Una laguna anaeróbica o laguna de estiércol es una cuenca de tierra al aire libre hecha por el hombre llena de desechos animales que se somete a respiración anaeróbica como parte de un sistema diseñado para manejar y tratar los desechos creados por las operaciones concentradas de alimentación animal (CAFO). Las lagunas anaeróbicas se crean a partir de una lechada de estiércol, que se lava de debajo de los corrales de los animales y luego se canaliza a la laguna. A veces, la lechada se coloca en un tanque de almacenamiento intermedio debajo o al lado de los establos antes de depositarse en una laguna. Una vez en la laguna, el estiércol se deposita en dos capas: una capa sólida o de lodo y una capa líquida. Luego, el estiércol se somete al proceso de respiración anaeróbica, mediante el cual los compuestos orgánicos volátilesse convierten en dióxido de carbono y metano . Las lagunas anaeróbicas se utilizan generalmente para pretratar aguas residuales industriales de alta resistencia y aguas residuales municipales. Esto permite la sedimentación preliminar de sólidos en suspensión como proceso de pretratamiento. [1]
Se ha demostrado que las lagunas anaeróbicas albergan y emiten sustancias que pueden causar efectos adversos para la salud y el medio ambiente. Estas sustancias se emiten a través de dos vías principales: emisiones de gas y desbordamiento de lagunas. Las emisiones de gas son continuas (aunque la cantidad puede variar según la temporada) y son producto de la propia lechada de estiércol. Los gases más prevalentes emitidos por la laguna son: amoníaco , sulfuro de hidrógeno , metano y dióxido de carbono . El desbordamiento de la laguna es causado por lagunas defectuosas, como grietas o construcción inadecuada, o condiciones climáticas adversas, como aumento de las precipitaciones o vientos fuertes. Estos desbordamientos liberan sustancias nocivas en la tierra y el agua circundantes, como antibióticos , estrógenos , bacterias , pesticidas , metales pesados y protozoos .
En los EE. UU., La Agencia de Protección Ambiental (EPA) ha respondido a las preocupaciones ambientales y de salud fortaleciendo la regulación de las CAFO bajo la Ley de Agua Limpia (CWA). Algunos estados también han impuesto sus propias regulaciones. Debido a los repetidos desbordamientos y los problemas de salud resultantes, Carolina del Norte prohibió la construcción de nuevas lagunas anaeróbicas en 1999. También ha habido un impulso significativo para la investigación, el desarrollo y la implementación de tecnologías ecológicamente racionales (EST) que permitirían una contención y un reciclaje más seguros. de residuos CAFO.
Fondo
Comenzando en la década de 1950 con la producción avícola, y luego en las décadas de 1970 y 1980 con ganado y cerdos, los productores de carne en los Estados Unidos han recurrido a la operación de alimentación animal concentrada (CAFO) como una forma de producir de manera más eficiente grandes cantidades de carne. [2] Este cambio ha beneficiado al consumidor de los Estados Unidos al aumentar la cantidad de carne que se puede cultivar, lo que reduce el precio de la carne. [3] Sin embargo, el aumento de la ganadería ha generado un aumento del estiércol. En 2006, por ejemplo, las operaciones ganaderas en los Estados Unidos produjeron 133 millones de toneladas cortas (121 millones de toneladas) de estiércol. [2] A diferencia del estiércol producido en una granja convencional, el estiércol CAFO no puede usarse como fertilizante directo en tierras agrícolas debido a la mala calidad del estiércol. [ cita requerida ] Además, las CAFO producen un alto volumen de estiércol. Una operación de alimentación con 800.000 cerdos podría producir más de 1,6 millones de toneladas cortas (1.500.000 toneladas) de desechos al año. [4] La gran cantidad de estiércol producido por una CAFO debe tratarse de alguna manera, ya que un manejo inadecuado del estiércol puede resultar en daños al agua, aire y suelo. [5] Como resultado, la recolección y eliminación de estiércol se ha convertido en un problema cada vez mayor. [6]
Para gestionar sus residuos, las CAFO han desarrollado planes de tratamiento de aguas residuales agrícolas . Para ahorrar en mano de obra, muchas CAFO manipulan los desechos de estiércol en forma líquida. [7] En este sistema, los animales se mantienen en corrales con pisos enrejados para que los desechos y el agua de aspersión puedan drenarse de las canaletas debajo del piso y canalizarse a los tanques de almacenamiento o lagunas anaeróbicas. [5] Una vez en una laguna, el propósito es tratar los desechos y hacerlos aptos para esparcirlos en campos agrícolas. [7] Hay tres tipos principales de laguna: anaeróbica, que es inhibida por el oxígeno; aeróbico, que requiere oxígeno; y facultativo, que se mantiene con o sin oxígeno. [7] Las lagunas aeróbicas proporcionan un mayor grado de tratamiento con menos producción de olores, aunque requieren una cantidad significativa de espacio y mantenimiento. Debido a esta demanda, casi todas las lagunas ganaderas son lagunas anaeróbicas. [7]
Diseño
Descripción
Las lagunas anaeróbicas son cuencas de tierra con una profundidad habitual de 8 pies (2,4 metros), aunque las profundidades mayores son más beneficiosas para la digestión, ya que minimizan la difusión de oxígeno desde la superficie. Para minimizar la fuga de desechos animales al agua subterránea, las lagunas más nuevas generalmente están revestidas con arcilla [8]. Los estudios han demostrado que, de hecho, las lagunas generalmente se filtran a una velocidad de aproximadamente 1 milímetro (0.04 pulgadas) por día, con o sin arcilla. revestimiento, [9] porque es el lodo depositado en la base de la laguna lo que limita la tasa de fuga, no el revestimiento de arcilla o el suelo nativo subyacente. [10] Las lagunas anaeróbicas no se calientan, airean ni mezclan. Las lagunas anaeróbicas son más efectivas en temperaturas más cálidas; las bacterias anaeróbicas son ineficaces por debajo de los 15 grados Celsius (59 grados Fahrenheit) [11] Las lagunas deben estar separadas de otras estructuras por una cierta distancia para evitar la contaminación. Los estados regulan esta distancia de separación. [12] El tamaño total de la laguna se determina mediante la adición de cuatro componentes: volumen mínimo de diseño, volumen de almacenamiento de estiércol entre períodos de eliminación, volumen de dilución y volumen de acumulación de lodos entre períodos de eliminación de lodos. [12]
Proceso
La laguna se divide en dos capas distintas: lodos y líquidos. La capa de lodo es una capa más sólida formada por la estratificación de sedimentos del estiércol. [11] Después de un tiempo, esta capa sólida se acumula y eventualmente necesita ser limpiada. [8] El nivel del líquido está compuesto de grasa, espuma y otras partículas. [8] Las aguas residuales CAFO de nivel líquido ingresan al fondo de la laguna para que puedan mezclarse con la masa microbiana activa en la capa de lodo. Estas condiciones anaeróbicas son uniformes en toda la laguna, excepto en un nivel superficial pequeño. [11] A veces se aplica aireación a este nivel para amortiguar los olores emitidos por las lagunas. Si no se aplica aireación en la superficie, se formará una costra que atrapará el calor y los olores. [11] Las lagunas anaeróbicas deben retener y tratar las aguas residuales de 20 a 150 días. [8] Las lagunas deben ir seguidas de lagunas aeróbicas o facultativas para proporcionar el tratamiento necesario adicional. [11] La capa líquida se drena periódicamente y se utiliza como fertilizante. En algunos casos, se puede proporcionar una cubierta para atrapar el metano, que se utiliza para generar energía. [11] Las lagunas anaeróbicas funcionan mediante un proceso llamado digestión anaeróbica . [5] La descomposición de la materia orgánica comienza poco después de que los animales orinan. Las lagunas se vuelven anaeróbicas debido a la alta demanda biológica de oxígeno (DBO) de las heces, que contiene un alto nivel de sólidos solubles, lo que resulta en una DBO más alta. [5] Los microorganismos anaeróbicos convierten compuestos orgánicos en dióxido de carbono y metano mediante la formación de ácido y la producción de metano. [11]
Ventajas de la construcción
- El estiércol se puede manipular fácilmente con agua mediante sistemas de descarga, alcantarillado, bombas y sistemas de riego [7].
- La estabilización de los desechos mediante la digestión minimiza el olor cuando el estiércol se utiliza finalmente como fertilizante [7]
- El estiércol se puede almacenar a largo plazo a bajo costo [7]
- El estiércol está todo en un área, en lugar de esparcirse en una gran área de tierra (esto se llama WES, Waste Enlargement System).
Desventajas de la construcción
- Requiere un área de tierra relativamente grande [11]
- Produce fuertes olores indeseables, especialmente durante la primavera y el otoño [7].
- La estabilización orgánica requiere bastante tiempo debido a la lenta tasa de digestión del lodo y la lenta tasa de crecimiento de los formadores de metano.
- El estiércol utilizado como fertilizante es de menor calidad debido a la escasa disponibilidad de nutrientes [7].
- Pueden producirse filtraciones de aguas residuales si los tanques se rompen o están mal construidos [11]
- El clima y otros elementos ambientales pueden afectar fuertemente la seguridad y eficacia de las lagunas anaeróbicas [11]
Impactos ambientales y de salud
Emisiones de gas
Las tasas de asma en los niños que viven cerca de una CAFO son constantemente elevadas. [4] Se ha demostrado que el proceso de digestión anaeróbica libera más de 400 compuestos volátiles de las lagunas. [13] Los más frecuentes son: amoníaco , sulfuro de hidrógeno , metano y dióxido de carbono . [4] [5] [14]
Amoníaco
En los Estados Unidos, el 80 por ciento de las emisiones de amoníaco provienen de la producción ganadera. [5] Una laguna puede vaporizar hasta el 80 por ciento de su nitrógeno [13] a través de la reacción: NH4 + -N -> NH3 + H +. A medida que aumenta el pH o la temperatura, también lo hace la cantidad de amoníaco volatilizado. [15] Una vez que el amoníaco se ha volatilizado, puede viajar hasta 300 millas, [13] ya distancias más cortas es un irritante respiratorio. [5] La acidificación y eutrofización del ecosistema que rodea las lagunas podría deberse a una exposición prolongada al amoníaco volatilizado. [16] Este amoníaco volatilizado se ha implicado en daños ecológicos generalizados en Europa y es una preocupación creciente para los Estados Unidos. [15]
Sulfuro de hidrógeno
Con promedios superiores a 30 ppb, las lagunas tienen una alta concentración de sulfuro de hidrógeno , que es altamente tóxico. [13] Un estudio realizado por la Agencia de Control de la Contaminación de Minnesota ha encontrado que las concentraciones de sulfuro de hidrógeno cerca de las lagunas han excedido el estándar estatal, incluso tan lejos como 4.9 millas. [13] El sulfuro de hidrógeno es reconocible por su desagradable olor a huevo podrido. Debido a que el sulfuro de hidrógeno es más pesado que el aire, tiende a permanecer alrededor de las lagunas incluso después de la ventilación. [17] Los niveles de sulfuro de hidrógeno están en su punto más alto después de la agitación y durante la remoción del estiércol. [5]
Metano
El metano es un gas inodoro, insípido e incoloro. Las lagunas producen alrededor de 2.300.000 toneladas por año, y alrededor del 40 por ciento de esta masa proviene de las lagunas de granjas porcinas. [18] El metano es combustible a altas temperaturas y las explosiones e incendios son una amenaza real en las lagunas o cerca de ellas. [17] Además, el metano es un gas de efecto invernadero. La EPA de EE. UU. Estimó que el 13 por ciento de todas las emisiones de metano provenían del estiércol de ganado en 1998, y este número ha aumentado en los últimos años. [13] Recientemente ha habido interés en la tecnología que capturaría el metano producido en las lagunas y lo vendería como energía. [19]
Contaminantes solubles en agua
Los contaminantes que son solubles en agua pueden escapar de las lagunas anaeróbicas y entrar al medio ambiente a través de fugas de lagunas de estiércol mal construidas o mal mantenidas, así como durante lluvias excesivas o vientos fuertes, lo que resulta en un desbordamiento de las lagunas. [2] Estas fugas y desbordamientos pueden contaminar las aguas superficiales y subterráneas circundantes con algunos materiales peligrosos que se encuentran en la laguna. [2] Los más graves de estos contaminantes son los patógenos, los antibióticos, los metales pesados y las hormonas. Por ejemplo, la escorrentía de granjas en Maryland y Carolina del Norte es un candidato principal para Pfiesteria piscicida . Este contaminante tiene la capacidad de matar peces y también puede causar irritación de la piel y pérdida de memoria a corto plazo en los seres humanos [20].
Patógenos
Más de 150 patógenos en lagunas de estiércol que se ha encontrado que impactan la salud humana. [4] Las personas sanas que entran en contacto con patógenos generalmente se recuperan rápidamente. Sin embargo, quienes tienen un sistema inmunológico debilitado, como los pacientes con cáncer y los niños pequeños, tienen un mayor riesgo de padecer una enfermedad más grave o incluso la muerte. [4] Aproximadamente el 20 por ciento de la población de EE. UU. Se clasifica en este grupo de riesgo. [4] Algunos de los patógenos más notables son:
E . coli
E. coli se encuentra en los intestinos y heces de animales y humanos. Una cepa particularmente virulenta , Escherichia coli O157: H7 , se encuentra específicamente en la luz del ganado criado en CAFO. Debido a que el ganado se alimentan de maíz en CAFOs en lugar de hierba, esto cambia el pH de la luz de manera que sea más hospitalario para E . coli . Ganado alimentado con granos tienen 80 por ciento más de esta cepa de E . coli que el ganado alimentado con pasto. Sin embargo, la cantidad de E . coli que se encuentra en la luz del ganado alimentado con granos se puede reducir significativamente cambiando un animal a pasto solo unos días antes del sacrificio. [21] Esta reducción podría disminuir la presencia del patógeno en carne y los residuos del ganado, y disminuir el E . coli en lagunas anaeróbicas.
El derrame de New River
En 1999, el huracán Floyd azotó Carolina del Norte, inundando lagunas de desechos de cerdos, liberando 25 millones de galones de estiércol en el río New River y contaminando el suministro de agua. [22] Ronnie Kennedy, director de salud ambiental del condado, dijo que de 310 pozos privados que había analizado para detectar contaminación desde la tormenta, el 9 por ciento, o tres veces el promedio en el este de Carolina del Norte, tenían bacterias coliformes fecales . Normalmente, las pruebas que muestran cualquier indicio de heces en el agua potable, una indicación de que puede ser portador de patógenos causantes de enfermedades, son motivo de acción inmediata. [23]
Cryptosporidium
Cryptosporidium es un parásito que causa diarrea, vómitos, calambres estomacales y fiebre. Es particularmente problemático porque es resistente a la mayoría de los regímenes de tratamiento en lagunas. [4] En un estudio realizado en Canadá, el 37 por ciento de las muestras de estiércol líquido porcino contenían Cryptosporidium. [24]
Otros patógenos comunes
Otros patógenos comunes (y sus síntomas) incluyen: [4]
- Bacillus anthracis , también conocido como ántrax (llagas en la piel, dolor de cabeza, fiebre, escalofríos, náuseas, vómitos)
- Leptospira pomona (dolor abdominal, dolor muscular, vómitos, fiebre)
- Listeria monocytogenes (fiebre, fatiga, náuseas, vómitos, diarrea)
- Salmonella (dolor abdominal, diarrea, náuseas, escalofríos, fiebre, dolor de cabeza)
- Clostridium tetani (espasmos musculares violentos, trismo, dificultad para respirar)
- Histoplasma capsulatum (fiebre, escalofríos, dolor muscular, erupción de tos, dolor y rigidez en las articulaciones)
- Microsporum y Trichophyton Ringworm (picazón, sarpullido)
- Giardia lamblia (dolor abdominal, gases abdominales, náuseas, vómitos, fiebre)
- Cryptosporidium (diarrea, deshidratación, debilidad, calambres abdominales)
- Pfiesteria piscicida (daño neurológico) [13]
Antibióticos
Se administran antibióticos al ganado para prevenir enfermedades y aumentar el peso y el desarrollo, de modo que haya un tiempo más corto desde el nacimiento hasta el sacrificio. Sin embargo, debido a que estos antibióticos se administran a niveles subterapéuticos , las colonias bacterianas pueden desarrollar resistencia a los medicamentos a través de la selección natural de bacterias resistentes a estos antibióticos. Estas bacterias resistentes a los antibióticos luego se excretan y se transfieren a las lagunas, donde pueden infectar a los humanos y otros animales. [13]
Cada año, se administran 24,6 millones de libras de antimicrobianos al ganado con fines no terapéuticos. [25] El setenta por ciento de todos los antibióticos y medicamentos relacionados se administran a los animales como aditivos alimentarios. [4] Casi la mitad de los antibióticos que se usan son casi idénticos a los que se administran a los humanos. Existe una fuerte evidencia de que el uso de antibióticos en la alimentación animal está contribuyendo a un aumento de microbios resistentes a los antibióticos y haciendo que los antibióticos sean menos efectivos para los seres humanos. [4] Debido a las preocupaciones sobre las bacterias resistentes a los antibióticos, la Asociación Médica Estadounidense aprobó una resolución que declara su oposición al uso de niveles subterapéuticos de antimicrobianos en el ganado. [13]
Hormones
Growth hormones such as rBST, estrogen, and testosterone are administered to increase development rate and muscle mass for the livestock. Yet, only a fraction of these hormones are actually absorbed by the animal. The rest are excreted and wind up in lagoons. Studies have shown that these hormones, if they escape the lagoon and are emitted into the surrounding surface water, can alter fertility and reproductive habits of aquatic animals.[4]
One study found that several lagoons and monitoring wells from two facilities (a nursery and a farrowing sow operation) contained high levels of all three types of estrogen. For the nursery, lagoon effluent concentrations ranged from 390 to 620 ng/L for estrone, 180 to 220 ng/L for estriol, and 40 to 50 ng/L for estradiol. For the farrowing sow operation, digester and primary lagoon effluent concentrations ranged from 9,600 to 24,900 ng/L for estrone, 5,000 to 10,400 ng/L for estriol, and 2,200 to 3,000 ng/L for estradiol. Ethinylestradiol was not detected in any of the lagoon or ground water samples. Natural estrogen concentrations in ground water samples were generally less than 0.4 ng/L, although, a few wells at the nursery operation showed quantifiable but low levels."[26]
Heavy metals
Manure contains trace elements of many heavy metals such as arsenic, copper, selenium, zinc, cadmium, molybdenum, nickel, lead, iron, manganese, aluminum and boron. Sometimes these metals are given to animals as growth stimulants, some are introduced through pesticides used to rid livestock of insects, and some might pass through the animals as undigested food.[13] Trace elements of these metals and salts from animal manure present risks to human health and ecosystems.[13]
Regulación
- For further information on lagoon regulation, see Concentrated Animal Feeding Operation
Anaerobic lagoons are built as part of a wastewater operation system. As such, compliance and permitting are handled as an extension of that operation. Therefore, manure lagoons are regulated on the state and national level through the CAFO which operates them. In recent years, because of the environmental and health effects associated with anaerobic lagoons, the EPA has increased regulation of CAFOs with a specific eye towards lagoons.[27] Additionally, on a state level, due to the same safety concerns North Carolina banned the construction of new anaerobic lagoons in 1999 and upheld that ban in 2007.[28][29]
Más investigación
Some research has been done to develop and assess the economic feasibility of more environmentally superior technologies. Five main alternatives which have been implemented in North Carolina are: a solids separation/nitrification–denitrification/soluble phosphorus removal system; a thermophilic anaerobic digester system; a centralized composting system; a gasification system; and a fluidized-bed combustion system.[30] These systems were judged based on their ability to: reduce impacts of CAFO waste in the surface and groundwater, decrease ammonia emissions, decrease the escape of disease-transmitting pathogens, and lower the concentration of heavy metal contamination.[30]
The US Department of Agriculture (USDA) has also evaluated the prospect of creating a cap-and-trade program for CAFO's carbon dioxide and nitrous oxide emissions. This program has yet to be implemented, however the USDA speculates that such a program would encourage corporations to adopt EST practices.[19]
Finally, a more comprehensive study of anaerobic swine lagoons nationwide has been launched by the US Agricultural Research Service. this study aims to explore the composition of lagoons and anaerobic lagoon influence on environmental factors and agronomic practices.[31]
Ver también
- Agricultural wastewater treatment
- Anaerobic digestion
- Aerated lagoon
- Factory farming
- List of waste water treatment technologies
- Sewage treatment
Referencias
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enlaces externos
- Media related to Anaerobic lagoon at Wikimedia Commons