Ana Mª Caballero Lajarín

296 Pages·2012·39.1 MB·Spanish

Universidad Politécnica de Cartagena

Departamento de Ciencia y Tecnología Agraria

Sistema de depuración de aguas residuales
de origen ganadero. Humedales artificiales.

Ana Mª Caballero Lajarín

2013
Universidad Politécnica de Cartagena Grupo de Investigación Gestión,
Departamento de Ciencia y Aprovechamiento y Recuperación de
Tecnología Agraria Suelos y Aguas

Tesis doctoral

Sistema de depuración de aguas residuales
de origen ganadero. Humedales artificiales.

Presentada por:

Ana Mª Caballero Lajarín

Director:
Dr. Ángel Faz Cano

Codirector:
Dr. Raúl Zornoza Belmonte

2013

Agradecimientos
Quiero aprovechar esta ocasión para dirigir mi gratitud a las muchas personas
que me han ofrecido su ayuda y apoyo para la presentación de esta tesis.
A mi director de Tesis, el Dr. Ángel Faz Cano, por haber depositado su
confianza en mí y ofrecerme la oportunidad de realizar de este trabajo. ¡Gracias por
proporcionarme las condiciones para aprender!
Al Ilustrísimo D. Juan Bautista Lobera Lössel, por ser uno de los pilares en el
desarrollo de esta investigación, por su saber hacer y constancia digno de admiración.
¡Gracias por permitirme aprender de ti!
A mi codirector de Tesis Dr. Raúl Zornoza Belmonte, por ese don y capacidad
de explicar las cosas difíciles y hacerlas fáciles, de forma cercana, humilde y con
sentido del humor. ¡Gracias por aceptar ayudarme!
A la colaboración de mis compañeros de GARSA-UPCT Gerson Ramos Da
Silva y Pablo Sánchez García en la puesta en marcha de los tratamientos en campo y
toma de muestras. ¡Gracias por soportar junto con Juan Lobera y conmigo algunos
días de calor, frío y viento, porque se hizo más ameno!
Al Dr. Alfredo Palop Gómez por enseñarme a realizar los análisis
microbiológicos. A Francisco José Cifre Crespo por su colaboración en la realización
de análisis microbiológicos de parte del conjunto de muestras, sirviendo para la
presentación de su proyecto fin de carrera. Al Dr. Francisco Javier Gilabert Cervera y
Sara Domínguez Oliver por su colaboración en el estudio de algas. A nuestro
proveedor de reactivos y equipos de GARSA-UPCT, ¡Gracias Enrique por tu plena
disposición y eficacia en tu trabajo!
De forma muy especial, quiero agradecer el apoyo recibido a lo largo de 6 años
(2005-2011) de todos mis compañeros GARSA: Dr. Ángeles Muñoz García, Dr.
Andrea Zanuzzi Gotta, Dr. Jose Alberto Acosta Avilés, Dr. Silvia Martínez Martínez, Dr.
Dora Mª Carmona Garcés, Dr. Ana Belén Olivares Martínez, Nuria Montiel Guardiola,
Vicente Climent, Melisa Gómez Garrido, Jennifer Moreno Cornejo, Tania Terán Mita,
Lola Estévez Rodríguez, Asuman Büyükkiliç Yanardag, Ibrahim Halil Yanardag, Sebla
Kabas, Rosa Mª Rosales Aranda y Rafael Gallardo Quiles. En esta experiencia he
conseguido buenos amigos.
Finalmente, quiero agradecer enormemente el apoyo que he tenido desde mi
niñez de mis padres Ginés y Asunción, que con su esfuerzo me han dado la
oportunidad de desarrollarme como persona. Y como no, de mis hermanos Juanjo,
Mamen y Asun.
A mi marido Joaquín, por comprender y apoyar mis ilusiones y metas.
¡Gracias a todos!
Esta tesis se ha ejecutado en el marco de dos proyectos:

“Depuración de efluentes porcinos con macrófitos” financiado por la Consejería
de Agricultura y Agua de la Región de Murcia. Dirección General de Modernización de
Explotaciones y Capacitación Agraria. (Referencia: CAyA 14_08). Investigador
Principal: Ilmo. Juan Bautista Lobera Lössel.

“Biodepuración de purines de cerdo en humedales artificiales para su
reutilización” financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación. Dirección General
de Investigación y Gestión del Plan Nacional de I+D+i. (Referencia: CTM 2007-65888).
Investigador Principal: Dr. Ángel Faz Cano.

La producción científica aportada para la presentación de esta tesis ha sido una
patente de invención con examen previo de la Oficina española de Patentes y Marcas.
Autores: Ana Mª Caballero Lajarín, Ángel Faz Cano, Juan Bautista Lobera Lössel.
Título: “Humedal artificial y uso del mismo para la fitopurificación de efluentes líquidos”.
Fecha de publicación: 26/01/2012; Número de publicación: ES 2 363 363 B2.
“Nunca consideres el estudio como una obligación, sino como una oportunidad para
penetrar en el bello y maravilloso mundo del saber”.

Albert Einstein (1879-1955).
Resumen
El sector porcino es de gran importancia a nivel nacional, destacando la Región
de Murcia como una de las mayores productoras. La producción intensiva de cerdo ha
dado lugar a la generación de grandes cantidades de purín caracterizado por su
riqueza en nutrientes como nitrógeno y fósforo entre otros. La forma más natural de
eliminación de los purines que se generan en las granjas, es la incorporación directa al
suelo agrícola, según las necesidades del cultivo y en una proporción adecuada para
evitar problemas de contaminación por eutrofización de las aguas. Por tanto, su uso
como fertilizante está limitado porque no todos los ganaderos tienen tierras de cultivo
próximas a las granjas. El alto contenido de agua en los purines encarece y dificulta su
manejo y transporte a largas distancias en busca de tierras arables.
En esta tesis se propone un tratamiento de depuración de purines de cerdo
como solución alternativa para aquellos ganaderos que no dispongan de suficientes
tierras arables próximas. Concretamente se muestran los resultados de un estudio
experimental que se llevó a cabo en el Centro Integrado de Formación y Experiencias
Agrarias (CIFEA, Lorca) durante cinco años, donde el purín bruto procedente de una
fosa subterránea de almacenamiento se sometió a la secuencia de un conjunto de
tratamientos: separador de fases, aireación-espesador de fangos, decantación,
humedales artificiales y balsa abierta de almacenamiento con microalgas. Además, se
comprobó la eficiencia del uso de diferentes sustratos (una o dos capas de grava
calcárea), el uso de diferentes densidades de plantación de Phragmites australis (0, 5
y 10 plantas/m2) y el uso de diferentes tiempos de retención hidráulica (1 semana-1
mes, 1-2 meses, 2-4 meses y >4 meses) en la remoción de contaminantes. Por último
se ha evaluado si la estacionalidad o la longevidad del sistema influyen en la eficiencia
de la depuración.
A diferencia de la mayoría de los humedales artificiales usados por otros
investigadores, estos humedales artificiales tienen la particularidad de trabajar por
lotes, no a flujo continuo, adaptándose a las características del purín y por ello el
proceso fue patentado (UPCT-IMIDA).
La fase líquida depurada mediante el conjunto de tratamientos ha mostrado un
descenso, en general, del 19% de la conductividad eléctrica, 89% de los sólidos
totales en suspensión, 100% de los sólidos sedimentables, 90% de la demanda
bioquímica de oxígeno en cinco días, 91% de la demanda química de oxígeno, 97%
del fósforo total, 96% del cobre, 92% del zinc, 89% del nitrógeno total, 87% del
nitrógeno amoniacal, 91% del nitrógeno orgánico, 21% del nitrato, 37% del bromuro,
4% del sulfato, 42% del calcio, 9% de las bacterias aerobias mesófilas, 78% de los

Caballero-Lajarín, A., 2013.
coliformes totales, 70% de los coliformes fecales, 75% de los estreptococos fecales, y
100% de Salmonella, Shigella y Escherichia coli. No obstante, se ha observado un
aumento del 36% del potencial redox, y diferentes incrementos de algunos cationes
como cloruros, sodio, potasio y magnesio. Los tratamientos de separación mecánica
eliminaron mayoritariamente los sólidos totales en suspensión, los sólidos
sedimentables, la demanda bioquímica de oxígeno en cinco días, la demanda química
de oxígeno, el fósforo total, el cobre y el zinc. En los humedales principalmente se
eliminaron sólidos totales en suspensión, sólidos sedimentables, demanda bioquímica
de oxígeno, demanda química de oxígeno, fósforo total, cobre, zinc, nitrógeno total,
nitrógeno amoniacal, nitrógeno orgánico y microorganismos patógenos. El tratamiento
de biorremediación por la acción de las microalgas, una de ellas identificada como
Scenedesmus sp, eliminó cobre, zinc, nitrógeno total, nitrógeno amoniacal y
fundamentalmente nitrato.
Los humedales artificiales con sustrato de una sola capa de grava y de mayor
densidad de plantación presentaron una mayor eficiencia de depuración. Además,
interesará trabajar a tiempos de retención de entre 1 semana y 1 mes ya que este
tiempo favorece una mayor reducción del nitrógeno total en el efluente, siendo éste el
parámetro más restrictivo por la legislación para el uso del efluente en irrigación. En
primavera se observaron las mayores eficiencias de eliminación de la mayoría de
parámetros analizados en el purín. Finalmente, estos humedales artificiales después
de 5 años de operación aún siguen funcionando eficientemente sin problemas de
obstrucción, mostrando elevadas eficiencias de eliminación en la mayoría de los
parámetros analizados.

Caballero-Lajarín, A., 2013.
Abstract
Pork production is extremely important in Spain, highlighting Murcia Region
which is one of the most important producers. The intensive pig production has
generated high amounts of pig slurry, known to contain nutrients such as nitrogen and
phosphorus among others. The natural way to treat pig slurry generated in farms is its
application on agricultural soil according to the needs of crops and in a proper rate to
avoid environmental problems such as eutrophication of water. Therefore, its use as
fertilizer is limited because not all farmers have enough area of agricultural land near
farms. Pig slurry has a high contain of water causing difficulties to manage and
transport to long distances to apply to arable soil.
In this thesis a pig slurry treatment is proposed to give an alternative solution to
those farmers who do not have enough near arable soil. Results of an experimental
study developed in The Integrated Centre of Training and Agricultural Experiences
(CIFEA, Lorca) for five years are shown. Raw pig slurry, stored in a concrete
subterranean tank, was treated by a sequential group of treatments: Fan press screw
separator, intermittent aeration process, sludge thickener with a rotor screen,
sedimentation tank, constructed wetland and open storing pond with microalgae. It was
assessed the pollutants removal efficiency of this group of treatments. In addition, it
was tested the efficiency of the use of different substrates (one or two layers of
calcareous gravel), different density of Phragmites australis (0, 5 y 10 plants/m2) and
the use of different hydraulic retention times (1 week-1 month, 1-2 months, 2-4 months
and >4 months) in contaminants removal efficiency. It was also assessed if seasonal
variation and longevity of the system affect the purification efficiency.
With purpose to adapt to characteristics of pig slurry these constructed wetlands
have worked in a particular way, by batch flow wastewater, instead of continue flow
wastewater like most researchers. Because of this fact, this process was patented.
The proposed treatments have achieved decreases in the purified liquid phase
by 19% for electrical conductivity, 89% for total suspended solids, 100% for settleable
solids, 19% for total dissolved solids, 90% for biochemical oxygen demand, 91% for
chemical oxygen demand, 97% for total phosphorus, 96% for copper, 92% for zinc,
89% for total nitrogen, 87% for ammoniacal nitrogen, 91% for organic nitrogen, 21% for
nitrate, 37% for bromide, 4% for sulphate, 42% for calcium, 9% for aerobic mesophiles,
78% for total coliforms, 70% for fecal coliforms, 75% fecal streptococcus and 100% for
Salmonella, Shigella and Escherichia coli. In addition it was observed an increase of
redox potential (36%) and different increases for chloride, sodium, potassium and
magnesium.