Separación física de purines: un gran paso para su tratamiento y gestión medioambiental

Josep Turet, Anna Busquets y Núria Bruch (SART Medi Ambient de la Universidad de Vic)25/06/2013

Las deyecciones ganaderas, denominadas comúnmente estiércoles o purines según su contenido acuoso, son subproductos de la actividad ganadera y están constituidas fundamentalmente por las heces y la orina de los animales, componentes a los que se asocian otros materiales usados en la estabulación, como son la cama, el agua de limpieza y restos de alimentos. Tradicionalmente, las explotaciones agrarias de tipo familiar producían unos estiércoles con un bajo contenido acuoso y, en consecuencia, fácilmente apilables en los estercoleros, donde se daban procesos de descomposición y estabilización microbiana y, cuando la tierra de cultivo los podía necesitar, se usaban como fertilizantes. Estos estiércoles tenían y tienen unas características claramente interesantes para su uso como fertilizantes agrícolas (Pomar, 1984; DARP, 1998; Saña et al., 1998).

Introducción

Son diversas las comunidades españolas que se cuentan entre las zonas en que determinadas actividades ganaderas se han transformado en intensivas, con una gran desarrollo durante la segunda mitad del siglo XX. Cabe destacar el gran incremento de la cabaña porcina, que ha conllevado los elevados censos actuales (DAAM, 2013; MAGRAMA-Secretaría General Técnica, 2003). Este paso a la ganadería intensiva, enfocada a la máxima producción y con la importación de materias primas para la alimentación ganadera, ha dado lugar a la obtención de grandes cantidades de deyecciones ganaderas y ha descompensado, en determinadas zonas, la relación entre la producción de estiércoles y/o purines y los requerimientos de abonos para la agricultura. Esto implica que estos materiales pasen a tener la connotación de materiales excedentarios y, por tanto, residuales.

El caso quizás más visible se ha producido también en la ganadería porcina, en la que las estabulaciones con “cama” fueron substituidas de forma bastante rápida por los emparrillados o “eslats” con fosa inferior y, por añadidura, la recogida manual de las deyecciones pasó a la limpieza de las cuadras con agua a presión. Este hecho conllevó a la aparición de un nuevo tipo de estiércol: el estiércol líquido o “purín”, el cual se produce en grandes volúmenes que agravan aún más el problema. De todas formas, estos purines siguen teniendo, si se usan racionalmente, características idóneas como abonos.

Sea como fuere, los purines porcinos, como buen ejemplo de deyecciones ganaderas que han ocasionado problemas medioambientales en diversos lugares del mundo, se presentan como un material heterogéneo en su composición, con una concentración de nitrógeno (en N-Kjeldahl) situada normalmente entre 4.000 - 8.000 mg/kg (Turet et al., 1992; Garcia, 1997; Turet i Vilalta, 1997). Este nitrógeno de los purines se encuentra básicamente en dos formas moleculares: la inorgánica amoniacal (del 60 al 75% del contenido) y la orgánica (prácticamente toda la cantidad restante), de manera que la presencia de nitratos y nitritos suele ser relativamente muy escasa. A pesar de esto, la actividad biológica desarrollada en ambientes aeróbicos, como los suelos agrícolas o los cursos de agua, conduce a la ulterior nitrificación de estas formas mayoritarias de los purines, y el nitrato resultante es objeto de asimilación por parte de los vegetales y, asimismo, puede incrementar en poco o mucho su concentración en las aguas superficiales o subterráneas (figura 1), con un potencial impacto ambiental.

Figura 1: Esquema representativo de las transformaciones y destinos más importantes que usualmente resultan de las aportaciones de purines porcinos en los campos de cultivo. Descodificación: N-org: nitrógeno orgánico, N-NH₄⁺: nitrógeno amoniacal, NH₄⁺: amonio, NO₂^-: nitrito, NO₃^-: nitrato.

La existencia de explotaciones agrarias con una cabaña porcina excedentaria, respecto a la capacidad de asimilación de las deyecciones ganaderas por parte de sus campos de cultivo, implica consecuentemente un posible impacto medioambiental o, por el contrario, la aplicación de una estrategia de tratamiento y/o gestión oportuna y adecuada de las mismas. El objetivo de este artículo es el de presentar una parte de los resultados de los ensayos realizados en una instalación de tratamiento en granja para la separación física de fracciones de purines porcinos, tratamiento que se nos muestra como un primer gran paso para la gestión y valorización de dichos purines.

Tecnología de tratamiento

El sistema de tratamiento de deyecciones ganaderas que se ha estudiado pertenece a tecnologías de Mecàniques Segalés, S.L., ubicado en la explotación porcina Ganados Gili del municipio de Seròs (Lleida) y se basa en tres procesos físicos de separación de fases instalados en serie.

La línea de flujo del tratamiento (figura 2) encadena, una etapa inicial de recepción y homogeneización (1), que almacena el purín influente al tratamiento (PI), amortiguando las variaciones en la composición y evitando la sedimentación de sólidos, y el tratamiento de separación triple (2), obteniéndose un efluente final que se almacena en una balsa (3) para ser destinado a fertiirrigación.

Figura 2: Diagrama general de flujo del tratamiento de separación de fracciones estudiado. Descodificación: 1: depósito de recepción y homogenización, 2: proceso múltiple de tratamiento, 3: balsa para el efluente, FR: filtro-rampa, SP: separador de presión, R: filtro rotativo, PI: purín influente al tratamiento, FLF: fracción líquida del filtro-rampa, FSF: fracción sólida del filtro-rampa, FLS: fracción líquida del separador de presión, FSS: fracción sólida del separador de presión, FLR: fracción líquida del filtro rotativo, FSR: fracción sólida del filtro rotativo y df*: destino facultativo de la fracción líquida (al filtro rotativo o a campo).

El primer paso de este sistema múltiple de tratamiento (figura 3), el purín se conduce por bombeo a la primera separación por filtro-rampa (figura 4), que actúa por gravedad, obteniéndose, por un lado, una fracción sólida (FSF) de aspecto esponjoso y de un alto contenido hídrico, y una fracción líquida filtrada (FLF), que podría ser ya directamente el efluente final o, en este caso presente, ser conducida a un filtro rotativo (paso de malla de 250 micras) para sufrir una segunda filtración. Puede tener, por tanto, un destino facultativo (df *).

Figura 3: Vista general de la instalación de tratamiento de la explotación porcina Ganados Gili del municipio de Seròs (Lleida).

Figura 4: Sistema de 'filtro-rampa' fabricado por Mecàniques Segalés, compuesto por rampa/s de filtrado con tamiz de acero inoxidable de 0,65 mm de paso de malla, cepillos de limpieza accionados por motores de 0,25 kW y un transportador sinfín que empuja el sólido hasta el separador.

La fracción sólida de la filtración (FSF) pasa a un separador de presión (figuras 2 y 5), de donde se obtiene una fracción líquida (FLS) que sigue el tratamiento y una separación sólida (FSS) de aspecto mucho más seco y de una capacidad de retención de agua más elevada que la fracción sólida tratada. La fracción líquida obtenida en este proceso separativo se enlaza con una nueva operación de separación mediante el filtro rotativo (con un paso de malla de 250 µm), pero también se podría considerar como un efluente final, pudiéndose mezclar con la fracción líquida del sistema de filtro-rampa anterior (denominaremos a esta mezcla como fracción líquida global o FLG).

Figura 5: Separador de presión MS-300 de acero inoxidable fabricado por Mecàniques Segalés, accionado por un motor de 5,5 kW, de rosca reforzada con tungsteno, un tamiz de malla triangular de 0,5 mm de paso y con contrapeso de presión a las compuertas de la fracción sólida.

La última operación de separación, mediante el filtro rotativo (figuras 2 y 6), de una de la fracciones líquidas o, en el caso que nos ocupa, de la mezcla de las dos (FLG) tiene aquí el objetivo de garantizar un tamaño máximo de partículas en suspensión para evitar obturaciones en el sistema de aplicación de la fertilización líquida. Por lo tanto, es simplemente un tratamiento de afinamiento final. La fracción sólida (FSR) de este filtro, de aspecto visual líquida, se devuelve a cabecera de planta (depósito de homogeneización).

Figura 6: Roto-filtro RFT2000 totalmente de acero inoxidable fabricado por Mecàniques Segalés accionado por un motor de 1,5 kW con un tamiz de malla triangular con un paso de 0,25 mm.

El tratamiento funciona estacionalmente en la medida que la gestión de las deyecciones lo requiere. El caudal de tratamiento para este estudio ha sido aproximadamente de 45 m³/h.

Metodología del ensayo

Partiendo de la planta en funcionamiento continuado, se realizó un muestreo integrado para cada uno de los substratos de entrada y salida de los diferentes elementos tecnológicos del sistema de tratamiento. Los intervalos de tiempo para la toma de las submuestras integradoras de las muestras finales fueron de 30 minutos aproximadamente durante un tiempo global del ensayo de 3 horas.

Las diferentes muestras obtenidas se trasladaron en recipiente isotérmico a los Laboratorios SART de la Universidad de Vic (Barcelona) y se almacenaron en condiciones de refrigeración para la realización de todas las determinaciones analíticas programadas. Los tipos de substratos muestreados y los parámetros analíticos determinados vienen expuestos en la tabla 1.

Tabla 1: Parrilla de la caracterización analítica efectuada de las muestras.

Las metodologías analíticas empleadas (tabla 2), han sido las habituales para este tipo de muestras y se han basado en los 'Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater' [APHA, AWWA, WEF, 1995].

Tabla 2: Resumen de les metodologías utilizadas en los parámetros analíticos.

Resultados

Los resultados de las determinaciones analíticas realizadas que son de interés para este artículo se exponen en la tabla 3.

Tabla 3: Resultados analíticos de caracterización.

El purín influente

El purín entrado al sistema (PI, tabla 3) ha presentado un relativo bajo contenido en sólidos (ST de 37 g/kg) y en un estado avanzado de mineralización, de manera que la proporción de materia orgánica es baja (SV/ST próximo al 50%) i el contenido relativo de nitrógeno en forma amoniacal es elevado (N-NH4+/NKT de 77,6%). En estas condiciones, las eficiencias y los rendimientos de los diferentes tratamientos físicos de separación de fracciones se situarían en sus valores más bajos de los rangos en que se mueven generalmente y, por lo tanto, nos proporcionan unos resultados que garantizan los mínimos a alcanzar en el uso general de las soluciones tecnológicas que presentamos aquí.

Los resultados de los demás parámetros analíticos, considerando los efectos relativos a las condiciones expresadas en el párrafo anterior, se corresponden perfectamente a las características normales de los purines porcinos de cebo (SART Medi Ambient, 2013).

Filtración en rampa

La misma tabla 3 muestra los resultados obtenidos en las dos fracciones (FLF y FSF) del proceso de filtración en el ‘filtro-rampa’ de Mecánicas Segalés, los cuales proporcionan las eficiencias de reducción en la fracción líquida expuestas en la tabla 4.

Tabla 4: Eficiencias de reducción de diferentes parámetros evaluados en los ensayos de filtración en rampa (filtro-rampa de Mecánicas Segalés, S.L.), comparando la fracción líquida obtenida (FLF) en relación al purín influente ensayado (PI).

Cabe destacar las relativamente elevadas reducciones en la concentración de sólidos que proporciona esta tecnología de filtración por gravedad. No tan solo estamos hablando de los sólidos particulados en suspensión (SST y SSV, con reducciones que superan el 20% de su concentración), sino también de otros materiales de menor tamaño constitucional que, al formar asociaciones entre diferentes componentes, nos quedan retenidos en la fracción sólida separada. Globalmente, se obtienen reducciones del 30% y del 34% en sólidos totales y volátiles (ST y SV), respectivamente, que comportan una reducción muy significativa de la medida en DQO de la carga contaminante del purín, un 48%.

Obviamente, el interés de una explotación porcina excedentaria en deyecciones ganaderas respecto a las necesidades de los campos de cultivo agrícolas de que dispone reside fundamentalmente en reducir los fitonutrientes y alcanzar así una fertilización racional, y, actualmente, sobretodo en nitrógeno. Los resultados obtenidos en este elemento no son tan espectaculares como en otros parámetros, pero sí interesantes, ya que las eficiencias cercanas al 18% implican que la explotación, gestionando por exportación la fracción sólida obtenida, reduce en más de esta proporción la superficie agrícola útil que necesita para éstas deyecciones ganaderas (ver los rendimientos del apartado 4). También se deben resaltar las eficiencias de reducción de 23 y 19% para el P y el K, respectivamente.

Tratamiento con separador de presión

El sistema de filtro separador con prensado (figura 5) es ideal, en general, para la obtención de fracciones sólidas de elevada concentración y puede utilizarse tanto en el tratamiento de purines o de estiércol, como de diferentes tipos de fracciones sólidas muy húmedas. Este último caso es el que ahora nos ocupa, el tratamiento de la fracción sólida obtenida del filtro-rampa (FSF), aunque nos puede servir para visualizar en general el efecto de este sistema separador.

Los resultados obtenidos en este proceso se presentan en la tabla 3, a partir de los cuales se calculan las eficiencias de reducción expuestas en la tabla 5 y, además, se obtienen las conclusiones siguientes:

El tratamiento separador de sólidos de una fracción sólida para obtener otra más concentrada ha mostrado unos muy buenos resultados, ya que las eficiencias de reducción sobre el sustrato de entrada (FSF), considerando la fracción líquida resultante (FLS), han sido elevadas (de unos 74 y 82% para los ST y SV, respectivamente).
La fracción sólida obtenida (FSS) muestra unas características en concentración de sólidos (23% peso/peso) que la hacen apilable y manejable para su almacenamiento o para el compostaje. Ha doblado sobradamente la concentración de sólidos del material influente, así como también en otros parámetros (como el fósforo).
Se obtiene una fracción líquida (FLS) de unas características similares (con cargas similares) a la resultante del filtro-rampa, de manera que se pueden mezclar sin ningún perjuicio para su uso o tratamiento conjunto.

Tabla 5. Eficiencias de reducción de diferentes parámetros evaluados en el ensayo de tratamiento con separador de presión, comparando la fracción líquida obtenida (FLS) en relación al sustrato afluente ensayado (fracción sólida de la filtración en rampa: FSF).

Este tratamiento permite pues la obtención de materiales de consistencia sólida, de fácil gestión para su exportación de las explotaciones y, además, sin producir efluentes líquidos con mayores cargas respecto a las obtenidas en el filtro-rampa.

Tratamiento con filtro rotativo

Las fracciones líquidas obtenidas a partir de los dos sistemas evaluados pueden ser refinadas para una reutilización determinada, pero, en la mayoría de casos, esta operación no será necesaria. El caso que nos ocupa consiste en el uso de un filtro rotativo de un paso de malla de 250 micrómetros para tratar las fracciones líquidas obtenidas en los dos procesos precedentes, con el objetivo de garantizar un tamaño máximo de partículas en el efluente destinado a fertilización líquida.

Los resultados alcanzados son los que se exponen en la tabla 3 (FLR y FSR), pero no es misión de este artículo el análisis evaluativo de este proceso particular y específico de la explotación que cuenta con esta instalación.

Aspectos a destacar a modo de conclusiones

Es conveniente, por último, conjuntar los datos de los diferentes tratamientos para obtener visiones definitivas finales. Para ello se presentan los dos puntos que siguen:

I. La visualización de los efectos obtenidos en las fracciones líquidas o efluentes líquidos resultantes de los tres tipos de separadores ensayados, en relación al purín tratado, son los que presenta la figuras que siguen (figuras 7, 8 y 9). Los efluentes líquidos obtenidos son muy similares entre sí, resultado que permite, según los objetivos que se persigan, la selección de tratamientos únicos o, como es el caso de nuestra explotación experimental, combinaciones diversas con la mezcla posterior de sus efluentes líquidos.

Figura 7: Histograma general de los contenidos en sólidos totales (ST) y sólidos volátiles (SV) del purín afluente tratado (PI) y de los diferentes efluentes líquidos (fracciones líquidas) obtenidos en cada tratamiento: FLF para la filtración en rampa, FLS para el separador de presión y FLR para el filtro rotativo.

Figura 8: Histograma general de los contenidos en demanda química de oxígeno (DQO) y nitrógeno total Kjeldahl (NKT) del purín afluente tratado (PI) y de los diferentes efluentes líquidos (fracciones líquidas) obtenidos en cada tratamiento: FLF para la filtración en rampa, FLS para el separador de presión y FLR para el filtro rotativo.

Figura 9. Histograma general de los contenidos en nitrógeno amoniacal (N-NH₄^₊), fósforo total (P) y potasio (K) del purín afluente tratado (PI) y de los diferentes efluentes líquidos (fracciones líquidas) obtenidos en cada tratamiento: FLF para la filtración en rampa, FLS para el separador de presión y FLR para el filtro rotativo.

Las preguntas que nos hacemos inmediatamente ante uno de estos procesos de separación física se refieren al grado de depuración que nos proporcionan como pre-tratamientos. La figura 8 muestra la comparativa de la demanda química de oxigeno (DQO) y el nitrógeno total Kjeldahl (NKT). Es notorio que, si comparamos las fracciones líquidas con el purín influente de las que provienen, la reducción en DQO es muy elevada, cercana al 50% del contenido inicial. Por su parte, el N ha sufrido una variación relativamente menor en su concentración de estas fracciones líquidas respecto a la del purín, de manera que solo se pueden usar valores de reducción próximos al 15-20%.

Es esencial referirse también a los nutrientes para los cultivos vegetales (los fitonutrientes) y sobre todo a los que necesitan de forma mayoritaria (los macronutrientes): N, P y K. Considerando aquellos que tendrán un efecto relativamente rápido sobre los vegetales, el N-amoniacal (N-NH₄^₊) y buena parte del P y el K en los purines, la figura 9 muestra que los tres fitonutrientes se conservan mayoritariamente en las fracciones líquidas obtenidas, y que sus reducciones respecto al purín afluente se sitúan entre un 18 y un 23% (se puede generalizar en 15-25%) y la mayor retención siempre se produce en el P.

Si se piensa en las fracciones líquidas como fertilizantes líquidos, las relaciones entre los macronutrientes en N (en NKT):P:K se situarían cerca de 3,0:1,0:1,8.

II. No sólo interesa la eficiencia de reducción en concentración de las fracciones líquida obtenidas, sino que, si se consideran los volúmenes repartidos entre las dos fracciones, son fundamentales para una gestión en explotaciones ganaderas los rendimientos de reducción de los diferentes tratamientos. La expresión matemática para estos rendimientos de reducción es:

A nivel indicativo y para el filtro-rampa, los cálculos de los rendimientos de reducción en las fracciones líquidas respecto al purín influente se traducen en los intervalos de la tabla 6 (a más ensayos, mayores serán la garantías de inclusión dentro de los intervalos). En este caso y después de lo que ya hemos expuesto anteriormente, no hacen falta más comentarios, pues dichos rendimientos corresponden directamente a las reducciones de cada parámetro que se obtendrían en la explotación (o, en general, la entidad productora de ese residuo), siempre que se pueda exportar la fracción sólida obtenida. Así pues, las estrategias de gestión de las fracciones sólidas que se obtienen en los sistemas físicos de separación de fracciones se convierten en puntos clave para la reducción de nutrientes en las explotaciones ganaderas.

Tabla 6: Rendimientos de reducción estimados en los diferentes parámetros evaluados en el ensayo de filtración en rampa, comparando la fracción líquida obtenida en relación al purín influente ensayado (PI).

Bibliografía usada y complementaria

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- DAAM (2013). Estadístiques ramaderes. http://www20.gencat.cat/portal/site/DAR/ Departament d'Agricultura, Ramaderia, Pesca, Alimentació i Medi Natural (Generalitat de Catalunya).

- DARP (1998). Codi de bones pràctiques agràries en relació amb el nitrogen. Ordre de 22 d’octubre de 1998. Departament d’Agricultura, Ramaderia i Pesca. Diari Oficial de la Generalitat de Catalunya.

- Espona, J., Turet, J. y Viver, J. (1995). Aireación forzada del purín porcino en régimen semicontinuo. Tecnología del agua, 141: 41-45.

- Garcia, M. (1997). Caracterització del purí porcí en granges de la comarca d’Osona: influència del maneig i del pinso consumit. Trabajo final de carrera. Vic: Escola Politècnica Superior. Universitat de Vic.

- MAGRAMA-Secretaría General Técnica (2013). Encuestas Ganaderas, análisis del número de animales por tipos. www.magrama.gob.es/ca/ Ministerio de Agricultura, Alimentación i Medio Ambiente (Gobierno de España).

- Pomar, J. (1984). Estudio del comportamiento y evolución del nitrógeno mineral del estiércol líquido porcino en el suelo y su disponibilidad para los cultivos. Tesis doctoral. Lleida: Escola Tècnica Superior d’Enginyers Agrònoms. Universitat Politècnica de Catalunya.

- Saña, J., Casas, C., Espona, J. i Vinyeta, E. (1998). Estudi de la capacitat d’assimilació de purins porcins dels sòls de la comarca d’Osona. “Pla integral per a la gestió dels purins porcins de la comarca d’Osona”. ASSAPORC.

- SART Medi Ambient (2013). Resultats analítics propis. Servei d’Assessorament, Recerca aplicada i Tecnologia (SART). Universitat de Vic (Vic).

- Turet, J. (1984). Aprofitament de residus agropecuaris: digestió metanogènica de residus porcins. Butll. Soc. Cat. Cièn., 2(3): 101-108.

- Turet, J., Espona, J. i Serra, X. (1992). Informe dels estudis realitzats del “Pla pilot per a la gestió dels purins porcins de la comarca d’Osona”. Servei d’Assaigs i Recerca Tecnològica (SART) de la Universitat de Vic - Consell Comarcal d’Osona.

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