图1 新方法工艺包括两个阶段：超滤和反渗透。超滤生产两种产品；高浓度的高磷肥料（左）和低磷的茶色水（中）。反渗透进一步将茶色水分成进入蓄粪塘的“超级”茶色水，和最终清洁和清澈的水（右）。
在威斯康辛州Spring Valley附近的Son-Bow奶牛农场，来自1400头母牛的粪便不再直接进入蓄粪塘（lagoon）。
现在粪便通过沙的分离和回收，然后进行两阶段的新方法工艺，进一步将其分离为三个特殊的副产品：高磷液肥、低磷液肥和相当于蒸馏后的水。
成本控制
根据奶牛场主Jay Richardson的说法，该系统正好削减他的生产成本。“我们预期，每100磅牛奶的成本可以节省1美元80美分，”他说。“我不知道我们是否达到那个目标，但它肯定会在1.5美元以上，而且那是一个很大的数字。”
成本控制一直是Richardson对创新粪便管理系统感兴趣的原始推动力。“当我们装运大量粪便时，连同所有没有养分的水，我们就浪费了钱，而且把沙子也运到田里，”他回忆说。“我们没有得到任何的农学效果，这就是一笔纯粹的费用。”
这到底有多贵？Richardson付过的支票是每加仑2.5美分的运费。为了减少这笔费用，奶牛场购置了自己的运输和操作设备。但是当他计算燃油、劳力、折旧、磨损和损坏以及维修费用时，他发现虽然可变成本较低，但总量却没有变化。“在我们真正投入进去以前，我以为我们会在每加仑2.5美分以下，而一旦我们投入进去了，我震惊得口瞪目呆。”他说。
为了找到竞争的优势，Richardson开始寻找长期控制总体成本的更好办法，同时不牺牲母牛的护理和舒适或环境的可持续性。
图2 Jay Richardson等待允许他将粪便脱水系统中的清洁水排放至地面水道而不回到蓄粪塘的许可。他对水中病原体的减少和饮用的安全性充满信心。
“我们都在寻找某些办法，而我们不知道是什么，但我们知道，我们需要用我们操作粪便和沙子的方法，找出不同的方案，”他回忆道。“其他的事情几乎不会那么昂贵，但它们只是没有解决问题而已。”
在2015年的粪便管理会议上，一次偶然的会面让Richardson得到了他正在寻找的“某些东西”。在那里，他遇到了两家努力使粪便脱水变得可行和有利润的位于威斯康辛州的公司，即Aqua Innovations 和Fox Harvestore公司。
按照Aqua Innovations公司总裁Chris Lenzendovf的说法，虽然它不是市场上第一个分离牛粪的系统，但他们这个与其他系统之间的差异，是一种不使用任何化学品的专利机械工艺。Richardson因这个想法而受到鼓舞，他深入考虑和研究了他们的工艺和数据，并意识到他找到了解决的方案。
“我们的估计是，这将有约3500辆货车减少在路上”，他说。这一数字基于每年减少了1500卡车的粪便离开奶牛场，加上减少了开始的1000卡车的沙子和运出的另1000辆沙子的数量。他把这一信息提供给了他的贷款人，后者很快接受这项技术，并为该项目提供了资金。
“为了降低运营的可变成本，我们愿意增加固定资本成本，”他补充道。“对于那些寻求扩大规模并想采用机器人技术的人来说，其情况有些类似，即预先投放大量的资本资金。但这样做，是因为他们相信投资的回报将是现金流。”
今天，曾经的愿景现已全面展开。粪肥分离建筑物已经建立起来，并自2018年3月开始运转，随后在7月启动了超滤（UF）和反渗透工艺（“水建筑物”）。请见下图它是如何运转的。到现在仍然很好。
经过几个月的全面运转以后，Richardson表示，该技术大部分都按计划在运转，并在过程中有一些了解和微调。
“沙子部分肯定有所作用”，他说。当沙子从新沙改换成再生沙用作为垫料时，我们的牛群没有出现过任何的问题，一切正常，即使经过整个夏天，体细胞计数仍然维持在9万。“我们知道，我们从中看到了最快的好处。”
热应激季节也带来意想不到的挑战：母牛的降温需要额外的用水量。“由于牛舍中降温喷淋设备的运转，我们在夏季所用的水量比我们所想的要多2～3倍，” Richardson说。额外的水量促使离心机的运转比原计划更为艰难，虽然设备仍然保持运转并继续加工成更为干燥的产品。
尽管用了更多的水，但Richardson还是对水建筑物内的设备保持良好的状态和能力感到满意。两个超滤设备顺利地处理着大容量物料，而反渗透仍然一天只运行3～4次，每次约1.5个小时。
“即使我们有更多的吞吐量要处理，我们仍然可以提供额外的容量，”他说。“有可能，瓶颈还在于现阶段运行的离心机，但那只是吞吐量和磨损之间的问题。”
在夏季中运行的两台UF设备，其用电量略高于预期数，但由于只需要一台UF设备就能处理正常的容量，他预计将会回复到原有估计的运营成本。到目前为止，电力成本已成为固体建筑物中的努力目标。
进入第一个完整的威斯康星州冬季，Richardson对该系统的水流槽（Hume）质量有些担心。“我们可能不得不增加额外的水量保持水流槽的正常运转，但我们经常有这个问题，”他说。“我们知道，我们可以减少用于挤奶厅的水量，并用它来清理沙子。”
然而他并不担心冰冻。固体建筑物在去年春天开始建立时就迅速升温，水建筑物中的UF设备的热交换器也提供了热量或温度，同时还有补充的热源。
学习技术的最好管理方法，是一种进展中的工作，但Richardson仍然关注最终的过程。“我们已经了解到，我们需要在什么是最终产品上更好地平衡整个系统，” Richardson说。“我们知道我们仍然需用干净的水作为终端。”
最好的还在后头
虽然重复用沙，不使固形物进入蓄粪塘，而且减少了在塘内搅拌的成本，而这些都是成功的，但Richardson认为，只有在州政府授予他允许将清洁的水排入当地的水道，而不是回放至贮存的蓄粪塘以后，他才真正可以节省运输的费用。
一旦他得到威斯康辛州政府自然资源部门的允许，Richardson就能期望在财务和环境方面获得全部的收益。
Aqua Innovations公司的Lenzendovf希望很快就能实现这一目标。“在下一个立法周期，立法者将会把重点放在精简农民的排放许可程序上，并利用来自处理系统中的养分在生长季节期间施用于农田，而不是在春天和秋天期间将粪尿洒布于农田，”他解释道。“当有机物产生自该系统时，它们几乎没有病原体，因而能够在农作物需要它们的时候，有计划地用于农田。粪便灌溉一直是一个备受争议的话题，但随着病原体的逐渐消除和养分的控制，它将成为更为公认的做法。”
总而言之，Richardson承认系统本身并不是最令人头痛的问题，整个合作的最大挑战，是如何应对法规监控的过程，这几乎使他到了将要放弃的程度。“政府的法规和官僚机构没有跟随技术的步伐，”他这样说。“最重要的是，这个项目已经在不同的阶段持续了一年半，而且我们仍然没有放弃。”
然而Richardson将他的受挫转化为动力，并坚持将清洁水排放回环境的决心和要求。他的这种行动不仅仅为了自己成功的愿望，也想为其他面临在处理和运送粪便上有相似挑战的奶农先行一步。
“如果你仍然可以用拉铲挖掘机（Dragline）处理大部分粪便，并将成本保持在每加仑约1.5美分以下，那就可能不会有偿还，”他说。“但是一旦你开始了每加仑处理成本超过2美分，我认为该系统将会偿还相当大的红利。”
Richardson预测，目前使用再用沙或移除固形物技术的奶牛场，也可以准备采用下一步的水净化技术。用于贮存固形物的建筑物也是一种意外收益。“因为用于处理沙的建筑物占了成本项目的20%，”他补充说。“如果该建筑已经存在了，那将节省大量的成本。”
还有，具有运转沼气发生装置的奶牛场可能不再需要为水建筑物购置热交换器了。正在扩大规模的奶牛场如果建设新的粪便贮存设施，也成为主要的适用或候补的对象。“你可以将这一资本成本（即粪便贮存）改换成超滤和反渗透的资本成本，继而可以见到整个成本的降低，”他说。
Lenzendovf认为，威斯康辛州的奶农并不是该项技术的唯一受益者。“因诸如减少甲烷和水的回收利用等不同原因，其他州也在寻求Aqua系统。例如在加利福尼亚州，法规要求奶农将甲烷的数量减少至上世纪九十年代早期的水平，而且在大量征税以前只允许使用一定数量的水，”他解释道。“有了该系统，他们就可以回收水并利用其养分来灌溉农田，让他们继续在加州从事农业。”
随着对农业和自然资源全球可持续发展兴趣的日益增长，该系统或其装置可能远走世界。对有些奶牛场来说，像Richardson这样的粪便脱水系统，不仅仅是环境可持续性的关键，也是利润的关键。
新方法流程：它是如何工作或运转的
在Son-Bow奶牛场散栏牛舍下坡的两座相邻建筑物，安装有将奶牛粪便转变成多种终端产品的设备：循环使用的沙垫料，堆肥的粪便固体，液体肥料和清洁的水。
粪便首先进入“固体建筑物”内，在那里将沙和粪便大颗粒从液流中分离出来。“这是我们正在生产较为清洁脏水的地方”Richardson说。
分离出的沙在运回卧栏作为垫料之前翻堆和移动两次，而剩下的固形物通过多阶段过程去除水分。它首先通过一个筛网，然后经过辊压后用螺旋输送至堆肥桶内。
液体然后输送至离心机去除小的固形物，并将后者运至堆肥桶。在那里，两个堆肥桶利用粪便本身的细菌产生热量，加温至60～76.6℃，保持48小时，确保杀灭细菌和病毒。由此产生的堆肥固体含有72%的水分和28%的干物质，目标是干物质增加至32%。
它本身就是独特的产品，Richardson为这含有粪污的堆肥找到了市场，尽管它的营养价值可以忽略不计，但商品经销商Diamond T Ag发现该产品中具有高水平有机物，矿物质，氨基酸和有益细菌的价值，所有这些都以不同于液体肥料的方式强化了土壤的内容物，而液体肥料不具有在蓄粪塘贮存后的“有益菌”。
随着大部分的固体被去除，固体建筑物内产生的浓缩物开始了自己的加工过程，仅含有1%总溶解固体和只有1.6%总悬浮物的液体，通过地下管道泵入“水建筑物”内。在那里，它经过两个阶段：超滤（UF），然后反渗透。
每天有高达10万加仑的液体流经UF工艺，它产生两种液流：“超滤浓厚物”和“茶色水”。超滤浓厚物含有较高水平的悬浮固体以及明显较多的磷，这样降低了贮存，运输和蓄粪塘维修的成本，同时保持了有价值的氨、磷和钾的水平。每天有三分之一的初始浓缩物进入两级蓄粪塘，有待于施用农田。
其余三分之二的茶色水经历第二阶段：反渗透，产生几乎相等数量的一对副产品：“超级茶色水”和纯净水。在该步骤中加入硫酸，将所有剩留的氨气转化为铵，然后将其移除。高浓缩的茶色水，仅含有在生粪中存在的一部分磷。
后者储存在蓄粪塘内，并作为液体肥料泵送或灌溉。由于几乎所有可测定的固体都已去除，Richardson说最终结果相当于蒸馏水，无色，无味和清澈。该水采用所有可测定标准都是清洁的；然而在目前，它都被转流至蓄粪塘内，而Richardson却在等待国家允许其排放至地面水道的批准。
自动清洗系统全天候运转，仅每3～4天停止运转后有数小时的自行清洗。它由位于威斯康星州南部的Aqua Innovations公司远程控制。
（本文译自Progressive Dairyman 2018年第19期，2018年11月24日）