Digestión metanogénica de purines porcinos y "stripping" de N

Figura 1. Esquema de toma de decisiones para la selección de la estrategia más adecuada para la gestión de purines, teniendo en cuenta la limitación por N en el suelo como factor limitante (Teira, 2003).

El uso agronómico es el destino habitual de los purines porcinos. Cuando esta práctica excede las necesidades de nutrientes de los productos agrícolas o la capacidad de autodepuración del suelo, es necesaria una gestión adecuada de los purines mediante una depuración (Figura 1).

El objetivo sería conseguir un producto enriquecido en nutrientes (N) susceptible de ser aplicado al suelo, pero sin los inconvenientes que arrastra el exceso de materia orgánica. Por ello, debería seleccionarse un tratamiento que permita recuperar el N de la fase líquida, precedido de otro que elimine la materia orgánica. Sería el caso del stripping (proceso físico-químico) combinado con la digestión anaerobia (proceso biológico) donde se elimina la materia orgánica (Figura 2).

Figura 2. Representación esquemática diagrama de flujo del tratamiento combinado de la digestión anaerobia y la recuperación de N mediante stripping de amonio (Campos, 2004).

El stripping de amonio es una desorción por arrastre con aire, transfiriéndose el amonio desde una corriente líquida a otra gaseosa. Se combina con una absorción del amoníaco del aire en un medio acuoso ácido (Figura 3). Ambas transferencias dependen de la relación entre los caudales de aire y líquido, así como de la concentración de amonio: el equilibrio entre las especies amonio (NH4+- no volátil) y amoníaco (NH3 - volátil) está controlado por el pH y la temperatura, obteniéndose eficiencias de recuperación superiores al 90% a pH básicos (8-10) y a temperaturas superiores a 50ºC (Figura 4):

- Bajo condiciones ácidas, la especie mayoritaria es el amonio y la volatilización del amoníaco ocurre a una velocidad muy baja.

- Si el stripping se realiza a temperatura ambiente (22ºC), la precipitación de otras sales disminuye la eficacia global de recuperación de amonio (Liao, 1995).

Figura 3. Esquema de un sistema de desorción o stripping de amonio combinado con absorción en medio ácido.		Figura 4. Dependencia del porcentaje de recuperación de nitrógeno amoniacal en la columna de stripping con el pH y la temperatura (Bonmatí, 2003).

El stripping es una operación relativamente sencilla y estable si el pH y la temperatura se mantienen constantes. Este proceso no produce materiales residuales o tóxicos que puedan alterar un sistema biológico. Ha sido aplicado con éxito como parte del tratamiento de purines, lixiviados de vertedero y efluentes residuales de urea (Lei, 2006). En el caso de los purines, es necesario eliminar la materia orgánica para obtener aguas o sales amoniacales de calidad (Figura 5), ya que las sustancias orgánicas volátiles presentes en los purines también son arrastradas durante la desorción del amoníaco (Bonmatí, 2003). Por otro lado, el consumo de bases (sosa o cal) necesario para el ajuste del pH depende tanto de las concentraciones de estos compuestos orgánicos como de fosfatos y carbonatos, lo que varía de un efluente a otro, siendo necesario optimizar dichas dosificaciones para cada caso en concreto. En este sentido, la optimización del stripping de N y la recuperación de amonio de los purines porcinos se ve favorecida por la digestión anaerobia ya que ésta asegura la eliminación de los ácidos orgánicos, además de estabilizar el pH en valores básicos (pH en torno a 8) debido al contenido elevado de alcalinidad del purín digerido anaeróbicamente. Teniendo en cuenta estas consideraciones, se obtiene un precipitado en el que se concentra más del 90% del amonio presente en el digerido (Bonmatí, 2003).

Purín fresco	Purín digerido anaeróbicamente	Solución sintética de amonio
Figura 5. Comparación de las sales amónicas cristalizadas tras la desorción de amonio a partir de purín fresco, purín digerido anaeróbicamente y una solución sintética de amonio. (Bonmatí, 2003).

La digestión anaerobia es un proceso biológico fermentativo en el que la materia orgánica es descompuesta por la acción simultánea y consecutiva de diversos grupos de bacterias heterótrofas (Figura 6), obteniéndose biogás, un gas combustible que puede cubrir las necesidades energéticas de las instalaciones. La composición del residuo condiciona tanto el equilibrio de las poblaciones bacterianas y la eficiencia de depuración (Flotats, 2000), como la configuración del digestor. El elevado contenido de agua, nutrientes y la capacidad tampón de los purines hacen de estos un sustrato adecuado para la digestión anaerobia (Tabla 1). El uso de digestores anaerobios de mezcla completa en el tratamiento de residuos ganaderos es una práctica habitual en toda Europa (Ahring, 1992; Angelidaki, 1997).

Figura 6. Esquema de reacciones de la digestión anaerobia (Pavlostathis, 1991).

Tabla 1. Composición típica de los purines porcinos frescos y digeridos anaeróbicamente (Bonmatí, 2003).

Parámetro	Unidades	Purín fresco	Purín digerido anaeróbicamente
pH		7,5	8,4
Sólidos totales	g/kg	52,97	31,72
Sólidos volátiles	g/kg	35,18	17,17
Demanda química de oxígeno	(DQO) g/kg	70,59	41,23
Nitrógeno amoniacal	g/kg	3,39	3,68
Nitrógeno orgánico	g/kg	2,24	1,05
Alcalinidad total	gCaCO3/kg	13,42	14,51
Ácidos volátiles totales	gAcetato/kg	10,84	0,24

Las ventajas de la digestión anaerobia se exponen en la Tabla 2. Se trata de un proceso implementado a escala industrial para tratar todo tipo de residuos orgánicos (Alatriste, 2006) a pesar de que una de sus desventajas sea su complejidad. Esto implica cierto control operacional y la identificación de tóxicos/inhibidores para asegurar su correcto funcionamiento. Actualmente se han identificado gran cantidad de tóxicos e inhibidores de la digestión anaerobia (sulfuros, amonio, metales pesados, etc.), así como los intervalos óptimos de los parámetros ambientales (pH, temperatura, nutrientes, etc.) y operacionales (agitación, carga orgánica, etc.) de los distintos tipos de digestores anaerobios (Mata, 2003).

Tabla 2. Ventajas del proceso de digestión anaerobia (Flotats 2000).

Factor	Ventajas de la digestión anaerobia
Variabilidad en la composición	Homogenización de la composición, más intensa cuanto mayor es el tiempo de retención.
Malos olores y compuestos orgánicos volátiles	Eliminación de ácidos grasos volátiles (AGV) y otros compuestos fácilmente degradables. La materia orgánica resultante es lentamente o difícilmente degradable; los purines digeridos no presentan olor desagradable y son un producto más estable. En procesos térmicos posteriores se evitan problemas por volatilización de compuestos orgánicos. La reducción o eliminación de AGV disminuye la fitotoxicidad a los cultivos por estos componentes.
Reducción de materia orgánica y total. Mineralización	Reducción de sólidos totales y volátiles. Reducción de materia orgánica degradable y mantenimiento de las concentraciones de nutrientes. Transformación de nitrógeno orgánico a amoniacal. En caso de separar la fase acuosa, el producto resultante presentará menor volumen, manteniendo la misma riqueza fertilizante.
Distribución de partículas y de fracción soluble	Homogenización en la distribución de partículas, lo cual favorece el diseño y aplicación de procesos posteriores de secado. Hidrólisis de partículas de pequeño tamaño y coloidales, y reducción de orgánicos solubles, con lo cual se facilita la separación entre fases solubles y en suspensión.
Consistencia	Consistencia pastosa de la fracción sólida de los purines digeridos, lo cual favorece su manipulación y peletización.
Alcalinidad	Disminución muy significativa de la relación de alcalinidad. Aporte de alcalinidad para favorecer un proceso posterior de nitrificación, total o parcial. A su vez y debido a la reducción de materia orgánica, el consumo energético en este proceso será inferior al de la nitrificación de la fracción líquida de purines frescos.
Balance energético	Balance energético positivo y proceso productor neto de energía renovable. Contribuye a disminuir las necesidades externas de energía para procesos térmicos posteriores. Permite el tratamiento de mezclas con otros residuos para optimizar la producción energética (codigestión), y facilitar la gestión integral de residuos orgánicos en la zona de aplicación del plan (cogestión).
Emisiones de gases de efecto invernadero	El proceso contribuye a la disminución en la generación de gases de efecto invernadero, si el metano producido sustituye una fuente no renovable de energía.

La cantidad y composición del biogás depende tanto del residuo a tratar como de los parámetros de operación. En general se considera que la producción máxima de biogás a partir de purines porcinos está comprendida entre 0,30 – 0,40 m³_Biogás/kgSV, siendo su composición media de 55-80% CH4, 20-45% CO2 y 0-1% H2S (Hill, 1982; Hobson, 1990). El valor calorífico del biogás depende de la concentración de metano , por lo que sus componentes minoritarios han de ser separados mediante procesos físico-químicos o biológicos.

Si se compara la producción de biogás de purines porcinos con otros residuos orgánicos, los purines representan un ejemplo de residuo con un índice medio de producción (Tabla 3), valor debido a su contenido en amonio y al bajo contenido en materia orgánica biodegradable. Existen varias estrategias para mejorar la producción de biogás, como por ejemplo la codigestión de otros residuos con los purines (Hartmann, 2006), la aplicación de pretratamientos térmicos (Bonmatí, 2001) o el aumento de la temperatura de digestión (Angelidaki, 1993).

Por lo tanto, el tratamiento de los purines porcinos mediante la digestión anaerobia y el stripping es proceso favorable para la recuperación de N, ya que estos procesos aseguran la eliminación de la materia orgánica contaminante, la producción de un combustible renovable (biogás) y la obtención de un producto enriquecido en N susceptible de ser empleado como fertilizante (Figura 7).

Tabla 3. Potencial de producción de diferentes residuos orgánicos (Angelidaki, 1997; Hobson, 1990).

Residuo	Composición	SV (%)	Biogás (m3 kgSVT-1)
Potencial alto 0,32 - 0,62 m3 CH4 · kgSVT-1
Aceite de soja/margarina	L	90	0,89 - 1,11
Tierras filtrantes (aceite de oliva)	L	40 - 45	0,88 - 1,00
Restos comida (restaurantes, oliva)	C, P, L	-	0,60 - 0,79
Carnes y huesos hidrolizados	P, L	10 - 15	0,70 - 0,67
Residuos industriales	C, P	-	0,49 - 0,95
Potencial medio 0,18 - 0,27 m3 CH4 · kgSVT-1
Cultivos energéticos	C	-	0,36 - 0,54
Intestino/estómago animales	C, P, L	15 - 20	0,33 - 0,35
FORM separada en origen	C, P, L	12 - 24	0,40 - 0,60
FORM recogida selectiva		8 - 18	0,60 - 0,80
Aceite de pescado	L	80 - 85	0,44 - 0,71
Suero concentrado	C, P	18 - 22	0,55 - 0,82
Lodos concentrados	C, P, L	15 - 20	0,57 - 0,55
Potencial bajo 0,09 - 0,14 m3 CH4 · kgSVT-1
Restos de fruta y verdura	C	-	0,18 - 0,28
Gallinaza	P, L	-	0,13 - 0,20
Papel de periódico	C	-	0,08 - 0,10

Notación C - Hidratos de carbono; P - Proteínas; L - Lípidos; SV - Sólidos volátiles

Figura 7. Representación esquemática del ciclo sostenible de la digestión anaerobia de purines animales junto con otros residuos orgánicos.