигать 25 центов на корову в день.
Ультрафильтрация и извлечение фосфора
Системы ультрафильтрации, в которых используют мембраны для выборочного удаления мелких твердых частиц, богатых фосфором, могут достоверно достигать 95% эффективности удаления общего фосфора и 40% эффективности удаления общего азота. Выбранные мембраны могут использоваться последовательно для преимущественного образования потоков с более высоким или более низким содержанием фосфора и азота. Низкое содержание твердых частиц и питательных веществ в конечном фильтрате также позволяет проводить обратную и прямую осмотическую очистку, в результате которой получается чистая вода, объем которой составляет примерно одну треть от первоначального объема навоза, и может использоваться на ферме или, в некоторых случаях, допускается к сбросу.
Ультрафильтрация — это энергоемкий процесс очистки с существенными эксплуатационными и ремонтными затратами, который в настоящее время применим на молочных фермах с поголовьем более 7000 коров, хотя изучаются возможности его применения на фермах с меньшим поголовьем.
Извлечение азота
Существует несколько подходов, которые можно использовать для извлечения азота после отделения фосфора, однако в настоящее время единственным коммерческим решением для фермерских хозяйств является вермифильтрация. В системе вермифильтрации навоз с низким содержанием твердых частиц пропускается через пассивный реактор со слоями древесных опилок, компостирующих червей, перегноя и других пористых материалов. Питательные вещества удерживаются в вермикомпосте по мере доочистки жидкостей. Вермифильтрация, способная улавливать более 85 % азота и фосфора, занимает большую площадь, требует тщательного управления и, ввиду своей зависимости от червей, может быть наиболее подходящей для молочных регионов страны, таких как Центральная долина Калифорнии. Тем не менее, системы проходят испытания даже на севере, в штате Вашингтон.
Другие стратегии, такие как биологическое превращение аммония и нитратов в газообразный атмосферный азот, или удаление аммиака, при котором изменение pH используется для перевода аммиака в газовую фазу из навоза после анаэробного сбраживания с высоким содержанием аммония, а затем его улавливания в водном потоке, пока не применяются в коммерческом масштабе, хотя пилотные исследования дают обнадёживающие результаты.
Система Varcor, которая подвергает термической обработке и сушит твердые частицы навоза, улетучивает, а затем отдельно улавливает аммиак и конденсирует чистую воду, является еще одной технологией, на которую стоит обратить внимание. Хотя она хорошо зарекомендовала себя в муниципальных системах очистки сточных вод, только несколько крупнейших скотоводческих хозяйств нашей страны исследуют эту систему, и пока результаты неоднозначны.
Планируйте перед инвестированием
Инвестиции в передовые системы утилизации навоза могут быть значительными, поэтому необходимо тщательно оценить ваши потребности и возможности по приобретению, обслуживанию и управлению этими системами. Все передовые системы переработки навоза требуют первичной сепарации и тщательной интеграции с существующей системой утилизации навоза на ферме. Они потребляют много энергии и часто требуют трехфазного питания. Также необходимо учитывать вопросы обработки и хранения новых потоков навоза, возможности их использования на ферме или их рыночную привлекательность за пределами фермы.
Изучите поставщиков, предлагающих эти технологии, посетите фермы, которые их используют, и обсудите со своими консультантами, насколько эти технологии подходят для вашей фермы и смогут ли они решить ваши задачи по консолидации, необходимости в транспортировке и удалении питательных веществ из навоза. Каталог Newtrient Solutions является полезным ресурсом для ознакомления с множеством доступных сегодня вариантов переработки навоза.