La digestión aerobia + biorremediación en el tratamiento de purines

Según el Real Decreto 306/2020, del 11 de febrero, las explotaciones de ganado porcino están obligadas a reducir las emisiones de amoníaco a la atmósfera durante el almacenamiento de los purines, un 60 % en cada nave y un 80 % en el exterior. 

Los altos niveles de amoníaco (NH₃) que generan los purines son nocivos tanto para los animales alojados como para los operarios de la granja. Dichos niveles se han asociado con una mayor incidencia de enfermedades respiratorias, aumento lento del peso, pérdida de apetito y tasas de fertilidad más bajas entre los animales confinados.

Los niveles de emisión del amoniaco están regulados por la legislación europea y española

Los ganaderos y las empresas de piensos se enfrentan al dilema de cómo reducir los efectos nocivos del amoníaco y satisfacer las restricciones medioambientales.

Figura 1.0. Consumo, utilización y perdida de proteína en la producción de un cerdo de 108 kg.

Del total de proteína ingerida por el animal, un 51 % es orina y un 16 % es heces para un total de 67 % de deyecciones, de ese porcentaje, el 35 % se convierte en emisiones de NH₃ a la atmosfera y el otro 32 % de deyecciones se aplica al suelo, tal y como lo muestra la figura 1.0.

Amoniaco

El amoniaco (NH₃) es un gas irritante que podemos percibir fácilmente a través del olfato cuando se acumula en el interior de alojamientos ganaderos mal ventilados. 

Dado su carácter irritante, ocasiona picor de ojos y vías respiratorias, y, por tanto, tiene un impacto claro sobre la salud y el bienestar de los trabajadores y de los animales. 

Además, hace varias décadas que se conoce que concentraciones de NH₃ elevadas reducen el consumo de alimento y el ritmo de crecimiento en cerdos (Stombaugh et al., 1969; Drummond et al., 1980).

La concentración de NH₃ es uno de los factores más importantes de la calidad del aire en granjas y pone de relieve la necesidad de realizar un buen control ambiental de la granja

Según Calvet et al. (2020), una vez excretada la urea, esta sigue un proceso relativamente rápido que conduce a la emisión de amoniaco. 

Este proceso consta de varias etapas sucesivas (Figura 2.0) que han sido ampliamente descritas por Aarnink y Elzing (1997) y por Snoek et al. (2014). 

Conocer estas etapas es necesario para poder reducir la emisión de este gas:

1. Descomposición de la urea en amonio por acción de la enzima ureasa. La enzima ureasa está presente habitualmente en las heces de los animales y tiene una acción muy rápida (cuestión de horas) sobre la urea. Por tanto, la cantidad de urea excretada por los animales se transforma rápidamente en amonio y, por tanto, determina el potencial de emisión de NH₃.
2. Equilibrio ácido-base. El amoniaco generado es una especie química sujeta un equilibrio ácido-base, al ser el NH₃ una base débil. El pH es, por tanto, un factor que determina de forma drástica las emisiones, siendo mayores a pH básico (al favorecer la presencia de NH₃) y menores a pH ácido (al favorecer la presencia de la forma ionizada NH4+).
3. Solubilidad del amoniaco. Aunque el NH₃ es un gas muy soluble en agua, en toda disolución de este compuesto existe una pequeña proporción que se encuentra en forma de gas (entre un 0,02 % y un 0,15 %, según Snoek et al., 2014). Esta pequeña proporción es la que está en disposición de emitirse a la atmósfera. La solubilidad del NH₃ se reduce al aumentar la temperatura, es decir, temperaturas altas aceleran esta fase de la emisión.
4. Volatilización a la atmósfera. Es el proceso físico por el cual el amoniaco no disuelto presente en el líquido pasa a la atmósfera atravesando la interfaz entre el purín y el aire. Este proceso se acelera cuanto mayor sea la velocidad de aire en la superficie, el área de contacto con el aire y el tiempo de exposición. 

Figura 2.0. Principales etapas que conducen a la formación del amoniaco.

En esta tabla se agrupan las mediciones y consecuencias en los animales. Efectos que además de la propia salud de los animales tiene consecuencias directas que afectan la productividad.

En el ser humano también ocurren efectos dependiendo los niveles a los que se esté expuesto

Este cuadro muestra los niveles de medición y consecuencias de las emisiones de amoniaco en los operadores de ganado y granjas.

Dos formas con las que se pueden reducir las emisiones de NH₃

1. Equilibrio NH₃ hacia NH₄. Uno es manteniendo el pH estable. La aireación lineal homogénea intermitente y la actividad microbiana generara dióxido de carbono y agua. Esto formara un tampón de carbonato / bicarbonato en la suspensión y esto, estabiliza el pH.
2. Uso de amoniaco (2NH₃) por parte de microorganismos para su crecimiento y reproducción (Figura 3.0). 

El equilibrio entre el amoníaco (NH₃) y el amonio (NH₄) se inclina mucho hacia el NH₄. Entonces la oxigenación homogénea intermitente + las bacterias, agotan el amonio y, por lo tanto, el resultado final es que habrá menos NH₃ que puede volatilizarse (Figura 3.0). 

Figura 3.0. Las bacterias usan el NH₄ para crecer y reproducirse.

¿Se tiene alguna referencia o estudio científico?

Este artículo se basa en las referencias de los resultados obtenidos por Loyon & Guizon et al, (2007) financiado por la Agencia Francesa de Gestión de Medioambiente y La energía (ADEME) dentro de la iniciativa Porcherie Verte y publicado en la revista Science Direct, en los cuales se obtuvieron las siguientes conclusiones:

• Los resultados de este estudio mostraron que el tratamiento biológico aeróbico intermitente de purines de cerdo puede reducir en gran medida las emisiones generales de los gases contaminantes NH₃, N₂O, CH₄ y CO₂ en comparación con el manejo tradicional del estiércol basado en un almacenamiento de 6 meses antes de la dispersión en la tierra.
• La reducción fue del 30 % y al 50 % para el NH₃ cuando el tratamiento incluyo una separación mecánica y del 68 % cuando no hubo una separación. 
• El impacto de los gases de efecto invernadero totales (CH₄ + N₂O) se redujo en aproximadamente un 55 %.

A continuación, se describen los diferentes tipos de tratamiento que se llevaron a cabo durante el estudio y cuyos resultados se muestran en la figura 4.0. 

Posteriormente, se muestra en la figura 5.0 la estimación de emisiones anuales de gases específicos para un sistema convencional y para 3 opciones de tratamiento biológico.

• Opción de tratamiento 1: almacenamiento + tratamiento biológico + decantación.
• Opción de tratamiento 2: almacenamiento + tornillo compactador + tratamiento biológico + decantación.
• Opción de tratamiento 3: almacenamiento + decantador centrifugo + tratamiento biológico + decantación. 

Figura 4.0. Caudal gaseoso anual estimado para cuatro sistemas de gestión de purines.

Figura 5.0. Estimación de emisiones anuales de gases específicos para un sistema convencional y para 3 opciones de tratamiento biológico.

Las principales ventajas de la digestión aerobia son la disminución de la carga orgánica, del nitrógeno amoniacal, de los organismos patógenos y de los malos olores. Además, se mejoran las características fertilizantes del purín (Caballero, 2013). 

Figura 6.0. Digestión aerobia, mediante tendido homogéneo de módulos de oxigenación con micro burbujas regulado por tiempos desde el fondo de la balsa.

Figura 7.0. Digestión aerobia en abanico, regulado por tiempos, mediante cañón de oxigenación y dinamizador, desde el fondo de la balsa.

No se trata simplemente de airear

Es importante mencionar la importancia del control de tiempos de trabajo de la aireación, ya que estos procesos mal controlados también pueden producir gases contaminantes, incluidos óxido nitroso (N₂O) y amoniaco (NH₃).

Figura 8.0. Estimación de emisiones anuales de gases específicos para un sistema convencional y para 3 opciones de tratamiento.

En esta tabla tenemos los resultados obtenidos por el estudio financiado por la Agencia Francesa de Gestión de Medioambiente y La energía (ADEME), en los cuales se obtuvieron las siguientes conclusiones: una reducción de las emisiones del 68 % del amoniaco un 71 % del metano, un 34 % del dióxido de carbono y un 55 % del metano + óxido nitroso.

Una característica significativa del resultado del purín con aireación intermitente es que se mejora la bombeabilidad, por lo que ya no serán necesarios los agitadores para extraer los purines de las balsas

Además, podemos llegar a cuestionarnos si es necesario o no, un separador de solidos si aplicamos bacterias de especificidad naturales a una digestión aerobia mediante microburbujas o en abanico intermitente.

Es posible valorar positivamente tapar la balsa: ¿qué pasa con esta MTDs?

Para contestar a la cuestión sobre si tapar la balsa se puede encuadrar dentro de las Mejores Técnicas Disponibles (MTDs), me gustaría que conocieran los beneficios y consecuencias al tapar la balsa:

• Se reducen las emisiones de amoníaco en gran medida.
• Se crean condiciones anaeróbicas en la balsa aumentando los malos olores en el producto final.
• Se aumentan las emisiones de metano y dióxido nitroso.
• Se evita la evaporación.
• Se reduce la eficacia de los propios microorganismos de la balsa.
• No elimina los microorganismos patógenos (responsables de enfermedades).
• Ataca las consecuencias no el origen del problema.
• No es aplicable en el caso de purines que forman costra natural.
• Al usar el purín como fertilizante aumenta la salinización de los suelos, lo cual disminuye la fertilidad.
• Aumento en la carga nitrogenada del purín, lo que deriva en la necesidad de mayores hectáreas para su distribución.

En gran medida cambiamos un problema por otros, pero la mayoría de estos se pueden mejorar si oxigenamos de forma homogénea desde fondos, lineal y en abanico con los tiempos controlados. 

Por tanto, e incluso cuando se ofrecen cubiertas para tapar las balsas, se debe de seguir considerando la aireación intermitente como un plus para evitar condiciones anaerobias resultantes. 

Esto nos puede arrojar alguna conclusión, y es que una combinación de técnicas puede también resultar un beneficio significativo, creando un producto final más sostenible.