ES2986753B2 - Dispositivo de filtracion de purines - Google Patents

Description

DESCRIPCIÓN

DISPOSITIVO DE FILTRACIÓN DE PURINES

SECTOR DE LA TÉCNICA

La invención se encuadra en las técnicas industriales del sector ganadero.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Durante los últimos años el incremento e intensificación de las explotaciones ganaderas en general y porcinas en particular ha supuesto el correspondiente incremento de los subproductos generados por las mismas sin que sea posible su utilización/absorción por el terreno agrícola disponible y sin que el uso de los estiércoles como abono haya supuesto una disminución en la demanda de fertilizantes nitrogenados sintéticos.

Ante esta situación la Legislación tanto a nivel de la Unión Europea como nacional exigen a las explotaciones ganaderas la acreditación de unos sistemas adecuados de gestión de estiércoles para asegurar la sostenibilidad del sector granadero impulsando el aprovechamiento racional del estiércol como fertilizante.

Al mismo tiempo, la escasez de recursos hídricos justifica plenamente la adopción de sistemas de manejo de purines que, además de ser respetuosos con el medio ambiente y económicamente viables, proporcionen agua disponible. Una de las ventajas más importantes que se obtienen realizando una gestión de los purines de manera sostenible es que prevalezca la valorización de los purines frente a su eliminación. Así lo recomienda la política comunitaria de Residuos en su jerarquía de la gestión de residuos recomendando que todo residuo potencialmente reciclable o valorizable se destine a estos fines. De este modo, una alternativa adecuada puede ser la reutilización de la fracción líquida en la propia granja, bien en irrigación bien en limpieza.

El principal problema de los residuos ganaderos, y en particular de los purines, es la concentración de su producción en determinadas áreas geográficas superando la capacidad de aceptación del medio. La aplicación excesiva de residuos ganaderos al suelo contribuye a la contaminación de las aguas, tanto superficiales como subterráneas, debido a la elevada presencia en éstos de nutrientes y organismos patógenos (Campos, E. (2001). Optimización de la Digestión Anaerobia de Purines de Cerdo Mediante Codigestión con Residuos Orgánicos de la Industria Agroalimentaria. Tesis doctoral. Universidad de Lleida. 371pp), lo que puede dar lugar a un detrimento de la calidad de las aguas para el consumo humano, especialmente debido a un exceso de nitratos(Hernández, D. (2006). Utilización del Purín de Cerdo como Enmienda Orgánica en Suelos Degradados: Valoración Agronómica y Ambiental. Tesis Doctoral. Universidad Autónoma de Madrid. 257 pp).

Además, la elevada presencia de nutrientes contribuye a la contaminación del suelo tanto por acumulación como por los desequilibrios ocasionados entre estos elementos. También es importante resaltar los efectos ocasionados sobre la atmósfera como son la producción de olores desagradables, que afecta en numerosas ocasiones a la población circundante, las emisiones gaseosas de NH<3>, SH<2>, NO<x>y compuestos orgánicos volátiles, que contribuyen a la lluvia ácida y al efecto invernadero, y de forma relevante la generación de metano, uno de los gases de mayor importancia en el cambio climático. Finalmente, se debe destacar que los purines de cerdo contienen diversos organismos patógenos susceptibles de transmitirse al ser humano través de las aguas o de la atmósfera(Bicudo, J.R., Goyal, S.M. (2003). Pathogens and manure management systems - a review. Environmental Technology, 24(1), pp 115 130).

No obstante, es importante resaltar que el purín tiene un preciado valor agronómico por su composición, rica en nutrientes esenciales para las plantas como el nitrógeno (N), el fósforo (P) y el potasio (K), a la vez que aporta nutrientes secundarios (calcio, magnesio, sodio, azufre) y micronutrientes (hierro, manganeso, etc.).

La utilización de estas deyecciones como fertilizante es, seguramente, la solución más usada, al requerir inversiones de bajo coste y proporcionar los mayores beneficios económicos, considerando los precios crecientes de los fertilizantes minerales. No obstante, aunque los efluentes porcinos son una excelente fuente de nutrientes para los sistemas de producción de cultivos en agricultura, horticultura y forestales, existen limitaciones a su uso en cuanto al almacenaje, transporte y aplicación de grandes cantidades se refiere. Existen zonas geográficas de producción ganadera intensiva en las que los cultivos no pueden absorber todos los nutrientes generados por esta industria. Este hecho da lugar a excedentes locales, lo que hace necesaria la aplicación de tecnologías de tratamiento del estiércol para mejorar la gestión de los nutrientes. Tanto si se tienen en cuenta las bases agronómicas (Teira, M.R., Flotats, X. (2003). A method for livestock waste management planning in NE Spain. Waste Management. 23(10) pp 917-932)como las limitaciones legales(CEE (1991). Directiva del Consejo, de 21 de mayo de 1991, sobre el tratamiento de las aguas residuales urbanas),el criterio más frecuente a la hora de planificar la aplicación de estiércol al suelo es el contenido en nitrógeno. En caso necesario, se garantizará entonces el aporte suficiente de otros nutrientes mediante fuentes de fertilización complementarias.

Dentro de una economía circular como se plantea actualmente, la recuperación de nutrientes y materia orgánica de los purines para su utilización en el suelo podría contribuir a la reducción de la producción de fertilizantes inorgánicas con las ventajas asociadas que esto llevaría: reducción de la extracción de P (recurso no renovable), disminución del proceso Haber Bosch para la producción de nitrógeno, etc....

Al contrario que el fósforo, el N puede considerarse un recurso renovable pero su conversión en fertilizante mediante el proceso Haber-Bosch requiere una elevada cantidad de energía, dependiendo su coste del precio y suministro de gas natural. El proceso Haber-Bosch es el que más contribuye a la producción y liberación de N reactivo antropogénico que, durante los dos últimos siglos, ha alterado el ciclo geoquímico natural del N natural, afectando al bienestar del planeta, causando acidificación de los océanos, pérdida de ozono y eutrofización. La modificación del ciclo natural del N en sinergia con la transgresión de otros límites planetarios reconocidos es probable que provoque cambios medioambientales irreversibles. En este contexto, es importante fomentar diferentes enfoques distintos de la nitrificación-desnitrificación biológica para el tratamiento de aguas residuales con altas cargas de NH<4+>y potenciar las tecnologías que permitan la recuperación y reutilización de este. Entre los métodos para la eliminación del NH<4+>, el proceso biológico de nitrificación-desnitrificación es el más utilizado. Sin embargo, los procesos biológicos no son adecuados para las aguas residuales caracterizadas por elevadas cantidades y grandes fluctuaciones de NH<4+>. En estos casos, deben considerarse otras alternativas, por ejemplo, precipitación, extracción por aire e intercambio iónico. Además, los procesos biológicos eliminan, pero no recuperan el NH<4+>, que se degrada a N<2>y se libera a la atmósfera como N no reactivo. Por lo tanto, el NH<4+>contenido en las aguas residuales no se recupera eficazmente y se reutiliza para otros fines, por ejemplo, la aplicación agrícola. Además, los sistemas biológicos muestran eficiencias más bajas cuando se someten a fluctuaciones de flujo y composición, fluctuaciones relacionadas con los ciclos de producción, periodos de puesta en marcha por cese de la producción, y bajas temperaturas. Debido a estas limitaciones es plausible integrar sistemas biológicos con tecnologías fisicoquímicas (por ejemplo, stripping de amoníaco, adición de arcilla y precipitación de estruvita) para garantizar la eficiencia de eliminación de nitrógeno prevista(De Vrieze, J., Cólica, G., Pintucci, C., Sarli, J., Pedizzi, C., Willeghems, G., et al. (2019) Resource recovery from pig manure via an integrated approach: a technical and economic assessment for full-scale applications. Bioresour Technol 272, pp 582-593).En consecuencia, las tecnologías fisicoquímicas pueden aplicarse en explotaciones en las que los menores costes operativos no compensan por la mayor inversión de capital y la complejidad del proceso de los sistemas biológicos.

Además de los procesos físico-químicos y los procesos aerobios de eliminación de materia orgánica y nitrógeno, la digestión anaerobia de los purines, solos o en codigestión con otros residuos, es una tecnología actualmente empleada.

La digestión anaerobia es una tecnología aplicada para el tratamiento de purines y otros residuos agroindustriales, dada su probada fiabilidad operativa y la obtención de metano como fuente de energía renovable, lo que generalmente permite amortizar los costes de inversión iniciales(Ren Y, Yu M, Wu C, Wang Q, Gao M, Huang Q, Liu Y. (2018) A comprehensive review on food waste anaerobic digestion: Research updates and tendencies. Bioresour Technol.; 247: pp 1069-1076).Sin embargo, presenta el inconveniente de generar un efluente (digestato) que presenta una elevada cantidad de sólidos y nutrientes (N y P) que no cumplen las características exigidas por la normativa para ser vertidos directamente a cauces de agua. Durante la digestión anaerobia se produce hidrólisis y se libera materia orgánica, amoníaco, fosfato, potasio, magnesio, calcio y azufre al líquido a granel. La materia orgánica se convierte principalmente en metano, mientras que tanto el amoníaco como el fosfato no se consumen durante el proceso(Mai, D.T., Kunacheva, C, Stuckey, D.C. (2018). A review of posttreatment technologies for anaerobic effluents for discharge and recycling of wastewater. Crit. Rev. Environ. Sci. Technol. 48, pp 167-209).El fosfato es un compuesto clave en los fertilizantes y su demanda anual aumenta en consonancia con el aumento de la población mundial.

La aplicación de sistemas de tratamiento de purín en la propia granja no es una práctica actualmente extendida. No obstante, está totalmente justificada cuando no hay superficie agraria suficiente donde realizar la aplicación directa del purín que es el sistema de gestión de purines más ampliamente utilizado actualmente. Teniendo esto en cuenta y por tanto la baja implantación de sistemas de tratamiento de purines como tal, pasamos a citar a continuación las tecnologías actualmente utilizadas.

En el tratamiento de purines, existen dos planteamientos: tratamientos integrales, que pretenden alcanzar las normas de vertido a cauce en el efluente tratado o bien evaporar completamente la fracción líquida del purín. Y tratamientos intermedios, cuyos objetivos son, reducir la carga, cambiar las características del purín, para adecuar su composición y volumen a la superficie agraria de que dispone el ganadero, o reducir molestias por los malos olores. Las alternativas disponibles actualmente en el mercado se basan en una serie de tratamientos básicos:

- Separación sólido-líquido. Se trata de un tratamiento intermedio y supone una mejora para tratamientos posteriores, pero no puede ser el único elemento de tratamiento pues no proporciona una reducción eficiente de contaminantes, sólo divide en fases para una mejor gestión, pero no tratamiento.

- Compostaje. Permite tratar únicamente la fracción sólida del purín quedando por tanto una fracción líquida aún por tratar.

- Nitrificación-desnitrificación. Son tratamiento que consumen mucha energía y no permite la recuperación de otros recursos como materia orgánica o nutrientes.

- Digestión anaerobia. Tiene la ventaja de producir metano que se puede emplear como fuente energética pero el producto resultante (digestato) requiere de un tratamiento posterior.

- Evaporación y secado. Procesos con elevado consumo energético.

- Filtración por membrana. Los procesos de filtración son capaces de eliminar en diversas etapas gran parte de la contaminación, pero no el amonio. No obstante, se podría llegar a tener una corriente concentrada en nutrientes que podría emplearse como fertilizante.

- Stripping y absorción. Consiste en el stripping de amonio en forma de amoniaco y su recuperación en sulfato amónico, mediante la absorción del amoniaco producido en una corriente ácida de ácido sulfúrico.

Existen además en el mercado tecnologías con marcas registradas que a pesar de ofrecer eficiencias de tratamiento y ventajas considerables no se ha observado una clara penetración en el mercado. Tal es el caso de la electrocoagulación y la electroxidación. El tratamiento electroquímico consiste en la eliminación de contaminantes mediante la electrooxidación directa para obtener un agua con calidad de terciario, para usarse para fertiriego o evaporar. En este caso no se recupera el nitrógeno como en el aquí propuesto sino que es convertido a sus formas oxidadas menos contaminantes. El principal cuello de botella de estos sistemas es el mantenimiento de los electrodos que tienen baja esperanza de vida al tratar con corrientes como los purines.

De todas las tecnologías comentadas sólo las membranas y el stripping permitirían recuperar el nitrógeno para su empleo posterior como fertilizante. La principal ventaja de la tecnología aquí propuesta está en el bajo coste de instalación y de mantenimiento, la facilidad de su manejo, y los altos rendimientos de recuperación de nitrógeno que es posible alcanzar, todo ello sin necesidad de añadir ningún reactivo químico, ni de sustituir elementos consumibles con el tiempo, más que el consumible principal que se transforma en producto en sí.

Hay que tener en cuenta que quedarse en un tratamiento intermedio no completa el ciclo de tratamiento del purín considerándose únicamente un tratamiento a fin de aliviar las molestias ocasionadas. Igual que se comentaba anteriormente las mayorías de las granjas están en este nivel de tratamiento. La tecnología que aquí se presenta permitiría abordar el tratamiento integral del purín, al ser una tecnología fácilmente aplicable en una granja que podría complementar a los tratamientos de la fracción sólida, así como alcanzar valores de vertido a cauce en la fracción líquida. Todo ellos además con la ventaja adicional de la recuperación de un nutriente como es el nitrógeno. El solicitante no conoce soluciones técnicas que resuelvan el problema expuesto de forma ventajosa como la invención preconizada.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

El objeto de la invención es permitir la recuperación de nutrientes, principalmente N y K , alcanzar valores muy bajos (incluso cero) de amonio en la corriente a tratar, evitar la adición de reactivos, disminuir las temperaturas de trabajo para el aumento de capacidad de la zeolita con respecto a las técnicas actuales que llegan a alcanzar los 200 °C para obtener un fertilizante de liberación lenta de amonio al estar este adsorbido sobre la base de la zeolita, si bien la invención puede aplicarse en otros materiales de absorción. Reducir el tiempo de exposición a la atmósfera y por tanto las emisiones de amoníaco del purín al ser recogido directamente de la balsa. Otro objetivo es disponer de un sistema totalmente automatizado que facilite la carga y descarga del material adsorbente, así como su regeneración.

El dispositivo es de aplicación preferente en el tratamiento de purines si bien otras aplicaciones son posibles como tratamientos de afino de aguas residuales, o tratamientos de agua para riego en campos de golf. Para lo cual el dispositivo dispone primeramente una balsa que recoge el purín procedente de la granja, un separador de sólido/líquido cuyas fracciones separadas van a un depósito de sólidos y a un silo respectivamente. Presenta medios automatizados para la carga y descarga de al menos dos filtros de zeolita que presentan dos válvulas de abertura y cierre en sus extremos, un contenedor de zeolita que es transportada por un sinfín de carga de la zeolita hasta un segundo sinfín de carga de los filtros, el sinfín de carga de los filtros se encuentra sobre estos y conectado a través de las válvulas superiores de abertura y cierre de los mismos, el sinfín de carga de los filtros presenta aguas abajo del último filtro un conducto de recirculación del sobrante de la zeolita que o bien ha desbordado tras el llenado de los filtros o se ha acumulado en el propio sinfín, este sobrante cae sobre una cinta transportadora/calefactora por aire en el rango de 50-70 °C a la que también vierten los filtros, ya que están emplazados sobre la cinta, mediante la abertura de su válvula inferior. Comprende un tercer sinfín que denominaremos sinfín de descarga y recirculación que recoge el material de la cinta hasta el contenedor de zeolita. La filtración se realiza mediante al menos dos filtros de zeolita, un intercambiador iónico instalado entre la salida del filtro de zeolita más próximo aguas arriba y la entrada del filtro más próximo aguas abajo, los filtros presentan conductos de entrada, situados próximos a la base del filtro y salida situados próximos a su porción superior.

Comprende una unidad de control que permite automatizar el dispositivo en función de la demanda y tarifa energética así como interpretar las señales de los sensores que monitorizan la calidad del agua siendo estos un sensor de pH, temperatura, conductividad, y sensor de amonio/nitrato pudiendo con esto gestionar también la velocidad y temperatura de la cinta transportadora/secadora en función de las características del purín, así como medios de abertura y cierre automatizado de las válvulas de los filtros y tele gestión remota.

Se han previsto versiones en las que es posible independizar el funcionamiento de los filtros al disponer estos de válvulas de abertura y cierre en sus conductos de entrada y salida, no representadas, situadas en sus extremos superior e inferior, así como alimentación independiente en sus conductos de entrada del purín, esto permite ajustar la instalación en función de sus necesidades y facilitar las tareas de mantenimiento al no tener que parar el dispositivo.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

Figura 1.- Muestra una vista perspectiva del dispositivo de la invención, donde se observa: la balsa (1), silo (2), separador sólido/líquido (3), depósito de sólidos (4), filtros de zeolita (6), filtro de intercambio iónico (7), el sinfín de carga de los filtros de zeolita (5), el sinfín de carga de zeolita (9), la cinta transportadora/secador (8), el sinfín de descarga y recirculación (10) y el contenedor de zeolitas (11).

Figura 2.- Muestra una vista frontal del dispositivo de la invención de la figura 1 en la que se ha ampliado una porción del dibujo para su mejor visualización, puede verse: el sinfín de carga de zeolita (9), el sinfín de carga de los filtros de zeolita (5), el conducto de recirculación de la zeolita (12), los filtros de zeolita (6), el filtro intercambiador iónico (7), el conducto de entrada del purín (14) a los filtros, el conducto de salida del purín (13) filtrado, la cinta transportadora /secadora (8) y el sinfín de descarga y recirculación (10); también se aprecia el conexionado de los filtros así como las flechas representan el sentido de circulación del fluido.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

Se cita a modo de ejemplo una forma de realización preferida siendo independiente del objeto de la invención los materiales empleados en su fabricación, así como los métodos de aplicación y todos los detalles accesorios que puedan presentarse, siempre y cuando no afecten a su esencialidad.

El dispositivo descrito en este modo de realización comprende:

Una balsa (1), silo (2), separador sólido/líquido (3), depósito de sólidos (4), filtros (6) de zeolita, intercambiador iónico (7), el sinfín de carga de los filtros de zeolita (5), el sinfín de carga de zeolita (9), la cinta transportadora/secador (8), el sinfín de descarga y recirculación (10) y el contenedor de zeolitas (11). Comprende en este ejemplo de cuatro filtros (6) de zeolita, en el sentido de la circulación del fluido primeramente se encuentran dos, tras estos un intercambiador iónico (7) cuya entrada conecta la salida del segundo filtro y cuya salida del intercambiador es conectada a la entrada del tercer filtro, de nuevo la salida del tercer filtro se conecta a la entrada del cuarto y la salida de este cuarto filtro es conectada a la salida del purín filtrado (14), figura 2.

El dispositivo permite la carga y descarga automatizada, así como la regeneración de la zeolita al presentar los filtros dos válvulas de abertura y cierre en sus extremos que cooperan con los sinfines y cinta transportadora /secadora como se ha descrito.

Comprende una unidad de control que permite automatizar el dispositivo en función de la demanda y tarifa energética así como interpretar las señales de los sensores de monitorización de la calidad del agua con al menos un sensor de pH, temperatura, conductividad, y amonio/nitrato, gestionar la velocidad y temperatura de la cinta transportadora/secadora en función de las características del purín y caudal a tratar, así como medios de abertura y cierre automatizado de las válvulas de los filtros y tele gestión remota.

Para aportar claridad en la descripción y apoyar la suficiencia técnica se aportan los ensayos realizados. Se han realizado con corrientes de entrada al sistema de tratamiento en valores entre 800-1000 mg/l de N-NH<4+>alcanzándose eficiencias de eliminación de amonio de hasta el 98%. La corriente de entrada corresponde a la fracción líquida de purín fresco sometido a un proceso de separación sólido líquido.

Se lleva a cabo la adsorción de NH4+ sobre zeolita natural y se procede a su regeneración/aumento de capacidad mediante una corriente de aire caliente a temperatura entre 50-70 °C. Queda demostrado que es posible ir aumentando progresivamente la capacidad de retención de amonio en la zeolita repitiendo hasta 6 veces el ciclo de secado. Se obtiene una capacidad de adsorción inicial entre 6-7 mg N-NH4/g de zeolita- Esta capacidad se aumenta a valores en torno a 20 mg N-NH4/g de zeolita cuando se reutiliza la misma zeolita, pero secada a temperatura en torno a 60°C y se vuelve a someter a un proceso de adsorción (hasta seis ciclos de secado).

Se trabaja con una relación L/D de la columna de adsorción de 3,8. Con tiempo de retención en la misma de 1 hora. Se trabaja a temperatura ambiente.

El material adsorbente empleado es Clinoptilolita natural, zeolita natura de la familia química de los aluminiosilicatos.

Se observa que conforme aumenta la concentración inicial de amonio en la corriente influente mayor es la capacidad de intercambio de la zeolita.

Gráfico 1. Isoterma de adsorción de N-NH4 en zeolita.

La curva de ruptura de la columna de adsorción. Presenta una ruptura suavizada por lo que el hecho de trabajar con varias columnas en serie permite optimizar la eficiencia de la filtración.

Gráfico 2. Curva de ruptura de la adsorción N-NH<4>+ en zeolita.

Se analiza la composición elemental de la zeolita tras todos sus ciclos de utilización y se obtiene la siguiente composición química:

Tabla 1. Composición elemental de la zeolita tratada con purín con varios ciclos aumento de capacidad.

Por el contrario, se observa en la composición elemental de la zeolita tratada con purín, pero en este caso sin haberla sometido a ningún ciclo de regeneración que el contenido en N del producto es inferior (0.13%) al obtenido aplicando ciclos de regeneración (0.56 %).

Tabla 2. Composición elemental de la zeolita tratada con purín sin aumentar su capacidad.

Estos resultados muestran la capacidad de tratamiento del sistema propuesto en las condiciones descritas previamente. La invención permite la recuperación de nitrógeno (y otros nutrientes como K) y por tanto la eliminación del mismo de corrientes residuales contribuyendo así a su tratamiento y, posible, posterior valorización.

Claims (2)

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo de filtración de purinescaracterizado pordisponer de medios para la carga automatizada y regeneración comprende al menos dos filtros de zeolita (6), un sinfín de carga de la zeolita (9) que transporta la zeolita desde un contenedor de zeolita (11) a un sinfín de carga de los filtros (5) conectado este a la porción superior de al menos dos filtros de zeolita cuya carga se efectúa al tener los filtros en su extremo superior una válvula de abertura y cierre así como medios de descarga de la zeolita mediante una segunda válvula de abertura y cierre próxima a su base, un sinfín de carga de la zeolita que presenta aguas abajo del último filtro de zeolita instalado de un conducto de recirculación (12) del sobrante de la carga de los filtros , este conducto al igual que los filtros vierte a una cinta transportadora/secadora (8) situada bajo de estos, la cinta transportadora/secadora por aire en el rango de 50-70 °C vierte a un sinfín de descarga y recirculación (10) hacia el contenedor de zeolita (11); comprende una balsa (1), un separador sólido/líquido (3), un silo (2) de acumulación de la fracción líquida conectado mediante un conducto de entrada del purín (14) a la porción próxima a la base de un primer filtro y cuya salida se realiza a través de un conducto próximo a la porción superior del filtro, al menos un intercambiador iónico (7) instalado entre filtros cuya entrada es la salida del filtro aguas arriba y cuya salida es conectada a la contigua aguas abajo del intercambiador, la salida del último filtro es conectada al conducto de salida del purín filtrado (13); comprende una unidad de control que permite automatizar el dispositivo en función de la demanda y tarifa energética así como interpretar las señales de los sensores de monitorización de la calidad del agua con al menos un sensor de pH, temperatura, conductividad, y amonio/nitrato, gestionar la velocidad y temperatura de la cinta transportadora/secadora en función de la temperatura ambiente y del purín, y del caudal del purín a tratar, así como medios de abertura y cierre automatizado de las válvulas de los filtros y tele gestión remota.

2. Dispositivo de filtración de purines de acuerdo a la reivindicación primeracaracterizado pormedios de independizar el funcionamiento de los filtros al disponer estos de válvulas de abertura y cierre en sus conductos de entrada y salida, así como alimentación independiente en sus conductos de entrada del purín.