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

Abstract

[SPA] 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 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.

[ENG] 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. It was found that mechanical treatments removed mainly solids, biochemical oxygen demand, chemical oxygen demand, phosphorus, copper and zinc. Constructed wetlands removed mainly solids, biochemical oxygen demand, chemical oxygen demand, phosphorus, copper, zinc, total nitrogen, ammoniacal nitrogen, organic nitrogen and pathogenic microorganisms. Bioremediation treatment by microalgae, one of them identified as Scenedesmus sp, mainly removed copper, zinc, total nitrogen, ammoniacal nitrogen, organic nitrogen and nitrate. It was found that constructed wetlands with one only calcareous gravel layer and constructed wetlands with the highest density of plants showed the highest pollutants removal efficiencies. Moreover, it was more efficient to work with hydraulic retention times between 1 week and 1 month because it achieved a higher nitrogen removal, being the most restrictive parameter for irrigation purposes according to regulation. In spring the highest removal efficiencies of most analyzed parameters in pig slurry were observed. And finally, these constructed wetlands still worked properly after 5 years of operation without clogging problems, showing high removal efficiencies in most analyzed physicochemical and microbiological parameters.