Impacto ambiental provocado por efluentes de instalaciones de biogás de pequeña y mediana escala

Impacto ambiental provocado por efluentes de instalaciones de biogás de pequeña y mediana escala

Environmental Impact Caused by Effluents of Biogas Factories of Small and Medium Scale

Carlos M. Martínez-Hernández^I, Yosiel Francesena-López^II, Yaser García-López^I, Nilda Rosa Martínez-Flores^III

^IUniversidad Central “Marta Abreu”de las Villas (UCLV), Santa Clara, Villa Clara, Cuba.

^IIMinisterio de la Agricultura (MINAG), Delegación provincial de Sancti Spiritus, Cuba.

^I^IICentro Provincial de Higiene y Epidemiologia. Carretera a Camajuaní No. 99. Santa Clara. Villa Clara. Cuba.

El trabajo se realizó con el objetivo de determinar las propiedades de los efluentes (digestatos) como biofertilizantes; así como la posibilidad de la descontaminación de los mismos. Los efluentes fueron tomados, en tres digestores anaerobios de cúpula fija ubicados en la región central del país. Para llevar a cabo esta investigación se determinaron los siguientes aspectos: las características físico-químicas y microbiológicas de los afluentes y efluentes, el estudio de diferentes cargas contaminantes, la utilización de filtros secundarios y terciarios (biofiltros); así como su efecto como biofertilizante, en dependencia de diferentes grados de dilución en agua (50, 75 y 90%). Como conclusiones se arriban a los siguientes criterios: la carga microbiana puede ser reducida utilizando filtros secundarios y terciarios (<1000 NMP/100 mL). El análisis de los efluentes como bioestimulantes mostró un efecto positivo cuando los mismos son diluidos en un 90% con agua (80% germinación). La remoción de DQO, mostro efectos positivos cuando se aplican filtros secundarios y terciarios (8-69,69% de remoción), sin embargo en algunos casos aun no cumple con la Norma Cubana de vertimientos (NC-27:1999).

The work was carried out with the objective of determining the properties of the effluents (digestate) as biofertilizers, as well as the possibility of their decontamination. The effluents were taken, in three anaerobic digesters of fixed dome located in the central region of Cuba. To carry out this investigation the following aspects were determined: the physical-chemical and microbiological characteristics of the influents and effluents, the study of different polluting loads , the use of secondary and tertiary filters (bio-filters), as well as their effect like biofertilizers, in dependence of different degrees of water dilution (50, 75 and 90%). As conclusions, the authors reached the following criteria: the microbial load can be reduced by using secondary and tertiary filters (<1000 NMP/100 mL). The analysis of effluents like bio-stimulants showed a positive effect when they are diluted in 90% with water (80% germination). The removal of DQO, showed positive effects when secondary and tertiary filters are applied (8 - 69, 69% of removal), however, in some cases, it does not fulfill the Cuban norm yet (NC-27:1999).

La rama porcina en Cuba comenzó a desarrollarse a un ritmo acelerado y creciente a partir de 1969 con la creación del Combinado Porcino Nacional (Figueroa et al., 1994). Según informes del MINAG, en 2009 las ventas de carne porcina al Estado por el sector cooperativo y campesino significaron el 70% de lo producido nacionalmente.

Algunos de los impactos ambientales de esta producción son: contaminación del aire, la pérdida de la biodiversidad de especies, la contaminación del agua por vertimientos directo al medio sin tratamiento adecuado hacia cuerpos receptores de cuencas de ríos, presas que son utilizadas para regadíos o el consumo.

Las emisiones al medio ambiente generadas por una granja de porcino se pueden originar en la propia granja, o bien durante el almacenamiento, tratamiento o aplicación del purín. Pueden ser emisiones directas al suelo, aguas subterráneas y superficiales, básicamente en forma de purín; o emisiones al aire, en forma de gases, olores, polvo o ruido. Las emisiones más importantes son las relacionadas con el nitrógeno (N) y el fósforo (P), que fomentan especialmente los fenómenos de: 1) eutrofización o enriquecimiento de nutrientes en el agua (el aumento de la concentración de compuestos de nitrógeno y fósforo provoca un crecimiento acelerado de las algas o las plantas acuáticas superiores, causando trastornos negativos en el equilibrio de las poblaciones biológicas presentes en el medio acuático y en la propia calidad del agua); y 2) acidificación de suelos y aguas (la reacción ácida de los distintos compuestos producen variaciones del pH que afectan al ecosistema en general) (Espejo y García, 2010).

Los procesos biológicos utilizados en su mayoría se han enfocado en la remoción de materia orgánica (digestores anaerobios, lagunas anaerobias y facultativas). Utilizando para el tratamiento de las aguas residuales porcinas en su gran parte procesos biológicos y muy poco los químicos (Escalante y Paat, 2002).

El manejo de estas aguas residuales ha sido desde tiempo atrás un problema debido a las grandes inversiones que deben de realizarse en plantas de tratamiento con el fin de depurar esta agua antes de su vertimiento a una fuente superficial. De allí ha surgido la necesidad de investigar técnicas innovadoras para el tratamiento de estos desechos, a bajos costos, como es el caso del tratamiento con plantas acuáticas (Barba, 2002). Las especies de “Jacinto de agua” (Eichhornia crassipes) y la lenteja de agua (Lemna minor) se han usado previamente para la descontaminación o reducción de los niveles de contaminantes en el agua (Arenas et al., 2011).

Una solución lógica es la de tratar los efluentes con tecnologías de tipo pasivo que necesitan muy poca intervención técnica. El proceso de biofiltración sobre medio de soporte orgánico representa una de estas soluciones (Garzón et al., 2012).

Ante la problemática expuesta en el trabajo y debido a la gran diseminación actual de instalaciones de biogás de pequeño formato a escala productiva en las provincias centrales de Cuba, y teniendo en cuenta los pocos estudios publicados sobre el uso y disposición final de los efluentes (digestatos) de estas instalaciones, se hace necesario acometer un estudio exhaustivo de esta temática.

Por todo lo antes mencionado el objeto de estudiode esta investigación se centra en los efluentes (digestatos) que salen de los digestores anaerobios de pequeña escala y de las diferentes tecnologías más utilizados en la región central de Cuba.

Determinar el grado de inocuidad de los efluentes (digestatos); asi como sus cualidades como biofertilizantes. Estudio de caso: efluentes de biodigestores que emplean tecnologías de cúpula fija.

El trabajo se realizó utilizando biodigestores de diferentes tecnologías ubicados en el sector privado de las provincias de Sancti Spíritus y Villa Clara, en el período comprendido entre los meses de noviembre 2015 y mayo del 2016.

Se realizó un diagnóstico cualitativo de los biodigestores analizados donde se tuvo en cuenta el tipo de tecnología, el sustrato de la digestión anaerobia; así como otras características observadas. (Tabla 1). Esto se realizó mediante la observación directa en el lugar y la entrevista con el operador del biodigestor y sus familiares.

Descripción de los filtros secundarios y las piscinas experimentales (biofiltro) a pequeña escala para la valoración de los efluentes

Para la construcción de los filtros secundarios se utilizaron botellas plásticas de 1500 mL de capacidad. Las mismas fueron cortadas por su parte inferior y rellenadas con un volumen de 500 cm³ de zeolita, 500 cm³ de arena lavada de construcción y 500 cm³ de gravilla de construcción. Las tapas de las botellas fueron barrenadas para permitir el drenaje de los efluentes vertidos en las diferentes variantes experimentales a evaluar. Las piscinas del biofiltro fueron construidas recortando envases plásticos de 5 galones de capacidad, dejando un volumen activo de 850 mL. Se realizaron tres filtros secundarios y cuatro piscinas (biofiltros).

Diagnostico del estado actual de biodigestores anaerobios de diferentes tecnologías instalados a pequeña escala

De cada biodigestor se tomaran muestras de los afluentes y los efluentes en frascos previamente lavados con hipoclorito de sodio al 3%. Por cada biodigestor se tomaron tres muestras biológicas. Posteriormente las muestras fueron homogenizadas por agitación y almacenadas a 4°C.

Estas muestras fueron caracterizadas según los parámetros: solidos totales, solidos volátiles, pH, demanda química de oxigeno (DQO) y Demanda biológica de oxigeno (DBO) según los (Clesceri et al., 1999). En el caso del análisis de los efluentes estos serán analizados en el filtro primario (a la salida del biodigestor) y posterior a su paso por los filtros secundario (filtro de grava, arena y zeolita) y terciario (biofiltro que utiliza la planta, lemna minor).

Características físico-químicas y microbiológicas de los afluentes y efluentes de los biodigestores objeto de estudio. Determinación del pH en los afluentes y los efluentes

Se tomaron muestras de pH a la salida de cada biodigestor y después de pasar por los filtros secundarios y terciarios, respectivamente, utilizando tomas muestras para estos efectos; asi como un pH metro, modelo 780 Metrohm, Swiss mode. Las muestras se transportaron al laboratorio para la determinación del parámetro mencionado. Se tomaron tres repeticiones del pH por biodigestor analizado en cada uno de los niveles analizados.

Determinación de la carga microbiana patógena en los afluentes y los efluentes

Se colectaron los afluentes y efluentes en pomos plásticos de 1500 mL, y se llevaron rápidamente al laboratorio de microbiología del Centro Provincial de Higiene y Epidemiologia de Santa Clara, Villa Clara, donde se determinaran coliformes totales, coliformes termo tolerantes y pseudomonas aeruginosas. En este caso se repiten los análisis posteriores a su paso por los filtros primarios, secundarios y terciarios (biofiltro), una vez estabilizada la carga y con un tiempo de residencia hidráulica igual a 21 días. Serán objeto de evaluación tres flujos o cargas diferentes de efluentes (100, 200 y 300 mL). Con los valores obtenidos se analiza si los efluentes cumplen con las normas establecidas, NC 27: 1999 y NC 1095: 2015

Calculo del crecimiento y productividad de la biomasa seleccionada lenteja de agua (Lemna minor) en el biofiltro

Para el cálculo del crecimiento y productividad de la biomasa seleccionada se utilizaron tres lagunas plásticas humectadas con 50 mL de agua destilada, en las cuales se procederá a realizar tres variantes experimentales diferentes, las cuales se describen a continuación:

1^ra variante: agregar colonias de lemna minor (9,37 g) y 100 mL de efluente porcino colectado a la salida del biodigestor, posterior a su paso por el filtro secundario;
2^da variante: agregar colonias de lemna minor (9,37 g) y 200 mL de efluente porcino colectado a la salida del biodigestor, posterior a su paso por el filtro secundario;
3^ra variante: agregar colonias de lemna minor (9,37 g) y 300 mL de efluente porcino colectado a la salida del biodigestor, posterior a su paso por el filtro secundario.
Control: agregar colonias de lemna minor (9,37 g) y 300 mL de agua común (captada de un pozo artesano).

En todas las variantes objeto de investigación, la carga contaminante inicial será diluida en la misma proporción (1:1) con agua común. Posteriormente para contrarrestar la evo transpiración natural de agua que se producirán en las piscinas plásticas, producto de la actividad fotosintética de las plantas de lemna minor se agregará cada semana 320 mL de agua de pozo en cada una de ellas; transcurridos un tiempo de residencia hidráulica de 21 días en los biofiltros, se colectaran las micro algas (lemna minor) y se pesaran en una balanza analítica Denver Instrument, modelo SI-234. Además se observará el área de proliferación de estas en las respectivas lagunas plásticas. Estas pruebas se realizaran en condiciones semi-controladas a nivel de laboratorio (local de laboratorio), donde se tiene previsto monitorear temperatura y presión ambiental diariamente. En cada una de las variantes experimentales a evaluar se realizaran las pruebas por triplicado.

El cálculo del caudal de entrada de efluentes para cada instalación de biogás varía en dependencia del tipo de excretas de animal utilizadas como sustrato para el trabajo del biodigestor; del número de animales disponibles; así como de las necesidades de biogás a obtener en la instalación. Una de las metodologías para su determinación se basa en el cálculo del flujo a caudal volumétrico. Para lo cual es necesario conocer el volumen de los efluentes que se entrega en la unidad de tiempo (L/s).

Producción cuantitativa del flujo de efluentes (digestato) en el plantel porcino de la UCLV

La determinación práctica del flujo de los efluentes en este estudio, se realizara en el plantel porcino de la Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas. Se calculara los posibles efluentes en dependencia del flujo volumétrico a medir a la salida de las canaletas de las dos naves en explotación, las cuales tributan estos hacia una laguna de oxidación que posee el plantel porcino. Para lo anterior, apoyados con una probeta plástica y un cronometro, se determinara el flujo volumétrico de los efluentes del plantel porcino. Mediante la expresión (1).

Determinación de las características de los efluentes obtenidos en cada biodigestor. Propiedades como bioestimulantes

Se toman los efluentes pacificados durante tres meses. Estos serán evaluados con diferentes grados de dilución en agua (50%, 75% y 90%). A continuación se vierten 50 mL del efluente con el grado de dilución objeto de investigación en tres beaker de 100 mL de capacidad y en cada uno de estos beaker se añaden 15 semillas de frijol negro (Phaseola vulgaris L, variedad BAT-304) semilla registrada con un porciento de germinación conocido (80% de germinación), dejándose reposar durante cuatro horas en estas condiciones. Posteriormente serán sembradas estas semillas imbuidas en los efluentes en las respectivas magentas a razón de 5 semillas por magenta, serán utilizadas un total de 3 magentas por dilución (tratamiento). Paralelo a ello, se ejecuta la misma metodología pero utilizando agua común para el control absoluto, también se probara con un control estándar (constituido por 3 magentas fertilizadas) con nitrógeno, fosforo y potasio (N, P, K), en dosis equivalentes a las utilizadas a nivel de producción (600 kg/ha). Se utilizara una formula completa de N-P-K (8-24-16). Las magentas utilizadas para la siembra tienen 400 g de capacidad de suelo enrazado, previamente humedecido con una capacidad de campo de 80% de humedad. Finalmente se colocaran las magentas en condiciones semi-controladas donde recibirán iluminación natural, serán monitoreadas las variables de presión y temperatura ambiente. Al cabo de dos semanas se determinará el porciento de germinación en los tratamientos evaluados y en los controles de acuerdo al grado de dilución investigado.

Se determinó el efecto que provoca sobre la microbiología del suelo, de los efluentes objeto de investigación. Para ello, se tomaron muestras de suelo (pardos con carbonato) en cada una de las magentas evaluadas (1g) en sus diferentes tratamientos, posteriormente se realizaron pruebas microbiológicas de suelo (hongos, bacterias y actinomicetos), fueron investigadas tres réplicas por tratamiento. Para lo anterior, se siguieron los protocolos y procedimientos establecidos en laboratorio especializado para tales efectos de acuerdo con Mayea et al. (2004).

Para los análisis estadísticos de los resultados de las investigaciones se procederá a utilizar el paquete estadístico profesional Statistica, 8.0 (StatSoft, 2007).

Resultados del diagnóstico del estado actual de biodigestores anaerobios de diferentes tecnologías instalados a pequeña escala

Los resultados del diagnóstico de las instalaciones evaluadas muestra que estas solo se utilizan para la cocción, de ellas 2 presentan un estado constructivo regular y solo en una de ellas se realiza un filtrado secundario, sin embargo en ninguna de estas existe un filtrado terciario de los efluentes (digestatos). Estos resultados coinciden con lo reportado por (Sosa, 2015). Tabla 2.

Resultados de la caracterización química y microbiológica de los afluentes y efluentes de los biodigestores objeto de estudio

Los resultados del pH en los afluentes (7,52-8,34) y los efluentes (8,07-8,56), coinciden con los resultados obtenidos por otros investigadores (Negrin y Jiménez, 2012) y están en el rango establecido para este tipo de sustrato (excreta porcina). Tabla 3.

Resultados de la determinación de la carga microbiana patógena en los afluentes y los efluentes

Los resultados de la carga microbiana (coliformes totales, coliformes termo tolerantes y pseudomonas aeruginosas) a la entrada y salida de los biodigestores analizados (filtrado primario), muestra una baja contaminación, por debajo de lo estipulado en la norma cubana, lo cual está en contradicción con trabajos anteriores efectuados por Martínez et al. (2014) y Sosa (2015). Tabla 4.

En el caso de los resultados obtenidos a la salida de los filtros secundarios y terciarios mostró que este sistema es capaz de bajar en mayor medida la carga contaminante hasta valores muy por debajo de los límites permisibles que fija la norma cubana, sin embargo en el biodigestor ubicado en la finca de Ariel Domínguez, se presenta una contradicción cuando los efluentes (digestato) tanto en los coliformes totales como en los coliformes termo tolerantes salen más contaminados que cuando entran, lo cual no es común en este tipo de instalación. Sin embargo, en los otros dos biodigestores (Jorge Toboso y 13 de Marzo), este fenómeno no se presenta y se puede afirmar que el biofiltro, muestra la efectividad del sistema y permite predecir su efecto positivo, de ser utilizado en nuestras instalaciones de biogás. La carga de 100 mL, no pudo ser evaluada por carencias de reactivo en el laboratorio. Tabla 5.

Resultados del crecimiento y productividad de la biomasa seleccionada lenteja de agua (Lemna minor) en el biofiltro

Los resultados referidos al crecimiento y productividad de la biomasa seleccionado como biofiltro sanitario (Lemna minor), mostraron que las mismas son incapaces de crecer y reproducirse bajo estas condiciones severas de contaminación (cargas de 100, 200 y 300 mL) de efluentes diluidos en proporción 1:1 con agua, en las piscinas experimentales en las cuales se manejaron como volumen activo un máximo de 600 mL (efluente + agua). Este resultado puede estar motivado por los siguientes factores: el agua en las piscina no circula; las cargas contaminantes investigadas son muy severas con relación a la cantidad de Lemna minor (9,37 g) evaluada; la actividad fotosintética de la Lemna minor es muy elevada, lo cual hace que en ocasiones las piscinas se queden con muy poca agua, propiciando que las células y tejidos de la planta necrosen y se produzca la senescencia de las misma; quizás estas plantas necesiten que la carga contaminante tenga una mayor grado de dilución en agua; carencia de un sistema electro-mecánico de alimentación de aire (oxigenación). Estas interrogantes tendrán que ser evaluadas en próximos trabajos.

Resultados de la producción cuantitativa del flujo de efluentes (digestato) en el plantel porcino de la UCLV

Una vez determinado los cálculos por la expresión (1). Los resultados obtenidos fueron 0,018 l/s de efluentes para una cantidad de cerdos de 24 (tres reproductoras y 21 ceba). Se debe destacar que esta medición se realizó fuera del horario de limpieza de la instalación. Por tal motivo es un indicador que no muestra la cantidad efectiva de efluentes que se dirigen a la laguna de oxidación. Para estos cálculos se debe tener en cuenta: la cantidad y duración de las limpiezas efectuadas diariamente. Estos resultados están ligeramente en contradicción con los planteados por Martínez (2015), donde se plantea que el flujo de agua utilizado en la limpieza de instalaciones porcinas está en el orden de los 0,0019 l/s como promedio.

Los resultados referidos a la utilización de los efluentes (digestatos) como bioestimulantes (biofertilizantes) muestran que los efluentes porcinos pacificados durante tres meses y diluidos en 90% con agua, alcanzan los mayores porcientos de germinación (80%), estando por encima de los resultados alcanzados con las diluciones de 50% y 75% en todos los tratamientos evaluados; así como con respecto a los controles absoluto y estándar respectivamente. Resultados semejantes utilizando biosólidos pecuarios (efluentes vacunos) procedentes de biodigestores han sido alcanzados por Negrin y Jiménez (2012). Tabla 6.

Resultados con respecto a la carga contaminante (DQO) de los sustratos evaluados

Los resultados relacionados con la carga contaminante a la salida del biodigestor (filtrado primario), muestran que la carga contaminante (DQO), solo se comporta por debajo de la norma en el caso del biodigestor instalado en la finca de “Jorge Toboso” (607,72 mgO₂/L), estando en los otros dos casos por encima de la norma cubana NC 27: 1999. Tabla 7.

Los resultados referidos a la alta carga contaminante de los efluentes (digestato) a la salida de los biodigestores coinciden con otros resultados obtenidos por otros autores como Espinosa (2013) y Sosa (2015).

Los resultados relacionados con la carga contaminante (DQO) de los sustratos evaluados ante diferentes cargas y posterior al filtrado terciario (biofiltro). Se presentan en la Tabla 8, de la misma se puede apreciar que en los casos de flujos de carga del orden de los 300 mL y 200 mL, solo en el caso del biodigestor ubicado en la CPA” 13 de Marzo”, este indicador está por encima de lo estipulado por la norma cubana NC 27: 1999. Lo cual muestra que el biofiltro utilizando plantas acuáticas, tales como es el caso de la (Lemna minor) es una buena solución para la descontaminación de los efluentes (digestatos) procedentes de biodigestores anaerobios, ya que este sistema es capaz de lograr porcientos de remoción de la carga contaminante (DQO) en un rango de 8% hasta 69%. La carga de 100 mL, no pudo ser evaluada por carencias de reactivo en el laboratorio.

En la Tabla 9 se aprecian los resultados obtenidos en el análisis microbiológico del suelo, fueron objeto de investigación, hongos, bacterias y actinomicetos. Del análisis de la Tabla 9 se puede apreciar que en el tratamiento 2 (Jorge Toboso), se presentan los máximos valores de hongos presentes, a las 48 horas (21 x10⁵), sin embargo a las 72 horas, los mayores valores (22,33 x10⁵), se presentan en el tratamiento 4 (13 de Marzo). En el caso de las bacterias, los resultados muestran que en el control estándar se observan los mayores valores (1,33 x10⁹) a las 48 horas, reduciéndose ese comportamiento a las 72 horas.

Con respecto a los actinomicetos, los mayores valores (41 x10⁵) se presentan en el tratamiento 6 (Ariel Domínguez), a los 10 días de realizado, lo cual muestra una gran variabilidad en el comportamiento de los diferentes tratamientos (2, 4 y 6) referidos al impacto que provocan los efluentes en el suelo, relativo a la población de hongos, bacterias y actinomicetos. Estos resultados son preliminares y pueden servir para investigaciones futuras, donde se demuestre si estos factores pueden provocar un incremento o decremento de la fertilidad del suelo. Por otra parte, es conocido que los mayores constituyentes de los biosólidos están representados por la materia orgánica oxidable (MO), el calcio (Ca), el nitrógeno (N) y el fósforo (P), condicionado por la alta carga orgánica presente en las excretas del ganado porcino y vacuno principalmente, en relación con la base alimentaria de estas especies (Negrin y Jiménez, 2012).

Los datos del porciento de germinación obtenidos para diferentes grados de dilución de los efluentes (digestatos) por biodigestor analizado, una vez transformados a sen^-1 de la raíz cuadrada de la proporción muestran que el efecto que más incide en la misma, es el grado de dilución. Esto se puede apreciar en la Tabla 10 También se debe destacar que de los tratamientos evaluados, los mejores resultados se obtienen en el caso de los tratamientos 4 (13 de Marzo) y 6 (Ariel Domínguez) para diluciones del 90%, encontrándose diferencias significativas con los demás tratamientos, excepto con respecto al control absoluto (CABS) diluido al 50%. Esto se puede apreciar en las Tablas 10 (Duncan test) y 11 (Medias del Arcoseno SQRT (proporción))

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