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TRATAMIENTO Y GESTIÓN DE RESIDUOS
Retos y oportunidades de la nueva planificación de
residuos de Cataluña y de Aragón
Automatización de la planta de envases de Valsequillo
Planta de biometanización de Cogersa en Asturias
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Nº 173 MARZO - ABRIL 2014
Proyecto REVAWASTE
Residuos: Las nuevas fuentes de
energía y materias primas
Dolores Hidalgo1,2, Jesús Mª Martin-Marroquín1,2, Francisco Corona1,2, Marc Basany3
1
CARTIF Centro Tecnológico, 2ITAP Universidad de Valladolid, 3INFINITVE
RESUMEN
Los residuos han sido tradicionalmente considerados como un problema, tanto para quien los genera
como para la sociedad en general.
Pero hoy en día que muchos productos naturales escasean, los residuos
han dejado de ser un desecho para
convertirse en los nuevos yacimientos de energía y materias primas.
bustibles o biocombustibles. Pueden
llevarse a cabo procesos termoquímicos (pirólisis, gasificación o combustión), biológicos (digestión anaerobia) o químicos (esterificación,
transesterificación) que aplicados al
residuo más adecuado en cada caso
(biomasa, plásticos, aceites usados,
etc.) generan productos de interés
energético (gas de síntesis, metano,
biodiésel, y otros)
La transformación de los residuos
en energía puede realizarse mediante las tecnologías existentes de generación de electricidad, calor, com-
Por otro lado, los residuos son asimismo una fuente inagotable de todo
tipo de materias primas. Los residuos ganaderos son habitualmente
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Marzo - Abril 2014
ricos en nitrógeno y fósforo, que pueden extraerse para la fabricación de
fertilizantes; los residuos agroalimentarios contienen compuestos útiles
que pueden emplearse en sectores
como el farmacéutico, químico, dietético o cosmético; los lodos de minería contienen azufre y todo tipo de
metales de interés comercial; los residuos urbanos suelen ser una miscelánea de productos valorizables,
por citar algunos ejemplos.
Ante esta situación, el interés por
valorizar al máximo los residuos con
nuevos diseños operacionales, y no
Proyecto REVAWASTE
2011 (INE, 2013), un 4,5% menos
que en el año anterior. De éstos,
18,8 millones correspondieron a residuos mezclados y 4,5 millones a residuos de recogida separada.
Las empresas de tratamiento de
residuos, tanto de origen urbano como no urbano, gestionaron 44 millones de toneladas de residuos no peligrosos en el año 2011. De ellos, el
48,0% se destinó al reciclado (incluyendo aquí compostaje), el 44,8% al
vertido y el 7,2% a la incineración.
RESIDUOS PLÁSTICOS
Figura 1. Situación europea en la gestión de residuos municipales (Fuente: Eurostat, 2012)
solo tratarlos, está cobrando cada
vez mayor interés entre las sociedades industrializadas. Este es el caso
del innovador proyecto REVAWASTE
(www.revawaste.eu), donde, en una
misma instalación, pretenden tratarse
residuos urbanos, plásticos, agroalimentarios, ganaderos y biomásicos.
RESIDUOS URBANOS
Los residuos urbanos están compuestos, habitualmente, de los siguientes materiales: vidrio, papel y
cartón, restos orgánicos, plásticos,
textiles, metales, madera y escombros domésticos. Se observan variaciones en las proporciones entre los
distintos materiales según el nivel de
industrialización y desarrollo del país.
En el caso de España, la fracción
predominante suele ser la orgánica,
pudiendo llegar a representar el 60%.
Si los residuos llegan ya separados
desde el origen (recogida selectiva)
al centro de tratamiento (CTR), como
es el caso del papel o el vidrio, se dirigen directamente a la planta de reciclado. Si vienen mezclados (recogida
no selectiva) como es el caso más
común para los envases, metales, orgánicos, etc., hay que separarlos según su naturaleza. El proceso de selección se realiza mediante diversos
sistemas: metales férricos por medio
de campos magnéticos; metales no
férricos por triaje manual y corrientes
de Foucault; papel y cartón, vidrio y
plásticos duros por triaje manual;
plástico film mediante sistemas neumáticos; y materia orgánica que se
recoge como fracción sobrante de los
procesos anteriores.
Una vez separados los residuos hay
que realizar su tratamiento. A
grandes rasgos puede consistir
en una de estas opciones: reciclado, valorización energética,
compostaje y vertido controlado, que se aplicarán según la
naturaleza y estado de los residuos y del modelo de gestión
implantado. En la Figura 1 se
muestra la situación europea a
este respecto.
De 2010 a 2011, la producción
mundial de plásticos aumentó de 265
a casi 280 Mt, volviendo a la tendencia de crecimiento de la que había
gozado el sector desde 1950, que se
sitúa en torno a un 9% anual (Plastics
Europe, 2012). En 2011, Europa consumió 58 Mt, 21% de la producción
mundial. Ese mismo año, los residuos post-consumo fueron de 25,1
Mt (con un aumento del 2,4% respecto a 2010), de las cuales, 10,3 Mt millones no se recuperaron y, 14,9 Mt
se recuperaron en forma de energía.
Hay diferentes tipos de plásticos
con propiedades específicas para
Figura 2. Muestras de residuos plásticos (Fuente: FOSIMPE)
Las empresas gestoras de
residuos urbanos en España
recogieron 23,3 millones de
toneladas de residuos en
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Proyecto REVAWASTE
términos de volumen representa en
torno al 65% del volumen total de
residuos plásticos de entrada a la
planta de tratamiento. Es por su elevado volumen y baja biodegradabilidad por lo que la deposición de los
residuos plásticos en vertederos es
una práctica que se intenta reducir.
Figura 3. Instalaciones de recogida de residuos
plásticos (Fuente: FOSIMPE)
cada aplicación. Las “seis grandes”
tipologías de plástico que destacan
por su presencia en las corrientes
residuales son: polietileno - incluyendo baja densidad (PE-LD), lineal
de baja densidad (PE-LLD) y de alta
densidad (PE-HD); polipropileno
(PP); cloruro de polivinilo (PVC); poliestireno sólido (PS), expandible
(PS-E); tereftalato de polietileno
(PET) (Figura 2) y de poliuretano
(PUR). En conjunto, éstos representan alrededor del 80% de los plásticos presentes en Europa en las corrientes residuales.
En la actualidad la fracción de residuos plásticos que llega a los CTR
se somete inicialmente a una etapa
de separación (Figura 3), ya que se
encuentra mezclada con el resto de
residuos. El rechazo de esta etapa
es habitualmente enviado a vertedero como destino final, lo que en
10
Otra de las vías de salida que se da
en la actualidad a estos residuos es la
incineración para su eliminación como cenizas (reducción de volumen e
inertización), intentando justificar posteriormente un aprovechamiento térmico que compense en parte el alto
calor necesario para el proceso, como
si de energía “sobrante” se tratara
(definiéndolo como una pseudo-valorización energética). Este proceso genera, entre otros efectos nocivos o de
sostenibilidad mal interpretada, emisiones de CO 2 que contribuyen al
efecto invernadero.
Pero para valorizar los residuos
plásticos de forma integral, es necesario combinar diferentes opciones
de gestión y tratamiento de estos residuos. Las soluciones varían de un
país a otro en función de la infraestructura, la estrategia nacional de
gestión de residuos y las tecnologías
disponibles. Parte de la solución para la gestión de residuos plásticos reside en la aceptación por parte de la
sociedad de que los recursos deben
ser utilizados de manera eficiente y
que los residuos plásticos son un recurso valioso que no debe ser desperdiciado en los vertederos. No es
ninguna coincidencia que los nueve
países europeos que mejor realizan
la gestión de residuos plásticos (Figura 4) tienen fuertes restricciones a
su entrada a vertedero. Si dichas
restricciones se extendieran al resto
de Europa, crearían una fuerza tractora que permitiría aumentar los niveles de reciclado y recuperación.
Cualquier estrategia destinada a mejorar la gestión de residuos debe
combinar reciclaje con recuperación
de energía.
El rendimiento del reciclaje oscila
de forma general en el rango de 15 y
30% en la mayoría de los países, los
niveles de recuperación de energía
varían entre 0 y 75%. Los países que
actualmente llevan materiales valiosos a vertedero al final de su vida tienen aquí una oportunidad para reducir su huella de carbono, reducir su
Figura 4. Ratio de recuperación total de residuos plásticos en Europa (Fuente: Plastics Europe, 2012)
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Proyecto REVAWASTE
déficit energético y utilizar los recursos de manera más eficiente.
En cualquier caso, se ha logrado
un progreso general en la captura del
valor intrínseco de los residuos plásticos. El aumento de la tasa de reciclado y recuperación es de, aproximadamente, 5-6% al año.
El reciclaje y la tasa de recuperación de envases plásticos es mayor,
un 66% en comparación con el 59%
del conjunto de plásticos, lo que refleja los esfuerzos realizados desde
hace tiempo en desarrollar opciones
de reciclado y recuperación en este
sector. Las tasas de reciclado y recuperación de energía son similares
para ambos grupos (33% en ambos
casos), mientras que la recuperación
de la energía desempeña un papel
menos importante para los envases
que para el conjunto de residuos
plásticos (25 vs 34%).
RESIDUOS
AGROALIMENTARIOS Y
GANADEROS
Tanto en la actividades ganadera y
de transformación agroalimentaria,
como en la mayoría de actividades
desarrolladas por el hombre, además de generarse el producto objeto
del proceso productivo, se generan
restos y residuos.
En la actualidad, el rápido desarrollo poblacional ocurrido tanto en España como en el resto de la Unión Europea ha hecho que aumente de forma
exponencial, tanto la cantidad, como
la variedad en composición de estos
residuos, por lo que la adecuada gestión de los mismos se ha convertido
en uno de los objetivos prioritarios para resolver los problemas que pueden
generar tanto desde el punto de vista
Proyecto REVAWASTE
tracción de principios activos, etc.
Como dato significativo de la importancia de los recursos que se pueden
obtener con el adecuado tratamiento
de estos residuos, se puede indicar
que únicamente con los residuos
agroalimentarios de los que se dispone en España, se pueden generar
2.600 Mm3/año de biogás, el equivalente al 4,2% de la producción anual
de gas natural.
medioambiental, como desde el punto
de vista social y económico.
Según un informe técnico elaborado para la Comisión Europea (Foged
et al., 2011), la producción de estiércol de toda la UE se estima en 1.400
Mt, siendo Francia la mayor productora, seguida de Alemania, Reino
Unido y España, por ese orden.
Según un informe del MAGRAMA del año 2010, se estima que cada año se originan
en España unos 130 millones
de toneladas de estiércoles y
purines aportando el sector del
vacuno y del porcino un 50% y
un 40% de esta cantidad, respectivamente.
Con respecto a los residuos
agroalimentarios, aunque existe
muy poca información disponible, se estima que España genera una media de 49,7 Mt/año
(Marañón et al., 2009).
La cantidad de residuos tanto
ganaderos como agroalimentarios indicados en los párrafos
12
anteriores da idea tanto del volumen
del problema, como de la gran cantidad de materias primas de que se
dispone, que bien aprovechadas permiten obtener un gran abanico de
posibilidades, tanto desde el punto
de vista energético, como de obtención de fertilizantes y piensos, de ex-
Los principios básicos que subyacen en los sistemas de tratamiento de
residuos orgánicos se pueden agrupar en: procesos biológicos, físicos y
químicos. Las diferentes tecnologías
de tratamiento existentes de este tipo
de residuos-suelen incluir una combinación de principios básicos anteriormente mencionados. En general, los
métodos de tratamiento más utilizados se encuentran dentro de la categoría de los tratamientos biológicos
(Tabla 1), donde las tecnologías más
utilizadas son la digestión anaerobia,
la digestión aerobia y el compostaje.
Tabla 1. Principales características de las diferentes tecnologías de tratamiento biológico
(Fuente: Martín-Marroquín e Hidalgo, 2014)
Tecnología
Aplicaciones
Pros
Contras
Productos obtenidos
Digestión
anaerobia
Tratamiento biológico de
residuos orgánicos en
ausencia de oxígeno.
• Reducción de olor.
• Reducción de emisiones de
de gases de efecto invernadero (metano, CO2).
• Reducción de patógenos .
• No hay reducción de
nutrientes.
• Elevado coste.
• No hay reducción del
volumen de la materia
prima tratada.
• Biogás.
• Digestato que puede
ser utilizado como fertilizante.
Digestión
aerobia
Tratamiento biológico de
residuos orgánicos en
presencia de oxígeno.
• Reducción de metano y
NOx.
• Reducción significativa de
patógenos.
• Reducción de olores.
• Elevados costes de
operación.
• Elevadas pérdidas de
N2 a la atmosfera.
Dióxido de carbono,
agua, compuestos inorgánicos (fósforo y
potasio pueden recuperarse y utilizarse como
fertilizantes), biomasa
(material orgánica no
digerida).
Compostaje
Proceso biológico que se
realiza en condiciones de
fermentación aerobia
(con aire), con suficiente
humedad y que asegura
una transformación higiénica de los restos orgánicos en un alimento
homogéneo y altamente
asimilable por nuestros
suelos.
• Reducción de volumen del
residuo.
• Producto más estable.
• Reducción de patógenos.
• Elevadas pérdidas de
NH3, CO2, metano y
NOx a la atmósfera.
• Elevado tiempo de
procesado (3 – 6
meses) hasta obtener el
producto terminado.
Fertilizante orgánico.
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Proyecto REVAWASTE
Figura 5. Muestras de biomasa
Por otra parte, del residuo líquido del
proceso de co-digestión anaerobia
(digestato), rico en nitrógeno y fósforo, es posible obtener fertilizantes
como la estruvita para aplicación directa sobre los cultivos.
La tecnología más utilizada es la
digestión anaerobia y el biogás es
considerado como una de las alternativas más sostenibles para convertir los residuos, tanto ganaderos como agroalimentarios, en energía
renovable. El biogás, debido a su
elevado contenido en metano, puede
ser utilizado como combustible en
calderas o en motores de cogeneración para producir energía tanto
eléctrica como térmica. Además, tras
una purificación del biogás se puede
lograr obtener biometano, un gas
con las mismas propiedades y aplicaciones que el gas natural que incluso puede ser utilizado como combustible para vehículos o en cocina.
Dentro de los tratamientos físicos
cabe destacar la separación sólido-líquido, la cual tiene como principal
ventaja la reducción de volumen del
residuo, con el consiguiente ahorro en
el coste de transporte del mismo y los
tratamientos térmicos, los cuales incluyen los procesos de combustión,
pirólisis, gasificación y licuefacción
con los que además de resolver el problema de olores, se reduce volumen
de residuo, se recuperan nutrientes y
se produce energía. El principal problema de los tratamientos térmicos es
su elevado consumo de energía, por
el que en este tipo de sistemas es fundamental el disponer de un adecuado
sistema de recuperación de calor.
Los tratamientos químicos más utilizados con este tipo de residuos orgánicos comprenden procesos de coagulación, precipitación, desinfección,
oxidación, neutralización e intercambio iónico, procesos que en conjunción con los procesos físicos descritos
anteriormente permiten eliminar y recuperar del residuo nitrógeno, fósforo
y metales pesados, en caso de que
estuvieran presentes.
RESIDUOS BIOMÁSICOS
Se entiende por biomasa (Figura 5)
cualquier tipo de materia orgánica cuyo origen inmediato sea un proceso
biológico excluyendo aquellos que han
sido englobados en formaciones geológicas sufriendo un proceso de mineralización (IDAE, 2012). De acuerdo
con su procedencia se pueden establecer los siguientes subsectores:
• Forestal: sector productor de bio-
Proyecto REVAWASTE
masa generada en tratamientos y
aprovechamientos de las masas vegetales. Vinculado directamente con
el sector forestal y sus actividades en
los montes.
• Agrícolas: sector productor de
biomasa generada en las labores de
cultivos agrícolas, leñosos y herbáceos, tanto en las labores de poda
de árboles como en la cosecha y actividades de recogida de productos
finales. Vinculado directamente con
el sector agrícola y sus actividades.
• Industrial forestal y agrícola: sector productor de biomasa a partir de
los productos, subproductos y residuos generados en las actividades
industriales forestales y agrícolas.
• Cultivos energéticos: sector productor de biomasa a partir de cultivos
y/o aprovechamientos (árbol completo) de especies vegetales destinados
específicamente a la producción para uso energético. Vinculado tanto
con el sector forestal como con el
sector agrícola.
La energía producida mediante
biomasa puede utilizarse para calefacción y producción de agua caliente en el sector doméstico, calor para
procesos industriales y generación
de electricidad. El uso de la biomasa
como recurso energético supone distintas ventajas medioambientales,
entre las que figuran:
• Disminución de las emisiones de
azufre y de partículas.
• Emisiones reducidas de conta-
14
minantes como CO, hidrocarburos y
NOx.
• Ciclo neutro de CO2, sin contribución al efecto invernadero.
• Reducción del mantenimiento y
de peligros derivados del escape de
gases tóxicos y combustibles en las
casas.
• Reducción de riesgos de incendios
forestales y de plagas de insectos.
Aprovechamiento de residuos
agrícolas, evitando su quema en el
terreno.
• Posibilidad de utilización de tierras
de barbecho con cultivos energéticos.
• Independencia de las fluctuaciones de los precios de los combustibles provenientes del exterior (no
son combustibles importados).
• Mejora socioeconómica de las
áreas rurales.
En la Unión Europea, cinco países
aportan el 56,7 % de la energía primaria producida con biomasa, Francia,
Suecia, Alemania, Finlandia y Polonia. Los principales consumidores de
biomasa (consumo per cápita) son los
países nórdicos y bálticos, junto con
Austria, y encabezados por Finlandia.
Merece la pena destacar que las
aplicaciones para calefacción y agua
Marzo - Abril 2014
caliente abastecidas con pelets son
una práctica habitual en muchos países europeos. En algunos de ellos,
el crecimiento en la instalación de
calderas de biomasa ha sido muy
significativo desde el año 2004. Por
otro lado, la producción eléctrica con
biomasa se sitúa en torno a los 60
TWh en la UE27, lo que supone alrededor del 2% de la producción de
eléctrica europea.
En España la mayor parte de la biomasa proviene del sector forestal, y ha
sido utilizada tradicionalmente en el
sector doméstico mediante sistemas
poco eficientes (uso de leñas), aunque
también son utilizadas las calderas de
biomasas forestales. Los últimos años
han supuesto en este país una época
de transición y de sentar las bases para impulsar el despegue del sector de
la biomasa. Sin embargo, en este período han sido mayores las expectativas
de desarrollo que los resultados alcanzados. Las plantas de producción eléctrica que existen en España son escasas y la mayor parte de la potencia
instalada procede de instalaciones de
industrias que tienen asegurado el
combustible con su propia producción
(industria papelera e industrias forestales y agroalimentarias).
Proyecto REVAWASTE
Los procesos termoquímicos de valorización de la biomasa son aquellos
en los que ésta es transformada mediante diferentes procesos de oxidación, bajo ciertas condiciones de temperatura y presión, que permiten
obtener combustibles en estado sólido,
líquido o gaseoso a partir de la biomasa. Si el proceso se realiza en exceso
de oxígeno se conoce como combustión, en ausencia parcial de oxígeno se
conoce como gasificación y si el proceso se lleva a cabo sin presencia de oxígeno, se denomina pirólisis.
Combustión: la combustión es la
forma más directa de aprovechamiento energético de la biomasa. Se
genera calor como producto principal
que puede emplearse directamente
(fines domésticos: cocción, calefacción; fines industriales: calor de procesos, generación de energía eléctrica o mecánica, etc.) o utilizarse para
generar energía eléctrica mediante
un ciclo de vapor convencional. La
biomasa lignocelulósica con un bajo
contenido en humedad es la más
apropiada para la aplicación de la
combustión con fines energéticos.
Gasificación: la gasificación consiste en un proceso de oxidación parcial
a elevada temperatura (entre 800 y
1.500 ºC) mediante el cual la biomasa
reacciona con cantidades limitadas de
agente gasificante originando un producto gaseoso formado por diferentes
proporciones de los siguientes gases:
CO, H2, CO2, CH4 y N2. La composición química de la materia prima influye en la composición del producto gaseoso. Por norma general, es
recomendable que la biomasa empleada tenga una relación C/N elevada,
un bajo contenido en azufre y un contenido en humedad inferior al 40%.
Pirólisis: la pirólisis es un proceso
de descomposición térmica de la bio-
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Proyecto REVAWASTE
masa en ausencia de oxígeno en líquidos, gases y carbón vegetal, mediante
oxidación parcial y controlada. Las
cantidades de los diferentes productos
dependen de la biomasa a tratar y de
los parámetros de operación del equipo. Tiempos de residencia largos y bajas temperaturas (300-500 ºC) favorecen la formación de carbón vegetal
por torrefacción (Figura 6). Los productos obtenidos en el proceso de pirólisis son el carbón vegetal (biochar),
que puede emplearse directamente
como combustible o bien destinarse a
la producción de carbón activo o como
enmienda para el suelo; el gas, compuesto por H2, CO e hidrocarburos
gaseosos, mezclados con gran cantidad de CO2; y el bio-oil, líquido complejo que se forma por condensación
de los vapores de pirólisis y que se
puede utilizar como combustible.
Tabla 2. Principales tecnologías termoquímicas de descomposición de biomasa
Tecnología
Temperatura (ºC)
Presión (MPa)
Productos
Combustión
600-1.300
0,1
Calor y vapor
Gasificación
800-1.500
0,1
Carbón vegetal (biochar)
300-500
Pirólisis
0,1
Gas pobre (lenta)
Gas rico (rápida)
Bio-oil
Licuefacción
250-450
27
Combustibles líquidos
Figura 6. Sistema de pirólisis-torrefacción (Fuente: INFINITVE)
Licuefacción: en este proceso la
biomasa se hace reaccionar con vapor y CO (o H2 y CO) a temperaturas
de 250 °C a 450 °C y presiones de
alrededor de 27 MPa. El producto de
reacción es una mezcla de hidrocarburos que al enfriarse se condensan
en un líquido. En un principio cualquier tipo de biomasa (sin restricciones en cuanto a su humedad) es apta para la aplicación de este proceso
de transformación.
Figura 7. Flujo de residuos en el modelo de “Planta Mixta”
En la Tabla 2 se muestra un resumen de las tecnologías termoquímicas de descomposición de biomasa
antes citadas.
VALORIZACIÓN CONJUNTA
DE RESIDUOS Y
APROVECHAMIENTO DE
SINERGIAS: PROYECTO
REVAWASTE
Todos los residuos citados necesitan un procesamiento para su valorización. Un proceso muy interesante
16
Gas pobre (aire)
Gas síntesis (oxígeno)
Marzo - Abril 2014
Proyecto REVAWASTE
Figura 8. Modelo de “Planta Mixta” con integración de línea de tratamiento termoquímico y biológico (Fuente: INFINITVE)
es el planteado en el marco del proyecto LIFE REVAWASTE, donde se
propone el desarrollo tecnológico del
concepto de “Planta Mixta”, que se
basa en el tratamiento y valorización
de residuos ganaderos, industriales
(plásticos y agro-alimentarios), biomásicos y la fracción no reciclable de
los residuos urbanos en la misma instalación. Para la valorización de los
residuos se ha propuesto la integración de un sistema de digestión anaerobia mediante el cual se transforman
los residuos orgánicos fácilmente biodegradables en biogás, y un sistema
de tratamiento termoquímico del resto
de residuos mediante pirólisis a baja
temperatura (Figuras 7, 8). El biogás
producido junto con el syngas del proceso de pirólisis se utilizan como
combustibles en un motor de cogeneración alternativo adaptado, generando energía eléctrica y térmica (coge-
neración) que será empleada en el
proceso global, haciendo que este necesite un menor aporte energético.
Además, para completar el ciclo cerrado con el mínimo impacto ambiental, se incluye la valorización de los residuos generados en el proceso de
digestión y pirólisis como productos
de alto valor añadido amigables con
el medio ambiente. Dichos productos
son: fertilizantes de liberación lenta,
bio-hidrocarburos de segunda generación y pelets de carbón. El aprovechamiento de estos subproductos y
su uso directo va, además, a permitir
preservar otros recursos naturales. Finalmente, se buscará la reutilización
del agua/fracción líquida generada en
el proceso para consumos viables en
la planta y sus alrededores (limpieza
de granjas, riego de cultivos, etc.).
Marzo - Abril 2014
Agradecimentos
Los autores quieren agradecer la financiación
de este trabajo al Programa LIFE+ de la Comisión Europea (proyecto “REVAWASTE”, con expediente LIFE12 ENV/ES/000727) y a D. Tomás
Quintanilla de la empresa FOSIMPE (www.fosimpe.com), participante en el proyecto.
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