Введение

Анаэробная лагуна или лагуна с навозом – это искусственный наружный земляной бассейн, заполненный отходами животноводства, в котором происходит анаэробное дыхание как часть системы, предназначенной для управления и обработки отходов, образующихся в результате интенсивного животноводства (CAFO). Анаэробные лагуны создаются из навозной жижи, которая вымывается из-под загонов для животных и затем подается в лагуну. Иногда жижа помещается во временный накопительный резервуар под или рядом с коровниками перед поступлением в лагуну. Попадая в лагуну, навоз оседает, разделяясь на два слоя: твердый или осадочный слой и жидкий слой. Затем навоз подвергается процессу анаэробного дыхания, в результате которого летучие органические соединения преобразуются в углекислый газ и метан. Анаэробные лагуны обычно используются для предварительной обработки сильнозагрязненных промышленных и коммунальных сточных вод, обеспечивая предварительное осаждение взвешенных веществ в качестве этапа предварительной обработки. Показано, что анаэробные лагуны содержат и выделяют вещества, которые могут оказывать негативное воздействие на окружающую среду и здоровье. Эти вещества выделяются двумя основными путями: выбросы газов и переполнение лагуны. Выбросы газов происходят непрерывно (хотя их количество может меняться в зависимости от сезона) и являются продуктом разложения навозной жижи. Наиболее распространенными газами, выделяемыми лагуной, являются: аммиак, сероводород, метан и углекислый газ. Переполнение лагуны вызывается неисправностями лагуны, такими как прорывы или неправильное строительство, или неблагоприятными погодными условиями, такими как обильные дожди или сильный ветер. Эти переполнения приводят к попаданию вредных веществ в окружающую землю и воду, таких как: антибиотики, эстрогены, бактерии, пестициды, тяжелые металлы и простейшие. В США Агентство по охране окружающей среды (EPA) отреагировало на проблемы, связанные с окружающей средой и здоровьем, путем усиления регулирования CAFO в соответствии с Законом о чистой воде. Некоторые штаты также ввели собственные правила. Из-за повторяющихся переполнений и связанных с ними проблем со здоровьем в 1999 году в Северной Каролине было запрещено строительство новых анаэробных лагун. Также наблюдается значительный прогресс в исследованиях, разработке и внедрении экологически безопасных технологий, которые обеспечили бы более безопасное содержание и переработку отходов животноводства.

Предыстория

Начиная с 1950-х годов с производства птицы, а затем в 1970-х и 1980-х годах с крупного рогатого скота и свиней, производители мяса в Соединенных Штатах стали использовать CAFO как способ более эффективного производства больших объемов мяса. Этот переход снизил цену на мясо. Однако увеличение поголовья скота привело к увеличению количества навоза. Например, в 2006 году животноводческие предприятия в США произвели навоза. Для управления отходами CAFO разработали планы очистки сельскохозяйственных сточных вод. Чтобы сократить затраты на ручной труд, многие CAFO обрабатывают отходы навоза в жидком виде. В этой системе животных содержат в загонах с решетчатыми полами, чтобы отходы и промывочная вода могли стекать из-подпольных желобов в резервуары для хранения или анаэробные лагуны. Исследования показали, что лагуны обычно протекают со скоростью приблизительно в день, независимо от наличия глиняного слоя, поскольку скорость утечки ограничивается слоем осадка на дне лагуны, а не глиняным слоем или местной почвой. Анаэробные лагуны не нагреваются, не аэрируются и не перемешиваются. Анаэробные лагуны наиболее эффективны при более высоких температурах; анаэробные бактерии неэффективны при температуре ниже. Лагуны должны быть отделены от других сооружений на определенное расстояние для предотвращения загрязнения. Это расстояние регулируется штатами. Общий объем лагуны определяется суммой четырех компонентов: минимальный расчетный объем, объем хранения навоза между периодами удаления, объем разбавления и объем накопления осадка между периодами удаления осадка. Процесс анаэробного разложения выделяет из лагун более 400 летучих соединений. Наиболее распространенными из них являются: аммиак, сероводород, метан и углекислый газ.

Аммиак

В Соединенных Штатах 80 процентов выбросов аммиака образуются в результате животноводства. Лагуна может испарять до 80 процентов своего азота. Этот испарившийся аммиак связан с масштабным экологическим ущербом в Европе и вызывает растущую обеспокоенность в Соединенных Штатах.

Сероводорода

При средних показателях выше 30 частей на миллиард, в лагунах наблюдается высокая концентрация сероводорода, который является высокотоксичным веществом. Метан горюч при высоких температурах, и взрывы и пожары представляют реальную угрозу в лагунах или вблизи них. Кроме того, метан является парниковым газом. Агентство по охране окружающей среды США оценило, что в 1998 году 13 процентов всех выбросов метана происходили от навоза сельскохозяйственных животных, и эта доля возросла в последние годы.

Водорастворимые загрязнители

Загрязняющие вещества, растворимые в воде, могут вымываться из анаэробных лагун и попадать в окружающую среду через утечки из неправильно построенных или недостаточно обслуживаемых навозохранилищ, а также при избыточных осадках или сильном ветре, вызывая переполнение лагун.

Патогены

Более 150 патогенов, обнаруженных в навозохранилищах, оказывают влияние на здоровье человека. Данное снижение уменьшит присутствие этих патогенов как в мясе, так и в отходах крупного рогатого скота, а также сократит популяцию кишечной палочки в анаэробных лагунах.

Криптоспоридий

Криптоспоридии – это паразиты, вызывающие диарею, рвоту, спазмы в животе и лихорадку. Они особенно опасны, поскольку устойчивы к большинству методов очистки воды в лагунах.

Другие распространенные патогены

Среди других распространенных патогенов (и их симптомов) также можно выделить: Семьдесят процентов всех антибиотиков и связанных с ними препаратов даются животным в качестве кормовых добавок.

Тяжелые металлы

Навоз содержит микроэлементы многих тяжелых металлов, таких как мышьяк, медь, селен, цинк, кадмий, молибден, никель, свинец, железо, марганец, алюминий и бор. Иногда эти металлы добавляют животным в качестве стимуляторов роста, некоторые попадают в организм с пестицидами, используемыми для борьбы с насекомыми у скота, а некоторые могут проходить через животных непереваренными остатками пищи. Рони Кеннеди, директор окружного управления по охране окружающей среды, сообщил, что из 310 частных колодцев, которые он проверил на загрязнение после шторма, в 9 процентах, или в три раза больше среднего показателя по восточной части Северной Каролины, были обнаружены фекальные колиформные бактерии. Обычно, любые признаки наличия фекалий в питьевой воде, указывающие на возможность содержания патогенных микроорганизмов, требуют немедленных действий.

Регулирование

Анаэробные лагуны строятся как часть системы очистки сточных вод. Соответственно, соблюдение нормативных требований и получение разрешений осуществляются как продолжение этой деятельности. Таким образом, лагуны для навоза регулируются на государственном и федеральном уровнях через CAFO, которые ими управляют. В последние годы, в связи с воздействием анаэробных лагун на окружающую среду и здоровье населения, Агентство по охране окружающей среды (EPA) усилило регулирование CAFO, уделяя особое внимание лагунам. В 1999 году штат Северная Каролина запретил строительство новых анаэробных лагун и подтвердил этот запрет в 2007 году.

Дальнейшие исследования

Были проведены исследования по разработке и оценке экономической целесообразности более экологически безопасных технологий. Пять основных альтернатив, внедренных в Северной Каролине, включают: систему разделения твердых веществ, нитрификации–денитрификации и удаления растворимого фосфора; систему термофильного анаэробного сбраживания; централизованную систему компостирования; систему газификации; и систему сжигания в псевдоожиженном слое. Оценка этих систем проводилась по их способности: снижать воздействие отходов КРС (крупных сельскохозяйственных животных) на поверхностные и подземные воды, уменьшать выбросы аммиака, предотвращать распространение патогенных микроорганизмов и снижать концентрацию загрязнения тяжелыми металлами.