Evaluación de un sistema de separación sólido-líquido de purines y tratamiento con ozono
El impacto ambiental de la producción porcina intensiva se genera por el consumo de recursos, la emisión de gases y la gestión de residuos. El consumo de alimentos, agua y energía obliga al uso competitivo de superficie agrícola y agua, una huella hídrica que según datos extraídos de “La guía para la gestión del agua en la explotación porcina” (Babot y col., 2020) es de 5,7 m3/ kg de peso vivo (en su mayor parte agua verde consumida en el cultivo de la materia prima para la fabricación de piensos) y una huella de carbono que está relacionada con la producción de gases de efecto invernadero (GEI).
Según Babot y col (2024) los valores medios de emisiones asociados a la cría porcina en España, cuantificados en gramos de CO2 equivalente por kilogramo de canal, son 579,4 g por emisiones de metano, 472,2 g por emisiones de óxido nitroso, 29,8 g por transporte de ganado, 231,3 g por consumo eléctrico, 45,7 g por consumo térmico (calefacción), 74,8 g por transporte de trabajadores y material, 2.039,6 g por la obtención de materias primas (cultivos) y su transporte, 1.230,4 g generados en las fases previas al engorde, 130,8 g en el matadero y 1,4 g por el suministro de agua, en total 4.835,4 g de CO2eq/kg de canal.
También es relevante el desequilibrio de nutrientes en el suelo agrícola, la contaminación de acuíferos y el impacto de las emisiones de amoniaco que se generan durante la estabulación, el almacenamiento de purines en balsas y su aplicación al campo. No obstante, los cerdos nos devuelven con el purín una parte importante de la energía, agua y nutrientes que necesitamos, y con la tecnología adecuada, todos esos recursos pueden volver a ser utilizados en el ciclo de productivo (economía circular).
El interés por los sistemas de tratamiento de purines radica en su capacidad para reaprovechar los nutrientes, entendiendo como nutrientes aquellos elementos químicos esenciales para la vida vegetal y el crecimiento de las plantas. Los que se encuentran en el purín se clasifican en principales: nitrógeno (N), fósforo (P) y potasio (K), secundarios: calcio (Ca), magnesio (Mg), sodio (Na) y azufre (S) y micronutrientes: boro (B), cobre (Cu), hierro (Fe), manganeso (Mn), molibdeno (Mo) y zinc (Zn). Todos ellos son necesarios para la producción agrícola y tienen un valor económico. El RD 506-2013, que establece la normativa básica en materia de productos fertilizantes, define los siguientes tipos de abono orgánico de origen animal que pueden verse en la tabla 1.
| Forma de obtención | Contenido mínimo en nutrientes | Contenido de nutrientes que deben declararse y garantizarse | |
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Abono orgánico nitrogenado de origen animal |
Producto sólido obtenido por tratamiento con o sin mezcla de materia orgánica animal |
N total: 6% C/N ≤ 10 |
N total y N orgánico C orgánico C/N P2O5 y K2O totales si > 1% Ácidos húmicos si >1% |
| Abono orgánico NPK de origen animal | Producto sólido obtenido por tratamiento de deyecciones animales sin utilizar ácidos minerales |
N+P2O5+K20 : 6% C/N ≤ 10 Cada nutriente ≥ 1,5% N orgánico debe ser como mínimo el 50% del N total, con un mínimo del 1% El N nítrico ≤ 1,5% |
N total y N orgánico P2O5 total K2O total C orgánico C/N Ácidos húmicos si >1% |
| Abono NP de origen animal | Producto sólido obtenido por tratamiento, con o sin mezcla de materias orgánicas animales |
N+P2O5: 8 Ntotal: 3% P2O5 total: 4% C/N ≤ 6 |
N total y N orgánico P2O5 total K2O total si > 1% C orgánico C/N Ácidos húmicos si >1% |
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Enmienda orgánica húmica de origen animal |
Producto de origen animal |
Materia orgánica total: 25% Extracto húmico total: 5% Ácidos húmicos: 3% Humedad ≤ 40% C/N < 20 |
Materia orgánica total C orgánico Ácidos húmicos Nitrógeno orgánico si > 1% P2O5 si > 1% K2O si > 1% |
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Enmienda orgánica. Compost |
Producto higienizado y estabilizado obtenido por descomposición biológica aeróbica(incluyendo fase termofílica) bajo condiciones controladas de materiales orgánicos biodegradables recogidos separadamente |
Materia orgánica total: 35% Humedad máxima: 40% C/N < 20 Piedras y gravas > 5mm deben ser ≤ 2% Impurezas (metales, plásticos…) > 2mm deben ser ≤ 1,5% El 90% de las partículas deben pasar por una malla de 25 mm |
Materia orgánica total C orgánico N total si > 1% N orgánico si > 1% N amoniacal si > 1% P2O5 total si > 1% K2O total si > 1% Ácidos húmicos Granulometría |
| Enmienda orgánica. Compost de estiércol | Producto higienizado y estabilizado, obtenido mediante descomposición biológica aeróbica (incluyendo fase termofílica), exclusivamente de estiércol, bajo condiciones controladas |
Materia orgánica total: 35% Humedad máxima: 40% C/N < 20 No podrá contener impurezas de ningún tipo: piedras, gravas, metales, vidrios o plásticos |
Materia orgánica total C orgánico N total si > 1% N orgánico si > 1% N amoniacal si > 1% P2O5 total si > 1% K2O total si > 1% Ácidos húmicos Granulometría |
| Abono orgánico líquido (Reglamento UE 2019/2009) | Abono orgánico en forma líquida |
Cuando tiene más de un nutriente primario: Nitrógeno total ≥ 1% P2O5 ≥ 1% K2O ≥ 1% La suma de concentraciones de dichos nutrientes será ≥ 3% de la masa C orgánico ≥ 5% |
Cadmio (Cd) ≤ 1,5 mg/kg materia seca Cromo hexavalente (Cr VI) ≤ 2 mg/kg materia seca Mercurio (Hg) ≤ 1 mg/kg materia seca Niquel (Ni) ≤ 50 mg/kg materia seca Plomo (Pb) ≤ 120 mg/kg materia seca Arsénico inorgánico (As) ≤ 40 mg/kg materia seca Cobre (Cu) ≤ 600 mg/kg materia seca Zinc (Zn) ≤ 1.500 mg/kg materia seca |
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Bioestimulante (Reglamento UE 2019/2009) |
Fertilizante que estimula los procesos de nutrición de las plantas con independencia del contenido de nutrientes del producto |
Cadmio (Cd) ≤ 1,5 mg/kg materia seca Cromo hexavalente (Cr VI) ≤ 2 mg/kg materia seca Mercurio (Hg) ≤ 1 mg/kg materia seca Niquel (Ni) ≤ 50 mg/kg materia seca Plomo (Pb) ≤ 120 mg/kg materia seca Arsénico inorgánico (As) ≤ 40 mg/kg materia seca Cobre (Cu) ≤ 600 mg/kg materia seca Zinc (Zn) ≤ 1.500 mg/kg materia seca |
Tabla 1. Tipos de abono orgánico de origen animal según el RD 506-2013
| Tecnología aplicada | Sistema de tratamiento |
| Separación de sólidos | Separación mecánica |
| Separación con aditivos | |
| Filtración por membrana y ósmosis inversa | |
| Electrocoagulación | |
| Eliminación del agua | Secado solar |
| Evaporación al vacío | |
| Tratamiento de sólidos | Compostaje |
| Incineración/pirólisis | |
| Reducción de nitrógeno | Nitrificación-desnitrificación |
| Aprovechamiento energético | Digestión anaerobia |
| Pretratamiento en balsa | Tratamiento aerobio |
| Precipitación de estruvita | |
| Precipitación de fosfato cálcico (apatita) | |
| Otros | Construcción de humedales |
| Fertirrigación |
Evaluación
En 2022 el Departamento de Acció Climàtica de la Generalitat de Catalunya (DACC) concedió una ayuda al Centro de Estudios Porcinos para evaluar y validar el sistema de tratamiento de purines de la empresa N-AmaticSystems S.L El Centro de Estudios Porcinos es una entidad púbica consorciada participada por la Diputación de Lleida, la Universidad de Lleida, el ayuntamiento de Torrelameu y el Consejo Comarcal de la Noguera. Está ubicado en el término municipal de Torrelameu (provincia de Lleida) y una de sus instalaciones es el Parque Tecnológico de Tratamiento de Purines dedicado al seguimiento y validación de prototipos mínimos viables.
Descripción y diagrama del proceso de tratamiento N-Amaticsystems
El purín, procedente de un cebadero porcino local, se almacenó en el depósito de recepción del Parque Tecnológico de Tratamiento de Purines. Desde allí se bombeó a un separador mecánico que retiene partículas iguales o superiores a 700 µm y la fracción líquida resultante se envió a otro separador dispuesto en tándem que retiene partículas iguales o superiores a 240 µm. El tamiz de los separadores es cilíndrico y en su interior gira un tornillo que empuja los sólidos hacia el portón de salida; el peso del portón sirve para compactar, reduciendo la humedad del sólido sin consumo energético adicional. Cada separador/compactador lleva incorporado un motor vibrador que ayuda a pasar el líquido por los orificios del tamiz y mejora el rendimiento.
Tras pasar por el segundo tamiz, la fracción líquida se envió a un depósito cerrado (depósito de tratamiento) donde se trató con coagulantes (polielectrolito de carácter catiónico) a una dosis de 160 g/m3 y floculantes (polímero catiónico de acrilamida) a una dosis de 240 g/m3 con el fin de agrupar y extraer una parte de las partículas coloidales que se encuentran en un punto intermedio entre la suspensión y la solución.
Los sólidos se pueden clasificar en sólidos suspendidos y filtrables; la fracción filtrable se compone de sólidos coloidales y disueltos. Los coloides son partículas con un diámetro que oscila entre 1-10 µm y los sólidos disueltos son moléculas orgánicas, inorgánicas e iones que no van a sedimentar. Los coloides tienen dificultades para ser eliminados por sedimentación (la turbidez y el color están asociados a este tipo de partículas) porque presentan cargas superficiales electrostáticas del mismo signo que les impide que puedan aglomerarse, quedando en suspensión por tiempo indefinido. Los coagulantes anulan las cargas eléctricas, desestabilizándolos, y una vez desestabilizados, se pueden sedimentar si aumentamos el tamaño de los coloides (Ures y col, 2014). La agregación se facilita si las partículas se ponen en contacto y si hay algo que genere enlaces entre ellas; esto se logra con los floculantes.
Durante el tratamiento, excepto el intervalo de tiempo en el que se aplicó el coagulante y el floculante, se incorporó ozono a la fracción líquida. El ozono es un agente oxidante y desinfectante que se ha utilizado en tratamiento de aguas residuales y efluentes (Pei Xu et al, 2002). Dependiendo de su concentración tiene actividad antimicrobiana y reduce el mal olor por la oxidación de compuestos indólicos y fenólicos. El generador de ozono consiste en una lámpara que transforma, tras un proceso de descargas eléctricas, el oxígeno del aire en ozono. La dosis aplicada fue de 127,5 gramos por metro cúbico de líquido.
Durante el proceso se generaron espumas que se retiraron de la parte superior del líquido con un peine de recorrido fijo y fueron recogidas en un depósito adyacente. 120 minutos antes de finalizar el tratamiento la fracción líquida pasó por un sistema de filtros dispuestos en serie: filtro de anillas con paso de 100 µm, filtro de malla con paso de 50 µm y filtro de arena con paso de 40 µm. Los filtros tienen un sistema de autolimpieza por agua. El agua resultante de la limpieza de los filtros es un efluente adicional que contiene también NPK.
Resultados
Se han tratado tres purines diferentes y se han hecho un total de nueve repeticiones. Los resultados se presentan en la tabla 3 y la síntesis del balance de masas en la figura 2.
Tabla 3. Contenido de materia seca, materia orgánica, nitrógeno total, nitrógeno orgánico, nitrógeno amoniacal, fósforo, potasio, cobre y zinc y relación C/N en el purín y cada uno de los productos finales del tratamiento.
Balance de masas
Figura 2. Balance de masas del ciclo completo de tratamiento N-AmaticSystem.
Materia seca
Partiendo de los 308,2 kg de materia seca contenidos en el volumen inicial de purín, los sólidos generados en la primera compactadora (≥ 700 µm) se quedaron con el 49% (150 kg) y los sólidos generados en la segunda (240-700 µm) el 5% (15 kg). Tras el tratamiento, el sistema produce 3 efluentes: el producto líquido final con el 28% (86,7 kg) de la materia seca, espumas licuadas con el 16% (47,9 kg) y el agua de lavado de los filtros con el 3% (10,5 kg) restante.
Materia orgánica
La materia orgánica se concentró en mayor medida en los sólidos generados por la primera compactadora con el 53% del total y el 6% en los generados por la segunda. El producto líquido final retuvo el 25% de la materia orgánica, las espumas licuadas el 13% y el agua de lavado de los filtros el 3%.
Nitrógeno total
El nitrógeno total es la suma del nitrógeno orgánico y nitrógeno amoniacal, con 18,2 kg en el volumen inicial de purín. Los sólidos resultantes de la primera compactadora retuvieron el 24% (4,4 kg) y el 2% (0,4 kg) los de la segunda. Al producto líquido final llegó el 41% (7,4 kg) del nitrógeno total, lo que supone una reducción del 59%. Las espumas licuadas retuvieron el 19% (3,4 kg) y el agua de lavado de filtros el 4% (0,8 kg)
Nitrógeno orgánico
El nitrógeno orgánico no está a disposición de las plantas de forma inmediata, necesitando un tiempo para ser mineralizado por los microorganismos del suelo. El nitrógeno orgánico es el que forma parte de las proteínas, péptidos y aminoácidos presentes en el purín. Está más ligado a la fracción sólida y se ha demostrado al quedarse el 29% del total en los sólidos de la primera compactadora y el 3% en los de la segunda. El producto líquido final retuvo el 38%, el 19% las espumas y el 3% el agua de lavado de filtros.
Nitrógeno amoniacal
El nitrógeno amoniacal es más soluble que el nitrógeno orgánico. Los sólidos separados por la primera compactadora retuvieron el 21% del nitrógeno amoniacal total y el 2% los de la segunda. El 42% continuó en el producto líquido final (significa una reducción del 58%), el 18% en las espumas licuadas y el 5% en el agua de limpieza de los filtros.
Fósforo
El fósforo es un nutriente poco soluble. Partiendo de 8,2 kg de fósforo en el volumen de purín inicial, el 30% (2,5 kg) se encontró en los sólidos de la primera compactadora y el 3% (0,2 kg) en los de la segunda. El producto líquido final retuvo el 37% (3,1 kg), la mayor parte ligado a las partículas coloidales en disolución (significa una reducción del 62,2 %); las espumas licuadas retuvieron el 15% (1,2 kg) y las aguas de lavado de filtros el 6% (0,5 kg)
Potasio
El potasio es soluble y está más concentrado en la fracción líquida. Partiendo de un contenido inicial de 10,8 kg en el purín, los sólidos de la primera compactadora retuvieron el 22% (3,2 kg) y los de la segunda el 2% (0,3 kg). El producto líquido final retuvo el 46% (6,6 kg), las espumas licuadas el 20% (2,9 kg) y el agua de lavado de filtros el 3% (0,4 kg)
Cobre
El cobre es un micronutriente del purín. El 27% del cobre total se encontró en los sólidos de la primera compactadora y el 3% en los de la segunda. El producto líquido final retuvo el 39%, las espumas licuadas el 22% y el agua de lavado de filtros el 4%
Zinc
El zinc también es un micronutriente del purín. El 26% del zinc total se retuvo en los sólidos de la primera compactadora y el 2% en los de la segunda. En el producto líquido final el 36%, las espumas licuadas el 21% y el agua de limpieza de filtros el 4%.
Estos datos son los resultados medios obtenidos con purín de cebadero comercial. El volumen y la capacidad de separación de las compactadoras dependerán del tamaño de partícula en suspensión; la composición en nutrientes dependerá del tipo de purín, y éste de la fase productiva del que proceda (ciclo cerrado, cebadero, transición, wean to finish, reproductoras con lechones hasta 6 kg, reproductoras con lechones hasta 20 kg, machos reproductores…), del manejo realizado en la granja (gestión del agua, gestión del pienso, características de las fosas, frecuencia de vaciado de purines, técnicas adoptadas para la reducción de emisiones…), de las características de la balsa de almacenamiento (relación superficie/profundidad, disponibilidad de batidores, tipo de cubierta), del tiempo de maduración del purín antes del tratamiento y de la climatología de la zona. Se debe tener en cuenta, además, que el purín es un fluido con partículas en suspensión por lo que se encuentra continuamente en proceso de sedimentación.
En estas pruebas la concentración de 127,46 mg de ozono por litro de fracción líquida de purín no consiguió reducir significativamente el número de bacterias Escherichia coli en las espumas licuadas y el producto líquido final, por lo que sería recomendable aumentarla hasta conseguir su higienización. No se ha podido ver el efecto sobre la supervivencia de Salmonella spp porque no se ha encontrado en ninguno de los purines utilizados. Por último, se cuantificaron las necesidades de agua, energía e inputs para el funcionamiento del tratamiento.
Consumo de químicos, agua y electricidad
El consumo de recursos incide directamente en los costes operativos y el impacto ambiental. Pueden verse en la tabla 4.
| Coagulante (g/m3) | Floculante (g/m3) |
Consumo eléctrico (kWh/m3) |
Agua lavado de filtros (l/m3) | |
| Media | 158,34 | 237,62 | 18,78 | 402,71 |
Tabla 4. Consumo de recursos necesarios para el tratamiento de 1 m3 de purín con N-AmaticSystems.
*La planta piloto testada en el CEP no es un modelo comercial por lo que el consumo de agua y electricidad pueden estar sobreestimados.
Conclusiones
El purín es un subproducto variable, sedimentable y en continuo proceso de degradación siendo éstas las principales causas de la complejidad técnica para su tratamiento. La combinación de diferentes tecnologías permite optimizar el rendimiento del proceso. En este caso, la instalación de dos compactadoras en serie, el uso de coagulantes y floculantes y el filtrado progresivo hasta alcanzar un tamaño de partícula igual o inferior a 40 µm permitiría previsiblemente (no se han hecho pruebas en este sentido durante el estudio) la aplicación del producto líquido final a una amplia variedad de sistemas de fertirrigación, incluyendo el riego por goteo, al igual que las espumas una vez licuadas y el agua de limpieza de filtros (cada uno de ellos con diferentes concentraciones de NPK). El efecto higienizador del ozono no ha podido ser observado, lo que implica la necesidad de utilizar concentraciones mayores para alcanzar este objetivo.
Los nutrientes presentes en el purín son necesarios en el ciclo productivo de las plantas y deberían, una vez estabilizados e higienizados, sustituir el uso de fertilizantes inorgánicos. Los estudios dirigidos a validar tecnologías de tratamiento deben tener continuidad con otros de aplicación a campo y optimización de las formas de almacenamiento, conservación, envasado y distribución hasta alcanzar el objetivo de convertirse en un modelo de economía circular que mejore la rentabilidad de las granjas y reduzca de forma significativa su impacto ambiental.
