혐기성 석호

Anaerobic lagoon

혐기성 석호 또는 거름 석호는 동물성 폐기물로 가득 찬 인공 야외 토분지로, 집중적인 동물 사료 작업(CAFO)으로 만들어진 쓰레기를 관리하고 처리하기 위한 시스템의 일환으로 혐기성 호흡을 거친다. 혐기성 라곤은 거름 슬러리에서 만들어지는데, 거름 슬러리는 동물 펜 아래에서 씻겨 나온 다음 석호로 피핑된다. 때때로 슬러리는 석호에 침전되기 전에 헛간 아래나 옆에 있는 중간 홀딩 탱크에 놓인다. 일단 석호에 들어가면 거름은 고체나 슬러지 층과 액체 층의 두 층으로 가라앉는다. 그리고 나서 거름은 혐기성 호흡 과정을 거치게 되는데, 그 과정에서 휘발성 유기 화합물이 이산화탄소와 메탄으로 전환된다. 혐기성 라곤은 보통 고강도 산업폐기물과 도시폐기물을 미리 처리하는데 사용된다. 이를 통해 전처리 공정으로서 부유물질의 예비 침전물이 허용된다.[1]

혐기성 라곤은 환경과 건강에 악영향을 줄 수 있는 물질을 포함하고 방출하는 것으로 나타났다. 이 물질들은 가스 배출과 석호 오버플로라는 두 가지 주요 경로를 통해 배출된다. 가스 배출은 계속되며(계절에 따라 양이 달라질 수 있지만) 거름 슬러리의 산물이다. 석호가 가장 많이 배출하는 기체는 암모니아, 황화수소, 메탄, 이산화탄소 등이다. 석호 오버플로는 침하나 부적절한 공사와 같은 불량 라건이나 강우량 증가나 강풍과 같은 악천후로 인해 발생한다. 이러한 과잉은 항생제, 에스트로겐, 박테리아, 살충제, 중금속, 원생동물과 같은 유해 물질을 주변 땅과 물로 방출한다.

미국에서는 환경보호청(EPA)이 청정수법에 따른 CAFO 규제를 강화하는 등 환경·보건 우려에 대응해 왔다. 일부 주들은 그들만의 규제도 부과했다. 노스캐롤라이나는 반복적인 과잉과 그로 인한 건강상의 우려 때문에 1999년에 새로운 혐기성 라곤의 건설을 금지했다. 또한 CAFO 폐기물의 안전한 격납 및 재활용을 가능하게 하는 환경 친화적인 기술의 연구, 개발 및 구현에 대한 상당한 추진이 있었다.

배경

1950년대부터 가금류 생산으로 시작하여 1970년대와 1980년대에 소와 돼지 생산으로 시작되면서 미국의 육류 생산업체들은 많은 양의 고기를 더 효율적으로 생산하기 위한 방법으로 CAFO에 의존해왔다.[2] 이 스위치는 재배할 수 있는 고기의 양을 늘려서 고기의 가격을 낮추어 미국 소비자들에게 혜택을 주었다.[3] 그러나 가축의 증가는 거름의 증가를 초래했다. 예를 들어, 2006년 미국의 가축 작전은 1억 3천 3백만 톤(1억 1,100만 톤)의 거름을 생산했다.[2] CAFO 거름은 재래식 농장에서 생산되는 거름과 달리 거름의 품질이 떨어지기 때문에 농경지의 직접 비료로 모두 사용할 수 없다.[citation needed] 게다가 CAFO는 많은 양의 거름을 생산한다. 80만 마리의 돼지를 먹이는 수술로 연간 160만 톤 이상의 단톤(150만 톤)의 폐기물을 생산할 수 있다.[4] CAFO에서 생산되는 많은 양의 거름은 어떤 식으로든 처리되어야 한다. 부적절한 거름 관리는 물, 공기, 토양 피해를 초래할 수 있기 때문이다.[5] 이에 따라 거름 채취와 처분이 갈수록 문제가 되고 있다.[6]

CAFO는 폐기물 관리를 위해 농업용 폐수 처리 계획을 수립했다. 많은 CAFO들은 육체 노동을 절약하기 위해 거름 쓰레기를 액체로 처리한다.[7] 이 시스템에서는, 동물들은 바닥이 갈린 펜에 보관되어 있어서 바닥 밑의 내장에서 노폐물과 분무수가 배출되고 저장 탱크나 혐기성 라곤에 파이프로 연결될 수 있다.[5] 석호에서 한번 쓰레기를 처리해 농경지에 퍼지기에 적합하도록 하는 것이 목적이다.[7] 석호는 크게 산소에 의해 억제되는 혐기성, 산소를 필요로 하는 에어로빅, 산소를 사용하거나 사용하지 않고 유지되는 기능성의 세 종류가 있다.[7] 에어로빅 라곤은 상당한 공간과 유지관리가 필요하지만 냄새 발생이 적어 높은 수준의 치료를 제공한다. 이러한 수요 때문에 거의 모든 가축 라곤은 혐기성 라곤이다.[7]

디자인

설명

칼 폴리 유제품의 혐기성 처리 라군

혐기성 라곤은 보통 깊이가 8피트(2.4m)나 되는 토기 분지로, 깊이가 크면 표면으로부터의 산소 확산을 최소화하기 때문에 소화에 더 유리하다. 땅 물 속으로 동물 배설물의 누설을 최소화하기 위해 새로운 석호 일반적으로 clay[8] 연구와 줄지어 있기 때문에 슬러지는 누설률을 제한하는 석호의 기지에 보관 사실의 석호 일반적으로 매일 약 1밀리 미터(0.04인치)의 비율로, 진흙 liner,[9]하거나 사용하지 않고 샌 보여 주었다.아니라 점토 라이너 또는 [10]밑바닥의 토착지

혐기성 라곤은 가열되거나, 에어로빅 또는 혼합되지 않는다. 혐기성 라곤은 더 따뜻한 온도에서 가장 효과적이다; 혐기성 박테리아는 섭씨 15도 이하에서 효과가 없다.[11] 라곤은 오염을 막기 위해 일정 거리만큼 다른 구조물에서 분리되어야 한다. 주에서는 이 분리 거리를 규제한다.[12] 석호의 전체 크기는 최소 설계 용적, 처리 기간 간 거름 저장 용적, 희석 용적, 슬러지 제거 기간 간 슬러지 축적 용적 등 4가지 구성요소를 추가하여 결정된다.[12]

과정

석호는 두 개의 뚜렷한 층으로 나뉘는데, 바로 슬러지와 액체다. 슬러지층은 거름에서 퇴적물이 층화되어 형성된 보다 단단한 층이다.[11] 잠시 후 이 고체층은 축적되어 결국 청소가 필요하다.[8] 액체 수준은 그리스, 쓰레기 및 기타 미립자로 구성된다.[8] 액체 수준 CAFO 폐수는 슬러지 층의 활성 미생물 질량과 혼합될 수 있도록 석호 하단에 유입된다. 이러한 혐기성 조건들은 작은 표면 수준을 제외하고 석호 전체에 걸쳐 균일하다.[11]

때때로 이 레벨에 aeration을 가하여 라건들이 내뿜는 냄새를 적셔주기도 한다. 표면 방해를 적용하지 않으면 열과 냄새를 잡아주는 지각층이 형성된다.[11] 혐기성 라곤은 폐수를 20일에서 150일까지 보존하여 처리해야 한다.[8] 라군에는 추가로 필요한 치료를 제공하기 위해 에어로빅 또는 근력 라군 뒤에 와야 한다.[11] 액체층은 주기적으로 배수되어 비료로 사용된다. 어떤 경우에는 에너지를 위해 사용되는 메탄을 가두기 위한 덮개가 제공될 수 있다.[11]

혐기성 라곤은 혐기성 소화라고 불리는 과정을 통해 작용한다.[5] 유기물질의 분해는 동물들이 공전된 직후에 시작된다. 라군들은 높은 수준의 수용성 고형분을 함유하고 있는 대변의 생물학적 산소요구량(BOD)이 높아 혐기성이 된다.[5] 혐기성 미생물은 산성 형성과 메탄 생산을 통해 유기 화합물을 이산화탄소와 메탄으로 변환시킨다.[11]

시공의 장점

  • 거름은 플러싱 시스템, 하수관로, 펌프 및 관개 시스템을[7] 사용하여 물로 쉽게 조작할 수 있다.
  • 소화를 통한 폐기물의 안정화는 거름이 비료로[7] 최종적으로 사용될 때 냄새를 최소화한다.
  • 거름을 저렴한 비용으로[7] 장기간 보관할 수 있다.
  • 거름은 넓은 지역에 퍼지는 대신 모두 한 지역에 있다(이것을 W.E.S, 폐기물 확대 시스템이라고 한다).

시공상의 단점

  • 비교적 넓은 면적의 토지를[11] 필요로 한다.
  • 특히 봄과 가을에[7] 강한 바람직하지 않은 냄새를 발생시킨다.
  • 슬러지 소화의 속도가 느리고 메탄 포뮬러의 성장 속도가 느리기 때문에 유기적 안정화에 상당히 오랜 시간을 할애한다.
  • 비료로 사용하는 거름은 영양소가[7] 부족하여 품질이 떨어진다.
  • 탱크가 파손되거나 잘못 시공된[11] 경우 폐수 누출이 발생할 수 있음
  • 날씨와 다른 환경 요소들은 혐기성 라곤의[11] 안전성과 효능에 강한 영향을 미칠 수 있다.

환경 및 건강에 미치는 영향

가스배출량

CAFO 근처에 사는 아이들의 천식 발병률은 꾸준히 증가하고 있다.[4] 혐기성 소화의 과정은 400개 이상의 휘발성 화합물을 라군에서 방출하는 것으로 나타났다.[13] 그 중 가장 보편적인 것은 암모니아, 황화수소, 메탄, 이산화탄소 등이다.[4][5][14]

암모니아

미국에서는 암모니아 배출량의 80%가 가축 생산에서 나온다.[5] 석호는 그 반응을 통해 질소의[13] 80%까지 기화시킬 수 있다: NH4+-N -> NH3 + H+. pH나 온도가 증가하면 부피화 암모니아도 증가한다.[15] 암모니아는 일단 볼륨 조절이 되면 300마일까지 이동할 수 있고,[13] 더 가까운 범위에서는 호흡기 자극제가 된다.[5] 라곤을 둘러싼 생태계의 산성화와 부영양화는 부피화된 암모니아에 장기간 노출되어 발생할 수 있다.[16] 이 부피화된 암모니아는 유럽에 널리 퍼진 생태학적 피해에 연루되어 있으며, 미국에 대한 우려가 커지고 있다.[15]

황화수소

평균 30ppb 이상이면 라군들은 황화수소 농도가 높아 독성이 강하다.[13] 미네소타 공해관리국(Minnesota Pollution Control Agency)의 연구에 따르면 라건 근처에 있는 황화수소 농도가 주 기준치를 초과했으며, 심지어 4.9마일이나 떨어진 곳에서도 검출되었다.[13] 황화수소는 불쾌한 썩은 달걀 냄새로 인식된다. 황화수소는 공기보다 무겁기 때문에 환기를 해도 라건 주위에 머물러 있는 경향이 있다.[17] 황화수소 농도는 동요 후와 거름 제거 중 최고 수준이다.[5]

메탄

메탄은 무취, 무미취, 무색의 기체다. 라곤은 연간 약 230만 톤을 생산하는데, 이 중 약 40%가 돼지 농장 라곤에서 생산된다.[18] 메탄은 고온에서 가연성이 있으며, 폭발과 화재는 라건이나 그 근방에서 실제적인 위협이다.[17] 게다가 메탄은 온실 가스다. 미국 EPA는 1998년 전체 메탄 배출량의 13%가 가축 분뇨에서 나온 것으로 추정했으며, 이 수치는 최근 몇 년간 증가해왔다.[13] 최근 라군에서 생산되는 메탄을 포획해 에너지로 판매하는 기술에 대한 관심이 높아지고 있다.[19]

수용성 오염물질

수용성이 높은 오염물질은 혐기성 라곤에서 빠져나와 과잉 비나 강풍 시뿐만 아니라 부실시공되거나 관리가 잘 되지 않는 비료 라곤에서 누출을 통해 환경에 유입돼 라곤이 넘쳐난다.[2] 이러한 누출과 넘치는 물은 석호에 포함된 일부 위험 물질로 주변 표면과 지하수를 오염시킬 수 있다.[2] 이들 오염물질 중 가장 심각한 것은 병원균, 항생제, 중금속, 호르몬이다. 예를 들어, 메릴랜드와 노스캐롤라이나의 농장에서의 유출수는 피세테리아 피시치다의 유력한 후보다. 이 오염물질은 물고기를 죽일 수 있는 능력을 가지고 있으며, 또한 인간의[20] 피부 자극과 단기 기억력 상실을 일으킬 수 있다.

병원균

인체에 영향을 미치는 것으로 밝혀진 거름 라건에서 150개 이상의 병원균이 발견된다.[4] 병원균과 접촉한 건강한 개인은 대개 즉시 회복된다. 그러나 암 환자나 어린 아이들처럼 면역력이 약한 사람들은 더 심각한 질병이나 심지어 사망에 대한 위험성이 높아진다.[4] 미국 인구의 약 20%가 이 위험군으로 분류된다.[4] 가장 주목할 만한 병원균은 다음과 같다.

대장균

대장균은 동물과 사람 모두의 장과 대변에서 발견된다. 특히 치명적인 변종인 대장균 O157:H7은 CAFO에서 사육되는 소의 발광에서 특히 발견된다. 소는 풀 대신 CAFO에서 옥수수를 먹이기 때문에, 이는 루멘의 pH를 변화시켜 대장균을 더 잘 접하게 한다. 곡물을 먹인 소는 풀을 먹인 소보다 이런 대장균의 변종이 80% 더 많다. 그러나 곡물 사료 소의 발광에서 발견되는 대장균의 양은 도살 며칠 전에야 동물을 풀로 바꿔서 현저하게 줄일 수 있다.[21] 이러한 감소는 소의 고기와 폐기물 모두에서 병원체의 존재를 감소시키고 혐기성 라곤에서 발견되는 대장균 개체수를 감소시킬 것이다.

크립토스포리듐

크립토스포리듐은 설사, 구토, 위경련, 발열 등을 일으키는 기생충이다. 대부분의 석호 치료 요법에[4] 내성이 있기 때문에 특히 문제가 된다 캐나다에서 행해진 연구에서 돼지 액체류 샘플의 37%가 크립토스포리듐을 함유하고 있었다.[22]

기타공통병원균

기타 일반적인 병원균(및 그 증상)은 다음을 포함한다.[4]

항생제

가축에게 항생제를 먹여서 질병을 예방하고 체중과 발육을 증가시켜 출생부터 도살까지의 기간이 단축된다. 그러나 이러한 항생제는 하위 치과의 수준에서 투여되기 때문에 박테리아 군집은 이러한 항생제에 내성이 있는 박테리아의 자연적인 선택을 통해 약물에 대한 내성을 기를 수 있다. 항생제에 내성이 있는 이 박테리아는 배설되어 라쿤으로 옮겨지는데, 그곳에서 그들은 인간과 다른 동물들을 감염시킬 수 있다.[13]

매년 2460만 파운드의 항생제가 비치료 목적으로 가축에 투여된다.[23] 전체 항생제 및 관련 약물의 70%가 사료 첨가제로 동물에게 지급된다.[4] 사용되는 항생제의 거의 절반은 인간에게 주어진 항생제와 거의 동일하다. 동물 사료에 항생제를 사용하는 것이 항생제 내성 미생물의 증가에 기여하고 있으며 항생제가 인간에게 덜 효과적이라는 강력한 증거가 있다.[4] 항생제에 내성이 있는 박테리아에 대한 우려 때문에, 미국 의학 협회는 가축에 있는 항균 물질의 저열량 사용에 반대한다는 내용의 결의안을 통과시켰다.[13]

호르몬

rBST, 에스트로겐, 테스토스테론과 같은 성장호르몬을 투여하여 가축의 발달률과 근육량을 증가시킨다. 하지만, 이 호르몬들 중 극히 일부만이 실제로 동물에 의해 흡수된다. 나머지는 배설되어 라궁으로 변한다. 이들 호르몬이 석호를 탈출해 주변 지표수로 배출되면 수생동물의 다산과 생식습관을 바꿀 수 있다는 연구결과가 나왔다.[4]

한 연구에서는 두 시설(육아 및 경작하는 암퇘지 수술)에서 나온 여러 개의 라건과 모니터링 우물이 세 가지 유형의 에스트로겐 모두 높은 수치를 포함하고 있다는 것을 발견했다. 어린이집의 경우 석호 유출농도는 에스트론의 경우 390~620ng/L, 에스트리올의 경우 180~220ng/L, 에스트라디올의 경우 40~50ng/L이었다. 파종작전의 경우, 파종자와 1차 석호 유출농도는 에스트론의 경우 9,600 - 24,900 ng/L, 에스트리올의 경우 5,000 - 10,400 ng/L, 에스트라디올의 경우 2,200 - 3,000 ng/L이었다. 에틸비닐라디올은 석호나 지하수 샘플에서 검출되지 않았다. 지하수 시료에서 자연 에스트로겐 농도는 일반적으로 0.4 ng/L 미만이었지만, 탁아소 운영에서 몇몇 우물은 계량 가능하지만 낮은 수준을 보였다."[24]

중금속

거름에는 비소, 구리, 셀레늄, 아연, 카드뮴, 몰리브덴, 니켈, 납, 철, 망간, 알루미늄, 붕소 등 많은 중금속의 미량원소가 함유되어 있다. 때때로 이 금속들은 성장 자극제로 동물들에게 주어지기도 하고, 어떤 것들은 가축의 곤충을 제거하기 위해 사용되는 살충제를 통해 소개되기도 하며, 어떤 것들은 소화되지 않은 음식으로 동물들을 통과하기도 한다.[13] 동물의 배설물에서 나온 이러한 금속과 염분의 미량 원소는 인간의 건강과 생태계에 위험을 준다.[13]

뉴 리버 스필

1999년 허리케인 플로이드는 노스캐롤라이나를 강타하여 돼지 배설물 라곤이 범람하고, 2500만 갤런의 거름을 뉴 강으로 방출하고, 수돗물을 오염시켰다.[25] 로니 케네디 군 환경보건국장은 폭풍 이후 오염 여부를 검사한 310개의 개인 우물 중 9%인 9%가 대변대장균세균을 가지고 있다고 말했다. 보통, 식수에 대변의 징후를 보이는 테스트는 질병을 유발하는 병원균을 옮길 수 있다는 것을 나타낸다.[26]

규정

추가 정보: 농축동물사료작업

혐기성 라곤은 폐수 운영 시스템의 일부로 건설된다. 따라서 준수와 허가는 그 운영의 연장선상에서 처리된다. 따라서 거름 라건은 이를 운영하는 CAFO를 통해 국가와 국가 차원에서 규제된다. 최근 몇 년 동안 혐기성 라곤과 관련된 환경 및 건강 영향 때문에 EPA는 라곤에 대한 특정 안목으로 CAFO에 대한 규제를 강화했다.[27] 노스캐롤라이나는 1999년에 새로운 혐기성 라곤의 건설을 금지했고 2007년에 그 금지를 유지했다.[28][29]

추가 연구

좀 더 환경적으로 우수한 기술의 경제성을 개발하고 평가하기 위한 연구가 실시되었다. 노스캐롤라이나에서 시행된 5가지 주요 대안은 고체 분리/니트리피케이션-망상화/용해성 인 제거 시스템, 열성 혐기성 디제스터 시스템, 중앙집중식 퇴비화 시스템, 기체화 시스템, 유동층 연소 시스템이다.[30] 이러한 시스템은 CAFO 노폐물이 지표면과 지하수에 미치는 영향을 줄이고, 암모니아 배출량을 감소시키며, 질병을 옮기는 병원균의 탈출을 감소시키며, 중금속 오염의 농도를 낮출 수 있는 능력을 바탕으로 판단되었다.[30]

미국 농무부(USDA)도 CAFO의 이산화탄소 및 아산화질소 배출에 대한 상한제와 무역 프로그램을 만들 것이라는 전망을 평가했다. 이 프로그램은 아직 시행되지 않았지만 USDA는 그러한 프로그램이 기업들로 하여금 EST 관행을 채택하도록 장려할 것이라고 추측하고 있다.[19]

미국 농기원에 의해 전국의 혐기성 돼지 라궁에 대한 종합적인 연구가 시작되었다. 본 연구는 환경적 요인 및 농무 관행에 미치는 라건과 혐기성 석호의 구성을 탐구하는 것을 목적으로 한다.[31]

참고 항목

참조

  1. ^ Anaerobic Lagoons (PDF) (Report). Wastewater Technology Fact Sheet. Washington, DC: US Environmental Protection Agency (EPA). September 2002. EPA 832-F-02-009.
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외부 링크