Título: Evaluación de factibilidad técnico-económica de la utilización de los

Departamento de Ingeniería Química

Título:

Evaluación de factibilidad técnico-económica de la utilización de los

lixiviados de gallinaza en reactores anaerobios de alta eficiencia

Autor: Dayán Rabelo Álvarez

Tutor: Dr.C. Ernesto Luis Barrera Cardoso

Curso

Diploma Thesis

Title:

Evaluation of technical-economic feasibility of the use of leachate of

chicken manure in anaerobic reactors of high efficiency

Author: Dayán Rabelo Álvarez

Tutor: Dr.C. Ernesto Luis Barrera Cardoso

Course

2018 - 2019

Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de

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Pensamiento

No fallé en la prueba, solo encontré 100 maneras de hacerlo mal

Benjamín Franklin

Resumen

En el presente trabajo se evaluó la factibilidad económica de la utilización de los lixiviados de gallinaza en reactores anaerobios de alta eficiencia, definiendo los parámetros de operación óptimos del proceso de lixiviación por aspersión utilizando como sustrato la mezcla de gallinaza de tipo cría (GC) y ponedora (GP), proporcionada por la Empresa Avícola de la provincia de Sancti Spíritus (SANTICAN). Primeramente, se caracterizaron parámetros físico-químicos de la GC y GPpara su uso en los procesos de lixiviación por aspersión. Luego se optimizó el proceso de lixiviación por aspersión de la mezcla de gallinazas (GC y PG) con vistas a potenciar su uso como sustrato en reactores de alta eficiencia, utilizando la metodología de superficie de respuesta y el software STATGRAPHICS. Se estudiaron los efectos sobre tres variables respuesta [sólidos volátiles (SV), nitrógeno amoniacal (N-NH4+) y ácidos grasos volátiles (AGV)] en 29 corridas, siendo los factores experimentales el tiempo (1h; 3h) y la concentración de GP (10%; 30%).Finalmente, se valoró el efecto técnico – económico del proceso de lixiviación por aspersión de la mezcla de gallinazas a partir de los valores de óptimos obtenidos.Se obtuvo solamente un valor óptimopara los SV (25,7 g/kg MF)para un tiempo de 2,58 horas y una concentración deGP de 20,18%, mientras queel N-NH4+y los AGVmostraron un ajuste inadecuado donde el 83.01% y el 35.34% de la variabilidad, respectivamente, permanecieron sin explicación en el modelo cuadrático, por lo que no existieron evidencias estadísticas de la influencia de los factores estudiados sobre las variables de salida N-NH4+ y AGV. El análisis económico evidenció la factibilidad de la inversión para el uso del lixiviado de gallinaza como sustrato en reactores con manto de lodo y flujo ascendente (UASB, por sus siglas en inglés) con un VAN de 665 026,8USD, TIR=42% y PRD=2,9 años.

Abstract

In the present work, the economic feasibility of the use of heap leachate in high efficiency anaerobic reactors was evaluated, defining the optimum operating parameters of the spray leaching process using as a substrate the mixture of chicken type brood (GC) and Layer (GP), provided by the Poultry Company of the province of Sancti Spíritus (SANTICAN). First, is caracterizar on physicochemical parameters of the GC and GP for use in leaching processes spray.Then leaching process spray mixture chicken manure ( GC and PG) with a view to enhancing its use as a substrate in high efficiency reactors, using the response surface methodology and the STATGRAPHICS software. The effects on three response variables [volatile solids (SV), ammoniacal nitrogen (N-NH4+) and volatile fatty acids (AGV)] in 29 runs were studied , the experimental factors being time (1h; 3h) and concentration GP (10%; 30%). Finally, value or economical leaching process spray mixture chicken manure from optimal values obtained - technical effect. Only an optimal value was obtained for the SV (25.7 g / kg MF ) for a time of 2.58 hours and a GP concentration of 20.18%, while the N-NH 4 + and the AGV

showed an inadequate adjustment where 83.01% and 35.34% of the variability , respectively, remained unexplained in the quadratic model, so there was no statistical evidence of the influence of the factors studied on the N-NH 4 + and AGV output variables . The economic

analysis evidenced the feasibility of the investment for the use of the leaching of chicken manure as a substrate in reactors with sludge mantle and upflow (UASB) with a NPV of USD 665 026.8 , IRR = 42% and PRD = 2.9 years .

Índice

Contenido

Introducción ... 1

Capítulo 1: Documentación bibliográfica ... 5

1.1 Problema ambiental causado por la emisión de residuos ... 5

1.1.1 Efectos de las deyecciones avícolas en el ambiente ... 7

1.2 Gallinaza ... 8

1.2.1 Composición química de la gallinaza... 11

1.2.2 Calidad de la gallinaza ... 12

1.2.3 Producción de gallinaza ... 12

1.2.4 Prácticas para el manejo de la gallinaza ... 13

1.2.5Usos de la gallinaza ... 14

1.3 Potencial de biogás en la provincia de Sancti Spíritus ... 20

1.4Problemas asociados a la producción de biogás con gallinaza ... 21

1.5 Proceso de digestión y co-digestión anaerobia ... 22

1.5.1 Limitaciones del uso de la gallinaza como sustrato para la DA ... 24

1.6 Lixiviación ... 25

1.6.1 Aplicaciones de la lixiviación... 25

1.6.2 Tipos de lixiviación ... 27

1.7 Reactores de alta eficiencia ... 28

1.7.1 Reactor de flujo ascendente (UASB) ... 28

1.7.2 Tratamiento anaerobio de lixiviados en reactores de alta eficiencia ... 29

1.7.3 Potencialidades de los reactores de alta eficiencia para el tratamiento de los lixiviados de gallinaza por DA ... 30

Capítulo 2: Materiales y métodos ... 32

2.1 Materias primas empleadas en el ensayo anaerobio ... 32

2.2 Configuración experimental ... 34

2.3Metodología experimental... 35

2.4 Medición de los parámetros fisicoquímicos ... 36

2.5 Valoración económica ... 37

3.1 Caracterización de los residuos avícolas ... 39

3.2 Diseño experimental ... 40

3.2.1 Efecto sobre los sólidos volátiles ... 42

3.2.2 Efectos sobre el Nitrógeno Amoniacal (N-NH4+_{) ... 43}

3.2.3 Ácidos Grasos Volátiles (AGV) ... 44

3.3 Efectos estimados para SVC, N-NH4+ y AGV. ... 45

3.4. Análisis económico ... 47

3.4.1 Dimensionamiento preliminar de la planta propuesta ... 47

3.4.2 Estimación del costo total de inversión ... 49

3.4.3 Estimación de los ingresos y costos de producción ... 51

3.5 Análisis de los indicadores de eficiencia ... 52

Conclusiones ... 54

Recomendaciones ... 55 Bibliografía ... Anexos ...

1

Introducción

El crecimiento de la producción avícola en los últimos años ha hecho que los residuos procedentes de este sector también aumenten. Estos residuos contienen altos contenidos de nutrientes y material orgánico por lo que tienen alta demanda como abono en la agricultura, sin embargo, genera contaminación al suelo por las cantidades de sales del estiércol; al agua subterránea por la lixiviación de nitratos y la proximidad con niveles freáticos (Ortez and Zelada, 2010). Además, emiten olores desagradables que propician la proliferación de vectores y microorganismos patógenos. Los compuestos que están presentes en los residuos, al no ser correctamente tratados, se liberan a la atmósfera, incrementando las emisiones de gases (Méndez Sarabia et al., 2016). Estos efectos negativos sobre el medio ambiente exigen tener un manejo adecuado de estos residuos.

Al mismo tiempo, las granjas avícolas requieren de energía para proveer el máximo confort, calidad del aire y luminosidad adecuada para las aves en las diferentes etapas de crecimiento y producción, independientemente de las condiciones climáticas externas. Igualmente la energía es necesaria para mover los alimentos, equipos, desechos y obtener agua. Los costos de esta energía tienden a ir incrementándose en todo el mundo y existe mayor presión pública para reducir las emisiones de olores y gases, incluyendo la producción de CO2.

Actualmente existen en el mundo tecnologías para tratar los residuos avícolas como son; el compostaje, lagunas de oxidación y biodigestores anaerobios. Esta última tecnología convierte los residuos en productos energéticos, siendo una alternativa viable, desde el punto de vista económico y ambiental (Irigoyen, 2015), que puede contribuir a satisfacer las demandas de las granjas avícolas a la vez que se producen biofertilizantes para uso agrícola. Es conocido que la digestión anaeróbica constituye una buena alternativa para tratar residuos con elevada materia orgánica biodegradable, según Suárez-Hernández et al. (2018). Este tratamiento está indicado para residuos urbanos (Association, 2015), lodos de depuradora de aguas residuales urbanas (Suárez-Hernández et al., 2018); y residuos agropecuarios, como purines y estiércol (Bansal et al., 2017).

En Cuba existen 220 Granjas Avícolas (GA) (hasta 13 GA por provincia), de ellas el 62% con una cantidad de pollos de 20 mil a 180 mil pollos, generándose hasta 27 toneladas diarias de gallinaza en cada GA (Nacional, 2019).La digestión anaeróbica (DA) de estas gallinazas pueden producir entre 1.3 y 11.6 MWh por día (como electricidad y calor) y entre 1,54 y 13,8

2 toneladas de biofertilizantes (NPK) en cada una de las granjas. Sin embargo, la DA de la gallinaza ha sido todo un reto debido a la heterogeneidad de la misma, su alto contenido de sólidos y la presencia de compuestos inhibidores (Farrow, 2016).

Los residuos biodegradables, no solo de estas GA, sino también de granjas porcinas, vacunas, y otras; poseen desbalance en sus concentraciones de nitrógeno y carbono (por debajo del óptimo requerido: 30:1), provocando ineficiencias durante su bioconversión como sustratos puros (mono-digestión). Las alternativas estudiadas para corregir este desbalance, se fundamentan en la adición de co-sustratos capaces optimizar la relación de nutrientes, estrategia conocida como co-digestión. En la práctica, la co-digestión conlleva a que los sistemas productivos gestionen residuos en otras entidades, lo que hace vulnerable la estabilidad del proceso ante cambios de tipo organizacionales, ambientales y subjetivos.

Desde el punto de vista tecnológico, la mayoría de los sistemas empleados para la producción de biogás en comunidades rurales y sistemas productivos cubanos poseen bajas eficiencias (50%) y bajas capacidades de asimilación de materia orgánica (1,5 – 2,5 kg materia orgánica m-3 digestor al día), lo cual incrementa los volúmenes requeridos por estas plantas y por ende sus costos de inversión. Esto repercute en los indicadores de rentabilidad de las propuestas de inversiones, reduciendo los flujos de caja, incrementando los tiempos de recuperación de las inversiones y reduciendo las tasas internas de retorno; situación que dificulta el desarrollo de los sistemas productivos(Contreras Velázquez, 2013)

Los volúmenes de estas plantas podrían reducirse utilizando reactores de tercera generación o de ¨alta eficiencia¨. Varias configuraciones de reactores de alta eficiencia se han desarrollado, entre ellos: el reactor de tanque completamente mezclado (CSTR), el reactor de lodo granular expandido (EGSB), el reactor anaerobio de película fija (RAPF), el reactor anaerobio de flujo ascendente con manto de lodos (UASB)(Ramos, 1994, Ince, 2005, Rao, 2006). Los de tipo UASB y EGSB han sido ampliamente utilizados (Contreras Velázquez, 2013)ya que pueden asimilar cargas orgánicas de 10-40 kg por m3 de reactor por día (16 veces mayores que los sistemas instalados en nuestros sistemas productivos y comunidades rurales), con eficiencias de remoción de materia orgánica superiores al 90% y producciones de biogás por encima de 6 m3 de biogás por m3de reactor al día(Kaparaju, 2010). La implementación de reactores UASB y EGSB en los sistemas productivos cubanos podría reducir hasta 16 veces los costos de inversión y mejorar significativamente los indicadores dinámicos de rentabilidad.

Sin embargo, estos reactores operan con residuales líquidos de bajos contenidos de sólidos suspendidos (SS ≤ 0.5 gL-1)(Obaya et al., 2004) para evitar el deterioro de los agregados

3 microbianos, la formación de espumas y la sobrecarga del reactor (Seghezzo et al., 1998). Esta característica de los reactores de alta eficiencia dificulta el tratamiento de los residuales de la producción avícola que contienen altas concentraciones de sólidos totales y suspendidos. La complejidad de estos sustratos podría reducirse transformándolos por medio del proceso de lixiviados. Los lixiviados son todos aquellos líquidos que han entrado en contacto con residuales y se producen por la disolución de uno o más compuestos en agua o por la propia dinámica de descomposición de los residuos y contienen altas concentraciones de contaminantes orgánicos. Existen experiencias del uso del lixiviado en reactores de tipo UASB y EGSB. Por ejemplo, el lixiviado de residuos sólidos urbanos, ha sido empleado en Europa para alimentar reactores de alta eficiencia a escala piloto e industrial. A pesar de esto, no se reportan estudios de este proceso para residuales de la producción avícola; que establezcan sus parámetros óptimos de operación y evalúen su factibilidad técnica, económica y ambiental en los sistemas productivos cubanos.

Por tanto, la lixiviación de la gallinaza podría reducir su heterogeneidad, obteniéndose un sustrato líquido que puede ser utilizado en reactores de alta eficiencia, recuperando energía y nutrientes que pueden servir para el desarrollo de estos sistemas productivos. De esta forma se podrían reducir el volumen del reactor, mejorando los indicadores de rentabilidad económicos.

Problema científico:

La falta de estudios sobre los parámetros óptimos del proceso de lixiviación por aspersión de la gallinaza limita evaluar la factibilidad económica de su utilización en reactores anaerobios de alta eficiencia.

Hipótesis:

Si se realizan estudios sobre los parámetros óptimos del proceso de lixiviación de la gallinaza, entonces se podrá evaluar la factibilidad económica de utilización en reactores anaerobios de alta eficiencia.

Objetivo principal:

Evaluar la factibilidad económica de la utilización de los lixiviados de gallinaza en reactores anaerobios de alta eficiencia, definiendo los parámetros de operación óptimos del proceso de lixiviación por aspersión.

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Objetivos específicos

 Caracterizar parámetros físico-químicos de los diferentes tipos de gallinaza de la provincia de Sancti Spíritus para su uso en los procesos de lixiviación por aspersión.  Optimizar el proceso de lixiviación por aspersión de la mezcla de gallinazas (cría y

ponedora) con vistas a potenciar su uso como sustrato en reactores de alta eficiencia.  Valorar el efecto técnico – económico del proceso de lixiviación por aspersión de la

5

Capítulo 1: Documentación bibliográfica

1.1 Problema ambiental causado por la emisión de residuos

Durante la producción avícola surgen ciertas necesidades que no están al alcance de los requerimientos productivos. Por tanto, es imprescindible aplicar estrategias de reciclaje que posibiliten el saneamiento ambiental y, a la vez, permita la recirculación de nutrientes, que contribuyan a lograr un mejor equilibrio entre el hombre y la naturaleza, para alcanzar a su vez un beneficio económico. Los procesos de producción, tanto en granja como a nivel industrial, generan una gran cantidad de residuos, los cuales por la forma como se producen y utilizan, no se incorporan a la naturaleza en un ciclo natural. Estos desperdicios deben ser eliminados del ambiente y aprovechados correctamente, con el fin de aumentar la eficiencia y productividad durante la explotación. Así, la aplicación de un manejo incorrecto de reciclaje ocasiona, por una parte, la disipación de grandes recursos; y por otra, la contaminación ambiental que pone en peligro el futuro de la humanidad (Metrenco, 2009).

El impacto ambiental de un volumen considerable de desperdicios es altamente significativo. Por consiguiente, se requiere la aplicación de estrategias de manejo del reciclaje, que contribuyan con la eliminación de los desperdicios y su forma de aprovechamiento, ya sea a través del uso directo en la alimentación animal o mediante procesos para la recuperación y producción de energía y fertilizantes, entre otros

En la Tabla 1.1 se presentan los impactos ambientales que se generan durante los diferentes sistemas de producción avícola, que por el tipo de impacto ambiental generado y por las características productivas de dividen en granjas, plantas de beneficio e incubadoras, ya que su desconocimiento lleva a que estos impactos sean más fáciles de manejar, provocando que los sistemas sean menos competitivos (María Victoria Pérez Villa, 2009).

6 Tabla 1.1.Impacto Ambiental

Sistema de Producción Aspecto Ambiental Impacto Ambiental

Granjas

Disposición de la mortalidad

Mal uso del agua

Mal manejo de la gallinaza

Problemas de Bioseguridad, aumento de olores, aumento en poblaciones de animales que pueden transmitir enfermedades (insectos, roedores, aves, perros), contaminación del suelo y

agua subterránea

(degradación de cadáveres) Disminución del recurso hídrico, generación de aguas residuales que pueden contaminar otras fuentes de agua, aumento de los costos de operación, aumento del consumo de energía

Plantas de Beneficio

Mal manejo de aguas residuales

Mal disposición de los residuos orgánicos

Contaminación del agua con sangre, sólidos orgánicos, aceites y grasas; aumento de costos en tratamiento de aguas; contaminación del suelo; aumentos de los costos de operación, mal uso de descontaminantes (elevados niveles de aceites y grasas)

Riesgos por contaminación de alimentos; degradación del aire, agua y suelo; aumento de aves de rapiña, roedores y moscas.

Incubadoras

Mal disposición de los residuos sólidos y aguas residuales

Malas prácticas de operación

Aumento de problemas sanitarios, degradación del aire, agua y suelo, producción de olores, aumento de aves de rapiña, roedores y moscas

Aumento de contaminantes sólidos orgánicos al finalizar el proceso; aumento del consumo de agua y energía. Fuente: (María Victoria Pérez Villa, 2009)

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1.1.1 Efectos de las deyecciones avícolas en el ambiente

La aplicación de estiércol fresco puede provocar un considerable incremento de la actividad biológica del suelo, estiércol aproximadamente de una semana de edad tiene el efecto vitalizante máximo sobre el suelo (Benzing, 2001).

Todas las granjas avícolas tienen un problema con la contaminación (North and Bell, 1993). La mayor parte de la contaminación de la granja proviene de las siguientes causas:

 Gallinaza  Aves muertas

 Desechos de la planta incubadora

 Polvo de las plantas de fabricación de alimento  Escape de los motores de combustión interno  Aire (Polvo y Químico)

 Olores  Ruido

 Contaminación del Agua de bebida y del alimento  Insectos

 Suciedad

 Residuos químicos tóxicos en huevos y tejidos

Los sistemas intensivos de producción de aves pueden crear enormes problemas de polución, debido a las grandes cantidades de sustancias contaminantes que producen. Además, originan grandes volúmenes de estiércol que se depositan en el suelo. El fósforo, una vez en el suelo, se libera mediante la acción de las fitasas que producen los microorganismos de este ecosistema. Después, pasa a ríos y lagos, lo que da lugar a los fenómenos de eutrofización de las corrientes de agua y de los reservorios acuáticos.

En estas circunstancias, hay un crecimiento acelerado de las algas y un agotamiento del contenido de oxígeno del agua, lo que provoca la mortalidad de la fauna acuática. La sensación de suciedad que acompaña a estos vertimientos, así como la aparición de síntomas evidentes de la degradación ambiental en el entorno, son otros factores que afectan la calidad de vida (Julca-Otiniano et al., 2006).

8 Al respecto, se divide en tres bloques los problemas que los residuos avícolas ocasionan al medio ambiente (ver Tabla 1.2), y se generaliza de la siguiente forma: los que afectan a la atmósfera, a los suelos y a las aguas.

Tabla 1.2. Problemas que ocasionan los residuos avícolas al medio ambiente

ATMÓSFERA SUELO AGUA

Malos olores Variación de pH Lixiviación

Gases asfixiantes Salinidad Eutrofización

Gases Irritantes Metales pesados Patógenos fecales

Desnitrificación Patógenos Polución

Aerosoles Exceso NO2 y NO3

K (Tetania)

Retención de agua

En las aves, más del 50% del N de los alimentos se excreta como ácido úrico, por lo que una estrategia podría inhibir su conversión a amoníaco, además de las múltiples combinaciones de manejo nutricional, sistema de alojamiento, opciones de tratamiento, almacenaje y disposición de residuales, de modo que se reduzca la contaminación ambiental y se produzca, a largo plazo, un crecimiento sostenible.

La búsqueda de métodos factibles para la utilización de estos residuos es un reto mayor, debido al inevitable incremento de la producción de excretas. Sin embrago, durante años se han utilizado, principalmente, como fertilizantes e ingredientes de las dietas para animales de granja(Julca-Otiniano et al., 2006).

1.2 Gallinaza

La gallinaza es el residuo orgánico más representativo que generan las explotaciones avícolas, tanto por sus volúmenes como por sus características. Su composición depende principalmente de la dieta y del sistema de alojamiento de las aves. La gallinaza obtenida de explotaciones en piso se compone de excreta de ave sola o en mezcla con otros materiales absorbentes como pueden ser viruta, pasto seco, cascarillas, entre otros, que se conoce con el nombre de cama; esta mezcla permanece en el galpón durante todo el ciclo productivo. La gallinaza obtenida de las explotaciones de jaula resulta de las deyecciones, plumas, residuos de alimentos y huevos rotos, que caen al suelo y se mezclan.

9 Como las aves defecan por una cloaca, sus deyecciones líquidas y sólidas no se producen por separado, por lo que la recogida de éstas presenta menos dificultades que con otros estiércoles. Este tipo de gallinaza tiene un alto contenido de humedad y alto niveles de nitrógeno, que se volatiliza rápidamente, creando malos y fuertes olores, y haciendo que pierda calidad como abono (Pareja, 2005). El contenido de humedad de la gallinaza de aves de cría se encuentra entre 15 a 25% (Wikipedia, es.wikipedia.org).

10 Figura 1.2. Granja avícola (Ponedora)

La producción de estiércol está influenciada por diversos factores. Estos incluyen: el tipo de pollo, edad y raza, la concentración de aves, el valor nutritivo de los alimentos, el tipo y la cantidad de alimento, el tipo y la cantidad de paja de la cama, contenido de humedad de la cama, tipo de suelo, e incluso las condiciones climáticas durante la acumulación de estiércol (Cantarero Herrera and Martínez Torrez, 2002).

La gallinaza se puede usar en la mayoría de los cultivos, pero por su alto contenido de nitrógeno, es importante ajustar el empleo de fertilizante nitrogenado para evitar su exceso. Los aportes de estiércol, independientemente de su acción beneficiosa como enmienda orgánica, ponen a disposición del cultivo elementos fertilizantes que se liberan lentamente y que los cultivos aprovechan en sucesivos años. Entre los estiércoles suele haber bastantes diferencias, en primer lugar por la especie de animal de que proceden y también por el grado de humedad, tiempo de elaboración, forma en que está hecho (North and Bell, 1993).

Es un apreciado abono orgánico, relativamente concentrado y de rápida acción, que contiene todos los nutrientes básicos indispensables para las plantas, pero en mucha mayor cantidad. Con la transformación de la gallinaza por medio de diferentes tratamientos se genera una alternativa para darle valor agregado a un residuo orgánico abundante y mitigar el impacto

11 ambiental negativo que este puede ocasionar cuando no se procesa, debido a una mala utilización o disposición (North and Bell, 1993).

Figura 1.3. Gallinaza ponedoras (GP) Figura 1.4. Gallinaza de cría (GC)

1.2.1 Composición química de la gallinaza.

La composición química de la gallinaza puede variar por diferentes factores como: su origen, dependiendo de la procedencia (de ponedoras o de carne), el sistema de alojamiento de las aves, tipo de alimentación, la temperatura ambiente y ventilación del galpón (Cantarero Herrera and Martínez Torrez, 2002) . A continuación se ilustra en la Tabla 1.3 el contenido total de nutrientes presentes en la gallinaza:

Tabla 1.3. Contenido total de nutrientes en la gallinaza.

Nutrientes Composición Materia seca (%) 89,6 Proteína cruda (%) 28 Proteína verdadera (%) 11,3 Proteína digestible (%) 14,4 Fibra cruda (%) 12,7 Grasa cruda (%) 2

Elementos libres de nitrógeno (%) 28,7

Cenizas (%) 28

Total de nutrientes digestibles (%) 52

Calcio (%) 8,8

Fósforo (%) 2,5

Magnesio (%) 0,67

12

Sodio (%) 0,94

Potasio (%) 2,33

Cobre (mg/Kg) 150

Zinc (mg/Kg) 463

Fuente: (Mullo Guaminga, 2012)

Los nutrientes que se encuentran en la gallinaza se deben a que las gallinas solo asimilan entre el 30 % y 40 % de los nutrientes con las que se les alimenta, lo que hace que en su estiércol se encuentren el restante 60 % a 70 % no asimilado (North and Bell, 1993).

1.2.2 Calidad de la gallinaza

La calidad de la gallinaza está determinada principalmente por el tipo de alimento, la edad del ave, la cantidad de alimento desperdiciado, la cantidad de plumas, la temperatura ambiente y la ventilación del galpón. También es muy importante el tiempo de permanencia en el galpón una conservación prolongada en el gallinero, con desprendimiento abundante de olores amoniacales, reduce considerablemente su contenido de nitrógeno y, finalmente, el tratamiento que se le haya dado a la gallinaza durante el secado.

La gallinaza de mejor calidad es la proveniente de ponedoras en jaulas y en menor grado la de ponedoras en piso o planteles de cría o levante.

Las deyecciones que se obtienen de las gallinas en jaulas tienen mayor concentración de nitrógeno debido a que no están diluidas en la cama, como es el caso de las aves que no son criadas a piso, donde se utiliza generalmente la cáscara de arroz con la viruta de madera (Julca-Otiniano et al., 2006)

1.2.3 Producción de gallinaza

Una ave en postura excreta como promedio de 35,8 a 40,8 g de heces diarias, las cuales contienen el 75% de agua con referencias a granjas comerciales en jaulas representan un factor que se agrega a la carga de trabajo sin añadir ingresos económicos en la granja por lo que se propone deshidratar la gallinaza y reciclarle como fuente alimenticio de los animales. Desde el punto de vista puramente teórico, hay que tener en cuenta que por cada kilo de alimento consumido los pollos producen alrededor de 1,1 a 1,2 kg de deyecciones frescas, con

13 70 – 80% de humedad. En deyecciones totalmente secas ello supondría unos 0,2 – 0,3 kg por ave y por kilo de alimento consumido.

La producción de gallinaza pura y seca, al final del período, depende del peso vivo y de su consumo total, pudiéndose estimar entre 20 y 28 kg/ave.

La cantidad de gallinaza, junto con la viruta, que puede recogerse al final de la cría en un galpón de pollos, depende de la cantidad de cama de viruta de la humedad del producto final, estimándose que puede variar entre 1,5 y 2 kg por pollo, con una humedad entre 20 – 30%. Con respecto a la producción de gallinaza de ponedoras, la situación parecería más sencilla al recogerse en forma pura (explotaciones en jaula) (Cantarero Herrera and Martínez Torrez, 2002).

Lo más lógico sería expresar la producción de gallinaza de las ponedoras en materia seca y en relación al consumo de alimento. Ver Tabla 1.4.

Tabla 1.4. Estimación de la producción de deyecciones de las ponedoras

Tipo de gallinaza Consumo de alimento gr/ave/día Digestabilidad de alimento % Materia Seca deyecciones gr/ave/día Liviano 100 – 110 75 – 80 20 – 27 Semi - pesada 110 – 120 75 – 80 22 – 30

1.2.4 Prácticas para el manejo de la gallinaza

Algunas recomendaciones para el control de la humedad de la gallinaza en los galpones son:

1.2.4.1 Explotaciones avícolas en el piso

Recibir material de cama de buena calidad (seca, suelta y en cantidad suficiente para recibir el número de aves). El espesor de la cama utilizada es de 10 cm para galpones de engorde y de 15 cm para granjas reproductoras y ponedoras.

La cama se puede humedecer por descuido de fuga de agua de bebederos por no corregir goteras en los techos o el no control de aguas de lluvias que entran por los costados.

Por el no control de las camas mojadas, al no voltearlas, adicionarles más material o sacar al oreo. Por el no control de los vehículos que transportan la gallinaza, al no cubrirse adecuadamente, produciéndose el mojado de la misma (Benzing, 2001).

14

1.2.4.2 Explotaciones avícolas en jaula

Con el depósito de las deyecciones debajo de las jaulas y al formarse el cono de la deyección, se deben considerar los siguientes aspectos:

Los galpones de este tipo deben tener buena ventilación. Evitar que la gallinaza se moje (fugas de bebederos, goteras del techo). Si se moja la gallinaza se debe proceder a retirarla del galpón y transportarla a una marquesina de secado. La gallinaza se debe comportar para su utilización como abono, ensilaje o apilado profundo para alimento de rumiantes.

Es importante que los productores tengan en cuenta que la gallinaza no se debe colocar al sol para que se seque, sino a media sombra, para que los microorganismos puedan transformar los diferentes componentes en materia prima, que será aprovechada por las plantas como aminoácidos, grasas, resinas, bajo peso molecular. Lo que se pretende con el proceso de secado bajo sombra es llegar a lo que se denomina curado de la materia orgánica (Benzing, 2001)

Para lograr que un residuo orgánico como la gallinaza se convierta en un subproducto de alta calidad para el productor avícola, es indispensable que se apliquen diferentes prácticas de manejo:

a. Evitar que se presenten humedades dentro del galpón. Este factor es el causante de la producción de altas concentraciones de gases y pérdidas de elementos como el nitrógeno. El manejo de la reducción de humedades se logra con una buena ventilación de las instalaciones, evitar fugas de agua de las tuberías de los equipos de bebidas y una rápida recolección de heces frescas.

b. Una vez recolectada la gallinaza del galpón, tener un lugar para su disposición (secaderos) que sea cubierto para evitar el contacto con el agua de lluvia y almacenarla en forma de pirámide, con el fin de lograr un escurrido de la humedad que está presente.

c. Se pueden emplear productos que eviten la humedad y que reduzcan la producción de gases y olores.

1.2.5Usos de la gallinaza

Los usos que se le pueden dar a la gallinaza son diversos: 1- Alimento para animales

15 2- Abono orgánico

3- Producción de energía:

1.2.5.1 Alimentación animal

La utilidad de la gallinaza en la alimentación animal proviene de su elevado valor de nitrógeno, aunque debe tenerse en cuenta que éste se halla, en su mayor parte, en forma no proteica, principalmente como ácido úrico y, por consiguiente, resulta de poca utilidad para los animales monogástricos, aunque no para los rumiantes. El elevado valor nitrogenado para la gallinaza deseada equivaldría a un nivel proteico del orden de un 22 a 34 %, de igual manera que su elevado contenido de materia orgánica, cerca del 70%, le aseguraría un valor del orden del de muchos cereales (Antonio and Jorge, 2007). La Gallinaza es una excelente alternativa de alimentación para los productores de ganado rumiante, es decir, la cría de vacas, borregos, cabras (Figura.1.5)

Figura1.5. Alimentación con gallinaza al ganado rumiante

La Gallinaza ayuda a aumentar la productividad a un bajo costo utilizando un elemento considerado de desecho con un rico valor nutricional, como lo es el estiércol de gallina.

Al utilizar la gallinaza como complemento de los alimentos y forraje para ganado se logra mejorar la efectividad de estos, gracias a los elementos que aporta la gallinaza el metabolismo de los animales. El valor nutritivo de la gallinaza es mayor que el de otras excretas de animales, pues es especialmente rica en proteínas y minerales. El alto contenido en fibra determina que los rumiantes se consideren los más indicados para su consumo.

16 Las mejores ganancias de peso en el ganado se han encontrado con inclusiones hasta de un 25% de gallinaza en suplementos de la dieta en rumiantes como vacas, cabras y borregos, mientras que niveles superiores al 35% reducen las ganancia de peso y el consumo de alimento.

1.2.5.2 Compostaje

El compostaje es un proceso aeróbico por medio del cual el material se descompone parcialmente antes de ser aplicado al suelo.

Es un tratamiento adecuado de los estiércoles, a través del compostaje logra convertir un producto maloliente, fitotóxico, de difícil manejo y aspecto desagradable, en un producto inoloro, de fácil manejo, aspecto atractivo, libre de sustancias fitotóxicas y apto para el uso agrícola (Figura1.6).

Figura1.6.Compostaje de gallinaza

El proceso de compostaje se considera, generalmente, como el tratamiento más adecuado de los residuos frescos antes de su incorporación al suelo, ya que una materia orgánica en avanzado estado de transformación y estabilización, debe contribuir definitivamente a mejorar la fertilidad y productividad de los suelos agrícolas (Benzing, 2001).

Si se trabaja en condiciones óptimas con todos los parámetros que controlan el proceso, especialmente en el control de los malos olores causados generalmente por la producción de

17 compuestos nitrogenados y sulfurados en condiciones anaerobias, puede obtenerse un compost de buena calidad en el menor tiempo posible.

En la producción del compost se debe tener en cuenta, que las bacterias y hongos responsables de la mayor parte de la bio-transformación del compost, son aeróbicos. Por tanto la aireación constituye un factor crítico, dado que el tiempo del proceso puede ser reducido significativamente cuando el oxígeno disponible no constituye un limitante del proceso. Otro factor determinante del proceso es la humedad en la que se mantiene el sistema. Un exceso de humedad reduce los espacios disponibles para el aire, presentando mayor compactación. Para que el proceso se dé en condiciones óptimas, los valores de humedad deben estar comprendidos en el intervalo de 40 a 60% (Benzing, 2001).

Los nutrientes que componen la gallinaza, esenciales para los organismos descomponedores, deben estar en ciertas proporciones y cantidades adecuadas: de 20 a 30 partes de carbono por una de nitrógeno. Como la gallinaza presenta tan solo de 6 a 10 partes de carbono por una de nitrógeno, se propone para suplir esta deficiencia, las mezclas con materiales vegetales tales como: aserrín, paja, desechos de cosecha, etc.

El tamaño de las partículas es otro factor a tener en cuenta. La molienda de las materias primas, previa a la digestión, favorece varios aspectos: proporciona una mejor aireación inicial, un material más homogéneo, lo que permite una manipulación adecuada. El triturado hace que el material sea más susceptible a la invasión microbiana, mediante una mayor superficie de exposición (Pucha et al., 2007).

Para el producto terminado de la gallinaza compostada se espera que alcance las siguientes características:

 La relación carbono / nitrógeno debe descender en forma lenta, esto garantiza pocas pérdidas de nitrógeno.

 Los nutrientes P K deben conservarse en valores cercanos a los originales y en principio no deben ser menores a 3% y 1%, respectivamente.

 El pH debe localizarse alrededor de 8,1.

 La fracción de liposolubles no debe ser mayor de 1%.

 La fracción de hidrosolubles debe disminuir como mínimo en 25% con respecto al valor inicial.

 La capacidad de retención de agua en un compost debe ser a 1,5 mililitros por gramo de biomasa considerada.

18  Un compost maduro no debe presentar microorganismos patógenos para

humanos, aves y plantas.

Este es un sistema novedoso para el tratamiento de la gallinaza en explotaciones de aves en jaula. La descomposición de la gallinaza en biodigestores desprende biogás (Novoa Carriel, 2018).

1.2.5.2.1 FORMAS DE PRODUCCIÓN DE COMPOSTAJE

1. Con microorganismos que necesitan oxígeno (Proceso aeróbico).

2. Con microorganismos que necesitan que no haya oxígeno (Proceso anaeróbico) (Pucha et al., 2007).

Aquí se va a hablar de proceso aeróbico, por ser más rápido, más fácil de hacer, genera compost de mejor calidad y no tiene olores desagradables. Para producir compostaje en forma aeróbica, hay que garantizar que los materiales estén en presencia de oxígeno, esto significa que si los desechos se amontonan en una pila para su compostaje, hay que voltearla con regularidad y deshacer terrones grandes, para que el oxígeno penetre a todas partes, además hay que mantener cierta humedad para que el ambiente sea favorable para los microorganismos (Pucha et al., 2007).

1.2.5.2.2 PROPIEDADES DEL COMPOST

Las principales propiedades del compost son:

 Mejora las propiedades físicas del suelo. La materia orgánica favorece la estabilidad de la estructura de los agregados del suelo agrícolas, reduce la densidad aparente, aumenta la porosidad y permeabilidad, y aumenta su capacidad de retención de agua en el suelo. Se obtienen más esponjosos y con mayor retención de agua.

 Mejora las propiedades químicas. Aumenta el contenido en macronutrientes N, P, K y micronutrientes, la capacidad de intercambio catiónico (C.I.C.) y es fuente y almacén de nutrientes para los cultivos.

 Mejora la actividad biológica del suelo. Actúa como soporte y alimento de los microorganismos ya que viven a expensas del humus y contribuyen a su mineralización.

19

1.2.5.3 Producción de Biogás

El biogás es producido por bacterias que se encargan de descomponer el residual orgánico, a lo que se determina proceso de fermentación anaeróbica (producido en ausencia de oxígeno). Por lo general se puede obtener biogás a partir de cualquier material orgánico. Comúnmente se emplean las excretas de cualquier índole, la cachaza, los desechos de destilerías, los componentes orgánicos de los desechos sólidos municipales, los residuos orgánicos de mataderos, el lodo de las plantas de tratamientos de residuales, los desechos orgánicos de las industrias de producción de alimentos y los residuales agropecuarios (LETTINGA, 1993).

La digestión anaerobia (DA) es una tecnología madura a través de la cual se genera biogás. Es un proceso multietapas que puede ser resumido en cuatro etapas.

- Hidrólisis - Acidogénesis - Acetogénesis - Metanogénesis

 En la primera se debe hidrolizar los compuestos de mayor peso molecular, tanto los disueltos como los no disueltos, por medio de enzimas (por ejemplo, amilasas y proteasas), en esta primera etapa se hidrolizan polímeros, tales como polisacáridos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos, formándose los correspondientes oligómeros y monómeros (azúcares, alcoholes, ácidos grasos, glicerol, polipéptidos, aminoácidos, bases púricas, y compuestos aromáticos).  La segunda etapa la llevan a cabo bacterias acidogénicas que transforman los oligómeros y monómeros a ácidos grasos volátiles (ácidos: acético, propiónico, butírico y valérico, principalmente)

 Las bacterias acetogénicas en la tercera etapa transforman los ácidos grasos volátiles (AGV) en ácido acético (también acetato, formato,...).

 En la última etapa, las bacterias metanogénicasacetoclastas transforman las sustancias anteriores en metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2), en esta cuarta etapa participan también las bacterias hidrogenotróficas, que mantienen el equilibrio del hidrógeno (H2) en el medio, utilizándolo para reducir el CO2 a CH4.

La producción de biogás por descomposición anaeróbica es un modo considerado útil para tratar residuos biodegradables ya que produce un combustible de valor, además de generar un

20 efluente que puede aplicarse como acondicionador de suelo o abono genérico(Varnero Moreno, 2011).

1.3 Potencial de biogás en la provincia de Sancti Spíritus

El potencial energético que tiene el biogás, conlleva a ser utilizado en aplicaciones tales como cocción, calentamiento y generación de energía eléctrica mediante motores de combustión interna y turbinas de gas, lo cual implica buscar alternativas para mejorar las propiedades de combustión del biogás (Barrena, 2010).

La economía de la provincia de Sancti Spíritus está sustentada fundamentalmente por el desarrollo de la actividad agropecuaria y se caracteriza por un amplio desarrollo ganadero, generándose considerables volúmenes de residuos que pueden ser transformados en energía. Según (Carrillo, 2013) se estima una producción total del orden de los 90x106 de metros cúbicos anuales de biogás, según fuentes de investigadores del Laboratorio de Biogás e Ingeniería Ambiental de la Universidad José Martí de la ciudad de Sancti Spíritus.

“El potencial de biogás en esta provincia puede generar 190 GWh de electricidad al año y ahorraría 42 324 dólares por día. Casi el 30 por ciento de la energía de aquí puede ser generada por esta producción en dependencia de los desechos que se obtengan de otras actividades y puede lograrse a partir de su incremento, la utilización de esta fuente renovable de energía a escala más industrial”, declaró en entrevista realizada Janet Jiménez Hernández, profesora e investigadora del Centro de Estudios de Energía y Procesos Industriales (CEEPI) de la Facultad de Ingeniería de la casa de altos estudios(Cruz, 2012).

En la provincia se encuentran instalados bajo el patrocinio de la Empresa Porcina, la ANAP y otras instancias, alrededor de 300 biodigestores, mayoritariamente en el sector cooperativo y campesino, bases productivas principales en las crianzas vacunas y porcinas.

Esa cifra es apreciable si consideramos que según datos de la entidad porcina, actualmente la provincia reúne 735 criadores de cerdos con convenios de 50 cabezas o más, espacios donde existen mayores garantías para el montaje del biodigestor a raíz del volumen de residuales que genera (Camellón, 2014).

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1.4 Problemas asociados a la producción de biogás con gallinaza

Al existir diferentes tipos de excreta de gallina, ocasiona que la composición química pueda variar entre los diferentes tipos (Tabla 1.5), por lo cual también puede variar la producción y composición de biogás.

Tabla 1.5. Composición química de los diferentes tipos de excreta de gallina(Pareja, 2005). Elemento Gallinaza de Jaula Gallinaza de piso Pollinaza

pH 7,4 7,29 7,9 Humedad (%) 57,8 34,8 25,8 Carbono Orgánico (%) 19,8 24,4 23 Nitrógeno (%) 3,2 2,02 2,3 Relación C/N 6,2 12,1 10 Fósforo 7,39 3,6 4,6 Potasio (K2O %) 1,9 0,89 2,1

La excreta de gallina a diferencia de la excreta de otros animales como cerdos y vacas presenta diferentes dificultades para la producción de biogás, esta no posee una relación carbono nitrógeno (C/N) entre los valores óptimos, la relación (C/N) debe estar entre 15 y 30 para que el proceso se pueda llevar en condiciones óptimas. Contiene gran cantidad de amoniaco en su composición, la cual para la producción de biogás se comporta como una resistencia, haciendo que el proceso sea ineficiente y de menor producción o en algunos casos hace que esta sea nula.

Tras conocer la relación C/N de los diferentes tipos de excreta de gallina vistos en la Tabla 1.5, en varias ocasiones estas pueden variar, por lo cual es recomendable calcular la relación C/N por medio de la Ecuación 1 y así poder establecer con mayor precisión que se tiene una fuente de biomasa óptima o cercanamente óptima (Pareja, 2005).

22 Donde:

Cs= Relación carbono nitrógeno C2= % de carbono del estiércol de gallina C1= % de carbono en el alimento N2= % de nitrógeno del estiércol de gallina N1= % de nitrógeno en el alimento X2= % de estiércol de gallina

X1= % de alimento

De no tener una relación C/N óptima, esta se puede mejorar con la adición de biomasa rica en carbono y nitrógeno. Tras obtener la relación carbono nitrógeno de la excreta de gallina idónea, se procede a su mezcla con agua para ser usada como materia prima para alimentar un biodigestor y así obtener biogás de esta fuente.

1.5 Proceso de digestión y co-digestión anaerobia

La digestión anaerobia (DA) es un proceso biológico, mediante el cual la materia orgánica, en ausencia de oxígeno, y por acción de diversos grupos de microorganismos, da como resultado final la liberación de una mezcla de gases (CH4, CO2, H2, H2S, etc.), conocido como biogás y un digestato, con nutrientes minerales (N, P, K, Ca, etc.) y compuestos de difícil degradación Los residuos orgánicos a tratar pueden provenir de diversos orígenes (animal, vegetal, agroindustriales, forestales, cultivos acuáticos), el cual proveen de carbono y la energía necesaria para los procesos biológicos.

Las principales fuentes de alimentación de las bacterias anaerobias son el carbono (en la forma de carbohidratos) y el nitrógeno (en proteínas, nitratos y amoniaco, etc.). El carbono constituye la fuente de energía y el nitrógeno para la formación de nuevas células (Varnero Moreno, 2011).

La relación óptima es de 30:1. Si el carbono presente es mayor al necesario, la descomposición de la materia orgánica ocurre más lenta debido a que la multiplicación y desarrollo de las bacterias es bajo, por la falta de nitrógeno, y el periodo de producción de biogás resulta más prolongada. En cambio si el nitrógeno presente es menor al necesario se ve limitada la producción de biogás, y en cambio sí está en exceso se produce más amoniaco del necesario, el cual es tóxico e inhibidor del proceso.

23 El producto primordial obtenido en la DA es el biogás, mezcla gaseosa de metano y dióxido de carbono, y trazas de otros gases (nitrógeno, oxígeno, hidrógeno, sulfuro de hidrógeno), cuya composición va a depender tanto del residuo orgánico que se utilice para su producción y del proceso en sí. La cantidad de gas que se produce es muy variable, aunque oscila alrededor de los 350 L kg-1 de sólidos degradables, con un contenido de metano del 70 %. Aunque su potencia calorífica no es muy grande, puede sustituir con ventaja al gas de ciudad, utilizándose en aplicaciones tan diversas como: fuente de calor (cocina, alumbrado), combustión en calderas de vapor para calefacción y combustible de motores acoplados a generadores eléctricos (Obaya Abreu et al., 1990).

El efluente que sale del biodigestor una vez que haya finalizado el proceso de DA se conoce como digestato. El digestato tiene valor nutritivo y puede ser utilizado como abono.

Uno de los temas de investigación en el estudio de la DA es la codigestión anaerobia (CoDA). La digestión simultanea de dos o más sustratos, se denomina co-digestión anaerobia. Las ventajas que implica digestar varios sustratos, van desde las ecológicas hasta las económicas. Su principal objetivo consiste en mejorar el rendimiento del biogás del proceso, lo que se traduce en una mayor cantidad de energía producida en las unidades de cogeneración (Contreras Velázquez, 2013).

En términos prácticos, la CoDA no es solo una simple DA, precisa seleccionar una excelente proporción entre las mezclas de sustratos con el fin de favorecer el sinergismo entre el balance de nutrientes y los microorganismos presentes en el sistema para reducir el efecto inhibitorio. La efectividad de la CoDA depende de las características del cosustrato seleccionado. Por lo general, se selecciona un cosustrato con características complementarias al sustrato que garantice la obtención de una mezcla en condiciones óptimas para el desarrollo de las matrices microbianas.

Los cosustratos más utilizados en CoDA corresponden a lodos residuales, estiércoles, residuos sólidos urbanos y residuos agroindustriales los cuales permiten aumentar los rendimientos de metano.

El objetivo de la co-digestión es establecer un balance nutricional, en términos de la relación C/N, macro y micronutrientes, al tiempo que se diluyen los componentes potencialmente tóxicos o inhibidores de la metanogénesis, por ejemplo, el amoniaco es uno de los compuestos inhibidores que se encuentra frecuentemente durante la DA de residuos con alto contenido de nitrógeno, como lodos de aguas residuales y estiércoles.

24

1.5.1 Limitaciones del uso de la gallinaza como sustrato para la DA

El estiércol de pollo es rico en materia orgánica biodegradable (Fatma Abouelenien, 2009). La DA es una solución atractiva para el manejo del estiércol de pollo desde el punto de vista de su estabilización y la recuperación de energía. Sin embargo, el amoniaco, uno de los principales compuestos inhibidores, particularmente para los metanógenos, se libera durante la DA del estiércol de pollo. La eficiencia del proceso de DA es significativamente afectado a altas concentraciones de amoníaco, lo que conduce a la acumulación de ácidos grasos volátiles (AGV), causando de este modo un fallo en todo el sistema en el digestor. Se ha informado que las concentraciones inhibitorias que varían de 1,4 a 14 g L-1 reducen la generación de biogás hasta un 50% (Ye Chen, 2008).

Las concentraciones inhibitorias dependen de ciertos factores, por ejemplo, la concentración de nitrógeno amoniacal total (TAN), temperatura, pH y aclimatación microbiana(Orhan Yenigün, 2013).

Tiene un alto contenido de nitrógeno, por lo que es necesario mezclarla con otros materiales o dejarla descomponer antes de utilizarla. Se plantea por especialistas del laboratorio de biogás de La Universidad José Martí que el uso de la gallinaza en los biodigestores tiene como limitante fundamental el ser muy básico, lo que perjudica el desarrollo pleno de las bacterias productoras del gas. Otros especialistas de nutrición vegetal expresan que mezclándose con estiércol en relación 1:3 de ganado vacuno puede mejorarse la calidad del gas obtenido (Carrillo, 2013).

Durante la DA, las deyecciones deben mezclarse con una cantidad muy precisa de agua, 50%, aproximadamente, necesitándose al menos 15 días para que se produzca el gas, en un proceso continuo. Además, se requiere mantener un control de la temperatura del digestor (35ºC) y del pH, que debe ser superior a 6. De fallar algunos de estos puntos puede aumentar la proporción de CO2 a expensas del CH4, con lo que el gas obtenido pierde sus propiedades como fuente de energía (Guaminga, 2012).

25

1.6 Lixiviación

La lixiviación es la disolución preferente de uno o más componentes de una mezcla sólida por contacto con un disolvente líquido. Esta operación unitaria, una de las más antiguas en la industria química, ha recibido muchos nombres, según la técnica más o menos compleja utilizada para llevarla a cabo. La colada, se refería originalmente a la percolación del líquido a través de un lecho fijo del sólido, pero en la actualidad, se utiliza para describir la operación en forma general, sin importar la forma en que se realice. Lixiviación se utiliza con menos frecuencia como sinónimo para colada, aunque al principio se refería específicamente a la colada de álcali a partir de cenizas de madera (Treybal, 1955).

El término extracción también se emplea por lo común para describir esta operación particular, aunque también se aplica a todas las operaciones de separación, que utilicen métodos de transferencia de masa o mecánicos. La decocción se refiere específicamente al uso del disolvente a su temperatura de ebullición. Cuando el material soluble está sobre todo en la superficie de un sólido insoluble y simplemente se lava con el disolvente, la operación algunas veces recibe el nombre de elución.

Tal vez las industrias metalúrgicas son las que más utilizan las operaciones de lixiviación. La mayoría de los minerales útiles se encuentran en forma de mezclas, con grandes proporciones de componentes indeseables; por eso, la lixiviación del material valioso es un método de separación que se aplica con frecuencia. Por ejemplo, los minerales de cobre se disuelven preferentemente a partir de algunosde sus minerales por lixiviación con ácido sulfúrico o soluciones amoniacales, y eloro se separa de sus minerales con la ayuda de soluciones de cianuro de sodio. Enforma similar, la lixiviación juega un papel importante en el procesamiento metalúrgico de aluminio, cobalto, manganeso, níquel y zinc (Treybal, 1955)

1.6.1 Aplicaciones de la lixiviación

Muchos productos orgánicos naturales se separan de sus estructuras originales mediante lixiviación.

1.6.1.1 Extracción de componentes deseados

26  Fabricación de té y café solubles (instantáneos)

Extracción de aceites de semillas oleaginosas

 Extracción de componentes, tales como:  Pigmentos

 Aceites esenciales  Pectina

 Gomas (carragenina, goma guar, goma xantano)  Vitaminas

 Colágeno (obtención de gelatina)

(http://sgpwe.izt.uam.mx/files/users/uami/mlci/lixiv_introd.pdf)

1.6.1.2 Extracción de componentes no deseados

27  Colesterol

 Grasa

 Lavado de alimentos

Actualmente existe una creciente demanda por alimentos de alto valor añadido, en donde ya sea que se incorporen principios activos, tales como vitaminas, aceites esenciales, agentes antioxidantes, aromas o bien que se eliminen sustancias del producto, tales como cafeína, lactosa, colesterol, grasa, etc. Los sistemas de extracción de componentes comprenden tanto las técnicas tradicionales de percolación e inmersión, como las nuevas tecnologías de extracción mediante fluidos supercríticos

(http://sgpwe.izt.uam.mx/files/users/uami/mlci/lixiv_introd.pdf)

1.6.2 Tipos de lixiviación

Existen dos tipos de lixiviación que son los siguientes:

1.6.2.1 Lixiviación Natural

Este tipo es el que produce el desplazamiento de sustancias solubles o dispersables y es un proceso muy característico de climas húmedos. El proceso produce que las partes superiores del suelo pierdan compuestos nutritivos, ya que son arrastrados por el agua ocasionando que los suelos se vuelvan más ácidos, y en algunos casos produciendo toxicidad. Debido a este tipo de lixiviación natural se producen grandes pérdidas de fertilizantes y de compuesto nutritivos.

Cuando el clima es húmedo, esta misma condición hace que la vegetación funcione como una capa protectora contra la lixiviación, pero cuando el hombre destruye esta capa forestal, el proceso se altera y se deja de retener nutrientes. El uso de fertilizantes muy altos en ácidos, el riego excesivo y cultivos que retienen muchos nutrientes del suelo también afectan el proceso(https://www.euston96.com/lixiviación).

1.6.2.2 Lixiviación Química Minera

Es un proceso por medio del cual se extrae uno o varios solutos de un sólido, por medio de la utilización de un disolvente líquido. Ambas fases entran en contacto íntimo y el soluto o los

28 solutos se pueden llegar a difundir desde el sólido a la fase líquida, lo que ocasiona una

separación de los componentes originales que tiene el

sólido(https://www.euston96.com/lixiviación).

1.7 Reactores de alta eficiencia

1.7.1 Reactor de flujo ascendente (UASB)

El proceso UASB se inventó a mediados de los 70 en la Universidad de Wageningen (Holanda) por un equipo dirigido por el Dr.GazteLettinga y se aplicó por primera vez a escala industrial en una industria azucarera alemana. Durante varios años fue continuamente mejorado para el tratamiento de grandes caudales de aguas residuales, y cargas con importantes fluctuaciones diarias (Rajeshwari et al., 2000).

El concepto de un digestor de flujo ascendente y manto de lodos (UASB) es establecer un manto de lodos en el fondo del reactor, en el cual se llevan a cabo todos los procesos biológicos. Este manto de lodos está básicamente formado por la acumulación de los sólidos suspendidos entrantes y los grupos bacterianos.

El afluente es alimentado por el fondo del reactor, donde se ponen en contacto con el lodo; la degradación anaerobia de los sustratos orgánicos ocurre en el lecho del lodo, y allí se produce el biogás, o sea, tanto la acidificación como la metanogénesis ocurren en el reactor (Lettinga et al., 1980, Navarro et al., 2000).

El flujo combinado ascendente de las aguas residuales, puede hacer que algunos de los sólidos del lodo lleguen a la parte superior del reactor, donde un separador gas – sólido-líquido impide la salida de los sólidos del reactor, separándolos del gas producido y del afluente líquido. El biogás es captado bajo una campana y conducido hacia la superficie del reactor. Algunos sólidos son arrastrados con el agua hacia el sedimentador, situado encima de la campana de gas, donde los sólidos sedimentan y retornan al manto de lodos, el efluente cae a un canal situado en la parte superior del reactor, donde es descargado.

La biomasa que en ellos se desarrolla adopta una estructura característica denominada lodo granular. La retención de lodo activado, granular o floculo, dentro del reactor UASB facilita el buen desempeño del tratamiento para una carga orgánica alta (Blecken et al., 2009).

Los reactores del tipo UASB presentan una serie de ventajas sobre los sistemas aerobios convencionales, la inversión principalmente es menor (costos de implantación y manutención),

29 producción pequeña de lodos excedentes, consumo pequeño de energía eléctrica y simplicidad del funcionamiento. Ellos son económicos energéticamente y ecológicamente.

Presentan a su vez desventajas tales como el lento proceso de arranque, la inhibición de las bacterias anaerobias (particularmente las metanogénicas) por un gran número de compuestos, un constante monitoreo y la generación de malos olores si no es eficazmente controlado

1.7.2 Tratamiento anaerobio de lixiviados en reactores de alta eficiencia

En la producción de lixiviados influyen reacciones fisicoquímicas (solubilización, precipitación, oxido-reducción, intercambio iónico de gases de algunos materiales contaminantes) y reacciones de degradación biológica de materiales suspendidos y disueltos que, según las condiciones del medio, pueden ser aerobias o anaerobias. En la degradación aerobia, se aprovecha la presencia del oxígeno que se encuentra en los espacios vacíos (intersticios) en las capas superiores de las pilas que están en mayor contacto con el aire; sin embargo, cuando la altura de las capas de desecho se incrementa, la transformación por vía anaerobiaprevalece(Patricia Torres Lozada, 2005).

Los compuestos orgánicos presentes en los lixiviados son: proteínas, carbohidratos, compuestos hidroxiaromáticos, alcoholes, y principalmente los ácidos grasos volátiles (AGV); adicionalmente, los lixiviados contienen gran cantidad de nitrógeno amoniacal(Jose Berrueta, 1997).

Para los tratamientos biológicos, en el caso de los procesos aerobios, el principal subproducto es biomasa (lodo); en los anaerobios es el biogás (metano), y en una proporción mucho menor el lodo. Ambos procesos han sido utilizados en el tratamiento de lixiviados; sin embargo, la implementación de una etapa anaerobia sola o combinada con un proceso de tratamiento biológico complementario presenta ventajas técnicas y económicas comparado con el proceso aerobio como única etapa de tratamiento debido a aspectos como menor requerimiento de área e infraestructura, bajos consumos de energía, menor producción de lodos, eliminación de la unidad de digestión y espesamiento del lodo en exceso(Patricia Torres Lozada, 2005).

Estas etapas ocurren en la misma unidad anaerobia que trata el residual y producción de metano, subproducto más importante del proceso anaerobio que puede ser recuperado y utilizado como una alternativa energética. Algunos estudios de aplicación de la tecnología anaerobia a lixiviados son:

30 Berrueta y Castrillón (Jose Berrueta, 1997), realizaron evaluaciones de flujo discontinuo, y posteriormente un reactor UASB de flujo continuo, con lo cual consiguieron reducciones de la DQO del orden de 90 a 95%. Dadas las características alcalinas del lixiviado, fue necesario controlar el pH en un valor de cercano a 7 con la adición de un ácido.El efluente obtenido presentó concentraciones de DQO alrededor de 1,200 mg L-1, lo que indica la necesidad de complementar el tratamiento con otro proceso.

Iza, Keenan y Switzwenbaum(Peter J Keenan, 1993), encontraron en un reactor híbrido UASB/ FAFAque el lixiviado de un relleno sanitario reciente es susceptible al tratamiento anaerobio debido a la elevada fracción orgánica que contiene, pero debe tenerse especial cuidado con el manejo de los compuestos inorgánicos, especialmente los metales pesados.

Torres et al. (Patricia Torres, 1997), realizaron estudios de tratabilidad biológica tanto aerobia como anaerobia de los lixiviados de un vertedero de residuos sólidos urbanos (RSU)de 6 años de existencia de un municipio de 230 000 habitantes. El lixiviado presentó dos características: altas concentraciones de DQO (11.000 mg L-1) en período seco y concentraciones menores (3.000 mgL-1) en el período lluvioso. Los resultados obtenidos demostraron la viabilidad del tratamiento del lixiviado tanto en condiciones aerobias como anaerobias, alcanzándose eficiencias de remoción de DQO cercanas al 90%.

(Alper Bayrakdar, 2018),realizaron un estudio que fue pionero en el uso de un reactor de lecho de lixiviación de una sola etapa para la mono-digestión anaerobia de estiércol de pollo con alto contenido de ST (14-16)%. En este experimento, la gallinaza fue cargada en el reactor en bolsitas de tela sin agregar ningún agente de carga. El amoniaco (NH3) se separó y recuperó colocando una membrana de difusión de gas hidrófoba en una cámara de recolección de lixiviados siendo la producción de metano en este reactor con membrana de 0,27 m3Kg-1SV. Los resultados revelaron que el uso de estos reactores integrados con membrana para la DA es una tecnología simple y rentable para la mono-digestión del estiércol de pollo y la eliminación de NH3.

1.7.3 Potencialidades de los reactores de alta eficiencia para el tratamiento de

los lixiviados de gallinaza por DA

Según estudios de (A. Gangagni Rao, 2008) midieron el rendimiento de dos reactores UASB, uno acoplado con un separador para eliminar el NH3 al reactor y el otro sin dicho separador en

31 el que trata el lixiviado de gallinaza para mejorar el rendimiento general. Ambos reactores iniciados según el protocolo (A Gangagni Rao, 2006, Gangagni Rao and Joseph, 2007) mostró una excelente formación de lodo granular durante su operación debido a la calidad del inóculo, manteniéndose un aumento sistemático y gradual de la carga hidráulica y orgánica del reactor a pH y temperatura óptimos. En este caso, el UASB con separador mostró un mejor rendimiento en términos de reducción de DQO (96%), rendimiento de metano (0.26 m3 CH4 Kg-1 de DQO reducido), tasa de carga orgánica (18,5 kg DQO m-3 d-1) y el tiempo de residencia hidráulica (THR) (12h) en comparación con el reactor UASB sin separador, reducción de DQO (92%), rendimiento de metano (0,21 m3 CH4Kg-1 DQO reducido), una tasa de carga orgánica volumétrica (13,6 kg DQO/ m3 / d) y un THR (16h). Por lo que el estudio reveló que el rendimiento de este UASB podría mejorarse incorporando este separador antes del reactor como mecanismo de control de inhibición de NH3.

En este trabajo se presentan los resultados obtenidos de un proceso de lixiviación por aspersión utilizando como sustratos la mezcla de gallinaza de dos tipos (ponedora y cría) con el fin de evaluar el lixiviado obtenido y que presente las óptimas condiciones para post-procesos de bioconversión en reactores de alta eficiencia.

32

Capítulo 2: Materiales y métodos

2.1 Materias primas empleadas en el ensayo anaerobio

Los residuos con los cuales se contó para el desarrollo de esta investigación fueron proporcionados por la Empresa Avícola de la provincia de Sancti Spíritus (SANTICAN) por lo que se seleccionaron la UEB La Botella como muestra de las granjas ponedoras y la UEB Reemplazo Jatibonico como muestra de las granjas de reemplazo de ponedoras. Las muestras tomadas de las granjas seleccionadas fueron durante el mes de abril del año 2019.

Se obtuvo una muestra de 40 kg de residuo de cada tipo, posteriormente se almacenó en recipientes plásticos, cerrados y correctamente identificados para luego ser transportada para los laboratorios de la Universidad de Sancti Spíritus José Martí Pérez (UNISS), donde se realizaron los análisis correspondientes. Las muestras se mantuvieron durante su traslado a temperatura ambiente, y a su respectiva llegada, las muestras de ponedora pasaron por un proceso de secado directamente al sol por tiempo de 8 horas.

Caracterización de los residuos

Estas muestras, luego de su llegada a los laboratorios, se le realizaron los análisis de sólidos totales (ST) y sólidos volátiles (SV) respectivamente. Esta determinación consiste en una metodología, la cual está basada en los métodos normalizados (APHA Method 2540 SOLIDS, 2012) citado por (Bernal, 2018).

Sólidos totales.

Fundamento del método: Se determinan al evaporar a sequedad una cierta cantidad de muestra en un recipiente, previamente tarado llevándose a peso constante en estufa a 1050C. El residuo total, que incluye, tanto los sólidos disueltos como los que están en suspensión, se calcula a partir del incremento en peso de la del recipiente con respecto a su peso inicial. Procedimiento: Se sacan las cápsulas de la desecadora y se taran en la balanza analítica, anotándose en la libreta de trabajo (pc). Después se pesa en la cápsula una muestra fresca (10g), anotamos el peso (ptinicial) y ponemos la cápsula con la muestra en la estufa a 110°C por espacio de 24 horas (durante toda la noche). Se deja enfriar la capsula en la desecadora hasta temperatura ambiente por espacio de 1 hora aproximadamente. Para concluir se procede a pesar la cápsula con la muestra seca y anotar el valor (ptfinal).