Disseny genèric d'una planta d'aprofitament energètic a partir de purins amb un tractament individualitzat a la comarca d’Osona

TREBALL FI DE CARRERA DISSENY GENÈRIC D’UNA PLANTA D’APROFITAMENT ENERGÈTIC A PARTIR DE PURINS AMB UN TRACTAMENT INDIVIDUALITZAT A LA COMARCA D’OSONA MEMÒRIA DESCRIPTIVA UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA Escola Universitària Politècnica de Manresa Nom: Montse Serra i Vilella Branca: Enginyeria Tècnica Industrial Especialitat: Química Curs: juny 2004 Professora Tutora: Imma Torra i Bitlloch TREBALL FI DE CARRERA DISSENY GENÈRIC D’UNA PLANTA D’APROFITAMENT ENERGÈTIC A PARTIR DE PURINS AMB UN TRACTAMENT INDIVIDUALITZAT A LA COMARCA D’OSONA ANNEX I. PLÀNOLS UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA Escola Universitària Politècnica de Manresa Nom: Montse Serra i Vilella Branca: Enginyeria Tècnica Industrial Especialitat: Química Curs: juny 2004 Professora Tutora: Imma Torra i Bitlloch Índex Introducció ...................................................................................................................... 1 1Antecedents 1.1La digestió anaeròbia .................................................................................... 6 1.1.1Definició de la digestió anaeròbia ................................................. 6 1.1.2Història de la digestió anaeròbia .................................................... 7 1.1.3Nombre d’instal.lacions de digestió anaeròbia .............................. 9 1.2El problema de l’energia dels combustibles fòssils .................................... 10 1.2.1Solucions al problema .................................................................. 10 1.2.2Aprofitament de la matèria orgànica ........................................... 11 1.2.3Tractament dels residus ramaders ................................................ 12 1.3Productes de la digestió anaeròbia ............................................................. 14 1.3.1El biogàs ...................................................................................... 14 1.3.1.1Efecte fisiològic ............................................................ 16 1.3.1.2Utilització ...................................................................... 18 1.3.1.3Venda de gas ................................................................. 21 1.3.1.4Transformació energètica del biogàs ............................ 22 1.3.2L’efluent de la digestió anaeròbia ................................................ 25 1.4Etapes de la digestió anaeròbia ................................................................... 28 1.4.1Condicions de funcionament ....................................................... 30 1.4.1.1Paràmetres ambientals .................................................. 30 1.4.1.2Paràmetres operacionals ................................................ 33 1.5-Tipus de digestors ........................................................................................ 37 1.5.1Digestors convencionals .............................................................. 37 1.5.2Digestors d’alta velocitat ............................................................. 38 1.5.3Digestors més utilitzats ................................................................ 38 1.5.4Característiques generals dels digestors ...................................... 47 1.5.4.1Selecció del digestor pel projecte ................................. 48 1.5.4.2Indicadors útils en el seguiment d’un digestor ............. 49 2Els purins i la seva problemàtica a la comarca d’Osona 2.1Característiques dels purins i tractaments .................................................. 52 2.1.1Residus ramaders ......................................................................... 52 2.1.1.1Tipus de residus ramaders ............................................. 53 2.1.1.2Característiques dels residus ramaders ......................... 56 2.1.2Característiques dels purins ......................................................... 58 2.1.2.1Composició dels purins ................................................. 60 2.1.3Tipus de tractaments dels purins .................................................. 61 2.1.3.1Classificació dels tractaments ....................................... 65 2.1.3.1.1Pre-tractaments ............................................... 67 2.1.3.1.2Tractaments .................................................... 68 2.1.3.1.3Post-tractaments ..............................................70 2.1.3.1.4Tractaments integrals ..................................... 70 2.1.4Normativa sobre residus ramaders ............................................... 71 2.1.5Tipus d’explotacions porcines ..................................................... 76 2.2Característiques de la comarca d’Osona ..................................................... 78 2.2.1Activitat agrícola i ramadera a Osona ......................................... 80 2.2.2Gestió dels residus ramaders de la comarca ................................ 82 2.2.2.1Els plans de gestió de dejeccions ramaderes ................. 82 2.2.2.2Cens i capacitat ramadera actual ................................... 85 2.2.2.3Producció de dejeccions ................................................ 87 2.2.2.4Superfície Agrària Útil (SAU) comarcal ...................... 88 2.2.2.5Destinació de les dejeccions ramaderes ........................ 89 2.2.2.6Balanços de nitrogen de la comarca d’Osona ............... 91 2.2.2.6.1Factors que intervenen en l’excedent ............. 94 2.3La problemàtica dels purins a la comarca .................................................. 99 2.3.1La problemàtica generada ............................................................ 99 2.3.2Conseqüències de l’excés de purins .......................................... 100 2.3.3Efectes sobre el medi ambient i la salut ......................................101 3Procés de tractament de purins en una explotació porcina 3.1El procés industrial. Diagrama de flux ..................................................... 104 3.2Recepció de la matèria primera ................................................................ 106 3.2.1Característiques constructives de les fosses .............................. 107 3.2.2Buidatge ..................................................................................... 108 3.3Preparació de la matèria primera .............................................................. 110 3.3.1Separació sòlid-líquid ................................................................ 111 3.3.2Agitació ...................................................................................... 113 3.3.3Homogeneïtzació ....................................................................... 114 3.3.4Calefacció del digestor .............................................................. 114 3.4Emmagatzematge del biogàs .................................................................... 115 3.5Paràmetres de les operacions i control del procés .................................... 117 4Disseny de la planta 4.1Criteris de disseny .................................................................................... 118 4.1.1Descripció de l’explotació porcina ............................................ 118 4.1.2Qualitat/quantitat de la fracció orgànica .................................... 119 4.1.3Qualitat del purí digerit .............................................................. 119 4.1.4Flexibilitat a canvis de quantitat ................................................ 120 4.1.5Nivells d’impacte ambiental ...................................................... 121 4.2Estructuració ............................................................................................. 123 4.2.1Descripció dels fluxos de matèria .............................................. 123 4.2.2Distribució de l’espai de treball ................................................. 124 4.3Enginyeria del procés de digestió anaeròbia ............................................ 125 4.3.1Necessitats energètiques i valorització de l’energia .................. 125 4.3.1.1Necessitats energètiques de l’explotació porcina ....... 125 4.3.1.2Valorització de l’energia ............................................. 126 4.3.2Dimensions i disseny del digestor ............................................. 128 4.3.3Producció estimada de biogàs .................................................... 131 4.4Enginyeria de les obres i instal.lacions ..................................................... 132 4.4.1Emplaçament ............................................................................. 132 4.4.2Cobert ........................................................................................ 133 4.4.3Fosses de recepció i emmagatzematge ...................................... 134 4.4.4Digestors .................................................................................... 135 4.4.5Instal.lacions .............................................................................. 136 4.4.5.1Circuit de les dejeccions ............................................. 136 4.4.5.2Circuit de calefacció dels digestors ............................. 137 4.4.5.3Circuit de biogàs ......................................................... 139 4.4.5.4Circuit elèctric ............................................................. 141 4.5Pressupost ................................................................................................. 142 4.5.1Caracterització de les conseqüències econòmiques ................... 143 4.6Plànols ...................................................................................................... 145 5Valoració de la proposta del projecte 5.1Objectiu de la proposta ............................................................................. 146 5.2Problema medioambiental dels purins ...................................................... 148 5.3Proposta d’un pla de gestió per una explotació porcina ........................... 150 5.3.1Procediment a seguir .................................................................. 150 5.3.2Factors que s’inclouen en el pla de gestió ................................. 152 5.3.3Passos a seguir ........................................................................... 153 5.3.4Manual de control ...................................................................... 155 5.4Sistemes per reduir el volum de purins .................................................... 158 5.5Reducció del nitrogen, fòsfor i elements minerals ................................... 162 5.5.1Reducció del nitrogen ................................................................ 162 5.5.2Reducció del fòsfor .................................................................... 164 5.5.3Reducció d’altres elements minerals ......................................... 164 5.6Informació necessària pel desenvolupament del pla ................................ 165 5.6.1Gestió de les dejeccions ramaderes i del transport .................... 167 5.6.2Orientacions tècniques sobre la gestió i aplicació dels purins ... 168 5.7L’agricultura i la fertilització amb purins ................................................. 170 5.7.1Valor fertilitzant ......................................................................... 170 5.7.2Aportacions dels purins de porc ................................................ 171 5.7.3Aplicació agrícola dels purins digerits ...................................... 173 5.8Beneficis de la proposta ............................................................................ 176 6Conclusions ............................................................................................................. 178 7Bibliografia .............................................................................................................. 180 Annex IPlànols Introducció - 1 - Introducció A Catalunya, el sector ramader ha patit en els darrers anys una reestructuració molt important i ha abocat al sector a grans canvis. Així doncs, s’ha passat d’explotacions familiars on la producció agrícola i ramadera eren dues activitats complementàries, a una progressiva industrialització del sector, especialment en el porcí. L’explotació ramadera s’ha deslligat progressivament de l’explotació agrícola essent cada cop més nombroses les granges que no disposen de la base territorial suficient per reutilitzar els fems i purins produïts. Alguns països com Holanda o Alemanya, amb una normativa de medi ambient molt més estricte que la nostra, han trobat a les nostres comarques un lloc perfecte per poder mantenir les seves produccions de carn sense haver de patir les consequències de la gran quantitat de residus que el bestiar porcí genera. En algunes comarques del nostre país com Osona, el Segrià, l'Alt Urgell i el Pla de l'Estany, en són un clar exemple. La gran quantitat de cabana porcina (en part procedent dels països esmentats) ha portat com a conseqüència un excés de purins (residus ramaders) que el subsòl no pot absorbir i que, per tant, es filtra als aqüífers, contaminant fonts, rius, rieres i rierols amb unes dosis de nitrats molt elevades i perjudicials per a la salut. El nitrogen (en forma líquida) del purí que no pot absorbir el conreu d’un sòl es tranforma en nitrats i nitrits a partir d’un procés d’oxidació. Aquests són molt solubles en aigua, són arrossegats per la pluja cap a aqüífers subterranis contaminant-los, de manera que el consum d’aquestes aigües esdevé perillós per a la salut pública, podent provocar la metahemoglobinèmia (el ferro de l’hemoglobina és incapaç de transportar oxigen) especialment en els infants. El consum d’aigua amb nivells alts de nitrats també constitueix un factor de risc alhora de contraure càncer gàstric. Les aigües superficials tampoc estan lliures dels efectes de sobreaplicació de purins al sòl, i es poden contaminar en molts casos a causa de l’escorrentia, fins arribar a donar l’eutrofització de les mateixes. Introducció - 2 - Per últim, l’aplicació incorrecte de purins en el sòl agrícola pot portar problemes greus sobre els cultius. Aquests poden ser causats per múltiples efectes, com per exemple l’acumulació de metalls pesats al sòl, o bé l’alteració de les poblacions microbianes d’aquest, degut a que un excés de purins al sòl desencadena una activitat degradativa de la matèria orgànica que aquests contenen. Això provoca un consum de la majoria d’oxigen disponible del sòl, i produeix una variació considerable de les condicions d’aquest, afectant als vegetals i a la biòtica del sòl. Per minimitzar aquests efectes produïts pels purins, cal trobar un sistema de tractament que mediambientalment sigui correcte i alhora econòmicament sostenible, sobretot en considerar que la millor opció de tractament, que és el sòl agrícola, en moltes regions ja s’ha sobrepassat per falta d’aquest. Així doncs, una opció seria aplicar un tractament igual al tractament de les aigües residuals (urbanes o industrials), intentant obtenir per un costat aigua més o menys neta i per altre llots, els quals ja siguin dessecats o bé compostats, siguin fàcilment transportables a altres zones deficitàries d’adobs orgànics. Aquesta opció mediambientalment és correcte però econòmicament és normalment poc viable. Per tant, cal pensar en tecnologies alternatives o complementàries que donin viabilitat al tractament. Una d’elles és la digestió anaeròbia amb obtenció de biogàs, que és la que es tracta en aquest projecte. Aquest procés ens permetrà reduir la càrrega contaminant del purí, i alhora el biogàs que genera permetrà utilitzar-lo energèticament per reduir el cost del tractament. Els efectes de la digestió anaeròbia sobre el purí porcí són ja més o menys coneguts. S’obté com a productes el biogàs i un efluent. El biogàs és fàcilment transformable en energia tèrmica i elèctrica, mentre que l’efluent, convenientment processat amb una decantació, per exemple, permet obtenir un efluent de tractament amb una càrrega contaminant relativament baixa, i un llot normalment apte per l’ús agrícola o el compostatge. Introducció - 3 - En algunes comarques on el problema dels purins és tan greu com a la comarca d'Osona es plantegen la possibilitat de fer una central elèctrica a partir dels purins. Malgrat que potser és la solució ideal (ja que es podria aprofitar el metà i els altres continguts combustibles que hi ha en els purins) té l'inconvenient del seu alt cost, ja que la construcció d'una planta d'aquest tipus suposaria una inversió multimilionària que sembla difícil que es faci. La solució adoptada a Osona es queda a mig camí. Les plantes de "tractament" de purins (la de les Masies de Voltregà ja està en funcionament) bàsicament el que fan és evaporar la fracció líquida en purí sòlid, cosa que els fa més fàcils de transportar i de comercialitzar. Tot i així la planta encara no funciona correctament i els problemes són cada vegada més freqüents. Els tècnics però per solucions no queden i proposen la solució del sentit comú. La distribució correcta buscant l'equilibri podria ser una solució, perquè mentre en un lloc es produeix una concentració i un excés en d'altres zones és deficitària. El sentit comú, però, tampoc s'imposa. A la comarca d’Osona és on es planteja la base d’aquest projecte. El projecte intenta proposar una alternativa al problema mencionat anteriorment, solucionar l’excedent de purins (residus ramaders). La qüestió seria la següent: Enlloc de fer grans plantes de tractament i tantes inversions, per què no s’intenta construir petites plantes de tractament dins de les granges? Es podrien construir plantes de tractament senzilles, de fàcil manejament pel granger, aptes i viables. D’aquesta manera, cada granja podria tractar els purins generats. Seria l’aplicació d’un nou tractament anomenat tractament individualitzat. És una alternativa i una possible solució per intentar reduir i, en definitiva, eliminar el problema de l’excedent de purins que tants problemes dóna i que afecta especialment en aquesta comarca. L’objectiu principal del projecte és dissenyar una instal.lació a petita escala pensada per aplicar-la a cada explotació porcina de la comarca d’Osona. Això sí, tenint en compte una sèrie de premisses i condicions aptes i indispensables per al seu funcionament. Antecedents - 10 - Després de definir el concepte de digestió anaeròbia, a continuació s’expliquen les conseqüències medioambientals de l’ús d’alguns combustibles així com l’aprofitament de la matèria orgànica i l’obtenció de biogàs a partir de residus ramaders. 1.2El problema de l'energia dels combustibles fòssils Els combustibles fòssils plantegen un dilema a la nostra societat. La combustió del carbó, del petroli i del gas natural ens subministra el 88 % de l'energia que s’utilitza i permet portar el ritme de vida que es porta actualment, basat en el consum. A més a més, els gasos emesos durant aquesta combustió, degraden l'entorn i fins i tot poden arribar a alterar les condicions del nostre planeta; és més, això ja està succeïnt amb problemes com l'efecte hivernacle i la pluja àcida. Les tècniques que estan en procés de desenvolupament haurien de centrar els seus objectius en mitigar les dues principals pertorbacions produïdes; a escala regional, són la pluja àcida i la brutícia de l'atmosfera urbana o "smog". A una escala més general s'ha d'afrontar un problema més important, el de l'escalfament del globus terraqui o efecte hivernacle. Resumint, es podria dir que aquest efecte hivernacle és conseqüència de l'augment de CO2 entre d'altres gasos a l'atmosfera. Aquest augment fa que augmenti la temperatura globalment, doncs, el CO2 captura l'escalfor irradiada per la terra i la manté prop de la superfície. 1.2.1Solucions al problema Hi ha diferents mètodes i estratègies a seguir per solucionar aquests problemes: - El modern sistema de cicle integrat de carbó que transforma el carbó en un gas de síntesi. - El gas natural, aquesta opció també és molt atractiva - La recuperació directa del diòxid de carboni de les emissions de les grans centrals, encara que aquesta estratègia encara és molt futurista. Antecedents - 11 - Hi ha moltes possibles solucions que no han estat esmentades aquí. Aquest projecte pretén aconseguir un aprofitament energètic amb el biogàs generat de la digestió anaeròbia dels purins. És una solució que, tot i que no erradicarà els problemes existents a gran escala, si que ho farà a petita. Últimament aquest tipus d'estratègia s'està estenent molt per tot el món, aquesta alternativa amb més o menys complicacions permet l'eliminació de residus i alhora la producció d'un gas ric en energia com és el biogàs (60 % de CH4, 40 % de CO2 entre d'altres compostos en menor presència). Per això i per molts d'altres motius els seus camps d'aplicació són: - La depuració d'aigües residuals. - L’eliminació de residus de tipus ramader bàsicament. D'aquesta manera, amb aquest procés es contribueix a la millora del medi ambient de la següent manera: - Reduint la quantitat de residus que és molt elevada. - Obtenint una energia que dispensa de la utilització dels combustibles fòssils. 1.2.2Aprofitament de la matèria orgànica El procediment de l'aprofitament de matèria orgànica i obtenció de biogàs a gran escala es començà a difondre per França, Suïssa, Bèlgica i altres països europeus. La brossa produïda per la població d'Espanya es pot distribuir de la següent manera: - 44 % de Matèria Orgànica - 22 % de Paper - 11 % de Plàstic - 7 % de Vidre - 5 % de Matèries Tèxtils - 4 % de Metalls - 1 % de Gomes Antecedents - 12 - - 0,16 % de Piles i Bateries - 5,84 % Altres El sistema d'aprofitament per obtenció de biogàs, tant en el cas d'un procediment a gran escala com en el cas d'un digestor domèstic, reduiria considerablement la quantitat de brossa, juntament amb els actuals plans de reciclatge de paper i cartró, de vidre i de piles i bateries. Per tant, l'aprofitament de la matèria orgànica per a l'obtenció de biogàs és un fet molt important, com ho demostra el 44 % que actualment ocupa. Amb el procediment per a l'obtenció de biogàs (principalment format per metà) s'aconseguiria emmagatzemar-lo en bombones, així com també es podria generar energia elèctrica deguda a la combustió d'aquest gas. Dels líquids, fongs i fangs resultants també s’obtindrien adobs naturals. 1.2.3Tractament de residus ramaders El problema dels residus no és nou i ha despertat inquietud des de fa molts anys. En el segle passat ja es buscaren solucions per la digestió anaeròbia. Louis Moura va construir la primera fossa sèptica el 1898 i Karl Imhoff construí el tanc que porta el seu nom el 1907 amb el doble ús de digestor anaerobi i decantador. Des de llavors, els procediments per portar a terme la digestió anaeròbia han avançat molt, però ha estat durant els últims anys amb la crisi d'energia i l'agudització dels problemes de la contaminació, quan han augmentat notablement els estudis i les publicacions sobre el tema així com les instal·lacions de digestors amb bons rendiments. A continuació es pot observar la quantitat de biogàs que es pot generar a partir de residus ramaders. En definitiva es pretén establir la conversió del residu ramader a biogàs utilitzant la digestió anaeròbia. Antecedents - 13 - La següent taula 1a. mostra la quantitat de biogàs generada segons el tipus de residu ramader. Producció de biogàs en funció de la matèria orgànica del residu Animals Residu (l/dia) Matèria orgànica (kg/dia) m3 biogàs/kg m.o. 1 vaca 50 4.8 0.27 1 porc 10 0.35 0.4 1 ovella 40 3 0.25 100 gallines 7 4 0.25 Taula 1a Producció de biogàs en funció de la matèria orgànica del residu (Nota: m.o. significa matèria orgànica) Antecedents - 14 - 1.3Productes de la digestió anaeròbia Els productes de la digestió anaeròbia són el biogàs juntament amb un efluent. El biogàs té unes característiques i utilitats que es detallen a continuació. 1.3.1El biogàs Com se sap, el biogàs és una mescla de metà (CH4) i de diòxid de carboni (CO2), amb petites proporcions d'hidrogen (H2), nitrogen (N2) i sulfur d'hidrogen (H2S, un gas que fa una pudor molt característica, semblant a ous podrits). La composició així com la quantitat produïda de biogàs depenen, no tan sols del residu tractat, sinó que també de les condicions d'operació del digestor. Cada any, l’activitat microbiana allibera entre 590 i 880 milions de tones de metà a l’atmosfera. Al voltant del 90 % del metà emès prové de la descomposició de la biomassa. La resta és d’origen fòssil, o sigui relacionat amb processos petroquímics. La concentració de metà a l’atmosfera a l’hemisferi nord és proper a 1,65 ppm. El biogàs es pot originar a partir de dos tipus de biomassa: el d'abocador i el procedent de purins. El biogàs procedent del tractament de purins té moltes més variabilitats, tenint en compte les característiques dels mateixos purins, tot i que inicialment es poden establir esquemes comuns vàlids per a tots els aprofitaments. El biogàs que s'aconsegueix és una barreja de diferents gasos. Les proporcions varien en cada cas, segons quin sigui el procediment emprat en les instal·lacions o segons el tipus de purí. Antecedents - 15 - - Composició mitjana típica del biogàs: Component Percentatge Metà (CH4) 64 Diòxid de carboni (CO2) 35 Hidrogen (H2) 1-10 Nitrogen (N2) 0.3-3 Vapor d’aigua (H2Ov) 0.3 Àcid sulfhídric (H2S) 0.4 Taula 1b. Composició mitjana del biogàs A més, s'ha trobat a vegades, monòxid de carboni (CO), amoníac (NH3), i compostos orgànics volàtils. A la següent taula 1c, es poden veure les dades típiques referents a la quantitat i composició en metà del biogàs obtingut a partir de diferents residus: Tipus de residus Producció de biogàs (ml/l/dia) % CH4 Vaca 500-800 52-62 Porc 600-1000 49-65 Residus de granja Aviram 233-1610 40-72,4 Aigües residuals 190-1176 52-69 Destil·laries 1100-1300 49-85 Processos alimentaris 3900-11800 69-85 Residus agrícoles 90-890 33-55 Sòlids urbans 79-180 55-75 Escorxadors 650-1200 42-81 Taula 1c. Obtenció de biogàs a partir de diferents residus Antecedents - 16 - 1.3.1.1Efecte fisiològic La presència dels compostos que conté el biogàs cal tenir-la en compte quan es vol sotmetre el gas a compressió, ja que, aleshores, els vapors d'hidrocarburs poden condensar, la qual cosa fa que calgui tenir en compte el disseny del recipient on s'emmagatzema el gas. L'eliminació del diòxid de carboni sol ser útil i, de vegades, necessària. La forma més senzilla de fer-ho és un rentat amb aigua quan el gas està pressuritzat. La corrosió deguda al biogàs en els equips és més aviat conseqüència del sulfur d'hidrogen que dels productes àcids de combustió dels components sulfurats i nitrogenats a àcids nítric i sulfúric. Els metalls no ferrosos són susceptibles d'ésser atacats pel sulfur d'hidrogen, en particular el coure, el bronze i el llautó. Els compostos nitrogenats no ataquen significativament els metalls, mentre que els productes àcids de combustió ataquen l'interior dels cremadors; així, és comú trobar dipòsits de sulfat de ferro (II) en els cremadors de biogàs. El sulfur d'hidrogen present (una mitjana del 0,4 %) és altament corrosiu i presenta problemes durant la combustió en calderes i motors d'explosió interna, per oxidació SO2 i H2SO4 i condensació d'aquest últim per sota de 125 °C (punt de rosada). L' H2S pot ésser eliminat per rentat, tècnica suficientment coneguda. D'altra banda, la utilització del gas en processos químics, diferents de la combustió, és problemàtica. El metà és relativament inert i calen catalitzadors per dur a terme les reaccions útils. Tanmateix, l'àcid sulfhídric present actua com a enverinador de la majoria de catalitzadors. És a dir, que per aquest altre motiu també caldria eliminar-lo. La realitat és, per tant, que alhora de fer el balanç econòmic global pot ésser més interessant utilitzar el biogàs, sense eliminar-ne el sulfur d'hidrogen, com a combustible, enlloc d'eliminar-lo i utilitzar-lo com a matèria primera a la indústria química. Aquesta utilització del biogàs com a combustible pot ésser aprofitada per la generació d'energia tèrmica, mecànica i elèctrica. Antecedents - 17 - El poder calorífic inferior (PCI) del metà és de 35.984 KJ/Nm3 i el del biogàs està al voltant dels 23.000 KJ/Nm3. La seva combustió és neta, i malgrat l'efecte que pugui produir la presència d'àcid sulfhídric (sempre minsa), no produeix olors desagradables. El metà té una temperatura crítica de -82 °C, per la qual cosa la seva liquació no és senzilla, o al menys no és pensable a l'escala de les granges d’explotació porcina. Per les seves característiques, el biogàs és comparable en les seves aplicacions al gas manufacturat (18.400 KJ/Nm3) i el gas natural (35400KJ/Nm3). Una de les aplicacions més curioses del biogàs, es tracta d'utilitzar aquest gas comprimit com a combustible per a vehicles (tractors, . . . ) en condicions econòmicament favorables. El valor calorífic del biogàs és al voltant de 6 kWh/m3. És a dir que un metre cúbic de biogàs és equivalent aproximadament a mig litre de combustible diesel. Antecedents - 18 - El biogàs s’utiliza com una tecnologia ecològicament amistosa en molts països 1.3.1.2Utilització En principi, el biogàs pot ser utilitzat de quatre maneres diferents: a) Utilitzar el gas de baix poder calorífic per a la generació de vapor o electricitat. b) Subministrar part del gas net per a usos industrials. Tal i com s’ha explicat anteriorment, aquest cas no és gaire viable. c) Purificar aquest gas i injectar-lo a una xarxa de distribució en condicions semblants a les del gas natural. Antecedents - 19 - d) Utilitzar el biogàs "in situ" com a matèria primera per a obtenir productes valuosos, com metanol o gas natural liquat. El que siguin o no siguin viables les anteriors opcions, entre altres coses, dependrà de les característiques del gas (composició, poder calorífic, etc. . . ). Les alternatives existents per tal de cobrir la davallada són les següents: 1Venda del gas a usuaris de combustibles a l'estiu: magatzem frigorífic i sector industrial en general. 2Cogeneració d'energia elèctrica/tèrmica durant tot l'any. Autoconsum d'aigua calenta i energia elèctrica o bé venda d'electricitat a la companyia. Aquest punt té especial importància si es considera la possibilitat de connexió a la xarxa de distribució d'energia elèctrica. En el següent apartat 1.3.1.4 s’amplia aquesta informació. 3Magatzem de l'excedent en bombones a mitja pressió (10-20 bars). Normalment, el biogàs produït per un digestor es pot utilitzar directament com a qualsevol altre gas combustible. No obstant, és possible que el seu ús requereixi a vegades de processos que, per exemple, redueixin el contingut de sulfur d’hidrogen. Quant el biogàs es barreja amb aire en una proporció 1 a 20, es forma una mescla altament explosiva. Per tant, les pèrdues de les canonades en espais tancats constitueixen un perill potencial. Antecedents - 26 - Així, en els seguiments de mineralització "in vitro" del nitrogen en dos substrats metanogènics diferents (fems líquids de porc i espigues de blat), s'observa que pràcticament no es modifica el nitrogen mineral del sòl quan aquest és fertilitzat amb els productes digerits; en canvi, els productes frescos provoquen una modificació molt important del nitrogen mineral, especialment en el cas de les espigues de blat. Això també podria ser degut, amb menor part, a una major proporció de nitrogen amoniacal a l’efluent. - Utilització de l’efluent Els efluents poden utilitzar-se de forma integral, és a dir, tal i com surten del digestor, o bé poden sotmetre's a un fraccionament previ per processos de concentració per decantació/sedimentació, centrifugació o secat; que separin amb més o menys precisió la part sòlida de la líquida. En el cas més específic dels fems líquids (residu ramader en forma líquida) que, són els que més problemes plantegen en quant a contaminació, hi ha la següent alternativa possible per a la utilització de l’efluent: - La nutrició animal amb purins digerits està encara en fase d'investigació i desenvolupament, i és encara difícil poder establir comparacions entre purins digerits i frescos. Sembla ser, no obstant, que a priori les transformacions necessàries per aquest tipus de reciclatge siguin menys problemàtiques amb els purins digerits, per raons físico-químiques (millor separació de fases), organolèptiques (reducció o absència d'olors) i microbiològiques (eliminació més o menys completa de gèrmens patògens en el digestor). Així, la separació de fases de l’efluent, que per la seva valoració com a additiu dels pinsos és indispensable (doncs la major part de les proteïnes es troba a les partícules sòlides més petites i a la massa bacteriana), sol fer-se mitjançant una centrifugació avançada. Antecedents - 27 - Aquest procés, exigeix, en teoria menors despeses energètiques que amb els purins frescos, donada la major facilitat de decantació prèvia dels purins digerits. Així mateix, per ésser la centrifugació dels purins digerits més estables que en els frescos, l'assecat és, en qualsevol cas, menys problemàtic. - Com a fertilitzant per a l’ús agrícola. Aquesta alternativa és una de les més interessants doncs s'inscriu amb facilitat a la pràctica de la ramaderia intensiva, doncs no suposa cap mena de professionalització del ramader. Antecedents - 28 - El procés de digestió anaeròbia segueix tota una sèrie d’etapes. El següent apartat fa referència als aspectes més caracterísitics i a les etapes de la digestió anaeròbia. 1.4Etapes de la digestió anaeròbia La conversió biològica de la matèria orgànica complexa en metà la realitzen poblacions bacterianes molt diverses, les activitats metabòliques de les quals operen a diferents nivells tròfics (és a dir que diferents espècies realitzen diferents reaccions bioquímiques). El metà obtingut és bioquímicament inert en condicions anaeròbies i en absència d’acceptadors d'electrons, la qual cosa assegura la continuïtat de la descomposició orgànica. La digestió anaeròbia s'ha dividit clàssicament en tres etapes: • Etapa d'hidròlisi-acidogènesi Els polímers orgànics són hidrolitzats a molècules senzilles i solubles, que són fermentades fonamentalment a àcids orgànics, etanol, amoníac, hidrogen i diòxid de carboni. • Etapa acetogènesi Els compostos intermedis (àcids orgànics, alcohols,...) són consumits pels bacteris acetogènics i transformats a àcid acètic, diòxid de carboni i hidrogen. Aquest darrer és metabolitzat pels bacteris homoacetogènics, per generar més àcid acètic. Aquests bacteris que duen a terme a terme aquestes reaccions són anomenats organismes OHPA (acetògens productors obligats d'hidrogen). La seva existència ve lligada a la dels bacteris consumidors d'hidrogen. Finalment es pot observar que l'acetat es pot arribar a obtenir per tres vies: - coproducció a partir de la matèria orgànica - homoacetogènesi a partir de l’hidrogen, diòxid de carboni o sucres - acetogènesi amb producció simultània d'hidrogen Antecedents - 29 - • Etapa metanogènesi, en la qual es produeix el metà a partir de substrats monocarbonats o en alguns casos amb substrats amb dos carbonis units amb un enllaç covalent. Els microorganismes que duen a terme aquesta etapa tenen unes característiques tant particulars que formen un grup a part dins els procariotes, anomenat arquibacteris. Les diferències amb la resta de procariotes es refereixen a la composició de la paret cel·lular, a la presència de determinats lípids a la membrana i d'ARN-polimerasses amb composició diferent. Els substrats utilitzats són: hidrogen, diòxid de carboni, formiat, CO, compostos amb un grup metil (com el metanol), i l'acetat, dels quals els més importants són l’hidrogen, el diòxid de carboni i l'acetat. Tot i així la metanogènesi a partir de l’hidrogen i el diòxid de carboni és quatre vegades més energètica que la que es fa a partir de l'acetat. - Factors que influeixen en la fermentació La naturalesa i composició química del substrat condiciona la composició qualitativa de la població bacteriana de cada etapa, de manera que s’estableix un equilibri, fràgil o estable segons la composició i operació del sistema. Mentre que en les fases d’hidròlisiacidogènesi, els microorganismes acostumen a ser facultatius, és a dir, poden ser-hi o no. Per la tercera fase els microorganismes són estrictes (necessàris) i amb taxes màximes de creixement de l’ordre de 5 vegades menors als acidogènics. Això significa que si els bacteris metanogènics tenen algun problema per reproduir-se i consumir els àcids, per efecte d’algun inhibidor o per manca de temps de procés suficient, es produirà una baixada de pH. Per assegurar un procés estable cal que el medi tingui suficient alcalinitat. Antecedents - 30 - De la mateixa manera, les taxes de conversió del substrat en biomassa bacteriana amb sistema anaeròbic són de l’ordre de 4 vegades inferiors a les taxes corresponents a sistemes aerobis d’eliminació de matèria orgànica, la qual cosa implica que el procés anaerobi sigui, en línies generals, lent, requerint vàries setmanes d’engegada per aconseguir una producció estable de gas. La producció màxima de biogàs d’un residu determinat depèn de la seva composició relativa en lípids, glúcids i proteïnes. Demeyer et al. (1981) estimen que la producció màxima de biogàs per cada tipus de component de la matèria orgànica és equivalent a 0,89 tep/tona de lípids, 0,32 tep/tona de glúcids i 0,42 tep/tona de proteïnes. 1.4.1Condicions de funcionament El correcte funcionament d’un digestor anaerobi està condicionat a una sèrie de paràmetres classificables en dos grups: paràmetres ambientals (nutrients, factors inhibidors-estimuladors, el pH i l’alcalinitat, la temperatura, el potencial redox, entre d’altres) i els paràmtres operacionals (temperatura i temps de retenció hidràulica (TRH)). 1.4.1.1Paràmetres ambientals a) Els nutrients Per tal de dur a terme la digestió anaeròbia d'un substrat, cal que contingui tots els elements necessaris pel creixement dels microorganismes, especialment carboni, nitrogen i fòsfor. La relació òptima entre C/N/P és 150/5/1. En el cas que hi hagi excés de nitrogen, aquest es pot acumular en forma d'amoníac, que pot assolir nivells tòxics pels bacteris. Antecedents - 31 - b) Els factors inhibidors-estimuladors Els cations de metalls alcalins i alcalinoterris en concentracions baixes tenen efectes estimuladors, ben al contrari que en concentracions altes on poden ser altament inhibidors. La inhibició augmenta en el sentit: Na+< K+< Ca2+< Mg2+. Pels cations de metalls pesats (Fe, Co, Mo i Ni, entre d'altres) cal una concentració baixa perquè es produeixi el creixement dels bacteris metanògens. L'ordre decreixent de toxicitat per aquests metalls és: Zn=Cu=Cd>Cr(VI)=Cr(III)>Fe Per tal de poder controlar la inhibició per metalls pesats a l'interior del digestor s’hi afegeix sulfurs. L'acció dels sulfurs és la de precipitar els metalls pesats, excepte en el cas del crom que forma una sal soluble. Altres inhibidors són diversos compostos orgànics, com dissolvents, antibiòtics, pesticides, detergents i nitrats. Amb concentracions febles d'aquests compostos es pot inhibir l'activitat metanògena. L'efecte tòxic dels àcids grassos volàtils (AGV) no és degut a l'acidesa pròpia, sinó que n'és responsable la forma no ionitzada. A un pH baix, els AGV poc dissociats tenen un efecte tòxic important, mentre que a un pH neutre, la seva toxicitat és feble. c) El pH i alcalinitat A cada fase del procés, els microorganismes presenten màxima activitat en un rang de pH diferenciat: hidrolítics entre 7,2 i 7,4; acidogènics entre 7 i 7,2 i metanogènics entre 6,5 i 7,5. A les aigües residuals amb baix poder tampó cal controlar exteriorment el pH, a fi d’evitar la seva baixada deguda als àcids generats a la segona fase. No és així pels residus d’alta càrrega, pels quals la seva alta alcalinitat permet una autoregulació permanent del pH. Antecedents - 32 - Es treballa en tots els casos al voltant de la neutralitat. S’admet que una alcalinitat compresa entre 2 i 3 g CaCO3/L és suficient per la regulació del pH en el reactor. d) La temperatura La temperatura és un paràmetre ambiental i operacional. Com a paràmetre ambiental, té una importància rellevant en el procés, especialment en els bacteris metanogènics. Aquests són sensibles a canvis de temperatura, de manera que una disminució de pocs graus respecte la temperatura habitual de treball, interromp la producció de metà, però sense afectar la producció d’àcids grassos volàtils (AGV), fet que pot provocar una acumulació dels mateixos al reactor, amb les conseqüències que això suposa. e) El potencial redox Cal que sigui suficientment baix per poder assegurar el desenvolupament de poblacions metanogèniques estrictes. En cultius purs els bacteris metanogènics requereixen potencials d’oxidació-reducció compresos entre -300 mV i -330 mV. f) Potencials i rendiments Pel principi de conservació de la matèria, en un reactor anaerobi la quantitat eliminada de Demanda Química d’Oxigen (DQO) es converteix en gasos oxidables. Si aquests estiguessin constituïts íntegrament per CH4, l’eliminació d’1 kg de DQO es pot transformar en una quantitat màxima de 0,35 m3 de CH4, en condicions normals de pressió i temperatura. En unitats d’energia primària es tradueix en un valor de l’ordre de 3,5 kWh/kg DQO eliminada. Antecedents - 33 - En realitat es produeixen petites quantitats d’altres gasos oxidables (H2S, H2), i per tant la taxa és sempre lleugerament inferior a 0,35. Haug (1993) estima la generació de calor durant el procés de compostatge anaerobi a través de la relació entre DQO eliminada i metà generat, i entre aquest i la seva potència calorífica. Queda clar que en medi aerobi no hi ha producció de metà, encara que alguns autors detecten produccions significatives en piles de compostatge (Edelmann et al. 1999), però aquesta relació permet un apropament a les relacions de conservació de l’energia en processos de descomposició de compostos orgànics. A partir de la relació anterior, coneixent la relació DQO/SV per a un residu determinat, es podria suposar en calcular el seu potencial de producció de metà, en base a hipotitzar un percentatge d’eliminació de DQO. Aquest potencial teòric queda limitat per la biodegradabilitat en medi anaerobi de cada compost. Així, les lignines o els complexes ligno-cel·lulòsics no són degradades en medi anaerobi, requerint un pretractament tèrmic en medi àcid o bàsic per aconseguir la descomposició a formes solubles biodegradables. Segons el component del residu, o el pes relatiu d’aquest, es poden aconseguir diferents graus de descomposició, modificant-se el potencial de producció de biogàs. 1.4.1.2Paràmetres operacionals a) La temperatura El procés de digestió anaeròbia pot realitzar-se a tres rangs diferents de temperatura: • Psicròfil: per sota dels 20 ºC. • Mesòfil: entre 30 i 40 ºC. • Termòfil: entre 50 i 70 ºC. Antecedents - 34 - Amb l’augment del rang de temperatures s’augmenta la velocitat de creixement dels bacteris i les taxes d’hidròlisi, i amb això la velocitat global del procés i de producció de biogàs. Treballant en el rang termofílic s’assegura, a més, la destrucció de patògens, l’eliminació de males herbes i d’ous i larves d’insectes, de manera que és un sistema amb gran implantació en països amb legislació ambiental restrictiva. Malgrat les grans avantatges dels sistemes termofílics, aquests requereixen de major control i seguiment, degut a que a altes temperatures es modifiquen les característiques hidrodinàmiques del medi i alguns compostos, com el nitrogen amoniacal, es comporten com inhibidors. Això es pot superar mitjançant mescles adequades de diferents residus (co-digestió). El gràfic que es mostra a continuació indica quina és la producció de gas a partir d’1 kg de residu orgànic de llots frescos injectats en un digestor i a diferents temperatures: Producció de gas a partir d’1 kg de residu orgànic de llots frescos injectats en un digestor, sotmès a diferents temperatures Antecedents - 35 - b) Temps de retenció hidràulic (TRH) S’anomena temps de retenció hidràulic (TRH) al temps que el substrat roman a l’interior del reactor, sotmès a l’activitat bacterial. En un reactor de mescla complerta que funcioni a règim estable, existeix un equilibri entre la velocitat d’entrada de materials potencialment biodegradables (velocitat de dilució) i la velocitat de creixement dels microorganismes a l’interior del reactor. Així doncs, si es redueix el TRH augmenta la velocitat de dilució i com a tal, augmenta l’activitat bacteriana del reactor, essent la conseqüència més directe un augment de la producció de biogàs per unitat de volum del reactor. Els TRH factibles per a la digestió anaeròbia de purins porcins (residu ramader) en reactors de mescla complerta a règim mesòfil són entre 9 i 25 dies, essent òptims entre 12 i 20 dies. - Resum del procés d’obtenció del biogàs Mitjançant diverses reaccions, un ampli conjunt de substractes materials amb àtoms de carboni en diferents estats d’oxidació-reducció, es converteixen en molècules que contenen àtoms de carboni amb les formes més oxidades (diòxid de carboni) i més reduïdes (metà). Aquests productes són estables i no sofreixen degradacions posteriors en sistemes d’emmagatzematge on la llum i els acceptadors d’electrons inorgànics, com el nitrat i l’oxigen, hi són absents. En aquest procés es distingeixen diverses operacions: • Acondicionament de les matèries primeres: es redueix la seva mida i s’afegeix aigua per poder formar una mescla adequada per a la digestió posterior. • Reacció global de conversió en el digestor. Els factors que influeixen en la degradació bacteriana i en la producció de biogàs són: el pH, l’alcalinitat, l’acidesa, la temperatura, els nutrients i substàncies que afavoreixen el procés, els inhibidors, la densitat de càrrega, el temps de residència, el grau de mescla i l’agitació i immobilització dels microorganismes. Antecedents - 42 - Processos amb biomassa fixada En els digestors on s’apliquen aquests tipus de processos es tracten corrents diluïts i poden operar amb temps de residència molt petits sense que es produeixin pèrdues significatives de biomassa. Entre aquests processos es poden destacar els següents : Filtre anaerobi Consisteix en un recipient reblit d'un material inert sobre el qual s'han fixat els microorganismes. No és útil quan hi ha sòlids en suspensió ( poden obstruir el filtre) i cal dissenyar-los adequadament per tal d'evitar la creació de camins preferencials i el taponament dels distribuïdors. Antecedents - 43 - Digestor de pel·lícula fixada La pel·lícula bacteriana està fixada sobre un suport inert, essent l'alimentació per la part superior amb la qual cosa es resolen els problemes de colmatació i repartiment del corrent d'entrada, que tenen els filtres. Digestor de llit fluiditzat Antecedents - 44 - És semblant al filtre en quant al mètode de fixament dels bacteris, però amb la diferència de que el llit està fluiditzat. Segons els resultats, de moment experimentals, sembla que l'eficàcia d'aquest sistema supera molt als anteriors. Sistema Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) El digestor UASB ( Upflow Anaerobic Sludge Blanket) desenvolupat a Holanda aconsegueix que els microorganismes formin uns flòculs que es decanten fàcilment amb la qual cosa s'evita el "rentat" del digestor mantenint unes condicions adequades en aquest. Si a això s’hi afegeix un dispositiu original de separació gas-líquid, hi ha un sistema amb una eficàcia de depuració molt elevada. Té però un inconvenient: el mecanisme d'autofloculació dels bacteris està relacionat amb el corrent a tractar i, segons la seva naturalesa, pot no ser efectiu. De fet, aquest sistema s'ha aplicat amb un èxit notable al tractament d'aigües residuals d'origen alimentari. Antecedents - 45 - Digestor de dues etapes És, possiblement, el sistema de digestió anaeròbia més controvertit. Es basa en realitzar l'etapa acidogènica i metanogènica per separat, en dos digestors diferents, un a continuació de l'altre, fent-los operar en les condicions òptimes per a cadascuna d'elles. Tot i això, es pot trobar la part negativa d'aquest tipus de digestor en el trencament de la dinàmica de la població bacteriana, basada segons sembla en la simbiosi o acció sintròfica dels bacteris acidogèniques i de les metanogèniques. Tot i que en un principi el procés era atractiu i que es continua investigant a nivell de laboratori, en general aquest procés s'ha deixat una mica de banda i s'ha optat per els altres sistemes. Antecedents - 46 - Sistemes mixtes Com s'ha vist cada sistema és útil per un determinat tipus d'efluent. Es pot pensar, doncs, en aplicar a un mateix efluent un sistema mixt format per dos tipus de digestors: en el primer es tractaria efluent brut i, en el segon, el corrent de sortida del primer. Per exemple, un dels sistemes mixtes utilitzat per tractar els efluents d'una indústria paperera, és utilitzar en primer lloc un digestor de llit fluiditzat i, en segon, un filtre anaerobi que completa la depuració desitjada. Una altre alternativa, podria ser tractar efluent brut amb un procés de contacte anaerobi seguit d'un filtre. Antecedents - 47 - Digestió anaeròbia seca Quan es tracta de processar biomassa seca amb alguns dels sistemes anteriors és evident que cal afegir quantitats d'aigua molt grans que podrien encarir molt el procés. Donat que actualment cobra importància la gestió de residus sòlids (urbans, forestals o agrícoles) és interessant considerar el criteri de fermentació seca. En definitiva, es tracta d'afegir quantitats reduïdes d'aigua al procés. Això simplifica enormement les necessitats de recollida i pretractament dels residus i el disseny i operació del digestor seria molt més simple. A més, s'ha calculat que la producció d'energia pot satisfer més del 100 % de les necessitats energètiques i que, en tot cas, l'economia global del procés és molt satisfactòria. En contrapartida, cal un digestor de grans dimensions, essent molt probablement definides les limitacions del procés, degut a que és una tecnologia molt nova. 1.5.4Característiques generals dels digestors En general, els digestors convencionals, són de fàcil manipulació i escassa despesa en manteniment. El problema resideix en que proporcionen temps de retenció molt llargs i baixes conversions de matèria orgànica a metà. Per aquestes raons els digestors anaerobis convencionals treballen amb grans volums de digestió. Els digestors anaerobis d'alta velocitat, en canvi, són tot el contrari. Aquests esdevenen molt més complexes i les seves despeses en instal·lació i manteniment són molt més elevades. Com a avantatge, gaudeixen de temps de retenció bastant baixos, grans produccions de metà i una bona reducció de la matèria orgànica del residu. Antecedents - 48 - 1.5.4.1Selecció del digestor pel projecte L’objectiu del projecte és dissenyar una planta d’obtenció de biogàs a partir de purins a l’interior d’una explotació porcina. Pel procés d’obtenció de biogàs és necessari un digestor anaerobi. A continuació es determina el tipus de digestor més adient per la planta: - Es comparen els diferents tipus de digestors d'alta velocitat. D'entrada s'eliminen els digestors de dues etapes per l'encariment que suposa la construcció i el manteniment dels dos recipients d'aquest tipus de digestor. - També es deixen de banda els digestors d'alta velocitat basats en la retenció de biomassa sense suport per la facilitat en que s'acumularia en ells una gran quantitat de sòlids inerts que els faria ineficaços en un temps molt breu. - Entre els digestors d'alta velocitat basats en la fixació de bacteris sobre un suport es decanten els de llit fluiditzat per la dificultat que comportaria pel granger el control d'un digestor d'aquesta mena i per l'elevada despesa d'energia pel manteniment de la fluïdització. - Els biofiltres i els digestors de pel·lícula fixa es comparen i s’observa que els primers són adequats per tractar residus sense sòlids suspesos pel perill que representen les possibles obturacions en el medi filtrant. - Finalment, s'arriba a la conclusió que els digestors d'alta velocitat més avantatjosos són els de pel·lícula fixa i flux descendent, pel fet de no retenir sòlids inerts, no presentar possibles obturacions, proporcionar temps de retenció baixos i elevades produccions de gas i gaudir d'una bona eliminació de matèria orgànica. Antecedents - 49 - 1.5.4.2Indicadors útils en el seguiment d'un digestor Per a portar a terme el procés de digestió dels purins, s’ha de tenir en compte una sèrie de paràmetres així com seleccionar el tipus de procés de fermentació més adequat. • Paràmetres a destacar per al seguiment d'un digestor: - La reducció en el rendiment de metà: hauria de ser de l'ordre de 0,34 a 0,36 m3 per Kg de DQO eliminada a 35 °C. - Els AGV, no haurien d'excedir els 500 mg/l aproximadament d'àcid acètic equivalent. L'aparició d'àcid propiònic indica el començament de la desestabilització del digestor. - La caiguda del pH per sota dels valors normals està relacionada amb l'aparició dels AGV a nivells tòxics, sobre tot en el cas de que es tracti de medis molt tamponats, per la qual cosa s’aconsella no realitzar únicament el control del pH, sinó que és molt convenient realitzar anàlisis periòdiques del contingut d'AGV del digestor. - La disminució de la capacitat depuradora del sistema (reducció de la DQO) i la incapacitat de respondre a les necessitats d'aturades i posades en marxa o d'entrada sobtada de materials tòxics. • Selecció del procés de fermentació Per tal de seleccionar el procés de fermentació més adequat per a la digerir els purins interessa bàsicament l’última etapa, l'anomenada metanogènesi. Aquesta pot ser definida com un procés pel qual diferents substrats poden ser transformats a biogàs ric en metà, CH4. L'elecció del tipus de procés convenient estarà en funció de la naturalesa i de les propietats del substrat que s'haurà de fermentar o biometanitzar. Antecedents - 50 - D'aquesta manera hi ha diferents sistemes de digestió metànica sota els quals s'ha d'efectuar l’el.lecció, són els següents: a) Sistemes de medi no renovable: - Batch: alimentació única. - Fed-batch: alimentació dividida en el temps. b) Sistemes de medi continu: - De mesclat perfecte: molt utilitzat pel tractament de residus líquids de procedència ramadera, industrial i urbana. - D'acumulació de biomassa activa. - D'una o dues etapes. Alhora també s’ha de tenir en compte els diferents tipus de perfils fermentatius anaeròbics. El perfil àcid és característic dels vegetals no llenyosos mentre que el perfil de fermentació neutre és propi dels residus bovins i dels fems, sobretot els bovins. S'observa que quan un perfil de fermentació àcida està fortament marcat, encara que es pot neutralitzar, el substrat retornarà contínuament al seu estat de perfil àcid. Tipus de perfils fermentatius anaeròbics: a) Perfil àcid: - Predomini d'àcid làctic (pH 4,5). - Predomini dels àcids grassos volàtils (pH 6,5). b) Perfil neutre: - Predomini d'àcids grassos volàtils (pH 6,5 - 7,5). - Predomini d'etanol. Antecedents - 51 - Un altre criteri d'elecció resideix en l'estat físic del substrat, aquest es resumeix bàsicament en: a) Estat semi-sòlid: aquest estat és essencialment no bombejable. b) Estat semi-líquid: és bombejable i conté poques matèries decantables. A més conté matèries seques amb una concentració igual o inferior al 4 %. b) Estat líquid: totalment bombejable, conté freqüentment quantitats apreciables de matèries decantables. També posseeix una concentració de matèria seca, superior o igual al 4 % (pes/volum). L’agitació i calefacció són dos sistemes mecànics utilitzats pel control dels paràmetres de la fermentació anaeròbia. Al punt 3.2 del projecte es detallen aquests dos sistemes. Els purins i la seva problemàtica a la comarca d’Osona - 57 - Per tal de decidir quina utilitat es dóna a tot aquest conjunt de residus, cal tenir en compte que cada explotació té una composició variable i diferent. Els residus no tenen una composició estàndard. Generalment, els residus sòlids solen oscil.lar entre el 30 i 50 % en matèria seca (MS), factor molt important per a la seva posterior valorització com a fertilitzant i pel seu maneig (escampat). En el cas dels residus ramaders pastosos, el 5 % de secatge depèn del sistema d’explotació de la granja, però el contingut en matèria seca oscil.la entre el 15 i el 30 %. En el residus líquids la principal característica és el baix contingut en matèria seca, els purins poden oscil.lar entre el 2 i el 15 %. A la següent taula s’expressa la composició mitjana dels residus ramaders segons alguns paràmetres: Composició mitjana dels residus ramaders Paràmetres Boví Oví Porcí Aviram Sòlids Totals (%) Sòlids Volàtils (%) Nitrogen (mg/l) Fòsfor (mg/l) Potassi (mg/l) DBO5* (mg/l) 34 17 5 2 3 30 45 28 8 8 10 33 5 3 5 2 3 30 15 10 13 10 7 70 Taula 2c. Composició mitjana dels residus ramaders DBO5* : Demanda Biològica d’Oxigen a 5 dies S’ha de tenir en compte que tots els valors bibliogràfics són orientatius ja que les característiques reals dels residus ramaders depenen, no solament del tipus de residu sinó que també depenen de les operacions d’explotació, ja que aquestes poden diferir d’unes a altres en aspectes com: el volum d’aigua de rentat utilitzada, l’alimentació, l’ús de productes sanitaris, els desinfectants,… Els purins i la seva problemàtica a la comarca d’Osona - 58 - Després de conèixer els diferents tipus de residus ramaders, a continuació es detalla el residu ramader que es tracta en el projecte: els purins. 2.1.2Característiques dels purins Els excrements dels porcs, com qualsevol residu orgànic net de contaminants (no es considera si els porcs reben massa metalls pesants com Zn i Cu, o massa antibiòtics) és un producte interessant com a adob orgànic. Malgrat això, es parla a vegades de contaminació per purins. La contaminació que pot provocar el purí és de causa quantitativa i qualitativa. Se sap que els causants de la contaminació poden ser qualitatius i quantitatius: • Es parla de causants qualitatius quan s’introdueix al medi una substància artificial que no existeix a la natura, o quan es posa una substància natural en un medi que no li és propi. • Es parla de causants quantitatius quan s’introdueix una substància natural en un medi que li és propi, però s’introdueix en quantitats excessives. L'excés de purí, i més concretament l'excés de nitrogen, pot provocar contaminacions greus a l'atmosfera i sobretot a aigües superficials i subterrànies. Cada porc produeix diàriament entre 4 i 7 l de purí. Però no és que el porc sigui un animal que excreti tant de líquid. El purí és bàsicament el resultat de netejar els excrements més o menys sòlids dels porcs amb aigua a pressió. L'adobat dels camps amb residus orgànics es calcula, en principi, a partir dels nutrients més importants, especialment el nitrogen. Es fa un balanç del nitrogen que necessita el conreu, el nitrogen que ja hi ha al sòl i la concentració de nitrogen que conté el residu. Segons això se sap quantes tones de residu es poden aportar en una hectàrea o, el que és el mateix, en quina superfície mínima es pot aplicar una determinada quantitat de residu. Els purins i la seva problemàtica a la comarca d’Osona - 59 - Els adobs orgànics tenen un benefici molt important per a la sostenibilitat dels sòls, però cal que no siguin frescos sinó que han d'estar estabilitzats en forma de matèria orgànica madura. Aconseguir matèria orgànica madura implica passar per un procés de descomposició dels biopolímers i un procés de formació de substàncies húmiques. La descomposició es pot donar en condicions aeròbiques (presència d’oxigen) i aleshores es parla de compostatge, o es pot donar en condicions anaeròbies (absència d’oxigen) i en aquest cas es parla de metanització. La maduració de la matèria orgànica, més pel compostatge que no pas per la metanització, destrueix totalment o parcial els patògens que contenen els excrements. Els patògens també poden ser eliminats escalfant el residu a temperatura elevada, per exemple durant un procés d’assecat. El purí té un 95 % d'aigua, la qual cosa dificulta el seu transport, ja que no és un producte fertilitzant concentrat sinó diluït. Cal moure més volum i això sempre és més car. No obstant, l'aigua és un element extremadament preuat a les nostres condicions climàtiques, i molt sovint esdevé el factor limitant que impedeix millorar les collites. Sovint el purí ajuda a millorar el rendiment d'un conreu, més per l'aigua que aporta que no pas pel nitrogen i altres nutrients que conté. Tenint en compte això, cal tenir present una sèrie de característiques del purí: • Quantitat de nutrients, principalment N • Maduresa del residu orgànic • Patògens • Quantitat d'aigua • Optimització del seu transport Per altra banda, hi ha altres característiques dels purins que convé tenir molt en compte: 9 Enorme variabilitat 9 Alta salinitat (sobretot clorurs i sulfats) 9 Contingut en elements potencialment tòxics: metalls pesants i microcontaminants orgànics (medicaments, desinfectants, pesticides, etc.). Els purins i la seva problemàtica a la comarca d’Osona - 60 - Segons les dades obtingudes a partir de la bibliografia (“Zootècnia bàsica aplicada”), la producció mitjana/dia de fems en kg de fems/cap/dia (amb jaç) i de purins en litres de purí/cap/dia seria la següent: PRODUCCIÓ MITJANA/DIA Kg fems/cap/dia L/purí/cap/dia Porcs d’engreix (20-50 kg PV) 4.0 3.5 Porcs d’engreix (50-100 kg PV) 7.0 6.5 Porc mascle reproductor (> 140 kg PV) 11.0 10.0 Truja seca (> 140 kg PV) 11.0 10.0 Truja gestant (> 150 kg PV) 13.5 12.0 Truja amb garrins (> 150 kg PV) 18.0 16.0 Taula 2d. Producció mitjana/dia de fems i purins (Nota: PV significa Pes Viu) 2.1.2.1.- Composició dels purins Una de les característiques dels purins és que la seva composició heterogènia i variable depèn, en gran part, del sistema de maneig de les explotacions, alimentació, estat fisiològic, època de l’any i sistema d’emmagatzematge entre d’altres. Existeix una diversitat important en els resultats que s’estableixen en la composició dels purins. Els valors presenten una certa variabilitat tot i que es poden prendre de referència, indicatius de composició. Aquesta variabilitat és principalment deguda a dos factors: • L’alimentació • Les condicions de maneig a l’explotació ramadera Els purins i la seva problemàtica a la comarca d’Osona - 61 - A la següent taula 2e es mostra la composició dels purins segons el tipus d’explotació referents a la comarca d’Osona: Composició dels purins Tipus d’explotació Concepte/unitats Engreix Cicle tancat Maternitat Matèria Seca (kg/m3) 74,92 68,40 46,17 Matèria Orgànica (kg/m3) 47,36 50,00 31,20 Matèria en suspensió (mg/l) 35.731,20 59.129,80 19.813,50 DBO5 (mg/l) 24.370,00 25.603,60 22.387,10 DQO (mg/l) 47.594,00 46.358,00 43.638,00 NTK (kg/m3) 4,45 4,30 4,00 Namoniacal (kg/m3) 3,07 3,60 3,10 Norgànic+nítric (kg/m3) 1,38 0,70 0,89 Ptotal (kg/m3) 1,43 1,15 0,65 K (kg/m3) 3,36 2,09 2,30 Conductivitat (µS/cm) 39.243,80 35.641,75 35.198,20 pH 7,38 7,20 7,55 Taula 2e. Composició química mitja dels purins de porc en funció del tipus d’explotació 2.1.3Tipus de tractaments dels purins Després de veure la composició dels purins, anem a veure quins són els possibles tractaments que hi ha en l’actualitat. Abans però, es valoren alguns tractaments aplicats fins ara. Els purins i la seva problemàtica a la comarca d’Osona - 62 - - Valoració d’alguns tractaments de purins A continuació es valoren alguns tractaments i manejos possibles o tradicionals dels purins, fixant-nos en les característiques: quantitat de nutrients (principalment N), maduresa del residu orgànic, patògens, quantitat d'aigua i optimització del seu transport. a) Tractament tradicional Antigament, les corts dels porcs no es netejàven amb aigua sinó amb pala manual. El fem barrejat amb palla es deixava compostar d’una manera més o menys descontrolada durant uns mesos i posteriorment es feia servir per adobar els camps. Es valora aquest sistema respecte dels paràmetres anteriorment esmentats: • Quantitat de nutrients més o menys íntegra (pèrdua de nutrients escassa). Nutrients més equilibrats gràcies a l’aport de la palla. Aquests nutrients donen per adobar una superfície x. • Maduresa probable però no garantida de la matèria orgànica dels residus. • Presència probablement baixa de patògens. • Sense aigua. • Transport més òptim degut a l’absència d’aigua. b) Maneig fruit de la intensificació Amb la intensificació de les explotacions porcines, es va implantar la neteja amb aigua a pressió. Això, juntament amb el major nombre de caps de bestiar, limita el nombre de mesos en què els residus (purins) es poden tenir a les granges. Això també ha comportat una disminució de la maduresa dels residus que són aplicats al camp, amb els inconvenients associats sobre els conreus, sobre el sòl i sobre la fauna salvatge, ja que són residus que per la seva escassa maduresa poden contenir nombrosos patògens. Els purins i la seva problemàtica a la comarca d’Osona - 63 - Valoració d'aquest sistema: • A les basses de purins, petita pèrdua de N per emissions contaminants a l’atmosfera (òxids de nitrogen N2O i NO, i amoníac) i per nitrificació-desnitrificació. Els nutrients donen per adobar una superfície pràcticament igual a x. • Maduresa improbable de la matèria orgànica dels residus. • Presència probablement alta de patògens. • Quantitat molt important d’aigua. • Major volum i pes a transportar degut a la presència d’aigua. c) Opció que es planteja a l'actualitat L’opció que més s’ha estès darrerament és la deshidratació dels purins en plantes de cogeneració, deixant de banda altres alternatives com la digestió anaeròbia dels purins que és la que es planteja en aquest projecte. Les plantes de cogeneració cremen gas natural i, amb la calor de la combustió, produeixen electricitat i assequen purins. La cogeneració és una tecnologia molt eficient quan es donen les condicions d’existència d’una demanda de calor i electricitat en un mateix procés o en processos molt propers, però aquest no és el cas dels purins. La rendibilitat (capacitat de tractament de purí per potència generada) està establerta actualment entre 4.500 m3 (en el cas menys eficient, quan es desaprofita més la calor generada) i 14.500 m3 (en el cas més eficient) de purí per cada MW generat. Assecar els purins és l’excusa per poder generar electricitat amb gas natural, la qual cosa actualment està molt ben pagada degut a la política estatal de subvencions (3,7 pta/kWh produït per cogeneració). Per això no importa si la planta és ineficient o si està sobredimensionada. Això també explica que algunes plantes de cogeneració plantegin instal·lar-se en comarques que no tenen un excedent de caps de porcí, on n'hi hauria prou amb una senzilla distribució del purí. Els purins i la seva problemàtica a la comarca d’Osona - 64 - Les instal·lacions de cogeneració són d’inversió inicial elevada, que estaria justificada si fossin una solució real i ambientalment correcta. Pot passar que en relativament pocs anys deixin de funcionar si deixen de ser tan rentables econòmicament: el gas natural, amb preu en alça, pot apujar-se significativament, tal com ha passat als EEUU, i les subvencions públiques per cogeneració poden disminuir. Podem trobar-nos en un futur no llunyà amb unes infraestructures inútils. Una planta de cogeneració necessita que arribi fins a ella una xarxa de distribució de gas natural i una xarxa d’evacuació d’electricitat. Normalment cal construir línies d’uns 2030 km fins als punts de connexió. La construcció d’aquestes infraestructures també té un impacte ambiental a tenir en compte. Les plantes de cogeneració poden emetre males olors degudes a l’evaporació d’amoníac i altres substàncies volàtils com ara àcid sulfhídric, àcids orgànics de cadena curta, amines, etc.). Si s’escalfen els purins i s’evapora la seva humitat, s’està facilitant l’emissió d’olors. Tot i fer un control dels gasos de la deshidratació, els escapaments d’olors seran més freqüents i intensos que si es tracten els purins a temperatura ambient i se’n extreu la humitat per altres mètodes. Per altra banda no és negligible l'impacte per sorolls. A les plantes de tractament tèrmic de purins existents a Catalunya no s'acompleix el compromís de l'administració de recuperar el 95 % de l'aigua obtinguda i d'utilitzar-la per al reg. Valoració de les plantes de cogeneració amb purins respecte les característiques del purí: • Poden haver-hi pèrdues de N per emissions contaminants a l’atmosfera (òxids de nitrogen i amoníac) i per nitrificació-desnitrificació. Aquests nutrients donen per adobar una superfície lleugerament inferior a x. Si, tal i com hauria de ser, es recuperen les emissions gasoses de nitrogen, en forma per exemple de clorur d’amoni, aquesta sal es pot comercialitzar amb finalitats industrials com ara la fabricació d’adobs químics que s’aplicaran en una superfície y. • Matèria orgànica dels residus immadura. Els purins i la seva problemàtica a la comarca d’Osona - 65 - • Absència de patògens si els fangs són assecats a temperatures de més de 60 ºC. • Sense aigua. • Transport més òptim degut a l’absència d’aigua. El guany més important que suposen les plantes de cogeneració de purins és la de concentrar el residu, permetent així que es pugui aplicar en un radi major amb uns costos de transport raonables, tot i que probablement s’haurà de diluir de nou just abans de l’aplicació per evitar salinitats excessives. Els costos de transport hauríen de ser un reflex del consum energètic que implica. Per altra banda, les plantes de cogeneració assequen fangs a base de consumir energies fòssils com és el gas natural. De manera que es gasta energia per tal d’estalviar energia en transport. Aniria bé tenir un balanç energètic i de cicle de vida d’aquest procés, però d’entrada ja sembla totalment contradictori gastar energia per tractar un residu, quan aquest residu conté energia aprofitable per metanització. La metanització genera biogàs que conté metà (de 23 a 33 m3 de metà per tn de purí). 2.1.3.1Classificació dels tractaments Els tractaments agrupen totes les accions de transformació per diferents medis: físics, químics i biològics. Segons l’acció efectuada, els tractaments poden tenir l’efecte de modificar: la composició química i biològica del substrat (amb eliminació de certs components) i la presentació física (controlant la composició de les fases en que es pot separar el residu inicial). La classificació dels tractaments dels purins és difícil ja que depèn de l’objectiu final que es vol aconseguir. Sovint cal una combinació de processos de tractament en una mateixa instal.lació per tal d’aconseguir el seu objectiu final. Cada tractament arriba fins a un punt determinat de depuració i, en funció de les característiques físico-químiques del líquid resultant, es pot aconseguir el permís d’abocament pel purí tractat en un medi receptor (llera pública, claveguera, col.lactor,...) o només es pot utilitzar per a regar els cultius. Els purins i la seva problemàtica a la comarca d’Osona - 66 - El líquid aquest només es pot abocar a la llera pública si ajusta els seus valors als que estableixen la Llei 29/1985, de 2 d’agost, d’Aigües i el Reial Decret 849/1986, d’11 d’abril, d’aprovació del reglament del Domini Públic Hidràulic. Ambdues disposicions indiquen els valors permesos per a realitzar un abocament i la forma d’aconseguir el corresponent permís. A mesura que van sortint problemes referents a la impossibilitat d’aplicació, segons la magnitud d’aquests problemes s’ha d’anar actuant en el mateix sentit. En ordre creixent d’ intensitat seria: • Sistemes de condicionament i desodorització. • Sistemes de depuració parcial. • Sistemes de depuració completa. • Sistemes de residu "zero". En definitiva, aquestes serien les actuacions bàsiques per reduir (o eliminar) el nitrogen dels purins. S’ha de fer constar que en les circumstàncies actuals no sembla possible un vessament de l’afluent a la llera pública, per diferents raons, en tot cas, a més, s’hauria de considerar altres paràmetres (DBO, DQO, metalls, ...). En efecte, seria molt difícil (por no dir impossible) l’autorització per part de les autoritats competents. Per l’elecció dels tractaments concrets a aplicar s’haurà de tenir en compte una sèrie de criteris generals. Aquests són els següents: • Eficiència en el procés de depuració: reduir la concentració de nitrogen fins el nivell desitjable segons sigui la problemàtica inicial i l’objectiu en arribar a la sortida (afluent i/o residu). • Exigències infrastructurals per a la instal·lació: necessitat de sòl (superfície i característiques), línies elèctriques, aigua i altres recursos, logística, etc. • Volum de purí a tractar, per les economies d’escala que porta implícita i per les exigències de determinats sistemes (plantes) d’un volum mínim de capacitat per resultar viable. • Costos d’explotació i/o manteniment, que siguin assumibles pel granger que es qui finalment haurà de pagar (directa o indirectament).