Анаэробная лагуна или навозная лагуна — это искусственный открытый земляной бассейн, наполненный отходами животного происхождения, который подвергается анаэробному дыханию как часть системы, предназначенной для управления и обработки отходов, образующихся в результате операций по концентрированному кормлению животных (CAFO). Анаэробные лагуны создаются из навозной жижи, которая вымывается из-под загонов для животных и затем подается в лагуну по трубопроводу. Иногда навоз помещают в промежуточный резервуар под сараем или рядом с ним, прежде чем он будет помещен в отстойник. Попадая в отстойник, навоз оседает в два слоя: твердый слой или слой ила и жидкий слой. Затем навоз подвергается процессу анаэробного дыхания, в ходе которого летучие органические соединения превращаются в углекислый газ и метан . Анаэробные отстойники обычно используются для предварительной очистки высококонцентрированных промышленных и городских сточных вод. Это позволяет провести предварительное осаждение взвешенных твердых частиц в качестве процесса предварительной обработки. [1]
Было доказано, что анаэробные лагуны содержат и выделяют вещества, которые могут вызвать неблагоприятные последствия для окружающей среды и здоровья. Эти вещества выбрасываются двумя основными путями: газовые выбросы и перелив лагуны. Выбросы газа происходят постоянно (хотя их количество может меняться в зависимости от сезона) и являются продуктом навозной жижи. Наиболее распространенными газами, выбрасываемыми лагуной, являются: аммиак , сероводород , метан и углекислый газ . Перелив лагуны вызван неисправными лагунами, такими как проломы или неправильная конструкция, или неблагоприятными погодными условиями, такими как увеличение количества осадков или сильный ветер. Эти переливы выделяют в окружающую землю и воду вредные вещества, такие как антибиотики, эстрогены, бактерии, пестициды, тяжелые металлы и простейшие.
В США Агентство по охране окружающей среды (EPA) отреагировало на проблемы окружающей среды и здоровья, ужесточив регулирование CAFO в соответствии с Законом о чистой воде . Некоторые штаты также ввели свои собственные правила. Из-за неоднократных переливов и связанных с этим проблем со здоровьем Северная Каролина запретила строительство новых анаэробных лагун в 1999 году. Также был предпринят значительный толчок к исследованию, разработке и внедрению экологически безопасных технологий , которые позволили бы более безопасно удержать и переработать отходы CAFO. .
Начиная с 1950-х годов с производства птицы, а затем, в 1970-х и 1980-х годах, с производства крупного рогатого скота и свиней, производители мяса в Соединенных Штатах обратились к CAFO как к способу более эффективного производства больших объемов мяса. [2] Этот переход снизил цены на мясо. [3] Однако рост поголовья скота привел к увеличению количества навоза. Например, в 2006 году животноводческие предприятия в США произвели 133 миллиона коротких тонн (121 000 000 тонн) навоза. [2] В отличие от навоза, производимого на обычных фермах, навоз CAFO не может полностью использоваться в качестве прямого удобрения на сельскохозяйственных землях из-за низкого качества навоза. [ нужна цитация ] Кроме того, CAFO производят большой объем навоза. Предприятие по откорму с участием 800 000 свиней может производить более 1,6 миллиона коротких тонн (1 500 000 тонн) отходов в год. [4] С большим количеством навоза, производимого CAFO, необходимо каким-то образом бороться, поскольку неправильное обращение с навозом может привести к повреждению воды, воздуха и почвы. [5] В результате сбор и утилизация навоза становятся все более серьезной проблемой. [6]
Для управления своими отходами CAFO разработали планы очистки сельскохозяйственных сточных вод . Чтобы сэкономить на ручном труде, многие CAFO обрабатывают навоз в жидком виде. [7] В этой системе животные содержатся в загонах с решетчатым полом, чтобы отходы и распыляемую воду можно было слить из желобов под полом и отправить по трубопроводу в резервуары для хранения или анаэробные лагуны. [5] Целью попадания в лагуну является обработка отходов и подготовка их к разбрасыванию на сельскохозяйственных полях. [7] Существует три основных типа лагун: анаэробные, которые ингибируются кислородом; аэробный, требующий кислорода; и факультативный, который поддерживается с кислородом или без него. [7] Аэробные лагуны обеспечивают более высокую степень очистки с меньшим выделением запаха, хотя они требуют значительного количества места и обслуживания. Из-за этого спроса почти все отстойники для скота являются анаэробными лагунами. [7]
Анаэробные лагуны представляют собой земляные бассейны с обычной глубиной 8 футов (2,4 метра), хотя большая глубина более полезна для пищеварения, поскольку сводит к минимуму диффузию кислорода с поверхности. Чтобы свести к минимуму утечку отходов животноводства в грунтовые воды, новые лагуны обычно облицовывают глиной [8]. Исследования показали, что на самом деле в лагунах утечка обычно составляет примерно 1 миллиметр (0,04 дюйма) в день, с глиной или без нее. футеровку, [9] потому что именно ил, отложившийся на дне лагуны, ограничивает скорость утечки, а не глиняная футеровка или подстилающая естественная почва. [10]
Анаэробные лагуны не отапливаются, не аэрируются и не перемешиваются. Анаэробные лагуны наиболее эффективны при более высоких температурах; анаэробные бактерии неэффективны при температуре ниже 15 градусов по Цельсию (59 градусов по Фаренгейту) [11]. Лагуны должны быть отделены от других сооружений на определенное расстояние, чтобы предотвратить загрязнение. Государства регулируют это расстояние. [12] Общий размер отстойника определяется сложением четырех компонентов: минимального расчетного объема, объема хранения навоза между периодами удаления, объема разбавления и объема накопления ила между периодами удаления осадка. [12]
Лагуна разделена на два отдельных слоя: ил и жидкость. Слой ила представляет собой более твердый слой, образующийся в результате наслоения осадков из навоза. [11] Через некоторое время этот твердый слой накапливается и его необходимо очистить. [8] Уровень жидкости состоит из жира, накипи и других частиц. [8] Сточные воды CAFO на жидком уровне поступают на дно отстойника, где они могут смешиваться с активной микробной массой в слое ила. Эти анаэробные условия одинаковы по всей лагуне, за исключением небольшого уровня поверхности. [11]
Иногда на этом уровне применяется аэрация, чтобы ослабить запахи, исходящие из лагун. Если не провести аэрацию поверхности, образуется корка, которая будет удерживать тепло и запахи. [11] Анаэробные лагуны должны удерживать и очищать сточные воды от 20 до 150 дней. [8] За лагунами должны следовать аэробные или факультативные лагуны для обеспечения дальнейшего необходимого лечения. [11] Жидкий слой периодически сливают и используют для удобрения. В некоторых случаях может быть предусмотрена крышка для улавливания метана, который используется для получения энергии. [11]
Анаэробные лагуны работают посредством процесса, называемого анаэробным сбраживанием . [5] Разложение органического вещества начинается вскоре после того, как животные опорожняются. Лагуны становятся анаэробными из-за высокой биологической потребности в кислороде (БПК) фекалий, которые содержат высокий уровень растворимых твердых веществ, что приводит к более высокому БПК. [5] Анаэробные микроорганизмы преобразуют органические соединения в углекислый газ и метан посредством образования кислоты и производства метана. [11]
Уровень заболеваемости астмой у детей, живущих вблизи CAFO, постоянно повышен. [4] Было показано, что в процессе анаэробного сбраживания из лагун высвобождается более 400 летучих соединений. [13] Наиболее распространенными из них являются: аммиак, сероводород, метан и углекислый газ. [4] [5] [14]
В Соединенных Штатах 80 процентов выбросов аммиака приходится на животноводство. [5] Лагуна может испарять до 80 процентов азота [13] по реакции: NH4+-N -> NH3 + H+. По мере увеличения pH или температуры увеличивается и количество улетученного аммиака. [15] После улетучивания аммиака он может перемещаться на расстояние до 300 миль, [13] а на более близких расстояниях он раздражает дыхательные пути. [5] Подкисление и эвтрофикация экосистемы, окружающей лагуны, могут быть вызваны длительным воздействием улетученного аммиака. [16] Этот улетученный аммиак стал причиной масштабного экологического ущерба в Европе и вызывает растущую обеспокоенность в Соединенных Штатах. [15]
При среднем значении более 30 частей на миллиард лагуны имеют высокую концентрацию сероводорода, который очень токсичен. [13] Исследование Агентства по контролю за загрязнением штата Миннесота показало, что концентрация сероводорода вблизи лагун превышает государственный стандарт даже на расстоянии 4,9 миль. [13] Сероводород известен своим неприятным запахом тухлых яиц. Поскольку сероводород тяжелее воздуха, он имеет тенденцию задерживаться в лагунах даже после вентиляции. [17] Уровни сероводорода достигают максимума после перемешивания и во время уборки навоза. [5]
Метан — бесцветный газ без запаха, вкуса и цвета. Лагуны производят около 2 300 000 тонн в год, причем около 40 процентов этой массы поступает из лагун свиноферм. [18] Метан горюч при высоких температурах, а взрывы и пожары представляют реальную угрозу в лагунах или вблизи них. [17] Кроме того, метан является парниковым газом. По оценкам Агентства по охране окружающей среды США, в 1998 году 13 процентов всех выбросов метана приходилось на навоз домашнего скота, и в последние годы это число выросло. [13] В последнее время наблюдается интерес к технологии, которая позволит улавливать метан, добываемый из лагун, и продавать его в качестве энергии. [19]
Водорастворимые загрязнители могут выходить из анаэробных отстойников и попадать в окружающую среду через утечки из плохо построенных или плохо обслуживаемых отстойников, а также во время обильных дождей или сильных ветров, что приводит к переполнению лагун. [2] Эти утечки и переливы могут загрязнять окружающую поверхность и грунтовые воды некоторыми опасными материалами, содержащимися в лагуне. [2] Наиболее серьезными из этих загрязнителей являются патогены, антибиотики, тяжелые металлы и гормоны. Например, стоки с ферм в Мэриленде и Северной Каролине являются основным кандидатом на Pfiesteria piscicida . Этот загрязнитель способен убивать рыбу, а также может вызывать раздражение кожи и кратковременную потерю памяти у людей [20].
Было обнаружено, что более 150 патогенов в навозных отстойниках влияют на здоровье человека. [4] Здоровые люди, вступившие в контакт с возбудителями, обычно быстро выздоравливают. Однако те, у кого ослабленная иммунная система, например больные раком и маленькие дети, имеют повышенный риск более тяжелого заболевания или даже смерти. [4] Около 20 процентов населения США относятся к этой группе риска. [4] Некоторые из наиболее известных патогенов:
Кишечная палочка встречается в кишечнике и фекалиях как животных, так и человека. Один особенно вирулентный штамм, Escherichia coli O157:H7 , обнаруживается специально в просвете крупного рогатого скота, выращенного в CAFO. Поскольку скот кормят кукурузой в CAFO, а не травой, это изменяет pH просвета , делая его более восприимчивым к E. коли . Крупный рогатый скот, откормленный зерном, имеет на 80 процентов больше этого штамма E. coli , чем у крупного рогатого скота, питающегося травой. Однако количество E. coli , обнаруженную в просвете крупного рогатого скота, питающегося зерном, можно значительно уменьшить, переведя животное на траву всего за несколько дней до убоя. [21] Это сокращение уменьшит присутствие патогена как в мясе, так и в отходах крупного рогатого скота, а также уменьшит уровень E . coli , обнаруженная в анаэробных лагунах.
Криптоспоридии — паразит, вызывающий диарею, рвоту, спазмы желудка и лихорадку. Это особенно проблематично, поскольку он устойчив к большинству схем обработки лагун [4]. В исследовании, проведенном в Канаде, 37 процентов образцов жидкого навоза свиней содержали Cryptosporidium. [22]
Другие распространенные патогены (и их симптомы) включают: [4]
Антибиотики скармливают домашнему скоту для предотвращения болезней, увеличения веса и развития, чтобы сократить время от рождения до убоя. Однако, поскольку эти антибиотики вводятся в субтерапевтических дозах, бактериальные колонии могут вырабатывать устойчивость к лекарствам за счет естественного отбора бактерий, устойчивых к этим антибиотикам. Эти устойчивые к антибиотикам бактерии затем выделяются и переносятся в лагуны, где они могут заразить людей и других животных. [13]
Ежегодно скоту в нелечебных целях вводят 24,6 миллиона фунтов противомикробных препаратов . [23] Семьдесят процентов всех антибиотиков и сопутствующих препаратов назначаются животным в виде кормовых добавок. [4] Почти половина используемых антибиотиков практически идентичны тем, которые назначают людям. Имеются убедительные доказательства того, что использование антибиотиков в кормах для животных способствует увеличению числа устойчивых к антибиотикам микробов и делает антибиотики менее эффективными для людей. [4] Из-за опасений по поводу бактерий, устойчивых к антибиотикам, Американская медицинская ассоциация приняла резолюцию, в которой заявляет о своем несогласии с использованием субтерапевтических доз противомикробных препаратов в животноводстве. [13]
Гормоны роста , такие как rBST , эстроген и тестостерон, вводятся для увеличения скорости развития и мышечной массы домашнего скота. Тем не менее, только часть этих гормонов фактически усваивается животным. Остальные выводятся из организма и попадают в лагуны. Исследования показали, что эти гормоны, если они выходят из лагуны и попадают в окружающие поверхностные воды, могут изменить фертильность и репродуктивные привычки водных животных. [4]
Одно исследование показало, что несколько отстойников и контрольных колодцев из двух объектов (питомника и свиноматки при опоросе) содержали высокие уровни всех трех типов эстрогена. В питомнике концентрации эстрона в сточных водах лагуны варьировались от 390 до 620 нг/л , эстриола от 180 до 220 нг/л и эстрадиола от 40 до 50 нг/л . При опоросе свиноматок концентрации эстрона в варочном котле и первичном отстойнике варьировались от 9600 до 24900 нг/л, эстриола от 5000 до 10400 нг/л и эстрадиола от 2200 до 3000 нг/л. Этинилэстрадиол не был обнаружен ни в одной пробе лагуны или грунтовых вод. Естественные концентрации эстрогена в пробах грунтовых вод обычно составляли менее 0,4 нг/л, хотя в нескольких скважинах на питомнике были обнаружены поддающиеся количественной оценке, но низкие уровни» [24] .
Навоз содержит микроэлементы многих тяжелых металлов, таких как мышьяк , медь , селен , цинк , кадмий , молибден , никель , свинец , железо , марганец , алюминий и бор . Иногда эти металлы дают животным в качестве стимуляторов роста, некоторые вводятся с пестицидами, используемыми для избавления скота от насекомых, а некоторые могут проходить через животных в виде непереваренной пищи. [13] Микроэлементы этих металлов и солей из навоза животных представляют опасность для здоровья человека и экосистем. [13]
В 1999 году ураган «Флойд» обрушился на Северную Каролину, затопив лагуны с отходами свиней, выбросив 25 миллионов галлонов навоза в реку Нью-Ривер и загрязнив систему водоснабжения. [25] Ронни Кеннеди, директор округа по гигиене окружающей среды, сказал, что из 310 частных колодцев, которые он проверил на загрязнение после урагана, 9 процентов, что в три раза превышает средний показатель по восточной части Северной Каролины, содержали фекальные колиформные бактерии. Обычно анализы, показывающие малейший намек на наличие фекалий в питьевой воде, что указывает на то, что она может содержать болезнетворные микроорганизмы, являются поводом для немедленных действий. [26]
Анаэробные лагуны строятся как часть системы очистки сточных вод. Таким образом, соблюдение требований и получение разрешений рассматриваются как продолжение этой операции. Таким образом, отстойники для навоза регулируются на уровне штата и страны через CAFO, которое ими управляет. В последние годы из-за последствий для окружающей среды и здоровья, связанных с анаэробными лагунами, Агентство по охране окружающей среды усилило регулирование CAFO, уделяя особое внимание лагунам. [27] Северная Каролина запретила строительство новых анаэробных лагун в 1999 году и оставила в силе этот запрет в 2007 году. [28] [29]
Некоторые исследования были проведены для разработки и оценки экономической целесообразности более экологически чистых технологий. Пять основных альтернатив, которые были реализованы в Северной Каролине, включают: систему отделения твердых веществ/нитрификации-денитрификации/удаления растворимого фосфора; термофильная анаэробная система варочного котла; централизованная система компостирования; система газификации; и система сгорания с псевдоожиженным слоем. [30] Эти системы оценивались на основе их способности: уменьшать воздействие отходов CAFO на поверхностные и грунтовые воды, уменьшать выбросы аммиака, уменьшать утечку болезнетворных микроорганизмов и снижать концентрацию загрязнения тяжелыми металлами. [30]
Министерство сельского хозяйства США (USDA) также оценило перспективу создания программы ограничения и торговли выбросами углекислого газа и закиси азота CAFO. Эту программу еще предстоит реализовать, однако Министерство сельского хозяйства США предполагает, что такая программа будет стимулировать корпорации к внедрению практики EST. [19]
Служба сельскохозяйственных исследований США начала всестороннее исследование анаэробных свиных лагун по всей стране . Целью данного исследования является изучение состава лагун и влияния анаэробных лагун на факторы окружающей среды и агрономические приемы. [31]
СМИ, связанные с анаэробной лагуной, на Викискладе?