Codigestión anaerobia de excretas generada en una granja porcina

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SHAYLA MONTEJO OLAN*, JOSÉ RAMÓN LAINES CANEPA*, JOSÉ AURELIO SOSA OLIVIER*

CIENCIA UANL / AÑO 19, No. 79, MAYO-JUNIO 2016

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El manejo inadecuado de las excretas generadas en granjas porcícolas representa un potencial impacto potencial hacia el ambiente. Esta actividad, a mediana o gran escala, genera agua de lavado, restos de alimentos, heces y orina, con una alta carga orgánica, comúnmente evacuadas en los sistemas de drenaje, pequeños cuerpos de agua superficial o directamente en el terreno. Uno de los riesgos de enfermedades para la población es el consumo de agua contaminada con estiércol, ya que contiene bacterias patógenas como la Escherichia coli que causa diarrea y gases abdominales. (1) La disposición de las excretas en el suelo puede afectarlo por las altas concentraciones de nutrientes (nitrógeno y fósforo), microorganismos patógenos, antibióticos y compuestos como hormonas, esteroides, fitoestrógenos, plaguicidas y herbicidas. (2) El impacto por gases de efecto invernadero (GEI) se debe a la degradación anaerobia de las excretas y por las emisiones entéricas, dependiendo en gran medida de la especie pecuaria, del sistema de alimentación y del manejo del estiércol, por lo general los gases de mayor emisión son el metano (CH4), dióxido de carbono (CO2) y óxidos de nitrógeno (N2O).

La producción de cerdos a nivel mundial genera cerca de 9% de las emisiones de GEI del sector pecuario.3 En México se generan 66,708.27 t año-1 de excretas con una contribución de 18,547.36 t año-1 del sector porcino. (4) Es importante resaltar la oportunidad que estos residuos representan, ya que son una fuente de biomasa con gran potencial energético y que pueden ser aprovechados mediante procesos de conversión. La digestión anaerobia es un proceso aplicado para tratar residuos orgánicos, puede transformar considerablemente el volumen de materia orgánica inactivando los patógenos, reduciendo las emisiones de GEI y al mismo tiempo proporcionando un potencial energético (biogás) y un producto rico en nutrientes (digestato). Derivado de este proceso se han desarrollado diversas tecnologías que se han aplicado con éxito en el tratamiento de los residuos agrícolas, residuos de alimentos y lodos de aguas residuales, reduciendo la demanda química de oxígeno (DQO) y la demanda bioquímica de oxígeno (DBO). Existe una técnica que promueve el mejoramiento del proceso de digestión anaerobia, se le conoce como codigestión anaerobia. (5) Chen et al. (5) mencionan que la codigestión anaerobia adicionando otros residuos mejora la adaptación de los microorganismos a sustancias inhibidoras, mejorando significativamente la eficiencia del tratamiento de residuos. Riaño et al. (6) reportan un mayor rendimiento de metano al combinar excretas de cerdo con aguas residuales. Zhang (7) utilizó como sustrato la FORSU y como cosustrato intestino, grasas de cerdo y sangre de borrego con una proporción de 20:80 con base en los sólidos volátiles totales (SVT). Gallardo et al. (8) utilizaron reactores a escala laboratorio (volumen de mezcla de 800 ml) con proporciones de 15% de materia seca, del cual 20% es inóculo. Çinar et al. (9) utilizaron una proporción de 1:7 en la codigestión de FORSU y lodos de una planta de tratamiento. Fountoulakis et al. (10) evaluaron el potencial de producción de metano a partir de la codigestión anaerobia de una mezcla de 50% de residuos de la uva de vinificación con las aguas residuales de un matadero, obteniendo un rendimiento de 188 mL CH4 g-1 DQO. Borowski et al. (11) evaluaron la codigestión de lodos de una planta de tratamiento de aguas residuales (90%) con excremento de cerdo (10%), obteniendo un volumen de 67% de CH4 y 29% de CO2 . Chen et al. (12) reportan el uso de excretas de cerdo en la digestión anaerobia con valores de sólidos totales (ST) de 20% a 35% con una producción de 2.40 Ld-1 de biogás, alcanzando una tasa de degradación de 55.6%. El uso de sistemas de digestión anaerobia representa un tratamiento alternativo para los residuos que se generan, se obtienen productos de alto valor energético, como el biogás, y se evitan daños al ambiente. El objetivo del presente trabajo fue evaluar la codigestión de excretas de cerdo (C) con contenido gástrico ruminal vacuno (rumen) (R) y con lodos de aguas residuales (L), buscando la mejor alternativa de aprovechamiento de las excretas de las granjas mediante la producción de biogás.

METODOLOGÍA

Ubicación y distribución de la granja La granja se encuentra ubicada en la División Académica de Ciencias Agropecuarias (DACA) de la Universidad Juárez Autónoma de Tabasco (UJAT). En la tabla I se muestra cada área que la conforma y el número de animales en cada una de ella.

tabla_I_distribucion_animales_por_area

Origen del sustrato y cosustrato

El excremento de cerdo (sustrato) se recolectó en la granja porcina de la DACA de la UJAT ubicada en el municipio de Centro, Tabasco.

Cosustratos

El rumen fue recolectado en el rastro público del municipio de Cunduacán, Tabasco, y lodo de una planta de tratamiento de aguas residuales (cono Imhoff) en la comunidad de Cucuyulapa, Cunduacán, Tabasco.

Toma de muestras

Para la muestra de excremento de cerdo, rumen y lodo se tomaron muestras representativas utilizando el método de cuarteo (NMX-AA-015-1985). (13)

Determinación analítica

Cada una de las muestras representativas de sustrato y los cosustratos fueron caracterizadas analíticamente. Se determinaron porcentajes de humedad (NMX-AA-016-1984), (14) sólidos volátiles totales (NMX-AA-034-2001) y cenizas (NMX-018-AA-1984). (15-16) Todas las caracterizaciones se realizaron por triplicado.

Diseño experimental

Se instalaron nueve unidades experimentales (UE) que consistieron en botellas de reacción de cultivo biológico de un litro con la adaptación de una manguera que permitía la salida del biogás. Para la captación del biogás se utilizaron bolsas de Tedlar® de 1 L. El volumen de la mezcla fue de 800 ml, se determinó una proporción de 9:1 (agua:SVT), con base a lo reportado por Gallardo et al. (8) Para las botellas que representaban los blancos (3) se agregaron 125.62 g de ST de sustrato (10 % de SVT). Otras tres botellas contenían 122.95 g de excreta de cerdo más rumen (10% de SVT). Las últimas tres botellas contenían 184.49 g de excreta de cerdo más lodo (10% de SVT). Todas las botellas se aforaron a 800 ml (90%). Durante el experimento se agitaron las UE diariamente a una velocidad de 500 rpm durante 20 minutos. La figura 1 representa el esquema del diseño de la UE.

fig_1_unidade_experimental_we

tabla_II_1000g

Monitoreo de parámetros

El experimento se llevó a cabo durante 106 días, se monitorearon los siguientes parámetros fisicoquímicos: pH, ORP (potencial de óxido-reducción), sólidos disueltos totales (SDT) y demanda química de oxígeno (DQO), para ello se utilizó un equipo multiparamétrico marca Hanna® 9828. La caracterización del biogás se hizo a través de un equipo Dragër® modelo X-am 7000.

RESULTADOS

En la figura 2 se muestran las unidades experimentales utilizadas.

fig_2_experimentales

tabla_II_residuos

Comportamiento del pH

En la figura 3 se muestra la variación del pH para cada tratamiento.

tabla_III_comportamiento_PH

El tratamiento CL inicia con un pH neutro, el tratamiento C y CR con un pH por encima de 8 (fase hidrolítica). A partir de la tercera semana el pH de los tres tratamientos disminuyó por debajo de 7 (fase acidogénica). Al finalizar el experimento se observa que el pH se mantuvo estable en rangos aproximados a 8 (fase metanogénica). El rango de pH para generar metano se encuentra dentro de un rango estrecho entre aproximadamente 7 y 7.5, el biogás puede formarse por encima o debajo de este rango. De acuerdo con Lay et al., (17) el rango óptimo de pH para el proceso de digestión anaerobia es de 6.6 a 7.6, por lo que el pH se mantuvo en condiciones óptimas para los tres tratamientos durante el proceso.

Potencial óxido reducción (ORP)

En la figura 4 se observa el comportamiento del ORP.

fig_4_potencial_oxido

Se puede observar que en la tercera semana, en los tres tratamientos, disminuyeron los valores hasta alcanzar valores promedio de -300 mv.

Demanda química de oxígeno

El tratamiento CR obtuvo un mayor porcentaje de remoción, seguido del tratamiento CL. El tratamiento que presentó la menor remoción fue C (tabla IV).

tabla_IV_remo

La producción de biogás que se recuperó fue de 0.012 Ld-1 para C y CR, mientras que para CL fue de 0.009 Ld-1. Se observa que la producción de metano y dióxido de carbono es mayor a lo reportado por Borowski et al. (11) quienes evaluaron la codigestión de lodos de una planta de tratamiento de aguas residuales (90%) con excremento de cerdo (10%).

La tabla V muestra la composición del gas generado.

tabla_V_gas_generado

ANÁLISIS ESTADÍSTICO CH4

Se realizó un análisis de varianza a los valores obtenidos de CH4 a los tres tratamientos (figura 5).

fig_V_grafico_res

Puesto que el P = 0.3815, no existe una diferencia estadísticamente significativa entre las medias de CO2.

CO2

Se realizó un análisis de varianza a los valores obtenidos de CO2 (%) en los tres tratamientos (figura 6).

fig_6_grafico_anova

Puesto que el P = 0.1641, no existe una diferencia estadísticamente significativa entre las medias de CO2 .

H2S Se realizó un análisis de varianza a los valores obtenidos de H2S en los tres tratamientos (figura 7).

fig_7_grafico_ANOVA

Puesto que el P = 0.9350, no existe una diferencia estadísticamente significativa entre las medias de H2S.

CONCLUSIONES

No se encontraron diferencias estadísticas en los tratamientos y se pudo observar que el tratamiento CL es la mejor alternativa, presenta niveles ligeramente mayores en % CH4, niveles ligeramente bajos en % CO2 y % H2S, lo cual indica un ligero beneficio en el uso de lodos de aguas residuales como cosustrato, en la calidad del biogás generado. El uso de biodigestores anaerobios para el tratamiento de los residuos producido en una granja porcina, el contenido gástrico ruminal vacuno y lodos de una planta de agua es importante para el aprovechamiento de los subproductos que se generarían tratando adecuadamente y reduciendo el potencial foco de infección que producen estos residuos agropecuarios. El aprovechamiento de las excretas generadas en una granja porcina tienen un potencial energético importante en el aprovechamiento de la biomasa generada en zonas tropicales mediante la digestión anaerobia.

RESUMEN

La digestión anaerobia es un proceso aplicado en el tratamiento de residuos orgánicos. La codigestión anaerobia parte de una mezcla homogénea de dos o más sustratos, mejorando la adaptación de microorganismos y deficiencias nutrimentales. El objetivo del presente trabajo fue evaluar la codigestión de excretas de cerdo en combinación con el contenido gástrico ruminal vacuno y lodos de una planta de tratamiento de aguas residuales. La producción de biogás fue de 0.012 Ld-1 para C y CR. La producción para CL fue de 0.009 Ld-1 sin diferencias estadísticas en los tratamientos.

Palabras clave: Cerdo, Excretas, Metano.

ABSTRACT

Anaerobic digestion is a process used for the treatment of organic waste. Anaerobic codigestion, part of a homogeneous mixture of two or more substrates, improving the adaptation of microorganisms and nutritional deficiencies. The aim of this study was to evaluate the codigestion of pig manure with ruminal gastric content (rumen) and sludge from waste waterplant. Biogas production was 0.012 Ld-1 for C y CR. The production for CL was 0.009 Ld-1 without statistical differences in the treatments. Keywords: Pig, Manure, Methane.

 

* Universidad Juárez Autónoma de Tabasco.

Contacto: ing-jaso@hotmail.es

 

REFERENCIAS

1. LeJeune, J.T., and A.N. Wetzel (2007). Preharvest control of Escherichia coli O157 in cattle. J. Anim. Sci. 85. Pp. 73-80.

2. Powers, W. (2009). Environmental challenges ahead for the U.S. dairy industry. In: Proc. 46th Florida Dairy Production Conference, Gainsville, FL, USA. Pp. 13-24.

3. FAO (2013). Greenhouses gas emissions from pig and chicken supply chains – A global life cyle assessment.

4. Semarnat (2012). Diagnóstico básico para la gestión integral de los residuos.

5. Chen, Y., Cheng, J.J., & Creamer, K.S. (2008). Inhibition of anaerobic digestion process: a review. Bioresourcetechnology, 99 (10). Pp. 4044-4064.

6. Riaño, B., Molinuevo, B., & García-González, M. C. (2011). Potential for methane production from anaerobic co-digestion of swine manure with winery wastewater. Bioresource technology, 102(5). Pp. 4131-4136.

7. Zhang, Y., Banks, C. (2012). Co-digestion of the mechanically recovered organic fraction of municipal solid waste with slaughterhouse wastes.

8. Gallardo, A., Laines, J., Colomer, F., Miralles, T., Gómez, A. (2013). Biometanización de los rechazos procedentes del proceso de afino del compost. VSIR-REDISA.

9. Çinar, S., Onay, T., Erdinçler, A. (2004). Co-disposal alternatives of various municipal wastewater treatment-plant sludges with refuse. Advances in Environmental Research 8, 477-482 doi: 10.1016/ S1093-0191(02)00146-6.

10. Fountoulakis, M.S., & Manios, T. (2009). Enhanced methane and hydrogen production from municipal solid waste and agroindustrial by-products co-digested with crude glycerol. Bioresource technology, 100 (12). Pp 3043-3047.

11. Borowski, S., DomaD´ski, J., & Weatherley, L. (2014). Anaerobic co-digestion of swine and poultry manure with municipal sewage sludge. Waste management, 34(2). Pp. 513-521.

12. Chen, C., Zheng, D., Liu, G. J., Deng, L. W., Long, Y., & Fan, Z. H. (2015). Continuous dry fermentation of swine manure for biogas production. Waste Management, 38. Pp. 436-442.

13. NMX-015-AA-1985 (1985). Secretaría DE Desarrollo Urbano y Ecología. Protección al ambiente-contaminación del suelo–residuos sólidos municipales-muestreo-método de cuarteo.

14. NMX-016-AA-1984 (1984). Secretaría DE Desarrollo Urbano y Ecología. Protección al ambiente-contaminación del suelo-residuos sólidos municipales-determinación de humedad.

15. NMX-018-AA-1984 (1984). Secretaría DE Desarrollo Urbano y Ecología. Protección al ambiente-contaminación de suelo residuos sólidos municipales determinación de cenizas.

16. NMX-034-AA-2001 (2001). Secretaría DE Desarrollo Urbano y Ecología. Determinación de sólidos y sales disueltas en aguas naturales, residuales y residuales tratadas.

17. Lay, J., Li, Y., Noike, T., (1997). Influences of pH and moisture content on the methane production in high solids sludge digestion. WaterResearch, 31. Pp. 1518-1524.

Recibido: 10-11-15

Aceptado: 04-01-16