4. RESIDUOS AGRARIOS

IA-5037 INGENIERIA DEL AGUAIA-5037 INGENIERIA DEL AGUA

Ing. Mg.Sc. Ricardo Apaclla Nalvarte

Definición y Clasificación

En el grupo de residuos agrarios se incluyen los generados en actividades agrícolas, ganaderas, agroalimentarias y forestales.

Los residuos agrarios constituyen un grupo voluminoso. Estos residuos se denominan fundamentalmente como biomasa.

Este término se aplica a toda sustancia que proviene de una secuencia de formación en la que intervienen fenómenos biológicos, con frecuencia enzimáticos (animales, plantas o microorganismos).

De una forma genérica, por biomasa se entiende el conjunto de materia orgánica renovable de origen vegetal, animal o procedente de la transformación de la misma.

La biomasa, en función de su origen, puede clasificarse en: •primaria o inicial cuando procede de fotosíntesis, madera, cultivos, algas, etc.; •secundaria o residual si procede de seres vivos que utilizan en su alimentación biomasa primaria; y •fósil cuando está constituida por yacimientos de carbón, petróleo, gas natural, etc.

Los residuos agrarios se suelen estudiar separadamente del resto de los residuos porque, salvo en el caso de industrias agroalimentarias, poseen algunas características específicas, como son: localización dispersa, valor económico muy bajo, concentración reducida y dificultad para su eliminación.

Se incluyen los residuos de industrias agroalimentarias por su posibilidad de tratamiento y aprovechamiento común al resto de residuos agrarios, aunque no tengan todas las características comunes anteriores.

Para su estudio, se suelen clasificar en función de las actividades que los generan, en los siguientes tipos:

• Residuos agrícolas.• Residuos forestales.• Residuos ganaderos.• Residuos de industrias relacionadas con actividades agrícolas,

forestales y ganaderas.

Como consecuencia de las actividades agrícolas, se generan residuos en las propias explotaciones (residuos de cultivos de cereales en grano, residuos originados por la poda de árboles frutales, residuos de cultivos de semillas oleaginosas, fertilizantes, productos agrosanitarios, etc.)

En las industrias agroalimentarias (todas aquellas que transforman, conservan y manipulan numerosos productos procedentes de la agricultura: obtención de aceites, de conservas, envasado de frutas y legumbres, obtención de azúcar, fabricación de pan, pastelería y galletas, fabricación de cerveza y malta, etc.).

Los residuos forestales han sido durante mucho tiempo, y siguen siendo en algunos lugares, la fuente energética más importante para uso doméstico y posteriormente se ha incrementado el aprovechamiento industrial.

Se generan en explotaciones forestales (biomasa procedente del mantenimiento y de labores silvícolas) y en industrias de transformación de la madera y de fabricación de muebles.

Los residuos forestales se caracterizan fundamentalmente por un elevado poder calorífico y por su dispersión en la naturaleza, por lo que las labores de acopio son difíciles.

En el sector ganadero, los residuos se producen en las explotaciones ganaderas (excretas sólidas y líquidas, lisier, desinfectantes, antibióticos, detergentes y plaguicidas) y en las industrias ganaderas.

Es importante tener muy en cuenta que los residuos ganaderos tienen un potencial contaminante elevado, debido fundamentalmente a los siguientes parámetros: materia orgánica disuelta y en forma de sólidos en suspensión, nitrógeno, fósforo, metales pesados (sobre todo, cobre procedente de los piensos) y microorganismos.

El vertido de estos residuos sin ningún tratamiento origina diversos problemas de contaminación ambiental en las aguas (eutrofización por nitrógeno y fósforo, toxicidad por microorganismos, exceso de materia orgánica), en el suelo (metales pesados) y en la atmósfera (emisión de gases procedentes de la fermentación anaerobia, como amoniaco, sulfuro de hidrógeno y metano).

• Estiércol: residuos excretados por el ganado o las mezclas de desechos y residuos excretados por el ganado, incluso transformados.• Purines: deyecciones líquidas excretadas por el ganado.• Lisier: abono producido por las excreciones sólidas y líquidas del ganado vacuno o porcino en alojamientos que no usan mucha paja u otro material para cama.• Agua sucia: es el desecho, con menos del 3% de materia seca, generalmente formado por estiércol, orina, leche u otros productos lácteos o de limpieza. Normalmente se engloba en el lisier.

Los residuos ganaderos pueden clasificarse en función de su contenido en materia seca, en dos grandes grupos: • Pastosos: cuando este contenido es a 10%. Estos residuos son característicos del ganado bovino y aviar. • Líquidos: cuando la cantidad en materia seca es a 10%. Son típicos del ganado porcino y, en algunos casos, del bovino.

La composición de los residuos ganaderos depende del tipo de ganado, pero todos ellos se caracterizan por un alto contenido en nutrientes y por estar muy localizados. Por ello, tradicionalmente se han utilizado como fertilizantes para los suelos, aunque actualmente han sido sustituidos por otros compuestos.

VALORIZACION

Para establecer un sistema de aprovechamiento de la biomasa, deben estar perfectamente definidas su composición química y su disponibilidad. Todos estos residuos tienen una valorización energética y agrícola importante.

Del análisis de la composición de los residuos agrarios se deduce que presentan unas características idóneas para poder ser utilizados con dos objetivos fundamentales: • Aprovechamiento energético.• Aprovechamiento agrario.

Los residuos agrarios tienen en común el aprovechamiento de la biomasa, que posee un carácter orgánico y que está constituida por compuestos de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y azufre, fundamentalmente.

La abundancia de estos residuos y su composición permiten afirmar que constituyen una materia prima de interés, barata y renovable, que puede emplearse además como fuente energética.

Su valorización puede efectuarse por métodos termoquímicos o bioquímicos.

La biomasa de estos residuos puede utilizarse para estos fines teniendo en cuenta las siguientes consideraciones:

• Los residuos agrarios deben recogerse por los medios mecánicos más sencillos, obteniéndose un producto con una densidad mayor o igual que la del residuo considerado.• Los residuos deben ser transformados en productos útiles en el mismo lugar en que son generados.• Si se producen residuos excedentes en una zona, deberán aplicarse técnicas de aumento de densidad o del poder calorífico por kg de residuo antes de su transporte.• La técnica de aprovechamiento deberá estar en función del estado físico en que se encuentre el residuo y de la naturaleza del mismo.• El aprovechamiento energético debe realizarse directamente con técnicas de combustión de sólidos o gases energéticos y evitar las transformaciones indirectas de bajos rendimientos energéticos.

Valorización energética

El aprovechamiento energético de la biomasa exige tecnologías sencillas que hagan posible el manejo de los residuos, es decir, de unos materiales inicialmente sin valor, de difícil y costoso manejo por su baja densidad o elevada dilución y por el difícil acceso para hacer posible su acopio.

Sin embargo, su potencial energético, o los costos que exigen su eliminación para evitar contaminación del medio ambiente, pueden hacer viables estas tecnologías.

Los puntos a favor y en contra del aprovechamiento de la biomasa como fuente de energía renovable son los siguientes:

A favor• Bajo contenido en azufre y nitrógeno, por lo que las emisiones por combustión de SOx y NOx (y de otros compuestos derivados) son muy reducidas. • Las cenizas resultantes de la valorización son inertes o tienen alto valor económico.• La eficiencia energética en la generación eléctrica es muy buena, en comparación con el parque térmico convencional.

Las técnicas para la valorización energética de este tipo de residuos se deberán ajustar a las características intrínsecas de los mismos y principalmente, a su estado físico y humedad. Para residuos sólidos las técnicas más interesantes son: el astillado, la combustión, la pirólisis, la gasificación o la licuefacción. Para los residuos líquidos o pastosos son más adecuadas las técnicas de digestión metánica.

En contra• Dificultad de recolección y transporte.• Pretratamiento inicial.• Necesidad de grandes cantidades.

Estos residuos se caracterizan fundamentalmente por su elevado valor energético y por su dispersión de localización, pues se generan en un medio rural con difícil acceso y acopio. Por ello, deben utilizarse procedimientos adecuados para su recojo y transporte, con el fin de reducir su densidad y facilitar su transporte al centro consumidor. El aprovechamiento energético puede hacerse por varios métodos:•Combustión directa.•Compactación o paletización.•Pirólisis.•Gasificación.•Licuefacción.•Hidrólisis y fermentación.

Valoración energética de residuos agrícolas y forestales

Para poder realizar la combustión directa es necesario que tengan un poder calorífico superior a 1200 kcal/kg, cantidad que superan la mayor parte de ellos. Esto hace posible que puedan sustituir a otro tipo de combustibles; por ejemplo, el calor obtenido por la combustión de 1 kg de gasolina es equivalente al generado por 3 kg de residuos agrícolas o forestales.

Combustión directaLa combustión de estos residuos para producir calor, suele hacerse cuando en la zona donde se generan y pueden utilizarse directamente en los sistemas térmicos de las instalaciones industriales sin tener que realizar importantes transformaciones en la alimentación de los hornos y sin necesidad de efectuar grandes desplazamientos. Los residuos agrícolas o forestales suelen sufrir una ligera desecación previa antes de ser introducidos en el homo de combustión.

En el proceso de peletización o compactación, los residuos agrícolas y forestales son compactados en briquetas cilíndricas para ser utilizados directamente en calderas o estufas domésticas.

Compactado o peletizaciónCuando los residuos no pueden aprovecharse energéticamente en la zona y se exigen transportes a grandes distancias, los costes del transporte inciden sobre el producto y pueden hacer inviable el aprovechamiento de estos residuos de baja densidad. En estos casos se exigen tecnologías que consigan reducir la incidencia del transporte en el coste de la energía, aumentando la densidad del residuo combustible mediante procesos de compresión o peletización o aumentando el poder calorífico del producto por unidad de peso mediante procesos termoquímicos.

PirólisisEs un proceso termoquímico que consiste en la descomposición de la materia orgánica en atmósfera inerte con déficit o ausencia de oxígeno.

Se ha usado principalmente con residuos de naturaleza leñosa originados en la poda de árboles frutales o en trabajos de limpieza forestal. La temperatura de operación está comprendida en el intervalo de 500 a 850°C, y el objetivo fundamental es obtener la máxima cantidad de residuos sólidos.

El carbón de madera obtenido de estos residuos se utiliza como reductor en la industria metalúrgica, como materia prima para fabricar carbón activo y como fuente de energía. De los residuos líquidos se recuperan los alquitranes y breas y los residuos gaseosos no tienen gran interés, porque poseen un poder calorífico bajo.

Los productos que se obtienen dependen de la naturaleza de la materia orgánica de origen y de las condiciones de operación, pero pueden agruparse en tres tipos:•Residuos sólidos (carbón de madera o vegetal).•Residuos líquidos (sustancias piroleñosas, alquitranes).•Residuos gaseosos (vapor de agua, hidrocarburos ligeros, monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrógeno, etc.).

GasificaciónEs un proceso químico que consiste en la producción de un residuo gaseoso que puede ser utilizado directamente como combustible, por reacción entre los residuos y un gas (aire u oxígeno), a temperaturas elevadas (850-1500°C).

La gasificación implica la combustión parcial de los residuos sólidos con cantidades de oxígeno inferiores a las estequiométricas. Con este proceso se obtienen además residuos sólidos y líquidos con características distintas a los obtenidos por pirólisis, debido fundamentalmente a la existencia de un medio más oxidante y a la mayor temperatura de operación.

LicuefacciónConsiste en la transformación de un material sólido carbonoso, voluminoso y de bajo contenido energético, en un producto líquido orgánico, que pueda almacenarse fácilmente y que pueda usarse como combustible en hornos de combustión directa o como materia prima a utilizar en algunas industrias para obtener combustibles específicos o productos químicos.

El proceso se realiza sometiendo la biomasa molida y suspendida en un líquido portador a una secuencia de reacciones que implican modificaciones de su estructura, como hidrólisis acida o básica y descomposición térmica, entre otras. La temperatura de operación es del orden de unos 350°C.

Hidrólisis y fermentaciónLa hidrólisis tiene por objeto realizar una conversión de la celulosa presente en la biomasa en azúcares fermentables, dejando la lignina como residuo. La hidrólisis de los carbohidratos puede realizarse con ácidos inorgánicos (hidrólisis acida) o con enzimas (hidrólisis enzimática). Esta última tiene la ventaja de operar en condiciones suaves y de obtener azúcares de elevada pureza, aunque las reacciones enzimáticas son muy lentas y la biomasa tiene que ser pre tratada por ácidos o bases para mejorar la cinética del proceso.

Las disoluciones procedentes de la hidrólisis son sometidas a un proceso de fermentación con microorganismos, obteniéndose productos como aminoácidos, alcoholes, ácidos o cetonas, dependiendo del grado de descomposición de los azúcares conseguido en la hidrólisis.

De los numerosos procesos industriales que se utilizan para obtener distintos productos por fermentación (etanol, butanol, acetona, ácido acético, glicerina, ácido cítrico, etc.), el más conocido es el de la producción de etanol a partir de glucosa, que puede ser utilizado como sustituto de la gasolina.

La hidrólisis y la fermentación son procesos muy apropiados para los residuos agrícolas con un contenido en humedad relativamente elevado, mientras que los termoquímicos están especialmente indicados para los residuos forestales de composición en carbono, hidrógeno y oxígeno prácticamente constante.

Los residuos ganaderos y los generados en algunas industrias del sector agrario pueden utilizarse para producir biogás (metano) mediante procesos de fermentación anaerobia de los mismos (metanización).

Valoración energética de residuos ganaderos e industriales

En el proceso se distinguen tres etapas. En la primera, los microorganismos anaerobios actúan sobre las fibras orgánicas, en una reacción de hidrólisis bacteriana.

En una segunda fase, llamada acetogénica, las bacterias actúan sobre los productos obtenidos en la etapa anterior, obteniéndose ácidos orgánicos de cadena corta.

Por último, en la fase metanogénica, las bacterias actúan sobre los ácidos generados, dando como resultado la formación de un biogás constituido fundamentalmente por metano y dióxido de carbono, con un poder calorífico lo suficientemente alto como para ser utilizado como combustible.

Valorización Agraria

La bíomasa vegetal residual puede utilizarse para la producción de fertilizantes. La materia orgánica contenida en la biomasa (de naturaleza agrícola, forestal o industrial) puede ser sometida a una serie de procesos para ser transformada en productos fertilizantes de naturaleza húmica enriquecidos en nitrógeno.

La biomasa debe someterse a una serie de tratamientos previos (astillado, secado, molienda, tamizado, etc.) antes de iniciarse la transformación de la misma.

Posteriormente, las etapas a seguir son las siguientes:

• Oxidación de la biomasa vegetal inicial para la obtención de compuestos húmicos por medio de agentes oxidantes (aire, ácido nítrico, permanganato de potasio, etc.).

• Los compuestos obtenidos en la etapa anterior se tratan con amoniaco (en fase líquida o gaseosa), para dar lugar a un producto final enriquecido en nitrógeno.

Los fertilizantes obtenidos por este método presentan importantes ventajas frente a los fertilizantes comerciales, entre las que destacan: aportan materia orgánica al suelo, mejoran su textura, potencian su actividad microbiana y el aporte de nitrógeno se produce lentamente.

Los residuos ganaderos también pueden resultar muy beneficiosos para los suelos agrícolas, porque son de naturaleza orgánica y poseen un alto contenido en agua y elementos fertilizantes. Sin embargo, contienen elementos que pueden resultar nocivos para determinados cultivos. Por tanto, pueden emplearse para mejorar las propiedades de los suelos siempre que hayan sido sometidos a algún tratamiento adecuado para eliminar los microorganismos patógenos.

Las características de este tipo de residuos los hace idóneos para ser tratados mediante compostaje que consiste en una fermentación aerobia y termofílica de la materia orgánica para obtener un producto estable denominado compost, que posee unas características óptimas para su utilización en cultivos agrícolas.

Los residuos que son aptos para conseguir un aprovechamiento agrario porque contribuyen a mejorar las propiedades físicas, químicas y biológicas de los suelos, son fundamentalmente los siguientes:• Estiércol líquido y purines de granjas.• Residuos líquidos orgánicos de industrias agrarias.• Lodos de depuradoras.