Le Dr Eunsung Kan voit son concept d'une ferme laitière en boucle fermée, qui réutilise les eaux usées, n'émet aucun déchet et s'alimente au fumier, comme l'avenir de l'élevage durable.

Kan, un ingénieur chimiste et environnemental de Texas A&M AgriLife Research à Stephenville, a déclaré que son concept pourrait changer la façon dont les laiteries, les fermes porcines et avicoles traitent le fumier, les eaux usées et les gaz à effet de serre tout en utilisant les déchets pour produire de l'électricité.

Les déchets animaux sont une bénédiction et une malédiction pour les laiteries.

Le fumier est vendu aux agriculteurs locaux qui ont besoin d'infuser des nutriments dans le sol pour les cultures et le fourrage. Cependant, des tonnes de fumier peuvent également être pénibles sur le plan logistique, car les installations suivent le traitement et la distribution de grandes quantités de matériaux problématiques pour l'environnement surveillés par les régulateurs environnementaux des États et du gouvernement fédéral.

Les exploitations agricoles ont été impliquées dans des niveaux d'azote et de phosphore supérieurs à la normale, antibiotiques, métaux lourds et hormones dans les eaux de surface et souterraines en aval des installations. Le fumier est également un contributeur connu aux émissions de gaz à effet de serre, comme le méthane et le dioxyde de carbone.

Le service de conservation des ressources naturelles du département de l'Agriculture des États-Unis estime que le fumier d'une laiterie qui traite 200 vaches peut produire autant d'azote que les eaux usées d'une communauté de 5, 000-10, 000 personnes.

La recherche de Kan utiliserait la technologie existante - biochar, un matériau carboné similaire au charbon de bois, créé à partir de fumier animal et de déchets agricoles, comme le chaume de maïs ou la paille de riz - qui seraient utilisés pour filtrer les déchets solides et les effluents. Le biochar pourrait être utilisé comme engrais à libération lente ou transformé, par pyrolyse, qui est la décomposition de la matière organique par la chaleur, en énergie pour alimenter la ferme.

Le concept laitier en boucle fermée se concentre sur trois objectifs principaux - le traitement des eaux usées à l'aide de biochar dérivé du fumier laitier, produire de la bioénergie à partir de fumier laitier et capter les gaz à effet de serre par adsorption sur du biochar issu du fumier laitier, dit Kan.

Biochar s'est avéré fournir une chimie de surface bénéfique qui peut filtrer un large éventail de contaminants, dont l'azote et le phosphore, il a dit. Lorsque la surface du biochar est modifiée avec plusieurs méthodes dans un laboratoire, il a montré une capacité à capter les antibiotiques, pesticides, les hormones, métaux lourds et autres contaminants possibles.

"La mission est le traitement et la réutilisation des eaux usées laitières et la conversion des déchets laitiers en énergie pour alimenter l'installation, " Il a dit. " Il se concentre sur la fourniture d'un modèle pour l'agriculture durable. "

L'année dernière, Kan a reçu une subvention d'un million de dollars du Texas A&M University Chancellor's Research Initiative Fund pour étudier la viabilité du système laitier en boucle fermée. Avant de rejoindre AgriLife Research, il a également reçu environ 400 $, 000 en bourses de recherche de l'Environmental Protection Agency, U.S. Department of Agriculture et U.S. Gelogic Survey pour étudier le potentiel du concept pour traiter les déchets animaux, contrôler les émissions de gaz à effet de serre et convertir le fumier en énergie.

Système conceptuel

La laiterie en circuit fermé est un concept relativement simple, dit Kan.

Les vaches produisent du fumier, qui, lorsqu'il est mélangé avec des restes de cultures locales, peut devenir une source apparemment infinie de matériau filtrant, engrais et énergie.

Des colonnes remplies de biochar agiraient comme un système de purification de l'eau qui filtre l'azote, phosphore et autres contaminants du liquide lors de son passage, dit Kan.

« L'affluent de la colonne serait alors très pauvre en azote et en phosphore, ", a-t-il déclaré. "Si nous filtrons à de faibles niveaux d'azote et de phosphore, cela ne causerait aucun problème environnemental."

Le biochar utilisé pour filtrer l'azote et le phosphore pourrait ensuite être utilisé comme engrais à libération lente qui fournit les nutriments nécessaires aux plantes et ne serait pas emporté par le ruissellement des fortes pluies. En outre, le biochar immobilisé avec des photocatalyseurs décomposerait les contaminants toxiques en produits inoffensifs lorsqu'ils sont irradiés par exposition à la lumière ultraviolette.

Par exemple, L'étude de Kan a montré qu'un biochar immobilisé avec des photocatalyseurs dégradait complètement les composés antibiotiques et hormonaux tout en contrôlant efficacement les agents pathogènes. Le potentiel d'utilisation du biochar pour filtrer les eaux usées va au-delà de l'agriculture et pourrait être appliqué à n'importe quelle usine de traitement des eaux usées, ou encore pour filtrer les contaminants dans l'eau d'injection utilisée dans l'industrie pétrolière pour la fracturation hydraulique.

Pour l'énergie, le fumier laitier serait introduit dans un réacteur de pyrolyse sur place qui utiliserait une chaleur relativement faible, 500-1, 000 degrés Fahrenheit, pour créer de l'hydrogène comprimé et du gaz de synthèse de monoxyde de carbone qui peuvent être utilisés pour créer de l'énergie électrique, dit Kan. L'électricité excédentaire pourrait être vendue à des entreprises de services publics locales. Le sous-produit de la pyrolyse du fumier laitier est le biochar.

« Le principe est très simple, ", a déclaré Kan. "La laiterie aurait juste besoin d'un réacteur de taille différente pour répondre à son échelle de production de fumier et à ses besoins énergétiques."

Dr Sergio Capareda, un ingénieur agronome d'AgriLife Research à College Station, a prouvé la conversion pyrolytique du fumier laitier en gaz de synthèse et en biochar à partir de son projet financé par l'USDA, dit Kan. Kan prévoit de faire progresser ce concept en convertissant biologiquement le gaz de synthèse en butanol et en biocarburant pour les avions en tant que carburants de transport alternatifs, et le développement de procédés à base de biochar pour le traitement des eaux usées et le contrôle des gaz à effet de serre.

Plusieurs autres chercheurs et ingénieurs du système Texas A&M collaborent avec Kan, et l'intérêt pour le concept grandit parmi les institutions publiques et les entreprises privées.

Du concept à la réalité

Kan produira une version à l'échelle du laboratoire de la laiterie en boucle fermée pour déterminer l'échelle nécessaire pour l'application et l'expérimentation au Southwest Regional Dairy Center voisin à Stephenville, une laiterie privée exploitée par la Tarleton State University et utilisée à des fins éducatives. Il espère avoir un système, comprenant le réacteur de pyrolyse, d'exploitation à la laiterie d'ici trois à quatre ans.

« Avoir la ferme laitière ici offre une bonne opportunité pour les données de terrain, ", a-t-il déclaré. "Les démonstrations sur le terrain nous aideront à résoudre tous les problèmes qui pourraient survenir aux différentes échelles qui pourraient être appliqués par les fermes animales commerciales."

La laiterie produit du lait qui est transformé pour la consommation et en produits tels que le fromage et le yogourt et vendu dans les épiceries locales.

Argile Dameron, le responsable des déchets de la laiterie, dit qu'entre 300 et 400 vaches sont traites quotidiennement. Ces vaches produisent du fumier et des effluents qui sont traités via un système de lagunage conventionnel. Environ 90 à 130 tonnes de solides sont déplacées toutes les trois semaines vers les terres cultivées et les pâturages voisins où elles sont utilisées comme engrais. Les liquides traités de la lagune sont dispersés via des asperseurs dans les champs voisins.

Kan a déclaré qu'il pensait que le système en boucle fermée s'avérerait être un modèle logistiquement et financièrement viable pour les producteurs laitiers à mettre en œuvre à l'avenir. Il s'attend à ce que son projet pilote à la laiterie régionale produise des données qui attireront plus d'intérêt et d'investissements de la part des institutions publiques et des entreprises privées.

"C'est très excitant, " a-t-il déclaré. " J'ai hâte de travailler avec mes collaborateurs et collègues pour faire de ce concept une réalité qui pourrait changer la façon dont les laiteries fonctionnent en fournissant un système autosuffisant, modèle respectueux de l'environnement."