valorización energética del estiércol: dos casos

VALORIZACIÓN ENERGÉTICA DEL ESTIÉRCOL: DOS CASOS
PRÁCTICOS DE PLANTAS DE DIGESTIÓN ANAEROBIA CON GESTIÓN
CENTRALIZADA
Eva Herrero Mallén1, Marta Teresa Fernández1, Berta Bescós Roy1, Marta López de
Torres1
SARGA, Departamento de Proyectos Estratégicos, Avda. César Augusto 14, 5ª planta, E-50004
Zaragoza, España, Teléfono (+34) 976070000, Fax (+34) 976070004, [email protected]
Resumen: Dentro del proyecto LIFE+ MANEV (www.lifemanev.eu), cuyo objetivo es la mejora de la
protección del medio ambiente así como la sostenibilidad de la ganadería potenciando el uso de tecnologías
de tratamiento, se analizan dos sistemas de gestión de estiércol centralizados en los que se lleva a cabo
una valorización energética a gran escala.
1. Planta de digestión anaerobia de purín porcino en Almazán (Soria). La instalación explotada por la
empresa PURINES ALMAZÁN, S.L. gestiona de forma centralizada el purín transportado por camión y
procedente de parte de las granjas de porcino de la zona. El proceso consiste en una digestión anaerobia
del estiércol para la posterior valorización energética del biogás en un motor de cogeneración de 250 kW y
la aplicación agrícola del digerido como fertilizante orgánico.
2. Planta de co-digestión anaerobia de estiércol y residuos de la industria agroalimentaria en Caparroso
(Navarra). La instalación, explotada por la empresa HTN.Biogas, S.L., gestiona el purín procedente de la
Granja Valle de Odieta de 3.000 vacas lecheras que se transporta hasta la planta por tubería. Al proceso
también se alimenta gallinaza y otros sustratos procedentes de la industria agroalimentaria de la zona.
Palabras clave: Biogás, purín, digerido, valorización agrícola, energía renovable.
1. Introducción
En zonas de elevada concentración ganadera, la inadecuada gestión del estiércol puede
deteriorar la calidad de agua, aire y suelo y en consecuencia afectar a la salud humana y animal.
Otras afecciones como los malos olores pueden incidir en sectores socio-económicos como el
turismo. Existe una amplia variedad de tecnologías para la mejora de esta gestión, atendiendo a
aspectos medioambientales y a la sostenibilidad del sector económico ganadero. Las
circunstancias locales determinan el objetivo a perseguir con el tratamiento y la idoneidad de cada
tecnología.
El aprovechamiento del biogás como fuente de energía renovable es una práctica extendida en
Europa. El 66,5% de la producción primaria de biogás en la UE procede de sustratos del sector
agro-ganadero y RSUs (EurOBservER, 2013).
El biogás es una fuente de energía renovable versátil que puede ser almacenada y es
independiente de la localización geográfica o la estacionalidad. Algunas de las principales
ventajas de esta tecnología son (Flotats y Sarquella, 2008; Martínez y col., 2009):
- La reducción de emisiones de GEI incontroladas en la gestión tradicional de los purines.
- Estabilización de la materia orgánica y mejora de la calidad agronómica del purín.
- La sustitución de fertilizantes minerales por el digerido, eliminando el consumo de energía no
renovable derivada de su producción.
- La reducción e inactivación significativa de los patógenos.
- La reducción de los componentes químicos que generan los malos olores.
No obstante, el uso de esta tecnología está condicionado por el marco legislativo local que
afecta a los sustratos, a las instalaciones y sus actividades y a los productos que se obtienen
(biogás y digerido), así como por la disponibilidad de superficie agrícola para llevar a cabo una
correcta valorización agronómica. En zonas con insuficientes parcelas de cultivo, es necesaria la
implementación de procesos de tratamiento que reduzcan la carga de nutrientes. En estos casos,
la producción de biogás permite reducir los costes de operación de estas tecnologías mejorando su
balance energético y económico.
La empresa SARGA, dentro del marco del proyecto LIFE + MANEV, evalúa el uso de la
digestión anaerobia en dos instalaciones reales a gran escala, integradas en sistemas
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centralizados de gestión de estiércol. Este modelo combina una valorización energética de
residuos orgánicos y la posterior valorización agrícola del digerido como fertilizante orgánico.
El objetivo perseguido es analizar la eficiencia de estas dos instalaciones a escala real
condicionadas a las características particulares de dos escenarios concretos.
1.1. Planta de digestión anaerobia de purín porcino en Almazán (Soria)
La línea de proceso (Figura 1) consta de:
1. Recepción + mezcla: Dos tanques de recepción donde el purín, transportado por camiones
hasta la planta, se mezcla y homogeneiza.
2. Biodigestión: El biogás se genera en un digestor y un post-digestor en serie, aislados
térmicamente a 38 ºC, donde el purín permanece en ausencia de O2 aprox. 36 días entre ambos
depósitos. Se almacena en un gasómetro externo para su posterior aprovechamiento energético.
3. Uso del biogás: En un motor de cogeneración de 250 kW se produce electricidad, que
abastece las demandas de la instalación y cuyo excedente se vierte a red, y calor que se
aprovecha para elevar la temperatura de la alimentación al digestor. Se dispone de una estación
con antorcha para el quemado de biogás como medida de seguridad.
4. Almacenamiento del digerido y aplicación agrícola: El digerido se almacena en una balsa
antes de su uso como fertilizante orgánico en los campos de cultivo de la zona.
Figura 1. Línea de proceso de la planta de Almazán (Soria).
1.2. Planta de digestión anaerobia de estiércol y residuos de la industria agroalimentaria en
Caparroso (Navarra)
La línea de proceso (Figura 2) consta de:
1. Recepción + mezcla: El purín, transportado por tubería, y los cosustratos, transportados por
camión, se homogeneizan y trituran en dos depósitos circulares soterrados de hormigón armado.
Figura 2. Línea de proceso de la planta de Caparroso (Navarra).
2. Biodigesión: La mezcla se pasteuriza durante una hora a 70 ºC eliminando así tanto
bacterias como semillas. La temperatura de pasteurización se alcanza en dos intercambiadores de
calor en serie. El primero de ellos aprovecha el calor excedente de la biomasa que sale de la
pasteurización, y el segundo aprovecha el sistema de refrigeración interna del motor de
cogeneración. A continuación dos líneas de digestión anaerobia, formadas por un digestor y un
post-digestor, aislados térmicamente a 41 ºC, trabajan en paralelo y en ausencia de O2 con
tiempos de retención de aprox. 63 días. El sistema de agitación vertical de los digestores
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homogeneiza el líquido y facilita la salida del biogás. Se dispone de una antorcha para la quema
de biogás en caso de avería.
3. Unidad de cogeneración: Dos motores, de 2 MW cada uno, generan calor y electricidad a
partir de biogás tras su desulfuración en un biofiltro. En la actualidad está autorizada la
evacuación de 2,9 MW.
4. Separación de fases: El digerido se separa en un decantador-centrífuga, añadiendo
polielectrolito, en una fracción sólida y una líquida.
5. Aplicación agrícola: Las fracciones de digerido generadas en la separación se utilizan como
fertilizante orgánico en una superficie agrícola de aprox. 6.000 has.
2. Resultados
El seguimiento de las plantas de tratamiento se lleva a cabo siguiendo un protocolo común de
monitorización elaborado y acordado entre los socios del proyecto y que cubre como mínimo un
año natural de operación. La evaluación se realiza a partir de la información recogida por dos vías:
Registros diarios manuales y/o automáticos de los principales parámetros de la línea de
proceso en puntos clave: caudales diarios de purín, cosustratos y biogás, temperaturas, entre
otros.
Campañas de muestreo mensuales en las que se toman muestras representativas a la
entrada y la salida de las principales unidades de proceso y se analizan posteriormente en un
laboratorio externo cualificado.
La principal información obtenida en el seguimiento de las líneas de proceso se muestra en las
Tablas 1-4.
Tabla 1. Cuadro resumen de los principales datos de gestión de las plantas de tratamiento.
Almazán
Purín de cerdo
36
38
250
1.500
11,4
65,4
2,16
70,3
Digerido
Estiércol
Co-sustratos
Tiempo de residencia (digestor + postdigestor) (días)
Temperatura de la digestión anaerobia (ºC)
Potencia de la unidad de cogeneración (kW)
3
Producción media de biogás (m /día)
3
3
Producción media de biogás (m biogas/m alimentado)
Composición media del biogás (% CH4)
3
Producción media de energía eléctrica (kWh/m biogás)
3
Producción media de energía eléctrica (kWh/m alimentado)
Productos finales
Caparroso
Purín de vaca y gallinaza
Residuos agroalimentarios
63
41
2.900
28.200
44,1
59,6
2,10
92,79
Digerido: Sólido + Líquido
Tabla 2. Composición del purín y digerido de la planta de Almazán (Soria).
Nº muestras
MS (%)
NT (Kg N/m3)
NA (Kg N/m3)
PT (Kg P2O5/m3)
K (Kg K2O/m3)
SV (%)
pH
E. coli (ufc/ml)
Salmonella (ufc/ml)
Purín
11
2,9 ± 1,9
3,5 ± 0,9
2,8 ± 0,8
0,9 ± 0,5
Digerido
11
2,1 ± 1,1
3,6 ± 0,7
3,0 ± 0,9
0,7 ± 0,7
2,2 ± 0,6
2,2 ± 0,3
65,9 ± 4,7
7,4 ± 0,3
>300x10
Presencia/Ausencia
57,4 ± 9,1
7,9 ± 0,2
< 1.000
Ausencia
MS: materia seca; NT: nitrógeno total Kjeldahl; NA: nitrógeno amoniacal, PT: fósforo total; K: potasio; SV: sólidos volátiles.
Tabla 3. Eficiencias del decantador-centrífuga de Caparroso (Navarra).
MS
N
P
K
Eficiencia de separación (%)
41 ± 10
12 ± 6
44 ± 9
7±4
Mínimo
27
2
28
1
Máxima
53
21
56
11
MS: materia seca; NT: nitrógeno total Kjeldahl; PT: fósforo total; K: potasio
*Eficiencia de separación (Base másica)= [Digerido – Fracción líquida]/Digerido] x 100.
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Tabla 4. Composición de los principales puntos de muestreo en la línea de proceso de la planta de
Caparroso (Navarra).
n
MS (%)
NT (Kg N/m3)
(% - N)
NA (Kg N/m3)
(%- N)
PT (Kg P2O5/m3)
(% - P2O5)
K (Kg K2O/m3)
(% K2O)
SV (%)
Purín
Mezcla
Pasteurizado
Digerido
15
7,9±2,9
2.8±1.2
1.9±0.7
1,6±2,5
17
8,3±1,0
3.9±1.5
2,6±0.8
2.0±1.8
17
8,1±1,2
4.1±1.4
2,5±0.9
1.9±1.7
16
4,6±1,1
4.0±0.9
3,1±0.9
1,6±1.4
Fracción
líquida
16
3,2±0,4
3.9±0.9
3.2±0.7
1.4±2.0
Fracción
sólida
17
31,5±4,4
1.1±1.1
0.3±0.1
-
-
-
-
-
-
1.5±2.4
2.2±0.5
66.9±13.3
2.2±0.5
76.4±3.6
2.3±0.5
76.7±3.4
2.3±0.6
60.9±5,8
2.3±0.5
59.8±7.0
0.3±0.2
66.3±10.5
n: nº muestras; MS: materia seca; NT: nitrógeno total Kjeldahl; NA: nitrógeno amoniacal, PT: fósforo total; K: potasio; SV: sólidos
volátiles.
3. Conclusiones
En las dos plantas la concentración de macronutrientes permanece prácticamente constante
a lo largo de toda la línea de proceso. La superficie agrícola necesaria para su gestión como
fertilizante es la misma que inicialmente.
El nitrógeno orgánico se mineraliza aumentando la relación NA/NT un 14% en el caso de la
codigestión y un 4% en el caso del purín de cerdo. Es mayor el aumento cuanto mayor es el
porcentaje de nitrógeno orgánico alimentado a la planta y el tiempo de retención.
La planta de codigestión trabaja con tiempos de retención próximos a los 63 días en los que
los sólidos volátiles se reducen aproximadamente un 21%. La producción de biogás media es de
44,1 m3 biogás/m3 alimentado y su riqueza en metano es del 59,6%.
La planta que trabaja sólo con purín de cerdo utiliza tiempos de retención menores, aprox. 36
días, y la reducción de sólidos volátiles es de aproximadamente el 13%, produciendo 11,4 m3
biogás/m3 alimentado, con un contenido en metano del 65,4%.
Se observa que en el proceso de codigestión el biogás generado es cuatro veces superior por
m3 alimentado, sin embargo la riqueza del mismo en metano es un 6% inferior.
El decantador-centrífuga de la planta de Caparroso separa el 6% de la materia de entrada
concentrando aprox. el 41% de la materia seca y el 44% del fósforo.
4. Bibliografía
Flotats, X., Sarquella, L., 2008. Producció de biogàs per codigestió anaeròbia. Collecció Quadern Pràctic
Número 1. Generalitat de Catalunya. Institut Català d’Energia.
Martínez, J., Dabert, P., Barrington, S., Burton, C., 2009. Livestock waste treatment systems for
environmental quality, food safety and sustainability. Bioresource Technol. 100, 5527-5536.
EuroObserv’ER, 2013. European Union Biogas Barometer. The state of renewable energies in Europe.
th
Edition 2013. 13 EurObserv’ER Report.
Agradecimientos. Los autores de este artículo quieren agradecer a las empresas Purines Almazán S.L. y
HTN.Biogas S.L. por su colaboración en el desarrollo del proyecto LIFE + MANEV y el haber permitido y
facilitado los trabajos de monitorización realizados en sus instalaciones. Este trabajo ha sido financiado por
la Unión Europea a través del Proyecto LIFE + MANEV (LIFE09 ENV/ES000453) “Evaluación de la gestión y
tecnologías de tratamiento del estiércol para la protección medioambiental y la sostenibilidad de la
ganadería en Europa”.
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