Técnicas disponibles para recuperación de nutrientes a partir de residuos

Durante muchos años, las principales fuentes de nutrientes en agricultura fueron los materiales orgánicos procedentes de residuos del ganado (estiércol) y los residuos de plantas que se almacenaban hasta su aplicación.

Con el aumento de la utilización de fertilizantes minerales en la década de los 70, el uso de materiales orgánicos como fuente de nutrientes descendió bruscamente. Ello fue causado, entre otras razones, por la intensificación de los cultivos, la separación entre granjas agrícolas y ganaderas y la necesidad de una mayor producción a menor precio.

En este artículo se pretende dar un breve resumen de las tecnologías disponibles a día de hoy para procesar materia orgánica residual cuando el fin último es su valorización agronómica.

Fertilizantes naturales VS fertilizantes minerales / químicos

Hoy en día la sociedad se enfrenta a un gran reto: por un lado, las materias primas para la producción de fertilizantes minerales tienen una disponibilidad limitada y dicha disponibilidad depende de las condiciones económicas y geopolíticas. Además, la producción de fertilizantes minerales tiene un gran impacto medioambiental. Como consecuencia de esto, se espera que en las próximas décadas se produzca una marcada reducción en la producción de fertilizantes minerales. Por otro lado, grandes cantidades de materiales orgánicos, como estiércol animal y lodo residual, se están convirtiendo en un problema para las granjas y las depuradoras, respectivamente, pero a su vez representan una fuente de nutrientes disponible y renovable. Por lo tanto, parece lógico aumentar el uso de estos materiales como fertilizantes en la agricultura.

Sin embargo, los materiales orgánicos presentan muchas limitaciones en su uso: elevada variación en su composición, elevado contenido de humedad o necesidad de equipamiento especial para su uso, entre otras.

En la actualidad hay varias tecnologías disponibles para tratar residuos orgánicos con alto contenido en nutrientes, algunas para mejorar la gestión y aplicación del estiércol, otras para concentrar los nutrientes, otras para producir energía. El “Atlas de Agro-Tecnología” (www.agro-technology-atlas.eu) es una de las bases de datos más completas en relación con las tecnologías de tratamiento de estiércol, con continuas actualizaciones de nuevas tecnologías, datos e información. También el "Inventario de Revisiones de Tecnología" (www.phosphorusplatform.eu) proporciona una lista comentada de publicaciones relacionadas con las tecnologías de recuperación de nutrientes. No obstante, de todas las tecnologías disponibles en la actualidad, solo una parte limitada se usa realmente en el sector agro-ganadero, y eso provoca que la cantidad de estiércol tratado en Europa representa menos del 8% de la cantidad total producida. 

Tecnologías disponibles de reciclado de nutrientes

Acidificación

El estiércol animal es una fuente rica en nitrógeno directamente disponible para las plantas. Sin embargo, parte de este nitrógeno amónico puede perderse durante el almacenamiento o aplicación en el campo debido a la volatilización del amoníaco. Las emisiones de amoníaco son un grave problema medioambiental que repercute en el bienestar de los seres humanos y de los animales. El 80% de las emisiones totales de amoníaco procedentes de las actividades agrícolas provienen de los propios establos y almacenes de estiércol. También son elevadas las pérdidas de nitrógeno durante las actividades de aplicación del estiércol al campo. Dichas pérdidas conducen a dos problemas principales en términos de eficacia de uso de nutrientes: una disminución del valor fertilizante del estiércol en términos de nitrógeno y una variabilidad significativa de las concentraciones de nitrógeno en el estiércol durante su aplicación de campo.

La acidificación del estiércol es una solución sencilla para evitar las emisiones de NH3, pero esta técnica se utiliza hoy en día exclusivamente en Dinamarca y en algunos países del Norte y Este de Europa. La razón principal de esta baja aplicación a nivel de granja en otros países europeos es probablemente el temor de los agricultores en relación con el manejo de ácidos concentrados (principalmente ácido sulfúrico). Por otra parte, el estiércol acidificado tiene características significativamente diferentes del estiércol crudo. Las consecuencias de la aplicación a largo plazo del estiércol acidificado al suelo aún no están claras y la disminución del pH del suelo y el aumento de su contenido en azufre se presentan a menudo como la amenaza principal de la aplicación de purín acidificado. 

Desorción (stripping) de amoníaco

El amoníaco puede ser eliminado de la fracción líquida de una corriente residual rica en nitrógeno (purín, digestato, etc.) por aire, vapor o vacío a través en una torre de relleno (Figura 1). La corriente de amoníaco puede obtenerse directamente de la fracción líquida mediante calentamiento a 80ºC. Sin embargo, una elevación del pH con NaOH hasta 10,5 y una temperatura de 70ºC, permiten eliminar el 85-90% de amoníaco. En general la optimización del pH tiene mayor importancia que la temperatura. 
El gas desorbido, rico en amoníaco, se recupera entonces mediante el lavado del flujo de aire con una solución ácida fuerte, como ácido sulfúrico (H2SO4), que produce sulfato de amonio. Además de H2SO4 como sorbente, también se puede aplicar ácido nítrico (HNO3) para obtener nitrato de amonio. 

Otra solución está representada por la "absorción de amoníaco en frío". En este caso, la absorción de nitrógeno puede realizarse a temperatura ambiente ajustando el pH. El rendimiento obtenido en este caso suele estar en un 80-90% de amoníaco recogido.

Digestión anaerobia

Durante las diferentes etapas metabólicas de la digestión anaerobia, la materia orgánica se degrada primero hasta la obtención de ácidos grasos volátiles (principalmente ácido acético), dióxido de carbono e hidrógeno. Después actúan las bacterias metanogénicas, generando metano, y cerrando el ciclo de la fermentación. 

Durante la digestión anaerobia el nitrógeno orgánico es mineralizado y al final del proceso la relación de nitrógeno amoniacal y total puede alcanzar el 70-80%. El aumento de la concentración de nitrógeno amoniacal también conduce a un aumento del pH, normalmente entre 8 y 9. Sin embargo, el proceso de digestión no modifica la cantidad total de nitrógeno en los productos.

La digestión anaerobia representa un tratamiento potencialmente muy efectivo para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI). De hecho, durante el proceso, la mayor parte de la materia orgánica fermentable se degrada a metano y dióxido de carbono, obteniendo un efluente (digestato) con menor potencial de emisión de GEI que las corrientes de partida. Sin embargo, este tratamiento puede aumentar las emisiones de amoníaco en la fase de almacenamiento posterior. El digestato se caracteriza generalmente por un mayor contenido de nitrógeno amoniacal y pH que la corriente residual de partida. Ambos factores facilitan la volatilización del amoníaco. 

Compostaje / Secado biotérmico / Higienización

El compostaje es un proceso natural en el que los microorganismos convierten la materia orgánica fresca, en condiciones controladas, en un producto estable y rico en nutrientes.

El secado biotérmico de la fracción sólida de estiércol de cerdo se realiza frecuentemente con el fin de pasteurizar el estiércol a 70° C durante 1 hora sin usar calor externo. Es un proceso corto y muy intensivo de compostaje que dura sólo unos días. El producto final es un fertilizante orgánico / enmienda agrícola adecuado para el uso en agricultura.

El compostaje del producto a temperaturas superiores a 70° C sólo es posible si se utiliza un máximo de 30% en peso de fracción sólida de estiércol de cerdo. Esta se puede combinar con la fracción sólida de estiércol de ganado, estiércol de ganado con paja, estiércol de caballo o estiércol de aves para obtener suficiente estructura y una relación C/N óptima. En algunos casos también se agrega biomasa vegetal, frutas o restos de jardinería.

El proceso se lleva a cabo principalmente en un cobertizo cerrado que consta de varios conductos que se pueden cerrar y ventilar por separado (gran capacidad). También se puede hacer mediante el uso de un tambor aireado (factible a escala de granja). El material también se puede colocar en filas en el suelo y voltearlo manualmente (compostaje extensivo).

Separación mecánica sólido – líquido

La separación mecánica de estiércol o digestato produce la concentración del nitrógeno (y el potasio) en la fase líquida, y la concentración de fósforo y materia orgánica en la fase sólida.

Esta técnica se aplica a menudo como pretratamiento de otras técnicas de recuperación de nutrientes. Sin embargo, puede ser una técnica interesante de procesamiento del estiércol por sí sola. La fracción líquida, rica en nitrógeno, puede ser usada en cultivos y jardines para reducir el uso de fertilizantes minerales. La fracción sólida contiene una elevada fracción de fósforo y se suele utilizar en regiones con un suelo pobre en fósforo y/o con una elevada demanda de carbono.

La separación del estiércol se puede realizar mediante diferentes técnicas (centrifugación, prensa de cinta, prensa de tornillo, etc.). La elección de la técnica de separación depende del tipo de estiércol, el producto final deseado, el volumen que se necesita separar (capacidad necesaria), los costes de operación y de inversión, etc.

Recientemente, se ha renovado el interés en la separación de estiércol (por prensa de tornillo o centrífuga) en países europeos como Dinamarca, Países Bajos, España y Bélgica. La ventaja de la separación es que el agricultor puede separar el estiércol producido en la granja y utilizar la fracción líquida resultante rica en N (baja en P, relación N: P más alta) en su propia finca, de acuerdo con las necesidades del cultivo. La parte restante (15-20% de la fracción sólida) puede ser transportada / procesada, por lo que se pueden reducir los costes de transporte y procesamiento posterior del estiércol. 

Técnicas de membranas

La técnica de filtración por membranas consiste en la separación física forzando la entrada de la corriente (es decir, la fracción líquida del digestato después de su centrifugación), a través de la membrana por diferencia de presión (Figura 3). Las membranas usadas en este proceso se pueden clasificar atendiendo al tamaño del poro en microfiltración, ultrafiltración y ósmosis inversa. Las membranas usadas pueden ser tanto organo-poliméricas como cerámicas. Las primeras son menos costosas, pero son difíciles de limpiar y no pueden trabajar a altas presiones. Las membranas cerámicas, que se utilizan sobre todo para la ultrafiltración, son más fáciles de limpiar (tienen resistencia a los productos químicos) y permiten un mayor rendimiento debido a la alta presión utilizada. Sin embargo, cuanto mayor sea el rendimiento de separación, mayor será el consumo de energía lo que podría ser la principal limitación para la aplicación de esta técnica.

Algunos autores consideran que la ultrafiltración más ósmosis inversa es capaz de producir un concentrado mineral (95% de amoníaco) para ser utilizado directamente como fertilizante nitrogenado. El coste total de este proceso variaría de 4 a 12 €/m3. Otros autores, sin embargo, consideran que los sistemas de filtración de membrana sufren a menudo problemas técnicos y no son económicamente viables para el tratamiento con digestato.

Cultivo de microalgas

Reciclar los nutrientes del estiércol y convertirlos en biomasa de algas puede dar lugar a fertilizantes de alta calidad sin incurrir en los costes ambientales y monetarios del uso de fertilizantes químicos, al mismo tiempo que se depuran efluentes residuales. El digestato de estiércol es una materia prima especialmente atractiva para cultivar microalgas y generar biofertilizantes, ya que es menos contaminante que los efluentes no tratados y rico en nitrógeno y fósforo. Las microalgas podrían usarse para recuperar nutrientes de la fracción líquida de digestato y como las microalgas incorporan estos nutrientes en su biomasa, se crea un fertilizante que es menos propenso a las pérdidas de nutrientes hacia el medio ambiente.

Las microalgas vivas también pueden utilizarse como fijador de nitrógeno para llevar el nitrógeno atmosférico al suelo y como acondicionador del suelo. Las microalgas pueden ser procesadas adicionalmente (por ejemplo, hidrolizadas) con el fin de obtener biofertilizantes y bioestimulantes más elaborados.

Precipitación de fósforo

Otra opción para recuperar nutrientes es crear las condiciones físico-químicas en la solución inicial (pH, fuerza iónica, etc.) para favorecer la formación de diferentes sales con productos de baja solubilidad y su posterior precipitación para recuperarlos. Entre otros, el fosfato de magnesio y amonio (MgNH4PO4·6H2O), generalmente llamado estruvita, es la sal más común que permite la recuperación de fósforo y nitrógeno de las aguas residuales. Otras sales que permiten recuperar el fósforo son fosfato de calcio y K-estruvita.

La estruvita (Figura 4) es una sustancia cristalina blanca, que se considera como un fertilizante de liberación lenta. La recuperación de estruvita se ha demostrado a escala industrial, principalmente con efluentes de digestores de lodos municipales y aguas residuales industriales. 

El principal obstáculo del estiércol líquido a la formación de estruvita es su alta concentración de sólidos en suspensión y calcio, alta fuerza iónica, alta alcalinidad y fósforo reactivo soluble bajo. Estas características pueden variar dependiendo del tipo de estiércol (cerdo, vaca, etc.) y del procesamiento previo (separador mecánico, digestión anaerobia, etc.). 

La precipitación del fosfato de calcio es muy compleja e implica varios parámetros. Depende de la concentración de iones de calcio y fosfato, de la fuerza iónica, de la temperatura, de los tipos de iones y del pH, pero también del tiempo. Cuando el hidróxido de calcio (Ca(OH)2) se añade a la fracción líquida y el pH aumenta por encima de 10 y la temperatura es de 70ºC, el fósforo precipita como hidroxiapatita (Ca5(PO4)3OH) o brushita (CaHPO4·2H2O).

Alternativamente, puede recuperarse K-estruvita (KMgPO4·6H2O) del purín. Este compuesto tiene una estructura similar a la estruvita, la única diferencia es la sustitución del ión amonio por el ión potasio. A partir de sus constantes de solubilidad, se puede afirmar que si el amoníaco y el potasio están presentes en exceso, la estruvita precipitará en lugar de K-estruvita. Por lo tanto, la K-estruvita sólo será precipitada si el exceso de potasio es mucho mayor que el de amonio (por ejemplo, aguas residuales desnitrificadas).

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