laguna anaeróbica

Una laguna anaeróbica o laguna de estiércol es una cuenca artificial de tierra al aire libre llena de desechos animales que experimenta respiración anaeróbica como parte de un sistema diseñado para gestionar y tratar los residuos generados por las operaciones de alimentación animal concentrada (CAFO, por sus siglas en inglés). Las lagunas anaeróbicas se crean a partir de un lodo de estiércol, que se extrae de debajo de los corrales de los animales y luego se canaliza hacia la laguna. A veces, el lodo se coloca en un tanque de almacenamiento intermedio debajo o junto a los establos antes de ser depositado en la laguna. Una vez en la laguna, el estiércol se asienta en dos capas: una capa sólida o de lodo y una capa líquida. El estiércol luego experimenta el proceso de respiración anaeróbica, mediante el cual los compuestos orgánicos volátiles se convierten en dióxido de carbono y metano . Las lagunas anaeróbicas se utilizan generalmente para el pretratamiento de aguas residuales industriales y municipales de alta concentración. Esto permite la sedimentación preliminar de los 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 el medio ambiente y la salud. Estas sustancias se emiten a través de dos vías principales: emisiones de gases y desbordamiento de la laguna. Las emisiones de gases son continuas (aunque la cantidad puede variar según la estación) y son producto del purín. Los gases más frecuentes emitidos por la laguna son: amoníaco , sulfuro de hidrógeno , metano y dióxido de carbono . El desbordamiento de la laguna se produce por fallas en las instalaciones, como fugas o una construcción inadecuada, o por condiciones climáticas adversas, como un aumento de las precipitaciones o vientos fuertes. Estos desbordamientos liberan sustancias nocivas en la tierra y el agua circundantes, tales como: antibióticos, estrógenos, bacterias, pesticidas, metales pesados ​​y protozoos.

En Estados Unidos, la Agencia de Protección Ambiental (EPA) ha respondido a las preocupaciones ambientales y de salud reforzando la regulación de las CAFO (Operaciones de Alimentación Animal Concentrada) en virtud de la Ley de Agua Limpia . Algunos estados también han impuesto sus propias regulaciones. Debido a los repetidos desbordamientos y los consiguientes problemas de salud, Carolina del Norte prohibió la construcción de nuevas lagunas anaeróbicas en 1999. Asimismo, se ha impulsado significativamente la investigación, el desarrollo y la implementación de tecnologías ambientalmente sostenibles que permitan una contención y un reciclaje más seguros de los residuos de las CAFO.

Beginning in the 1950s with poultry production, and then later in the 1970s and 1980s with cattle and swine, meat producers in the United States have turned to CAFO as a way to more efficiently produce large quantities of meat.^[2] This switch has decreased the price of meat.^[3] However, the increase in livestock has generated an increase in manure. In 2006, for example, livestock operations in the United States produced 133 million short tons (121,000,000 tonnes) of manure.^[2] CAFO manure often has lower usable nutrient content than “as-excreted” or fresh manure, because of dilution, losses during storage, and mismatches between nutrient ratios and crop demands. In addition, the very large volumes produced in confined locations often exceed what nearby cropland can absorb, making transport costly and increasing the risk of oversupply of nitrogen and phosphorus and resulting runoff and pollution. For example, a feeding operation with 800,000 pigs can produce over 1.6 million short tons (1,500,000 tonnes) of waste per year.^[4][5][6] The high quantity of manure produced by a CAFO must be dealt with in some way, as improper manure management can result in water, air and soil damage.^[7] As a result, manure collection and disposal has become an increasing problem.^[8]

In order to manage their waste, CAFOs have developed agricultural wastewater treatment plans. To save on manual labor, many CAFOs handle manure waste as a liquid.^[9] In this system, the animals are kept in pens with grated floors so the waste and spray water can be drained from underfloor gutters and piped to storage tanks or anaerobic lagoons.^[7] Once at a lagoon, the purpose is to treat the waste and make it suitable for spreading on agricultural fields.^[9] There are three main types of lagoon: anaerobic, which is inhibited by oxygen; aerobic, which requires oxygen; and facultative, which is maintained with or without oxygen.^[9]Aerobic lagoons provide a higher degree of treatment with less odor production, though they require a significant amount of space and maintenance. Because of this demand, almost all livestock lagoons are anaerobic lagoons.^[9]

Anaerobic lagoons are earthen basins with a usual depth of 8 feet (2.4 metres), though greater depths are more beneficial to digestion as they minimize oxygen diffusion from the surface. To minimize leakage of animal waste into the ground water, newer lagoons are generally lined with clay.^[10] Studies have shown that in fact the lagoons typically leak at a rate of approximately 1 millimetre (0.04 inches) per day, with or without a clay liner,^[11] because it is the sludge deposited at the base of the lagoon that limits the leakage rate, not the clay liner or underlying native soil.^[12]

Anaerobic lagoons are not heated, aerated or mixed. Anaerobic lagoons are most effective in warmer temperatures; anaerobic bacteria are ineffective below 15 °C (59 °F). ^[13] Lagoons must be separated from other structures by a certain distance to prevent contamination. States regulate this separation distance.^[14] The overall size of the lagoon is determined by addition of four components: minimum design volume, volume of manure storage between periods of disposal, dilution volume and the volume of sludge accumulation between periods of sludge removal.^[14]

The lagoon is divided into two distinct layers: sludge and liquid. The sludge layer is a more solid layer formed by the stratification of sediments from the manure.^[13] After a while, this solid layer accumulates and eventually needs to be cleaned out.^[10] The liquid level is composed of grease, scum and other particulates.^[10] The liquid level CAFO wastewater enters at the bottom of the lagoon so that it can mix with the active microbial mass in the sludge layer. These anaerobic conditions are uniform throughout the lagoon, except in a small surface level.^[13]

Sometimes aeration is applied to this level to dampen the odors emitted by the lagoons. If surface aeration is not applied, a crust will form that will trap heat and odors.^[13] Anaerobic lagoons should retain and treat wastewater from 20 to 150 days.^[10] Lagoons should be followed by aerobic or facultative lagoons to provide further required treatment.^[13] The liquid layer is periodically drained and used for fertilizer. In some instances, a cover can be provided to trap methane, which is used for energy.^[13]

Las lagunas anaeróbicas funcionan mediante un proceso llamado digestión anaeróbica . ^{[ 7 ]} La ​​descomposición de la materia orgánica comienza poco después de que los animales defecan. Las lagunas se vuelven anaeróbicas debido a la alta demanda biológica de oxígeno (DBO) de las heces, que contienen un alto nivel de sólidos solubles, lo que resulta en una DBO más alta. ^{[ 7 ]} Los microorganismos anaeróbicos convierten los compuestos orgánicos en dióxido de carbono y metano a través de la formación de ácido y la producción de metano. ^{[ 13 ]}

• El estiércol se puede manipular fácilmente con agua utilizando sistemas de descarga, líneas de alcantarillado, bombas y sistemas de riego ^{[ 9 ].}
• La estabilización de los desechos mediante digestión minimiza el olor cuando el estiércol finalmente se utiliza como fertilizante ^{[ 9 ].}
• El estiércol se puede almacenar a largo plazo a bajo costo ^{[ 9 ].}
• El estiércol se deposita en una sola zona, en lugar de estar esparcido por una gran extensión de terreno (esto se denomina WES, Sistema de Ampliación de Residuos).

• Requiere una superficie de tierra relativamente grande ^{[ 13 ]}
• Produce olores fuertes e indeseables, especialmente durante la primavera y el otoño ^{[ 9 ].}
• La estabilización orgánica requiere bastante tiempo debido a la lenta velocidad de digestión de los lodos y al lento crecimiento de los microorganismos metanogénicos.
• El estiércol utilizado como fertilizante es de menor calidad debido a la baja disponibilidad de nutrientes ^{[ 9 ].}
• Puede producirse una filtración de aguas residuales si los tanques se rompen o están mal construidos ^{[ 13 ].}
• El clima y otros elementos ambientales pueden afectar fuertemente la seguridad y la eficacia de las lagunas anaeróbicas ^{[ 13 ].}

Las tasas de asma en niños que viven cerca de una CAFO son consistentemente elevadas. ^{[ 15 ]} Se ha demostrado que el proceso de digestión anaeróbica libera más de 400 compuestos volátiles de las lagunas. ^{[ 16 ]} Los más frecuentes son: amoníaco, sulfuro de hidrógeno, metano y dióxido de carbono. ^{[ 15 ] [ 7 ] [ 17 ]}

En Estados Unidos, el 80% de las emisiones de amoníaco provienen de la producción ganadera. ^{[ 7 ]} Una laguna puede vaporizar hasta el 80% de su nitrógeno mediante la reacción: NH ₄ ⁺ -N ⇌ NH ₃ + H ⁺ . ^{[ 16 ]} A medida que aumenta el pH o la temperatura, también aumenta la cantidad de amoníaco volatilizado. ^{[ 18 ]} Una vez que el amoníaco se ha volatilizado, puede viajar hasta 300 millas, ^{[ 16 ]} y a distancias más cortas es un irritante respiratorio. ^{[ 7 ]} La acidificación y la eutrofización del ecosistema que rodea las lagunas podrían ser causadas por la exposición prolongada al amoníaco volatilizado. ^{[ 19 ]} Este amoníaco volatilizado se ha relacionado con daños ecológicos generalizados en Europa y es motivo de creciente preocupación para Estados Unidos. ^{[ 18 ]}

Con promedios superiores a 30 ppb, las lagunas presentan altas concentraciones de sulfuro de hidrógeno, que es altamente tóxico. ^{[ 16 ]} Un estudio de la Agencia de Control de la Contaminación de Minnesota ha encontrado que las concentraciones de sulfuro de hidrógeno cerca de las lagunas han superado el estándar estatal, incluso a una distancia de hasta 4,9 millas. ^{[ 16 ]} El sulfuro de hidrógeno se reconoce 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. ^{[ 20 ]} Los niveles de sulfuro de hidrógeno son más altos después de la agitación y durante la eliminación del estiércol. ^{[ 7 ]}

El metano es un gas inodoro, insípido e incoloro. Las lagunas producen alrededor de 2.300.000 toneladas al año, de las cuales aproximadamente el 40% proviene de las lagunas de las granjas porcinas. ^{[ 21 ]} El metano es combustible a altas temperaturas, y las explosiones e incendios representan una amenaza real en las lagunas o cerca de ellas. ^{[ 20 ]} Además, el metano es un gas de efecto invernadero. La EPA de EE. UU. estimó que el 13% de todas las emisiones de metano provenían del estiércol del ganado en 1998, y esta cifra ha aumentado en los últimos años. ^{[ 16 ]} Recientemente, ha surgido interés en tecnologías que permitan capturar el metano producido en las lagunas y venderlo como energía. ^{[ 22 ]}

Los contaminantes solubles en agua pueden escapar de las lagunas anaeróbicas y llegar al medio ambiente a través de fugas en lagunas de estiércol mal construidas o con mantenimiento deficiente, así como durante lluvias excesivas o vientos fuertes, lo que provoca el desbordamiento de las lagunas. ^{[ 2 ]} Estas fugas y desbordamientos pueden contaminar las aguas superficiales y subterráneas circundantes con algunos materiales peligrosos contenidos en la laguna. ^{[ 2 ]} Los contaminantes más graves son los patógenos, los antibióticos, los metales pesados ​​y las hormonas. Por ejemplo, la escorrentía de las granjas en Maryland y Carolina del Norte es una fuente importante de 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 humanos. ^{[ 23 ]}

Se ha descubierto que más de 150 patógenos en las lagunas de estiércol afectan la salud humana. ^{[ 15 ]} Las personas sanas que entran en contacto con patógenos generalmente se recuperan rápidamente. Sin embargo, quienes tienen un sistema inmunitario debilitado , como los pacientes con cáncer y los niños pequeños, tienen un mayor riesgo de padecer una enfermedad más grave o incluso la muerte. ^{[ 15 ]} Aproximadamente el 20 % de la población de EE. UU. se encuentra en este grupo de riesgo. ^{[ 15 ]} Algunos de los patógenos más importantes son:

La E. coli se encuentra en los intestinos y las heces tanto de animales como de humanos. Una cepa particularmente virulenta, Escherichia coli O157:H7 , se encuentra específicamente en el lumen del ganado criado en CAFOs. Debido a que el ganado se alimenta con maíz en los CAFOs en lugar de pasto, esto cambia el pH del lumen, haciéndolo más propicio para la E. coli. El ganado alimentado con granos tiene un 80% más de esta cepa de E. coli que el ganado alimentado conpasto . Sinembargo, la cantidad de E. coli encontrada en el lumen del ganado alimentado con granos puede reducirse significativamente cambiando al animal a pasto solo unos días antes del sacrificio. ^{[ 24 ]} Esta reducción disminuiría la presenciadel patógeno tanto en la carne como en los desechos del ganado, y disminuiría lapoblación de E. coli encontrada en las lagunas anaeróbicas .

Cryptosporidium is a parasite that causes diarrhea, vomiting, stomach cramps and fever. It is particularly problematic because it is resistant to most lagoon treatment regimens^[15] In a study performed in Canada, 37% of swine liquid manure samples contained Cryptosporidium.^[25]

Other common pathogens (and their symptoms) include:^[15]

• Bacillus anthracis, otherwise known as anthrax (skin sores, headache, fever, chills, nausea, vomiting)
• Leptospira pomona (abdominal pain, muscle pain, vomiting, fever)
• Listeria monocytogenes (fever, fatigue, nausea, vomiting, diarrhea)
• Salmonella (abdominal pain, diarrhea, nausea, chills, fever, headache)
• Clostridium tetani (violent muscle spasms, lockjaw, difficulty breathing)
• Histoplasma capsulatum (fever, chills, muscle ache, cough rash, joint pain and stiffness)
• Microsporum and Trichophytonringworm (itching, rash)
• Giardia lamblia (abdominal pain, abdominal gas, nausea, vomiting, fever)
• Cryptosporidium (diarrhea, dehydration, weakness, abdominal cramping)
• Pfiesteria piscicida (neurological damage)^[16]

Antibiotics are fed to livestock to prevent disease and to increase weight and development, so that there is a shortened time from birth to slaughter. However, because these antibiotics are administered at sub-therapeutic levels, bacterial colonies can build up resistance to the drugs through the natural selection of bacteria resistant to these antibiotics. These antibiotic-resistant bacteria are then excreted and transferred to the lagoons, where they can infect humans and other animals.^[16]

Cada año, se administran 24,6 millones de libras de antimicrobianos al ganado con fines no terapéuticos. ^{[ 26 ]} El setenta por ciento de todos los antibióticos y fármacos relacionados se administran a los animales como aditivos en el pienso. ^{[ 15 ]} Casi la mitad de los antibióticos utilizados son prácticamente idénticos a los que se administran a los humanos. Existe una sólida evidencia de que el uso de antibióticos en el pienso animal está contribuyendo a un aumento de los microbios resistentes a los antibióticos y haciendo que estos sean menos eficaces para los humanos. ^{[ 15 ]} Debido a la preocupación por las bacterias resistentes a los antibióticos, la Asociación Médica Estadounidense aprobó una resolución en la que se manifiesta su oposición al uso de niveles subterapéuticos de antimicrobianos en el ganado. ^{[ 16 ]}

Las hormonas de crecimiento, como la rBST , el estrógeno y la testosterona , se administran para aumentar la tasa de desarrollo y la masa muscular del ganado. Sin embargo, solo una fracción de estas hormonas es absorbida por el animal. El resto se excreta y termina en las lagunas. Los estudios han demostrado que estas hormonas, si escapan de la laguna y se liberan al agua superficial circundante, pueden alterar la fertilidad y los hábitos reproductivos de los animales acuáticos. ^{[ 15 ]}

Un estudio encontró que varias lagunas y pozos de monitoreo de dos instalaciones (una granja de cría y una granja de cerdas reproductoras) contenían altos niveles de los tres tipos de estrógeno: para la granja de cría, las concentraciones de efluentes de la laguna oscilaron entre 390 y 620 ng/L para la estrona , entre 180 y 220 ng/L para el estriol y entre 40 y 50 ng/L para el estradiol . Para la granja de cerdas reproductoras, las concentraciones de efluentes del digestor y de la laguna primaria oscilaron entre 9600 y 24900 ng/L para la estrona, entre 5000 y 10400 ng/L para el estriol y entre 2200 y 3000 ng/L para el estradiol. No se detectó etinilestradiol en ninguna de las muestras de agua de la laguna ni del agua subterránea. Las concentraciones naturales de estrógeno en las muestras de agua subterránea fueron generalmente inferiores a 0,4 ng/L, aunque algunos pozos en la explotación del vivero mostraron niveles cuantificables pero bajos." ^{[ 27 ]}

Manure contains trace elements of many heavy metals such as arsenic, cadmium, copper, iron, lead, manganese, molybdenum, nickel, and zinc. 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.^[16] Trace elements of these metals and salts from animal manure present risks to human health and ecosystems.^[16]

In 1999, Hurricane Floyd hit North Carolina, flooding hog waste lagoons, releasing 25 million gallons of manure into the New River and contaminating the water supply.^[28] Ronnie Kennedy, county director for environmental health, said that of 310 private wells he had tested for contamination since the storm, 9%, or three times the average across eastern North Carolina, had fecal coliform bacteria. Normally, tests showing any hint of feces in drinking water, an indication that it can be carrying disease-causing pathogens, are cause for immediate action.^[29]

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.^[30] North Carolina banned the construction of new anaerobic lagoons in 1999 and upheld that ban in 2007.^[31][32]

Some research has been done to develop and assess the economic feasibility of more environmentally superior technologies (ESTs). 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.^[33] 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.^[33]

The U.S. 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.^[22]

A comprehensive study of anaerobic swine lagoons nationwide has been launched by the U.S. Agricultural Research Service. This study aims to explore the composition of lagoons and anaerobic lagoon influence on environmental factors and agronomic practices.^[34]

• Agricultural wastewater treatment
• Anaerobic digestion
• Aerated lagoon
• Factory farming
• List of waste water treatment technologies
• Sewage treatment

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