ES2473440A2 - Procedimiento de tratamiento de purines. - Google Patents

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Abstract

La presente invención es un procedimiento de tratamiento de purines que comprende la separación física sólido-líquido de un efluente líquido que contiene purines para generar una fracción sólida y una líquida, la separación físico-química de la fracción líquida obtenida en la etapa anterior para obtener una fracción sólida y una líquida, electrocoagulación de la fracción líquida obtenida para obtener una fracción sólida y una líquida, y peletizado de las fracciones sólidas obtenidas en la suma de las etapas anteriores en presencia de materiales lígnicos o lignocelulosicos. El aglomerado sólido obtenido por peletizado ofrece un alto poder calorífico en la combustión, y el líquido resultante queda con un muy bajo contenido de compuestos nitrogenados y de restos de materia orgánica disuelta, fósforo y contaminantes orgánicos o metales pesados.

Description

PROCEDIMIENTO DE TRATAMIENTO DE PURINES
CAMPO DE LA INVENCiÓN La invención se encuadra en el sector técnico del tratamiento de purines, en la valorización de residuos procedentes de granjas en la industria agro ganadera.
ESTADO DE LA TÉCNICA La posibilidad de utilizar los purines como abono orgánico supone un beneficio para los ganaderos y para las tierras agrícolas. El problema se plantea en las denominadas áreas de alta concentración de explotaciones, donde no existe suficiente superficie agrícola próxima para una adecuada valorización de los purines como abono.
Para las zonas con alta concentración ganadera se contemplan procedimientos complementarios a una biodigestión anaeróbica para mejorar la gestión del nitrógeno del digestato, entre los que se incluyen la separación sólido-líquido y los tratamientos de eliminación o reducción-recuperación. Sin embargo, la presencia de altas concentraciones de metales pesados y restos de medicación, especialmente antibióticos, que actúan como agentes nocivos, provocan una disminución muy importante de la actividad de bacterias metaníferas, desnitrificantes y nitrificanles. Todo ello conduce a que el impacto ambiental del producto obtenido en las biodigestiones sea superior al previsto.
La gestión de las deyecciones, las emisiones de los suelos agrícolas después de la aplicación de estiércoles al campo, los sistemas de gestión de cosustratos, la generación y combustión del biogás, el compostaje de la parte sólida del producto final o la aplicación del digestato al campo siguen liberando cantidades apreciables de CH4, N20 , NOx que son considerados Gases de Efecto Invernadero (GEl), además de otros contaminantes gaseosos, especialmente NH3 que es también causa de otros impactos como malos olores o problemas respiratorios y alérgicos .
Los sistemas y tratamientos descritos hasta la fecha se dirigen a obtener abonos orgánicos junto con aguas depuradas para diferentes fines. Si bien es cierto que reducen en parte la carga contaminante del residuo agroganadero líquido, lo consiguen mediante aplicación de técnicas de oxidación (electro-oxidación, ozono, peróxido de hidrógeno) o electro-desionización con un consumo energético apreciable, o bien por evaporación, con lo que parte de los gases disueltos escapan a la atmosfera sin control manteniendo niveles de emisión importantes si no se incluyen sistemas de recuperación adicionales.
La solicitud ES 2395664 A 1 describe un sistema de eliminación de impurezas de purines
5 generados en las granjas de porcinos por electrooxidación con aprovechamiento del agua resultante, para convertirlo en un abono o fertilizante para las tierras. Dicha electrooxidación se complementa con una fase de filtrado de zeolita-carbón activo y una ósmosis inversa para separar las sales y el resto de impurezas del líquido. El procedimiento es un sistema floculado al que se dosifica el floculante tipo catiónico de
10 "baja ionicidad" y con un peso molecular alto. Sin embargo esta solicitud no trata la eliminación de las emisiones en forma de CO2 equivalente, procedentes de la metanización del carbono existente en la fracción solida usada como abono orgánico y de la emisión de NOx por los compuestos nitrogenados existentes tanto en la fracción sólida como en la líquida, que se utiliza como agua de riego enriquecida en dichos compuestos
15 nitrogenados. Por el contrario, la presente solicitud describe el uso de productos floculantes catiónicos que se presentan en dispersión acuosa o en forma de polvo granulado de "muy baja cationicidad" y de alto peso molecular, y por tanto de menor actividad global, apropiados para una electrocoagulación de mayor rendimiento que la electrooxidación descrita en la publicación.
20 La WO 2006134453 A 1 describe la fabricación de un fertilizante a partir del tratamiento de purines por electrolisis y con inyección de ozono. Este tratamiento no evita la metanización de la fracción orgánica del purín y por tanto no reduce la emisión de CO2 asociada a dicha metanización. Lo mismo sucede con la fracción nitrogenada presente en
25 el fertilizante obtenido, ya que el tratamiento no reduce la emisión de GEl de base nitrogenada generados durante el tratamiento o tras su deposición en la superficie agrícola .
Existen procesos descritos en la técnica que se limitan a tratamientos biológicos,
30 térmicos, procesos con eliminación de gases de amoniaco y otros con sistemas de absorción o desorción. Otros describen aditivaciones para obtener reacciones químicas no electroquímicas incluso de celulosa y otros materiales, o bien tratamientos exclusivamente sobre la fracción líquida del purín proponiendo para ello la evaporación o la ósmosis inversa. Todos ellos permiten obtener fertilizantes que conservan la mayor
35 cantidad posible de nutrientes, mientras que la presente invención elimina los nutrientes nitrogenados y orgánicos y reduce las emisiones de GEl y de precursores de GEl.
DESCRIPCiÓN DE LA INVENCiÓN La invención es un procedimiento de tratamiento de purines, que comprende: la separación física sólido-líquido de un efluente líquido que contiene purines para generar una fracción sólida y una líquida; la separación físico-química de la fracción líquida obtenida en la etapa anterior para obtener una nueva fracción sólida y una líquida, preferiblemente por una coagulación y posterior floculación de las partículas sólidas obtenidas; la electrocoagulación de la fracción líquida obtenida en la etapa anterior para obtener una fracción sólida más y una líquida; y el peletizado de las fracciones sólidas obtenidas en todas las etapas anteriores en presencia de materiales lígnicos o lignocelulósicos.
La fracción líquida final queda con un muy bajo contenido de compuestos nitrogenados, generadores o precursores de GEl, y de restos de materia orgánica disuelta, fósforo y otros contaminantes inorgánicos como metales pesados, etc; y especialmente también de contaminantes orgánicos, tales como fauna y flora microbiana o fúngica, restos de medicación y materia orgánica en general. Se obtiene así un efluente tratado con carga contaminante altamente reducida y de menor impacto ambiental.
En una realización preferible, el procedimiento de la in vención comprende la etapa previa de añadir agua al efluente.
Cada una de las etapas se desarrolla de la forma siguiente:
Acondicionamiento: El efluente o residuo se acondiciona para conseguir la disolución suficiente de los elementos y compuestos solubles en agua. Si no tiene el grado suficiente de humedad para permitirlo o facilitar su trasiego, se añadirá agua suficiente. Para evitar la estratificación que se produce habitualmente durante el almacenamiento de este tipo de sustancias en depósitos debido a la diferente densidad de los componentes que las conforman, suele ser necesario realizar un proceso de homogeneización mecánica mediante un agitador.
Separación física sólido-líquido: Se separan los sólidos en deyecciones de consistencia liquida para generar dos fracciones distintas, una sólida y otra liquida. La fracción solida tiene una densidad mucho más elevada que las deyecciones originales. La fracción liquida contendrá todos los elementos nitrogenados disueltos, tanto sales como gases.
En esta etapa se consigue una reducción importante de la humedad en la fracción sólida reduciéndola hasta valores que pueden alcanzar concentraciones del orden de 25% al 40% en el sólido separado.
La fracción sólida se conduce hasta el siguiente punto de tratamiento y acondicionamiento de sólidos , mientras que la fracción líquida se dirige a una fase de separación físico-química.
10 Separación física-química sólido-líquido: La fracción líquida obtenida en la fase anterior se conduce al tanque de tratamiento de floculación-coagulación. La coagulación y floculación son dos procesos dentro de la etapa de clarificación del agua. Ambos conforman una sola etapa en que las partículas se aglutinan en flóculos que precipitan.
15 En una realización preferible del procedimiento de la invención, en dicha floculación se añaden aditivos floculantes catiónicos de cationicidad entre el 1 % Y el 30%, y peso molecular de 10 106 Da a 1.000 106 Da
En el ámbito de la presente invención, la coagulación es el proceso de desestabilización
20 de las partículas suspendidas de forma que se reducen las fuerzas de separación entre ellas.
Dentro de la variedad de equipos existentes, es preferible un sistema de flotación de aire disuelto. Los lodos se acumulan en la superficie y son extraídos continuamente y
25 mediante un recolector. O bien la cavitación, que consiste en aprovechar la depresión que se produce en la impulsión de la turbina difusora que se encuentra sumergida en el líquido que se quiere tratar. Al estar unida esa zona de depresión mediante una tubería con la atmósfera, se crea una diferencia de presión que aspira aire en forma de microburbujas que son distribuidas por toda la masa líquida.
Para producir una floculación eficaz se pueden añadir productos floculantes catiónicos que se presentan en dispersión acuosa o en forma de polvo granulado. Deberán ser de muy baja cationicidad y de alto peso molecular. Se preferirán especialmente poliacrilamidas catiónicas.
Los lodos de la superficie son retirados con el recolector y conducidos a un filtro de banda
o sistema similar para proceder a su prensado. Posteriormente son vertidos junto con los lodos obtenidos en la fase anterior y con el mismo uso que estos.
El líquido obtenido se vehicula a un sistema completo de electrocoagulación apto para recibir aditivos que mejoren el proceso de floculación y coagulación.
Tratamiento de electrocoagulación-flotación: El sistema de electrocoagulación en continuo permite la eliminación de carga orgánica y nitrogenada, reducción de olores y colores, eliminación de microorganismos y patógenos, reducción de metales pesados, emulsión de aceites y grasas, reducción de materiales en suspensión, con altos rendimientos, menor generación de fangos y a un coste inferior.
La electrocoagulación es un proceso electroquímico donde los iones, coagulantes, Al 3+
o Fe (2+/3+), son generados por la corriente eléctrica a través de ánodos de sacrificio, formándose coágulos/flóculos que son flotados en el mismo sistema gracias a las micro burbujas de oxígeno e hidrógeno formadas durante la electrólisis. En el mismo proceso existen reacciones de desestabilización, precipitación, rotura de emulsiones, oxidación, reducción y rotura molecular. El uso de floculantes como aditivos aumenta la eficacia del tratamiento.
De forma que en una realización preferible más del procedimiento de la invención, dicha electrocoagulación se realiza en presencia de iones A13+ o Fe(2+/3+).
La electrocoagulación-flotación permite con mucha eficiencia y con muy poca generación de lodos (entre un 30% -70% inferior a un físico-químico) tratar aguas con los siguientes contaminantes:
•
sólidos en suspensión y coloides
•
aceites, grasas, hidrocarburos, emulsiones.
•
metales pesados
•
reducción de la dureza
•
materia orgánica coagulable
•
grandes moléculas ( rotura molecular )
•
toxicidad • olor y color
•
nitrógeno y fósforo total.
•
eliminación de bacterias, virus y parásitos.
De nuevo, las microburbujas se adhieren a los sólidos en suspensión y grasas presentes
5 en el agua residual. Un recolector extrae las partículas sólidas del agua. Los lodos de la superficie son retirados con el recolector y conducidos al punto de tratamiento y acondicionamiento de sólidos.
En esta fase debe haberse reducido en la fracción líquida la presencia de contaminantes 10 nitrogenados en las siguientes proporciones aproximadas:
Compuesto Nitrato Nitrito Nitrógeno TKN
Muestra inicial Muestra final reducción 11 ,7 mg/l 2,6 mg/l 77,78% 21,0 mg/l 12 ,0 mg/l 42,86% 1,118,9 mgll 59,1 mgll 94,72%
El líquido resultante es el producto final del proceso, aunque puede ser reconducido a los equipos de separación física-química sólido-líquido para repetir el proceso de
15 coagulación y floculación. Los sólidos y lodos decantados o sobrenadantes se envían a peletizar para obtener biomasa combustible o, si su humedad es excesiva, al separador físico sólido-líquido.
El sistema de electrocoagulación en continuo elimina la carga orgánica y nitrogenada,
20 microorganismos y patógenos, reduce olores así como la emulsión de aceites y grasas, y reduce materiales en suspensión. Todo ello con altos rendimientos, menor generación de fangos y a un coste inferior que los procesos descritos en la técnica.
La fracción sólida total obtenida es rica en materia orgánica y por tanto en compuestos de
25 carbono. Representa un combustible de reducida humedad. En la presente invención se acondiciona en un peletizado para su mezcla con otras biomasas combustibles, utilizando para ello técnicas ampliamente disponibles en la técnica.
El uso como combustible de la biomasa sólida tras el acondicionamiento de los sólidos y
30 lodos retirados garantiza la reducción de emisiones de metano que se hubiera generado en la gestión convencional de estiércoles, o por cualquier otro proceso de tratamiento tipo biodigestión o compostaje.
El procedimiento de la presente invención consigue reducir el impacto ambiental de
purines y otros efluentes y residuos de similar composición, tanto de origen ganadero,
como agrícola o procedentes de procesos de transformación.
En términos generales se consigue la eliminación de Virus, Bacterias, Parásitos, la reducción de metales pesados al 99 %, reducción del carbono metanizable 100% Y reducción de Nitrógeno al 80 %, lo cual está representado en la siguiente tabla:
Por m3 /año de purín fresco
Sólidos totales (ST) en purín crudo
6,30%
Fracción solida purín crudo Uaño
0,063
Fracción líquida purín crudo tlaño
0,937
Nitrógeno en purín crudo
0,60%
Nitrógeno en purín crudo Uaño
0,006
Humedad fracción solida (separador)
63,79%
Rendimiento separador (sólidoslTotal)
60%
Fracción solida purín separado Uaño
0,038
Humedad en Fracción solida purín separado Uaño
0,067
Fracción Ií uida a tratamiento F/Q Uaño
0,896
Nitróqeno en Fracción solida urín se arado tlaño materia seca
1,52%
Nitróaeno en Fracción solida purín separado tlaño
0,001
Nitrógeno en Fracción líquida urín se arado
0,61%
Nitrógeno en Fracción líquida purín separado Uaño
0,005
En la explotación porcina de referencia en el ejemplo de la presente solicitud, las reducciones de precursores de gases de efecto invernadero suponen una disminución drástica de emisiones de los gases de efecto invernadero, superior al 95%, frente a la tecnica habitualmente utilizada consistente en la aplicación de purines en suelos
15 agrícolas.
Utilizando las metodologías de cálculo para evaluar las emisiones propuestas por la Oficina Española de Cambio Climático para las emisiones de gases de efecto invernadero procedentes de instalaciones ganaderas de carácter intensivo, expresadas
20 en toneladas de CO2 equivalente, se obtiene la siguiente tabla de emisiones anuales:
Proceso
Gas Emisiones del Escenario Base Habitual Emisiones de Metodología Descrita
(1 C02-eq)
(1 C02-eq)
Gestión Estiércoles en granja
CH, 6.224 O
Gestión Estiércoles en granja Aplicación a cultivos -Directas Aplicación a cultivos -Indirectas Residu os Residu os
TOTAL N,O N,O N,O CH, N,O 358 1.093 1.046 O O 8.721 O 177 150 O O 327
Reducción de emisiones 8.395 (t C02-eq)
BREVE EXPLICACiÓN DE LAS FIGURAS Figura 1:
5 1. Efluente.
2.
Acondicionamiento.
3.
Separación física sólido-líquido.
4.
Separación física-química sólido-líquido mediante f1oculación-coagulación.
5.
Tratamiento de electrocoagulación-flotación.
10 6. Almacenamiento líquido tratado.
7.
Acondicionamiento de los sólidos y lodos como biomasa.
8.
Aditivación.
EXPLICACiÓN DETALLADA DE REALlZACIÓNES DE LA INVENCiÓN 15 Con la intención de mostrar la presente invención de un modo ilustrativo, aunque en ningún modo limitante, se aportan los siguientes ejemplos. Las normas o reglamentos que se citan son accesibles y conocidos por el experto medio, y representan el valor de los estándares más usados en la técnica para las mediciones que se indican.
20 Ejemplo 1: Tratamiento de purines porcinos. La composición media fresca de purines de porcino es:
Parámetro
Unidades Mínimo Máximo Media
Sólidos totales (ST)
g/kg 13.7 169 63
DQO
g/kg 8.15 191 73
Nitrógeno total (NTK)
g/kg 2 10.25 6
Nitrógeno amoniacal
g/kg 1.65 8 4.6
Nitrógeno orgánico
g/kg OAO 3.7 1.5
Fósforo (P)
glkg 0.09 6.6 1.4
Potasio (K)
glkg 1.61 7.8 4.9
Cobre (Cu)
mg/kg 9 200 40
Zinc (Zn)
mg/kg 7 130 70
Se acondicionó el residuo en forma de una disolución total de los elementos y compuestos solubles en agua con ayuda de agitación mecanica. Se separaron entonces los sólidos de las deyecciones liquidas para generar dos fracciones distintas, líquida y sólida. La fracción sólida obtenida presentó las siguientes propiedades y composición:
Humedad
63,79 %m/m
Cenizas
23,33 %m/mmax
%m/mmax
Carbono-C
39,87 %m/mmax
Hidrógeno-H
4,78 Ofom/mmax
Azufre-S
0,30 %m/mmax
Oxígeno-O
30,00 %m/mmax
Nitrógeno-N
1,52 %m/mmax
Cloro-CI
020 %m/mmax
Sodio-Na
0,23 %m/mmax
Potasio-K
0,50 %m/mmax
Poderes caloríficos
pes· base seca
3.520 kcallkg
pes base húmeda
1.275 kcallkg
pel·· base seca
2.314 kcallkg
pel base húmeda
818 kcallkg
•pes Poder calontico superior **PCI Poder Calorífico Inferior
10 La fracción liquida contenía todos los elementos nitrogenados disueltos, tanto sales como gases, y se condujo a un tanque de tratamiento de floculación-coagulación. Los lodos acumulados en superficie fueron extraídos de forma continua con un recolector. Además, la diferencia de presión creada por la impulsión de la turbina difusora sumergida en el líquido aspiraba aire en forma de microburbujas que fueron distribuidas por toda la masa
15 líquida. Para producir una floculación eficaz se añadieron poliacrilamidas catiónicas (DR 2200 Y XT343, Derypol) como floculantes de muy baja cationicidad y de alto peso molecular. Los lodos de la superficie fueron retirados con el recolector y conducidos a un filtro de banda para proceder a su prensado. Posteriormente fueron vertidos junto con los lodos obtenidos en la fase anterior y con el mismo uso que estos.
El líquido obtenido se vehiculó a un sistema completo de electrocoagulación. De nuevo, las microburbujas se adhirieron a los sólidos en suspensión y grasas presentes en el agua residual. Los lodos formados en la superficie fueron retirados con el recolector y
5 conducidos al punto de tratamiento y acondicionamiento de sólidos. En esta fase se redujo la presencia de contaminantes nitrogenados en la fracción líquida en las siguientes proporciones:
Compuesto
Muestra inicial Muestra final reducción
Nitrato
11,7 mgll 2,6 mgll 77,78%
Nitrito
21 ,0 mgll 12,0 mgll 42,86%
Nitrógeno TKN
1,118,9 mgll 59,1 mgll 94,72%
10 El líquida fue entonces reconducido a los equipos de Separación física-química sólidolíquido donde se repitió el proceso de coagulación y f1oculación. Los sólidos y lodos decantados o sobrenadantes se enviaron a peletizar para obtener biomasa combustible. El efluente líquido resultante presentó las características y composición siguientes:
Parámetro
Unidad Valor
DQO
mgll02 1.010
Nitrógeno total (NTK)
mgll 434.3
Fósforo (P)
mgll 2.11
Potasio (K)
mgll 404
Cobre (Cu)
mgll 028
Zinc (Zn)
mgll 2.67

Claims (4)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento de tratamiento de purines, caracterizado por que comprende: a) separación física sólido-líquido de un efluente líquido que contiene purines, para generar una fracción sólida y una líquida; 5 b) separación físico-química de la fracción líquida obtenida en la etapa a), para obtener una fracción sólida y una líquida; e) electrocoagulación de la fracción líquida obtenida en la etapa b), para obtener una fracción sólida y una líquida; y
    d) peletizado de las fracciones sólidas obtenidas en las etapas a), b) y e) en 10 presencia de materiales lígnicos o lignocelulósicos.
  2. 2.
    Procedimiento, que comprende la etapa previa de añadir agua al efluente.
  3. 3.
    Procedimiento, en que la separación físico-química de la etapa b) comprende una coagulación y una floculación de las partículas sólidas obtenidas.
    15 4. Procedimiento, en que dicha floculación comprende añadir aditivos floculantes catiónicos de cationicidad entre el 1% y el 30%, y peso molecular de 10 106 Da a
    1.000 10' Da.
  4. 5. Procedimiento, en que dicha electrocoagulación de la etapa c) se realiza en presencia de iones A13+ o Fe(2+/3+)
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