Nutrient recovery and improvement of anaerobic digestion process by low grade magnesium oxide ...

285 Pages·2016·8.49 MB·English

Nutrient recovery and improvement of anaerobic
digestion process by low grade
magnesium oxide application

Maycoll Stiven Romero Güiza

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Programa de Ingeniería y tecnologías avanzadas
Línea – Biotecnología Ambiental
Tesis Doctoral

Nutrient recovery and improvement of anaerobic
digestion process by low grade magnesium oxide
application

Maycoll Stiven Romero Güiza

Dirigida y revisada por:

Dr. Joan Mata-Álvarez
(Departamento de ingeniería química - Universidad de Barcelona)

Dr. Josep María Chimenos
(Departamento de ciencia de materiales e ingeniería metalúrgica - Universidad de
Barcelona)

Barcelona 2015

Index

Introducción general 1

Objectives 31

CHAPTER 1. Nutrients recovery 37

1.1 Nutrients recovery from anaerobic digestion systems: An overview 39

1.2 Reagent use efficiency with removal of nitrogen from pig slurry via 67
struvite: A study on magnesium oxide and related by-products

CHAPTER 2. Coupling anaerobic digestion and struvite precipitation 97

2.1 The role of additives on anaerobic digestion: a review 99

2.2 Feasibility of coupling anaerobic digestion and struvite precipitation in 145
the same reactor: evaluation of different magnesium sources

2.3 Improving Anaerobic Digestion of Pig Manure by Adding in the Same 171
Reactor a Stabilizing Agent Formulated with Low-Grade Magnesium
Oxide

General Conclusions 201

Resumen 207

Annexes

Annex 1. Abbreviations i
Annex 2. List of Publications iii
Annex 3. Published papers iv

INTRODUCCIÓN GENERAL

Problemática de los purines de cerdo
La actividad agrícola ha sido tradicionalmente una actividad familiar que ha
combinado la explotación de cultivos y la ganadería, donde las deyecciones ganaderas
eran utilizadas como fertilizantes. Sin embargo, a finales del siglo XX las exigencias del
mercado, el desarrollo de material genético y equipo agrícola y la disponibilidad de pienso
animal barato causo la especialización de los agricultores y ganaderos. En consecuencia,
el número de granjas y el número de animales en ellas aumentó considerablemente dando
lugar a la ganadería intensiva. En este sentido, la producción porcina en los países de la
UE-27, se ha incrementado de manera importante las últimas dos décadas, alcanzando,
en 2006, las 22 millones de toneladas de carne [1]; que generaron casi 300 millones de
toneladas de purines de cerdo (ver Tabla 1.1). Consecuentemente, la cantidad de purines
es excedentaria en muchas regiones, donde las explotaciones ganaderas se han
desvinculado de las agrícolas, de modo que no se dispone de terrenos de cultivo suficiente
para reutilizar las deyecciones ganaderas como fertilizante; es decir, se ha superado la
capacidad de aceptación del medio [2].
De manera ilustrativa la Figura 1.1 muestra el proceso de digestión de los
alimentos por parte de los cerdos, en esta se observa que en el proceso los cerdos no
metabolizan todos los nutrientes, de modo que una parte muy significativa se excreta en
las deyecciones [1]. Las características físicas del purín de cerdo, así como su
composición, presentan variaciones importantes en función de la especie de producción,
el tipo de explotación, el tipo de alimentación y el grado de dilución de las deyecciones
en agua [4]. Por otro lado, la problemática ambiental ocasionada por su acumulación y/o
mala gestión se debe a las siguientes propiedades de los purines de cerdo: (i) alto
contenido de materia orgánica, (ii) alto contenido de nitrógeno, (iii) generación de gases
contaminantes y (iv) presencia de metales pesados [5].
3
Tabla 1.1 Cantidad estimada de estiércol animal producida en EU-
27 (adaptada de Holm-Nielsen y col. [3]).
Cerdos Ganadería Purín
País
(1000 Cabezas) (1000 granjas) (106 toneladas)
Austria 3,125 261 6
Bélgica 6,332 529 12
R. Checa 2,877 240 5
Dinamarca 13,466 1124 25
Francia 15,020 1254 28
Alemania 26,858 2242 49
Grecia 1,000 83 2
Hungría 4,059 339 7
Irlanda 1,758 147 3
Italia 9,272 774 17
Holanda 11,153 931 20
Polonia 18,112 1512 33
Portugal 2,348 196 4
Rumania 6,589 550 12
Eslovaquia 1,300 109 2
España 25,250 2107 46
suiza 1,823 152 3
Reino
4,851 405 9
Unido
Otros 5,337 458 12
UE-27 160,53 13,399 295

Figure 1.1 Consumo, utilización y pérdidas de proteínas en la producción de cerdo
con peso vivo final de 108 kg [6].

4
La Tabla 1.2 muestra los principales efectos que pueden originarse y deben tenerse
en consideración en relación con la actividad ganadera intensiva. En este sentido, la gran
problemática ambiental generada por la producción y acumulación de purines de cerdo
ha hecho desarrollar múltiples tecnologías para reducir el impacto ambiental de estos [7–
9]. La idoneidad de un determinado proceso de tratamiento dependerá de la zona
geográfica, la legislación vigente, la aceptación social, la calidad del producto obtenido y
los costes económicos asociados [10]. En todos los casos, el objetivo principal es
aumentar la capacidad de gestión y tratamiento de residuos.
Tabla 1.2 Contaminación originada por exceso de purines (adaptada de Danés y col. [2]).
Causa Consecuencia
 Abono de campos en  Eutrofización
Contaminación épocas no óptimas para  Enfermedades como la
del medio los cultivos metahemoglobina o mal azúcar.
acuático  Lixiviación  Cáncer de estómago por nitratos
 Vertidos incontrolados presentes en las aguas.
 Desequilibrio por acumulación de
 Vertidos incontrolados
nutrientes (N,P) y/o metales
en exceso
pesados.
Contaminación  Disminución de la producción
del suelo agrícola.
 Fitotoxicidad.
 Perdida de nutrientes por
evaporación o filtración.
 Evaporación de NH ,
3  Malos Olores.
Contaminación NO , H S, COVs*.
x 2
del aire  Lluvia ácida.

 Efecto invernadero.
*COVs : compuestos orgánicos Volátiles.
Las características básicas de las tecnologías más utilizadas y/o investigadas para
tratar los purines se resumen en la Tabla 1.3. Siempre teniendo en cuenta que la elevada
cantidad de agua del purín, y los efectos que esta tiene en el incremento de los costes de
transporte, obligan a que la planta de tratamiento deba situarse cerca del punto de
generación.
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