Gestionar los purines: estrategias basadas en eliminación de nitrógeno

Eliminar nitrógeno de los purines significa transformarlo en una corriente gaseosa de N₂ (dinitrógeno, gas inerte cuyo contenido la atmosfera es aproximadamente del 78%). Esta transformación puede realizarse mediante métodos biológicos, los más usuales, o métodos físico-químicos, como la oxidación catalític, con aplicación limitada y en fase experimental para purines.

Eliminación biológica de nitrógeno amoniacal

En este sistema, aplicado a la fracción líquida de purines, el nitrógeno amoniacal (NH₄⁺) se transforma en nitrógeno molecular (N₂). Esta transformación, biológica, se realiza combinando dos procesos catalizados por dos tipologías de microorganismos diferentes.

• La nitrificación (N): microorganismos aerobios autótrofos, que obtienen el carbono del CO₂ o del bicarbonato contenido en los purines, convierten NH₄⁺ en nitritos (NO₂^-) y nitratos (NO₃^-)
• La desnitrificación (DN): otro grupo de microorganismos heterótrofos convierten NO₂^- y NO₃^- en N₂ gas, utilizando materia orgánica como fuente de carbono y energía.

En la Figura 1 se esquematiza el sistema clásico NDN (nitrificación-desnitrificación), en el que primero debe disponerse el reactor de desnitrificación (DN) y después el reactor aerobio de nitrificación (N), con recirculación para poner en contacto nitratos y materia orgánica en el reactor DN. En caso de disponerse al revés, las bacterias aerobias consumirían la materia orgánica y no se dispondría de ella para la desnitrificación.

La eficiencia del sistema es muy variable a lo largo del año ya que las bacterias, sobre todo las nitrificantes, son muy sensibles a los cambios de temperatura. Un sistema bien operado, regulado en función de temperatura y variaciones en la composición de los purines, puede presentar una eliminación media de nitrógeno del 60% en forma de N₂ respecto del nitrógeno de la fracción líquida separada en el separador S/L inicial. Es habitual que una fracción del orden del 3-7% del nitrógeno pueda escapar en forma de NH₃ y N₂O, lo cual se debe evitar.

El sistema de la Figura 1 presenta muchas variantes posibles. Por ejemplo, recircular el lodo a cabecera para aportar más materia orgánica a la desnitrificación y recuperarlo en parte en la fracción sólida; o utilizar un reactor SBR (sequencing batch reactor), en el cual los dos procesos se realizan en un mismo reactor, así como la decantación del lodo, siguiendo una secuencia temporal automatizada. En este caso el proceso es discontinuo y es necesario un depósito previo pulmón con el cual regular la producción continua de purines y el tratamiento discontinuo. En la Figura 3 se esquematiza este sistema, simple des del punto de vista de obra civil pero más complejo por la necesidad de automatismos.

Para la entrada de oxígeno se requiere un compresor de aire o un agitador superficial (ver Figura 2), con el consiguiente consumo eléctrico. Una reducción de este consumo puede conseguirse operando de manera que en la nitrificación se produzcan nitritos y no nitratos, y desnitrificando a partir de nitritos, con reducción también del consumo de materia orgánica, lo cual es muy conveniente en purines debido a su baja relación C/N.

Una innovación del sistema es la desnitrificación autótrofa, mediante bacterias autótrofas Anammox, en la que estas producen N₂ a partir de NH₄⁺ y NO₂^-. Esto implica que la nitrificación ha de ser parcial (NP), sólo pasando a nitritos del orden del 50% del amonio (aún menor consumo de O₂ y energía), y que en el proceso no puede entrar materia orgánica ya que las bacterias son autótrofas. Si llegara materia orgánica fácilmente biodegradable al reactor Anammox, se facilitaría el crecimiento de bacterias heterótrofas, las de la desnitrificación DN, más rápidas que las Anammox. Este es un sistema que tiene su campo de aplicación cuando con anterioridad la materia orgánica ha sido eliminada mediante digestión anaerobia y producción de biogás.

Mediante las tecnologías de eliminación biológica de nitrógeno se pierde un recurso fertilizante, a costa de consumir energía, en contra de los principios de sostenibilidad y economía circular. Por este motivo, no es considerada una mejor tecnología disponible (MTD) para nuevas explotaciones ganaderas. De todas formas, puede considerarse una tecnología para planes de choque de lucha contra el problema de los nitratos mientras no se establecen mercados sólidos para los productos recuperados de los purines.

El nitrógeno amoniacal también puede eliminarse mediante oxidación catalítica. Este es un sistema que se encuentra en fase experimental y consiste en oxidar el amoníaco a N₂. En función de la selectividad del catalizador, o de su grado de envejecimiento, pueden producirse otras formas del nitrógeno, como N₂O, NO o NO₂, cuyas emisiones deben evitarse.

El sistema NDN de la Figura 1 admite ampliaciones para obtener productos que permiten la exportación de los nutrientes restantes.

NDN combinado con compostaje de la fracción sólida y lodos, para su exportación

Con los porcentajes aproximados de distribución de nitrógeno de la Figura 1, el 37% se exporta en forma de compost y queda un remanente del 9% en el efluente líquido tratado, que será utilizado para fertilización de los cultivos cercanos.

Con prácticamente 10 veces menos de nitrógeno, se puede caer en el error que se necesitará 10 veces menos superficie agrícola. Conforme baja la concentración de nitrógeno, no necesariamente el fósforo o el potasio baja en la misma magnitud, y alguno de estos elementos, o bien la salinidad o los metales pesados, pueden ser los limitantes para la aplicación. Siempre hay que planificar la fertilización con el componente más restrictivo.

NDN combinado con precipitación de sales de fósforo, para exportación de precipitado y fracción sólida, compostada o no

Si una vez eliminada una gran parte del nitrógeno con el NDN el elemento restrictivo es el fósforo, se puede añadir una unidad de precipitación de fósforo. El fósforo puede extraerse de los purines mediante técnicas de precipitación. Es recomendable aplicar estas técnicas a la fracción líquida obtenida de un sistema de separación S/L después de haber aplicado algún método de reducción del contenido de materia orgánica, como el NDN o la digestión anaerobia, para evitar contaminación. Los dos procesos que se describen a continuación se ven favorecidos a pH altos, ≥ 9, lo cual puede resultar en la volatilización de NH₃, que se debe evitar.

Precipitación de estruvita: La estruvita es fosfato amónico magnésico (MgNH₄PO₄·6H₂O), es considerada un fertilizante mineral de liberación lenta y ha cobrado importancia su recuperación como producto con valor en el mercado de los fertilizantes. La eliminación previa de materia orgánica permite cristales de estruvita más grandes y limpios. El magnesio se encuentra a bajas concentraciones, de forma que es necesaria la adición de Mg(OH)₂ o MgO. Con la relación N/P de la estruvita, por cada kg de P que precipita se reduce el contenido en N del efluente en 0,45 kg.

Precipitación de fosfatos cálcicos: Si no se desea reducir más la concentración de amonio, con la adición de cal viva (CaO) se favorece la precipitación de hidroxiapatita (Ca₅(PO₄)₃OH). Al igual que para la estruvita, la eliminación previa de materia orgánica evita o reduce la contaminación del producto e incrementa su valor económico.

NDN combinado con separación por membrana del efluente tratado

Los procesos de filtración por membrana consisten en la separación de partículas de un efluente líquido dado su tamaño o salinidad mediante membranas semipermeables. De los diferentes tipos de procesos de membrana, sólo la osmosis inversa permite concentrar sales, el resto (microfiltración, ultrafiltración, nanofiltración) sólo permite separar partículas o moléculas de elevado peso molecular. La osmosis inversa consiste en invertir el flujo osmótico del agua (que iría de un medio diluido a otro más concentrado) a través de una membrana semipermeable mediante la aplicación de presión, obteniendo un permeado (fase diluida) y un concentrado. Para evitar ensuciamiento deben aplicarse sistemas de separación S/L y filtración antes del proceso; por ello se ha añadido en la Figura 5 una unidad de ultrafiltración. Mediante osmosis inversa pueden concentrarse más del 99% de las sales, pero las pequeñas moléculas no ionizadas pueden atravesar la membrana, como el amoníaco, de manera que no se obtiene como permeado agua completamente limpia.

El interés del sistema radica en poder valorizar los concentrados obtenidos. En este caso tendrán una baja concentración de nitrógeno (eliminado en el NDN) y fósforo (mayoritariamente separado en los lodos y en la fracción sólida), por lo cual tendrán un bajo valor en el mercado de los fertilizantes. El interés final, pues, será solamente obtener agua con muy baja salinidad.

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