Una laguna anaeróbica o laguna de estiércol es una cuenca de tierra al aire libre hecha por el hombre llena de desechos animales que experimenta respiración anaeróbica como parte de un sistema diseñado para gestionar y tratar los desechos creados por las operaciones concentradas de alimentación animal (CAFO). Las lagunas anaeróbicas se crean a partir de una suspensión de estiércol, que se lava debajo de los corrales de los animales y luego se canaliza hacia la laguna. A veces, la suspensión se coloca en un tanque de retención intermedio debajo o al lado de los establos antes de depositarse en una laguna. Una vez en la laguna, el estiércol se sedimenta en dos capas: una capa sólida o de lodo y una capa líquida. Luego, el estiércol se somete al proceso de respiración anaeróbica, por el cual los compuestos orgánicos volátiles se convierten en dióxido de carbono y metano . Las lagunas anaeróbicas se utilizan generalmente para pretratar aguas residuales industriales y municipales de alta concentración. Esto permite la sedimentación preliminar de sólidos suspendidos como un 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 es causado por lagunas defectuosas, como brechas o construcción inadecuada, o condiciones climáticas adversas, como aumento de las precipitaciones o vientos fuertes. Estos desbordamientos liberan sustancias nocivas a la tierra y el agua circundantes, como: antibióticos, estrógenos, bacterias, pesticidas, metales pesados y protozoos.
En los Estados Unidos, la Agencia de Protección Ambiental (EPA) ha respondido a las preocupaciones ambientales y de salud fortaleciendo la regulación de las CAFO en virtud de la Ley de Agua Limpia . Algunos estados también han impuesto sus propias regulaciones. Debido a los repetidos desbordes y las preocupaciones 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 ambientalmente seguras que permitan una contención y reciclaje más seguros de los desechos de las CAFO.
A partir de la década de 1950 con la producción avícola, y luego más tarde en las décadas de 1970 y 1980 con el ganado vacuno y porcino, los productores de carne de los Estados Unidos han recurrido a las CAFO como una forma de producir de manera más eficiente grandes cantidades de carne. [2] Este cambio ha reducido 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 (121.000.000 de toneladas) de estiércol. [2] A diferencia del estiércol producido en una granja convencional, el estiércol de las CAFO no se puede utilizar como fertilizante directo en tierras agrícolas debido a la mala calidad del estiércol. [ cita requerida ] Además, las CAFO producen un gran 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 por año. [4] La gran cantidad de estiércol que produce una CAFO debe ser abordada de alguna manera, ya que una gestión inadecuada del estiércol puede provocar daños al agua, al aire y al suelo. [5] Como resultado, la recolección y eliminación del estiércol se ha convertido en un problema cada vez mayor. [6]
Para gestionar sus desechos, las CAFO han desarrollado planes de tratamiento de aguas residuales agrícolas . Para ahorrar mano de obra, muchas CAFO manejan los desechos de estiércol como un líquido. [7] En este sistema, los animales se mantienen en corrales con pisos enrejados para que los desechos y el agua de rociado puedan drenarse desde canaletas bajo el piso y canalizarse hacia 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 lagunas: anaeróbicas, que se inhiben con oxígeno; aeróbicas, que requieren oxígeno; y facultativas, que se mantienen con o sin oxígeno. [7] Las lagunas aeróbicas brindan un mayor grado de tratamiento con menor producción de olores, aunque requieren una cantidad significativa de espacio y mantenimiento. Debido a esta demanda, casi todas las lagunas para ganado son lagunas anaeróbicas. [7]
Las lagunas anaeróbicas son cuencas de tierra con una profundidad habitual de 2,4 metros (8 pies), 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 suelen tener fugas a un ritmo de aproximadamente 1 milímetro (0,04 pulgadas) por día, con o sin revestimiento de arcilla, [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, ni se airean ni se mezclan. Las lagunas anaeróbicas son más eficaces 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]
La laguna se divide en dos capas distintas: lodo y líquido. La capa de lodo es una capa más sólida formada por la estratificación de los sedimentos del estiércol. [11] Después de un tiempo, esta capa sólida se acumula y finalmente es necesario limpiarla. [8] El nivel líquido está compuesto de grasa, espuma y otras partículas. [8] El agua residual de CAFO del nivel líquido ingresa por el fondo de la laguna para poder mezclarse con la masa microbiana activa en la capa de lodo. Estas condiciones anaeróbicas son uniformes en toda la laguna, excepto en un pequeño nivel superficial. [11]
En ocasiones se aplica aireación a este nivel para amortiguar los olores emitidos por las lagunas. Si no se aplica aireación superficial, se formará una costra que atrapará el calor y los olores. [11] Las lagunas anaeróbicas deben retener y tratar las aguas residuales durante 20 a 150 días. [8] Las lagunas deben ir seguidas de lagunas aeróbicas o facultativas para proporcionar el tratamiento adicional necesario. [11] La capa líquida se drena periódicamente y se utiliza para fertilizantes. En algunos casos, se puede proporcionar una cubierta para atrapar el metano, que se utiliza para generar energía. [11]
Las lagunas anaeróbicas funcionan a través de 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 contienen un alto nivel de sólidos solubles, lo que resulta en una DBO más alta. [5] 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. [11]
Las tasas de asma en 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]
En Estados Unidos, el 80 por ciento de las emisiones de amoniaco provienen de la producción ganadera. [5] Una laguna puede vaporizar hasta el 80 por ciento de su nitrógeno [13] mediante la reacción: NH4+-N -> NH3 + H+. A medida que aumenta el pH o la temperatura, también lo hace la cantidad de amoniaco volatilizado. [15] Una vez que el amoniaco se ha volatilizado, puede viajar hasta 300 millas [13] , y a distancias más cortas es un irritante respiratorio. [5] La acidificación y eutrofización del ecosistema que rodea las lagunas podría ser causada por la exposición prolongada al amoniaco volatilizado. [16] Este amoniaco volatilizado se ha visto implicado en daños ecológicos generalizados en Europa y es motivo de creciente preocupación para los Estados Unidos. [15]
Las lagunas tienen concentraciones altas de sulfuro de hidrógeno, que es altamente tóxico, con promedios superiores a 30 ppb. [13] Un estudio de la Agencia de Control de la Contaminación de Minnesota ha descubierto que las concentraciones de sulfuro de hidrógeno cerca de las lagunas han excedido el estándar estatal, incluso a una distancia de 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 alcanzan su nivel más alto después de la agitación y durante la eliminación del estiércol. [5]
El metano es un gas inodoro, insípido e incoloro. Las lagunas producen alrededor de 2.300.000 toneladas al año, y alrededor del 40 por ciento de esta masa proviene de las lagunas de las granjas porcinas. [18] El metano es combustible a altas temperaturas, y las explosiones y los 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 Estados Unidos estimó que el 13 por ciento de todas las emisiones de metano provenían del estiércol del ganado en 1998, y esta cifra 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]
Los contaminantes 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 el exceso de lluvia o vientos fuertes, lo que provoca 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 las granjas de Maryland y Carolina del Norte es un candidato principal para Pfiesteria piscicida . Este contaminante tiene la capacidad de matar a los peces, y también puede causar irritación de la piel y pérdida de memoria a corto plazo en los seres humanos [20]
Se ha descubierto que más de 150 patógenos presentes en las lagunas de estiércol afectan la salud humana. [4] Las personas sanas que entran en contacto con patógenos suelen recuperarse rápidamente. Sin embargo, quienes tienen un sistema inmunológico debilitado, como los pacientes con cáncer y los niños pequeños, tienen un mayor riesgo de sufrir una enfermedad más grave o incluso la muerte. [4] Alrededor del 20 por ciento de la población de los EE. UU. se encuentra en este grupo de riesgo. [4] Algunos de los patógenos más notables 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 CAFO. Debido a que el ganado se alimenta de maíz en lugar de pasto en las CAFO, esto cambia el pH del lumen de modo que es más hospitalario para la E. coli . El ganado alimentado con granos tiene un 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 el lumen del ganado alimentado con granos se puede reducir significativamente cambiando un animal a pasto solo unos días antes del sacrificio. [ 21] Esta reducción disminuiría la presencia del patógeno tanto en la carne como en los desechos del ganado, y disminuiría la población de E. coli que se encuentra en lagunas anaeróbicas.
El criptosporidio 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 de lagunas [4] . En un estudio realizado en Canadá, el 37 por ciento de las muestras de estiércol líquido de cerdo contenían criptosporidio [22] .
Otros patógenos comunes (y sus síntomas) incluyen: [4]
Los antibióticos se administran al ganado para prevenir enfermedades y aumentar su peso y desarrollo, de modo que el tiempo transcurrido entre el nacimiento y el sacrificio sea más corto. Sin embargo, como estos antibióticos se administran en dosis subterapéuticas, las colonias bacterianas pueden desarrollar resistencia a los fármacos mediante 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 seres humanos y a otros animales. [13]
Cada año, se administran al ganado 24,6 millones de libras de antimicrobianos con fines no terapéuticos. [23] 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 utilizados son casi idénticos a los que se administran a los humanos. Hay pruebas sólidas de que el uso de antibióticos en los alimentos para animales está contribuyendo a un aumento de los microbios resistentes a los antibióticos y haciendo que estos sean menos eficaces para los humanos. [4] Debido a las preocupaciones sobre las bacterias resistentes a los antibióticos, la Asociación Médica Estadounidense aprobó una resolución en la que declara su oposición al uso de niveles subterapéuticos de antimicrobianos en el ganado. [13]
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, el animal solo absorbe una fracción de estas hormonas. El resto se excreta y termina en las lagunas. Los estudios han demostrado que estas hormonas, si escapan de la laguna y se emiten a las aguas superficiales circundantes, pueden alterar la fertilidad y los hábitos reproductivos de los animales acuáticos. [4]
Un estudio encontró que varias lagunas y pozos de monitoreo de dos instalaciones (una granja de cría y una granja de cerdas en período de parto) contenían altos niveles de los tres tipos de estrógeno: para la granja de cría, las concentraciones de efluentes de la laguna oscilaban entre 390 y 620 ng/L para estrona , 180 a 220 ng/L para estriol y 40 a 50 ng/L para estradiol . Para la granja de cerdas en período de parto, las concentraciones de efluentes del digestor y de la laguna primaria oscilaban entre 9.600 y 24.900 ng/L para estrona, 5.000 a 10.400 ng/L para estriol y 2.200 a 3.000 ng/L para estradiol. No se detectó etinilestradiol en ninguna de las muestras de lagunas o aguas subterráneas. Las concentraciones naturales de estrógeno en las muestras de agua subterránea fueron generalmente inferiores a 0,4 ng/L, aunque algunos pozos en la operación del vivero mostraron niveles cuantificables pero bajos”. [24]
El estiércol contiene oligoelementos de muchos metales pesados , como arsénico , cadmio , cobre , hierro , plomo , manganeso , molibdeno , níquel y zinc . A veces, estos metales se administran a los animales como estimulantes del crecimiento, algunos se introducen a través de pesticidas utilizados para eliminar insectos del ganado y algunos pueden pasar a través de los animales como alimento no digerido. [13] Los oligoelementos de estos metales y las sales del estiércol animal presentan riesgos para la salud humana y los ecosistemas. [13]
En 1999, el huracán Floyd azotó Carolina del Norte, inundando lagunas de desechos porcinos, liberando 25 millones de galones de estiércol en el río Nuevo y contaminando el suministro de agua. [25] 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, tenía bacterias coliformes fecales . Normalmente, las pruebas que muestran cualquier indicio de heces en el agua potable, una indicación de que puede contener patógenos causantes de enfermedades, son motivo de acción inmediata. [26]
Las lagunas anaeróbicas se construyen como parte de un sistema de operación de aguas residuales. Como tal, el cumplimiento y la obtención de permisos se manejan como una extensión de esa operación. Por lo tanto, las lagunas de estiércol están reguladas a nivel estatal y nacional a través de la CAFO que las opera. En los últimos años, debido a los efectos ambientales y de salud asociados con las lagunas anaeróbicas, la EPA ha aumentado la regulación de las CAFO con una mirada específica hacia las lagunas. [27] Carolina del Norte prohibió la construcción de nuevas lagunas anaeróbicas en 1999 y mantuvo esa prohibición en 2007. [28] [29]
Se han realizado algunas investigaciones para desarrollar y evaluar la viabilidad económica de tecnologías más superiores desde el punto de vista medioambiental. Cinco alternativas principales que se han implementado en Carolina del Norte son: un sistema de separación de sólidos/nitrificación-desnitrificación/eliminación de fósforo soluble; un sistema de digestión anaeróbica termófila; un sistema de compostaje centralizado; un sistema de gasificación; y un sistema de combustión en lecho fluidizado. [30] Estos sistemas se evaluaron en función de su capacidad para: reducir los impactos de los desechos de las CAFO en las aguas superficiales y subterráneas, disminuir las emisiones de amoníaco, disminuir el escape de patógenos transmisores de enfermedades y reducir la concentración de contaminación por metales pesados. [30]
El Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA) también ha evaluado la posibilidad de crear un programa de topes y comercio de emisiones de dióxido de carbono y óxido nitroso de las CAFO. Este programa aún no se ha implementado, pero el USDA especula que un programa de este tipo alentaría a las corporaciones a adoptar prácticas de EST. [19]
El Servicio de Investigación Agrícola de los Estados Unidos ha iniciado un estudio exhaustivo de las lagunas anaeróbicas para cerdos en todo el país . Este estudio tiene como objetivo explorar la composición de las lagunas y la influencia de las lagunas anaeróbicas en los factores ambientales y las prácticas agronómicas. [31]
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