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.
An anaerobic lagoon or manure lagoon is a man made outdoor earthen basin filled with animal waste that undergoes anaerobic respiration as part of a system designed to manage and treat refuse created by concentrated animal feeding operations (CAFOs). Anaerobic lagoons are created from a manure slurry, which is washed out from underneath the animal pens and then piped into the lagoon. Sometimes the slurry is placed in an intermediate holding tank under or next to the barns before it is deposited in a lagoon. Once in the lagoon, the manure settles into two layers: a solid or sludge layer and a liquid layer. The manure then undergoes the process of anaerobic respiration, whereby the volatile organic compounds are converted into carbon dioxide and methane. Anaerobic lagoons are usually used to pretreat high strength industrial wastewaters and municipal wastewaters. This allows for preliminary sedimentation of suspended solids as a pretreatment process. Anaerobic lagoons have been shown to harbor and emit substances which can cause adverse environmental and health effects. These substances are emitted through two main pathways: gas emissions and lagoon overflow. Gas emissions are continuous (though the amount may vary based on the season) and are a product of the manure slurry. The most prevalent gasses emitted by the lagoon are: ammonia, hydrogen sulfide, methane, and carbon dioxide. Lagoon overflow is caused by faulty lagoons, such as breaches or improper construction, or adverse weather conditions, such as increased rainfall or strong winds. These overflows release harmful substances into the surrounding land and water such as: antibiotics, estrogens, bacteria, pesticides, heavy metals, and protozoa. In the U. S., the Environmental Protection Agency (EPA) has responded to environmental and health concerns by strengthening regulation of CAFOs under the Clean Water Act. Some states have imposed their own regulations as well. Because of repeated overflows and resultant health concerns, North Carolina banned the construction of new anaerobic lagoons in 1999. There has also been a significant push for the research, development and implementation of environmentally sound technologies which would allow for safer containment and recycling of CAFO waste.
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.