Gestió i tractament de residus ramaders. Ponència

'"¡¡~.llii Primera ponencia: ~~u~!cacions Gestió i tractament de residus ramaders x. Flotats A. Bonmatí E. Campos M.R. Teira Laboratori d'Enginyeria Ambiental Departament de Medi Ambient i Ciencies del Sol Universitat de Lleida Resum Al Laboratori d'Enginyeria Ambiental (LEA) de la Universitat de Ueida es ve treballant, des de fa uns anys, en el desenvolupament de metodologies de gestió i tractament que permetin aconseguir que els residus ramaders siguin un recurs agronomic i energetic, i que ajudin a la sostenibilitat deis cicles productius, tot bastint una infraestructura mínima de laboratori que permeti aterir serveis a empreses i administració en aquest camp. En la present comunicació se sintetitzen alguns deis treballs realitzats. 1. Introducció S'estima que a Catalunya es produeixen uns 19 milions de tones anuals de residus ramaders, essent la tipologia de residu que es produeix en més quantitat. La consideració de residu o de subproducte d'aquests materials depen de molts factors: escala geografica d'analisi, ús correcte com adobs o esmenes, tractaments que s'hi apliquin, etc. Mentre la ramaderia va ser una activitat complementaria a I'agricultura, I'oferta de fems i la demanda d'adobs organics es complementaven, creantse un equilibri precari i for<;at. A les masies es mantenía la pila de fems suficient temps, voleiant-les de tant en tant per aconseguir un adob no agressi u als conreus. Sovint es tejen mescles de residus organics diferents per a controlar la seva composició, es tenia en compte la Iluna per a qualsevol manipulació, i s'utilitzaven mil i un metodes per mantenir la pila a recer de les gelades. La bassa de purins de la cort era suficientment gran com per emmagatzemar durant el temps d'espera necessari fins a I'aplicació. No hi .. 19. ~ ~ ~ ~~~~:~ ~~g i~ !~~~~~~~~~ ha dubte que en aquestes circumstancies els fems eren considerats un recurs, i el coneixement empíric de la pagesia, transmes i enriquit de generació en generació, ajudava a manten ir I'equilibri. Amb el temps, I'hort familiar s'ha substituit pels conreus intensius o extensius, i la cort per les granges industrials, pero paral.lelament aquesta cultura popular no ha estat substituida, ni per una cultura tecnologica que valori adequadament els residus produ.¡ts, ni per un coneixement públic de la veritable problematica de la gestió deis mateixos (Flotats i Boixadera, 1998). La gestió i el tractament de cada tipologia de residu ramader no es pot abordar de forma particularitzada, sense una visió global sobre la generació d'altres residus organics. Efectivament, la majoria de residus organics de ) diferents orígens (ramader, d'indústria agroalimentaria, municipal: fangs d'estació depuradora i fracció organica de residus municipals) tenen com a possible destí finall'aplicació al sol, després del tractament adequat per a cada un d'ells. Mentre que antigament a I'agricultor li era familiar la utilització deis fems de les granges properes, en I'actualitat a aquest se li ofereixen, a més, altres residus organics, no sempre adequats, per a sois i conreus. Aquesta situació de competencia entre els residus per a captar sol agrícola pot considerar-se com a positiva per tal d'obtenir un mercat que evolucioni cap a cates de qualitat en els productes que s'apliquen als conreus, pero requereix un marc conceptual (legal i de coneixement) que ordeni aquesta evolució i les eines de gestió, de control i tecnologiquesque ho facin possible (Flotats', 2000). Un deis principis inspiradors basics, per a la creació del marc global de coneixement, és el de considerar que el sol 1:10 és un abocador, sinó que és un valor patrimonial que s'ha de conservar i, en el seu cas, millorar. Aquest principi basic implica que als sois i conreus no s'hi poden aplicar residus, sinó productes de qualitat comprovada i contrastada. Implica, també, que els residus organics han de modificar les sevescaracterístiques mitjanc;ant el s processos tecnologics de transformació que permetin obtenir productes aplicables com a font de nutrients, com substrats o com esmena organica (valoració agronomica), i/o aquells processosque permetin la valoració energetica. Un darrer concepte, implícit en tot al lo esmentat fins al present, és el de gestió integrada de residus de diversos orígens per arees.geografiques. Les mescles poden permetre composicions adequades a un solo conreu con20 L - ,';#1\;11" Primera ponencia: Comunicacions -"...:-_~..~~-~ cret, poden millorar el perfil d'un procés de tractament i poden abaratir costos de transporto Com a exemples característics es poden citar els següents: mescla de purins de porc i fems de boví per aconseguir una relació N:P:K més equilibrada que elsfems originals (CAST, 1996); mescla de purins de porc i residus organics d'indústria alimentaria, amb baix contingut en nitrogen, per minimitzar la toxicitat del nitrogen amoniacal en el procés de digestió anaerobia i augmentar la producció de gas (Ahring et al., 1992; Campos et al., 1999); mescles de purins de porc o fracció organica de residus solids urbans i fangs de depuradora biologica per abaratir costos del tractament anaerobi (Cecchi et al.; 1990; Bonmatí, 1998); i en general mescles de diversos residus per aprofitar la complementarietat de les seves característiques, per compartir instal'lacions, per aprofitar sinergies, per acon- , seguir una gestió integral i controlar la qualitat deis productes obtinguts. l'eina basica de la presa de decisions i de I'ordenació de les actuacions ha de ser el pla de gestió deis residus organics en I'area geografica objecte d'aquest. Un pla de gestió de residus ramaders és un programa, individual o col'lectiu, d'actuacionsque condueixin a adequar la producció de residus a les necessitats deIs conreus, en I'espai i en el temps. Un pla de gestió ha d'incloure altres residus organics, produ'¡ts en la zona geografica objecte d'estudi (Flotats1, 2000), susceptibles de ser aplicats al sol, i ha de contemplar actuacions en els tresambits que a continuació s'indiquen: 1) Mesures de reducció en origen (de volum i de components que !imitin el seu ús posterior, Com ara un excessiu contingut en nitrogen o metalls pesants, la qual cosa implica invertir en el desenvolupament de naves dietes del bestiar). 2) Pla d'aplicació a sois i conreus. Aquest pla de fertilització s'ha de confeccionar a partir del coneixement deis sois, deis requeriments deis conreus i de les característiques climatologiques i hidrologiques. 3) Tractaments. Un tractament és una combinació de processos unitaris amb I'objectíú de modificar les característiques del residu per a la seva adequació a la demanda com a producte de qualitat (Teira et al., 1999). La idone'itat d'un procés de tractament dependra de cada zona geografica, de les necessitats que hagi posat de manifest el propi pla de gestió, de la qualitat del producte final obtingut i deis costos economics associats. En tot cas, I'objectiu basic que s'ha de perseguir és el d'augmentar la capacitat 21 --- 1 r Congrés d'Enginyers de Llengua Catalana --~~~- de gestió sobre el residuo Els objectius particulars poden ser: 1) Adequar la producció i composició deis residus a les necessitats estacionals deis conreus i ambientals de I'entorn; 2) Reduir el volum i transportar a un cost més assequible; 3) Valorar economicament el residu, recuperant components valorables, com ara I'energia, el nitrogen o el fosfor; 4) Higienitzar. 2. Plans de gestió Al LEA s'han fet estudis conduents a la realització deis plans de gestió de residus ramaders a les comarques de l'Alt Urgell, la Cerdanya, la Noguera, ¡ les Garrigues i l'Urgell, així com un estudi de detall al terme municipal de Juncosa de les Garrigues. Independentment de I'estat d'excedencia o deficit en el balan<; de nutrients, entre els produ'its en els residus i els necessaris per a la fertilització, per al global d'una comarca, els problemes apareixen quan les concentracions de granges, i per tant de generació de residus o nutrients, presenten localitzacions específiques que no coincideixen amb les zones amb necessitats agrícoles. En aquestes situacions es presenta un problema de transporto S'ha desenvolupat una metodologia per tal de detectar agrupacions especialment denses de granges quant a generació de nitrogen en el territorio Aquesta es basa en distribuir el territori en quadrícules de diferent mida, prenent mides creixents. Cada quadrícula es caracteritza mitjan<;ant una trama en funció del nitrogen generat per les granges contingudes, referenciat a la superfície de la quadrícula. Conforme es va augmentant la mida de la quadrícula, mantenint les trames, es van diluint les zones amb poca densitat en la producció de nitrogen, i resten amb una trama corresponent a alta producció de nitrogen, per unitat de superfície, aquelles quadrícules que engloben moltes granges molt juntes. Si es va augmentant la quadrícula fins a detectar unes roques zones amb alta densitat, aquestes serien una aproxlmació a la localització de zones especialment problematiques i, per tant, a zones en que pot ser prioritaria la creació d'infraestructures col.lectives de gestió i tractament. Aquestes zones corresponen a Ilocs on es té molt residu a poca distancia i, per tant, una planta situada allí minimitzaria els costos detransport. També són zones en que, per valorar agronomicament el residu per aplicació directa als conreus, cal recórrer Ilargues distancies, com a mínim fins a sortir de la quadrícula. 22 "fl!$J¡¡ Primera ponencia: Comunicacions -~- A la Fig. 1 s'hi representa aquest procés per a la comarca de les Garrigues, com exemple. En aquesta es detecta una zona especialment densa a la zona nord de la comarca, on s'haurien d'implantar instal.lacions col.lectives de reducció de volum i/o de transformació en productes valorables. En instal.lacions col.lectives, el procés de digestió anaerobia presenta I'avantatge de produir gas combustible per cobrir part de la demanda d'energia, i afavoreix processos posteriors de concentració o stripping per tal d' obtenir productes que substitueixin els fertilitzants minerals. Per a granges més ai1lades, el procés de digestió anaerobia també pot ser un bon sistema per cobrir demandes d'energia (Flotats2, 2000) i reduir significativament les males olors, sense perdre valor fertilitzant. En cas que la granja tingui un problema de nitrogen excedentari, en Iloc de convertir el carboni organic en metacaldra utilitzar-lo per desnitrificar. l'economia d'escala pot limitar I'aplicació de processos de recuperació. - -- - ! + + +Á + + ! + J + I L=05 L=10 , , ! + + +Á ! + + +Á' ! + + I + ' f + L = 1,5 L = 2,0 23 ~ 1 r Congrés d'Enginyers de Llengua Catalana "~"~_..~~ + + + , i I D" 100 kg N/ha _100200kgN/ha - > 200 kg N/ha L = 7,5 Fig. 1. Producció de nitrogen d'origen ramader a la comarca de les Garrigues, per quadrícules de diferent mida L (km) 3. Eliminació de nitrogen de la fracció líquida de purins de porc S'ha estudiat el sistema SBR (sistema discontinu seqüencial) aplicat a la fracció líquida de purins de porc, a escala de laboratorio Mitjan~ant aquest sistema, els processos biologics i medís biologics diferents necessaris per passar el nitrogen organic i amoniacal adi-nitrogen, processos de nitrificació-desnitrificació, es combinen de manera seqüencial en el temps, en un sol reactor o bassa, en Iloc de fer-ho en I'espai. Aquest sistema poi permetre/doncs, una reducció important d'inversions en obra civil. S/han estudiat cicles de 24 hores, seguint la seqüencia següent: 6 hores fI:") de medi anoxic, 8 hores de medí aerobi, 5 hores d/anoxia, 4 hores de medi aerobi i 1 hora per decantació, buidat i emplenat. El temps de retenció hidraulica ha estat de 21 djes i el cel.lular de 20 dies. Els rendiments aconseguits es mostren ala Taula 1 (Magrí i Flotats, 2000). 24 ~ [ nft6l,.. Primera ponen~u~~~~i~~~ IEls resultats obtinguts són molt prometedors, per bé que abans de passar a implantacions a escala industrial caldria optimitzar el cicle assajat en planf ta piloto S'ha comprovat que si previament al SBR es produeix biogas, via digestió anaerobia, la fase de desnitrificació esta limitada per manca de carboni organic accessible. f , l I 71 76-79 32 8 b8 3 AlC (mg Caco3 8.;03 7.6~7-3:893 5~9 5;5-5~7 sr (g l-') 26,5 20,3-32,9 2,86 2,81-2,91 88,8 ~ SV1gl~) 16,6 12,7-20,7 0,71 0,69-0,73 95,8 , SST!ol-') 22) 21,4-22,6 0,01 0,06-0,08 99,7 ~ SSV (gt"') t5,4 14,2,16,4 0,04 0,00-0,06 99,7 CE'5 (dS m-1.) 12,9 12,9-13,0 3,7 3,6-3,8 71,4 DQOr(mgl-1) 18.744 18.408-19.117 293 290-300 93,4 ;. ¡ DQOs (mg t"') 4.273 4.126-4,421 276 268-282 93,5 N",.tmgt'! 1.6n 2.636-2.694 17 15-1'9 99,4 N"'8 (mgt":) 1.052, 1.004-1.098 17 } 5-1'7 98.-° N-NH,+(mgl-') 1..619 1.582-1.680 b 100 " " ~., N-NO - (mg t"')" b,b 0,1 , i N-NO-(rn gt"') 15 "41 4041 - I 3 " , I Pr(mgt') 1.049 824-1.271 115 105-121 88,7 P-PO (mgl-1) 210 140-271 109 105-115 43,8 , " K(mgt"1) 1.023 801-1.133 589 552-611 40,6 Cu(mgt"1.) 15 11-18 1,8 1,6-2,0 87,0 Zn 1mg t"1) /",96;:'1 Taula 1. Modificaci6 de característiques de la fracció líquida de purins de porc (FLP) mitjanr;ant un SBR (Magrí i Flotats, 2000) 4. Codigestió anaerobia de purins de porc La producció de biogas per digestió anaerobia de purins de porc presenta valors relativament baixos, comparativament a altres residus organics, pel baix contingut en materia organica i el fet que aquesta es traba majori25 --- "T -¡ [ 1I 1r Congrés d'Enginyers de Llengua Catalana i tariament en forma particulada. O'altra banda, molts residus organics de la ¡. indústria alimentaría presenten elevat contingut en materia organica biodegradable, pero una manca d'alcalinitat i nutrients necessaris per mantenir un procés de digestió estable. La digestió (codigestió) de la mescla deis dos tipus de residus, en les proporcions adequades, poi aprofitar la sinergia que representa la complementarietat de les seves composícions (Ahring et al., 1992). Al LEA s'ha estudiat la codigestió en regim mesofílic i termofílic de la mescla de purins de porc amb diversos tipus de residus organics (Flotats et al., 1999; Campos et al., 1999; Campos et al., 2000). A la Fíg. 2 és mostren els resultats, mitjanes de tres repeticions, d'alguns experiments discontinus, a 35°C, de purins de porc (diferents continguts en solids totals) amb palpa de pera (residu de la indústria deis sucs de fruita) i terres filtrants d'oli d'oliva (TFO). Es poi comprovar que aquests residus industrials no aconsegueixen produir una quantitat apreciable de gas, mentre que la mescla en unes proporcions determinades amb purins de porc tan que el procés s'activi significativament. Els avantatges de la codigestió sostenen la necessitat d'una gestió integrada de residus organics de diferents orígens. . . Purins (95%) i TFO (5%) 1400 1200 1000 Purins (87,5%) i i palpa de pera (12,5%) :i' 800 § 600 Purins de parc, diverses salucians ... = 400 C.) 200 Purins (80%) i palpa pera (20%) O 30 40 50 80 TFO (100%) a palpa pera (100%) Temps (dies) Fig. 2.- Codigesti6, en discontinu, de purins de porc amb ter res filtrants d'oli d'oliva (TFO) o palpa de pera, segons diferents proporcions en pes (Campos et al., 1999) 26 , - Primera ponencia: C~~~~~~~~i~~_s I5. Pretractament termic a la digestió anaerobia de purins de porc . La implantació de sistemes de digestió anaerobia en el sector ramader presenta dues limitacions: I'ús eficient i practic de I'energia termica generada i la baixa velocitat del procés, motivada per ser la hidrolisi la fase limitant. S'ha comprovat que la taxa d'hidrolisi pot incrementar-se mitjan~ant el pretractament termic a alta temperatura (Bonmatí et al., 2000), aconseguint-se increments en la producció de meta superiors al 50%, mantenint , tem peratu res de 80OC durant 3 hores. Aquest resultat s'ha obtingut per purins frescos i encara amb un relativament baix contingut en nitrogen amoniacal. Resultats completament contraposats s'han obtingut utilitzant purins enveIlits, no frescos i parcialment descomposts (vegeu Taula 2). .. CH)SY¡ CH./DQO¡ CHfiv¡ - CH./DQO¡- UkgJ (UkgJ Ukg) (Ukg) liiIIi Purins no tractats termicament 347,5 209,7 96,1 62,3 Purins tractats termicament 557,5 304,1 67,7 40,1 .% increment 60,4 45,0 -29,5 -35,6 c'1 "1'P'.'-" "cc " Jaula 2. Produccions de meta per unitat de materia afegida, per a purins de porc' en assaigs anaerobis discontinus de 80 dies (Bonmatí et al., 2000) t Aquests resultats donen peu a una alternativa interessant per a la utilització de I'energia termica sobrant d'un procés de cogeneració, pero tan cen1. trar I'atenció en la qualitat de la materia primera. Per evitar perdues en el potencial de producció de biogas, i evitar alhora la generació de males olors en el magatzem, cal procedir al tractament tan aviat com sigui possible. r 6. Recuperació de nitrogen L'obtenció de sals d'amoni per stripping/absorció d'aigües residuals d'origen industrial ha estat profusament estudiat, pero les aplicacions del procés al tractament de purins de porc no ha rebut la suficient atenció. Al LEA s'ha estudiat experimentalment el procés, i s'ha comprovat que treballant a 80OC, per a la fracció líquida de purins digerits anaerobicament, I'eficiencia del procés no és tan depenent del pH com ho és per a la fracció líquida de purins frescos. D'altra banda, el producte obtingut (sulfat d'amoni) no preI 27 ~