过去，人们把家庭废料喂给猪，而把猪粪用作庄稼的肥料。这种系统实际上实现了许多矿物质元素的持续利用，比如磷，从而避免了这些矿务质元素引起的环境问题，尽管当时人们并没有意识到这一点
传统上，养猪生产和作物生产是密切结合在一起的。猪是用剩余作物饲养的，而它们的粪便则可以用作优质的肥料。然而，在过去40年间，养猪生产者和作物生产者都在努力降低生产成本，导致了这种结合的瓦解。作物生产者更愿意采用化肥，因为化肥的有效成分稳定，便于精确计算；而养猪生产者又倾向于以密集的方式把猪养在饲料场和屠宰场的附近。饲料的原料常常是从遥远的地区进口来的，粪便又经水高度稀释，若把粪便当作肥料运到远处的农区施用，从经济上讲就不划算了。这样，粪便就只能施到当地，施用水平常常高于作物的实际需求。
这种生产方式引起了许多环境方面的担忧，于是许多环保人士就推动养猪业向小规模回归，重新与种植业结合在一起。尽管本文介绍的循环系统的某些部分也可以在小型猪场当中应用，但这种系统主要是用来解决大型、集约化猪场的环境问题的。
营养成分在循环系统中的转移途径
这套循环系统的设计思路是对粪便进行加工，生产出增值的产品（图 1.）。粪便最终被转化成能量和灰分。能量的形式可以是电能，也可以是柴油或酒精之类的液体燃料。剩下的贫瘠的灰分可当作猪的饲料添加剂，这样就不必担心粪便中的磷造成环境污染。氮则被加工成为商品级的氮肥，也就解决了氮的污染问题。
这套循环系统中的各个组成部分都是在现有技术的基础上开发的，而且相互之间独立，可单独应用。这套系统的核心部分是经过改造的猪舍系统，加了一个传送带，用来把粪和尿分开，从而显著降低了氨气等异味的排放水平。尿液经过可逆化学吸收系统处理，把氨提取出来。提取出来的氨转到中央处理厂，加工成商品级肥料。半干的粪也转到这个中央处理厂，用来转化为能量。
下面对各个步骤进行详细叙述。
带传送带的猪舍
大约30年前传送带就已经开始在蛋鸡生产中得到应用，效果很成功。这种系统只需很少的人工干预，可连续使用8至10年，鸡粪以干燥的形式收集，氨气和其它异味的排放量很低。然而在猪场中应用传送带有个主要的困难，那就是，猪会排大量的尿液，这些尿液必须与粪分开才能用传送带收集。为了实现这个目的，传送带必须向一侧倾斜，以便尿液可以顺着斜坡流走。
循环系统概览
上面：通过猪舍里的传送带来收集猪粪，猪粪收集时处于干燥状态。然后这些猪粪被输送到一个中央蒸汽气化/液化单元，在这里经过处理，成为液体燃料，或用于发电。
下面：靠重力的作用对尿液进行连续的收集。通过化学交换，尿中的氨被转化为硫酸锌铵，然后输送到中央处理厂，最终转化为硫酸铵，可作为肥料销售。剩下的水可用于灌溉。
典型情况下，猪喜欢朝后面的墙壁排粪，或朝朝栏位之间的隔篱排粪，在设计传送带的时候可充分利用这种行为特征。首先可以采用部分漏缝地板，而在现有的冲水粪沟中安装2米宽的传送带，传送带靠墙安置，靠墙一侧较高，靠中间一侧较低，倾斜角度4度左右（图 2）。在中间较低一侧，可在传送带下方安置尿沟，或将传送带边缘向上卷起，用来当作尿沟。单独安置尿沟的好处是氨气排放可获得最大程度的降低，缺点是固体沉积物（尤其是洒落的饲料）容易堵塞尿沟，形成结块，产生异味。把尿沟和传送带集成在一起的优点是，每次传送带运行时都可以清洗尿沟。然而，集成尿沟会降低粪的干物质含量。
在一般的猪舍温、湿条件下，尿液必须尽快转出猪舍，这一点至关重要。因为，尿一旦被粪污染，其中的尿素就会降解生成氨气，挥发出来。氨气对动物和工作人员都有害处，并且还是造成水体富营养化的原因之一。而在这种地面倾斜、配备传送带的设计当中，尿液可持续排出猪舍。研究显示，这种系统能使氨排放量降低65％至80％，具体数值取决于栏位的肮脏程度。在采用这套系统的猪舍当中，通风量大约50立方米/小时/头猪的情况下，空气中实测的氨气浓度为2－3ppm。及时将尿液清出猪舍可有效减轻异味，因为一部分异味是陈尿产生的。饲养试验显示，与传统猪舍相比，这种系统可使饲料转化效率提高5％。
为了收集到尽可能干燥的猪粪，人们起先认为粪在传送带上停留的时间很重要，认为粪在传送带上停留的时间越长，就会有越长的时间来干燥。后来发现，这个假设是错误的。粪在传送带上留置一天之后，尿液就不易从粪中排出从而积蓄起来，形成粪浆。实际观察结果显示，猪粪收集的时间更重要。下午收集的猪粪最湿，早晨收集的猪粪最干。原因很简单，夜里大部分时间猪在睡觉，不会排尿。这段时间里猪粪就有充分时间干燥。而在白天猪会排尿，从而对下面的猪粪造成了稀释。实践证明，早晨6点钟收集到的粪便最干，干物质含量53％。这个时间收集的猪粪干松，不结块，便于存放和运输。
总结：
猪粪收集时的干物质含量为53％左右
尿液连续清出猪舍
可最大程度抑制氨气及异味
传送带系统易于建造，且可用于多层猪舍建筑
传送带可为各种规模的猪场带来环境效益
蒸汽气化/液化单元
传送带在传统的、部分漏缝地板的猪舍中的安排。在粪沟里安置一条聚丙烯传送带，按4度倾斜角向一侧倾斜，以便尿液可流到收集管当中，而猪粪则留在传送带上被动干燥。每天早晨6点钟收集猪粪，猪粪干物质含量大约为53％。粪尿分离的好处一是可以收集到干松的猪粪，一是可以降低异味和氨气的水平。
蒸汽气化是在缺氧或无氧环境下进行的一种热降解过程。其设计思路是将猪粪间接加热至很高的温度，比如800℃，在这么高的温度下，猪粪会降解成H2、CO、CO2以及CH4等气体，以及矿物质元素构成的灰分。这种处理方式的优点在于，可以将任何具有生物活性的化合物破坏掉，例如抗生素、变性蛋白或病毒等等。
北卡罗莱纳州立大学的蒸汽气化单元采用的是气流床（entrained flow）原理。先用高温蒸汽和一部分循环气体产物将使猪粪悬浮，然后通过螺旋型管道，该螺旋型管道围绕在高温火焰的外部，这样猪粪通过管道时就被加热至800℃，从而发生降解。将气体产物一同注入的目的是为了推动猪粪通过管道。注入蒸汽的目的是为了与猪粪反应生成氢气。其反应原理如下所示。实际应用当中，还会有CO2、CH4、H2S和NH3等气体生成。
C2H4O + H2O ―> 2CO + 3H2
在降解管的末端，通过旋风机和气体清洗器将气体产物与矿物质灰分分离。所生成气体产物的燃烧值接近低标准天然气，可用来驱动发电机或微型涡轮机，用来发电。发电只是在市场条件具备的前提下，多种可行方案中的一种。
猪粪之类的有机废物进入螺旋管道，通过下吸式燃烧炉加热，在高温条件下分解为氢气和一氧化碳，这些气体经过清洗，再在催化剂的作用下合成酒精或柴油。下吸式燃烧炉所产生的剩余热量还用来生成高温蒸汽，注入到有机废物原料当中。剩下的热量可实现有机废物的预干燥。气化后生成的灰分可通过旋风机收集。
还有一个可行方案，就是在催化剂作用下用这些气体来生产酒精或柴油。方法是在高温高压的情况下将这些气体注入催化剂阵列，如果用硫化钼作催化剂，产物就是酒精，如果用二氧化铁硅作催化剂，产物就是柴油。这种系统在经营方面的难度大（成本高），但由于生产出来的是液体燃料，便于运输，所以在没有电力市场的情况下可以考虑采用。
蒸汽气化单元不需额外的能源消耗。其加热能源来自气化过程中的一部分气体产物，如果采用催化过程生产液体燃料，则可利用催化单元中未反应的气体作能源。因此，整个处理过程中的能源是自给自足的，不必额外供应。此外，处理过程不会向空气中释放任何有害物质，如二氧甾之类。
总结：
任何干燥的有机物，包括猪粪，都可以转化为电能或液体燃料
转化过程不会释放有害物质，不会污染环境
这一过程的唯一副产品是无机灰分，很适于作为矿物质添加剂添到猪饲料当中
灰分的循环
拿生长猪料来说，饲料当中15％的质量转化为猪粪干物质。而经过气化过程猪粪干物质当中又有13％转化为灰分。因此，每公斤饲料可生产20克灰分，或2％。灰分中大部分矿物质元素是以氧化物或碳酸盐形式存在，除了硫、氯和氮，这三种元素收集到气体产物的水洗液当中。灰分中的主要元素包括Ca（11.5％）、P（13.3％）和Mg（5.8％），因为这些元素主要是经粪排出的。钠（2.8％）和钾（12.2％）主要经尿排出，因此它们在粪中不是主要元素。
灰分是在气化单元里经过了一个800℃的高温过程之后才收集到的，是消过毒的。因此，从疾病的角度看，把它添回到猪饲料里喂给猪吃是没有问题的。
饲养试验和试验室试验的结果一致显示，这种灰分中矿物质元素的消化率相当于商品矿物质元素添加剂的消化率（例如，石灰石和磷酸氢钙）。这意味着，这种灰分可以当作这套循环系统的增殖产品。
如果用来给猪配日粮，只需加2％的这种灰分（预先用盐酸处理过，以便降低pH值并提供氯）、0.15％食盐和0.6％石灰石即可满足猪对所有常量以及微量矿物质元素的需求。在这个添加比例下，灰分的产出与灰分的利用可达到很好的平衡。所以，在这种循环系统中，磷既不会出现显著的缺乏，也不会出现显著的剩余。
总结：
气化过程产生的灰分当中钙、磷水平较高，消化率也高，适于用作猪的矿物质元素营养来源
循环系统产生出来的灰分中所含的磷能够满足猪对无机磷的需求，猪本身也是这套循环系统的一个环节。
氮的循环
猪排出体外的氮70％都含在尿中，主要以尿素的形式存在。正是因为尿素的迅速降解，所以传统的猪舍系统中才会有大量的氨气。通过降低粪、尿混合，并及时将尿液转出猪舍，可将氨气排放降至最低。
尿是很好的氮肥，但收集时的浓度太低，又不稳定，而且气味难闻（经过短时间存储之后），因此如果直接施到田里，运作起来并不理想，除非是在干燥的气候条件下，采用一套注射系统来帮助施用。处理氮元素的另一种方法是硝化/去氮，许多城市的垃圾处理厂采用的就是这种方法。在这种系统中，借助于微生物，先将氨转化为硝酸盐，之后再将硝酸盐降解为氮气。大气中80％的成分都是氮气，因此氮气是不会造成空气污染的。但尽管这种方法在技术上是不错的，却无法生产出增值的副产品，而是将氮源白白浪费掉了。
猪场运作当中，通过离子交换柱把尿液里的氨提取出来。收集到的氨用浓缩硫酸锌结合，生成硫酸锌氨溶液，再转到一个熔炉里集中处理，生产氨和硫酸锌。硫酸锌重新用到离子交换柱中。氨则与硫酸反应生成硫酸铵，作为商品级化肥出售。
另一种办法是通过可逆的化学吸收系统来提取尿中的氨，例如氨回收处理（ARP）系统（图 5）。该ARP包括一个由含锌树脂构成的交换柱，可与氨气发生可逆结合。尿液通过这个交换柱之后，几乎所有的氨（99.7％）都能够被交换柱结合，剩下的水几乎不含氮、磷，可作为灌溉用水。定期用强酸溶液冲洗交换柱，把氨冲下来，生成硫酸锌铵。硫酸锌铵被转移到中央处理厂进行进一步处理。猪排出体外的氮当中还有另外30％存在于粪中，这部分氮在气化单元当中通过气体清洗器收集，转化成氨气。硫酸锌铵溶液和气化单元中产生的氨气都被转移到熔炉（靠气化单元的余热加热）中，最终产生氨气和硫酸锌。硫酸锌用于离子交换柱的再生。氨气通过装满硫酸的清洗柱，生成硫酸铵溶液，经干燥即可达到化肥级硫酸铵的标准。
总结：
尿氮可转化为无害的氮气
尿氮可通过离子交换系统转化为化肥
应用前景：
整套的系统适合养猪密集的地区应用，在15至20km半径中至少要有500,000头生长猪，以便降低运输成本。其它有机废物，例如家禽垫料、木头，或市政垃圾等，都可用来加工。
从能量角度来说，该系统每天可处理250吨干猪粪，相当于58兆瓦的输入功率。铵40％的转化效率计算，输出功率为23兆瓦，每年按8000小时计算，可输出1.86亿度电。这基本上相当于20,000户居民的用电功率。如果生产液体燃料，如乙醇，则每年可产2300万升。
这种循环系统的实际经济效益仍在调查当中。对于15至20km半径范围内养500,000头猪的情形，初步计算的成本如下。在现有猪舍当中加装传送带的成本大约为7至8美元/猪位。这个成本是按四栋猪舍、每栋养1200头猪计算的，包括尿液处理和粪便储存的成本。粪便运输成本和生成硫酸锌铵的成本约为1.5至3美元/猪位/年。中央处理厂处理猪粪和硫酸锌铵的成本约为11至12美元/猪位/年。生产出来的燃料、灰分和化肥的价值约为23至28美元/猪位/年。这样算来，最差的情况下，循环系统在经济上至少能够持平，做得好的话，每个猪位每年还能创造8.5美元的利润。
上述计算还不包括循环系统可能对猪群健康和生长性能产生的正面作用，也没有考虑现有生产系统当中的本来就存在的粪便处置成本，如果采用了循环系统的话就没有这部分花销了。假设现有的粪便处置成本为3美元/猪位/年，那么采用循环系统后可盈利3至11.5美元/猪位/年。需要指出，由于这种循环系统目前尚未投入运行，因此上述计算均为粗略估算。
对于生猪存栏密度低、不适合采用整套循环系统的地区，把粪便直接施撒到农田里仍然是不错的选择。即便之样，仍可在猪舍里采用传送带，这样有若干个好处：降低氨气和异味的排放；猪粪干燥便于存放；猪粪含磷高，尿含氮高，分开收集，有利于氮、磷的精确施用。
