Optimización de la digestión anaeróbica del guano de aves ponedoras

Tesis para obtener el grado de Doctora en Ciencia y Tecnología Mención Química, de la Universidad Nacional de San Martín, en 2019

La producción avícola de ponedoras en sistemas intensificados se ha incrementado exponencialmente en los últimos años, conduciendo a la generación de grandes volúmenes de residuos que si no son gestionados adecuadamente impactan negativamente en el ambiente. Existe una alta demanda a nivel territorio para resolver esta problemática no solo ambiental sino también social. La digestión anaeróbica (DA) es una alternativa de tratamiento prometedora, debido a que se generan dos productos de gran valor agregado, el biogás: compuesto que puede ser utilizado como energía, y el digerido: un producto semilíquido que puede ser valorizado agronómicamente. Si bien el guano de aves ponedoras (G) tiene características que lo hacen favorables para ser tratado por la DA, la presencia de ciertos compuestos como el nitrógeno amoniacal, puede producir la inhibición del proceso, conduciendo a desestimar la aplicación de esta tecnología. En este contexto, se planteó como objetivo general de esta tesis: desarrollar herramientas metodológicas y mecanismos de acción para el desarrollo del proceso de la DA del G, que conduzcan a la implementación de esta tecnología a escala real. Se determinaron las características fisicoquímicas, microbiológicas y parasitológicas del G proveniente de sistemas convencionales (SC) y sistemas automatizados (SA) de jaulas en batería, los dos sistemas principales de manejo en nuestro país. Los resultados mostraron que, si bien las concentraciones de compuestos nitrogenados son mayores en el G del SA, éste sería el más recomendable para ser tratado por DA. El G del SC va perdiendo carbono y humedad, concentrando nutrientes y compuestos tóxicos (Mn, Fe), con mayor presencia de microorganismos patogénicos y parásitos. Se ajustó la metodología del ensayo de actividad metanogénica específica (AME), el cual permitió evaluar la actividad de las bacterias metanogénicas en inóculos de diferentes orígenes. Se generó la protocolización del ensayo y reactores de diseño propio, que aseguraron la hermeticidad y permitieron medir de una forma práctica y sencilla la generación de biogás y metano. Los resultados mostraron que el lodo de mayor actividad fue el lodo de efluente cervecero, de tipo granular. Se determinó el potencial energético del G para evaluar la viabilidad técnica de la DA como tecnología de tratamiento. Para ello, se ajustó e implementó la metodología del potencial bioquímico metanogénico (PBM). Se empleó el G como sustrato, evaluando 4 relaciones diferentes entre el sustrato y el inóculo (S/I= 0,4, 1, 2 y 4 gSV/gSSV) para encontrar la mejor relación. También se evaluó el efecto de la aclimatación del inóculo al sustrato, utilizando dos inóculos de naturaleza, origen y AME diferentes: inóculo adaptado al sustrato (IA), proveniente de un reactor alimentado con G (AME= 0,05 mLCH4/gSSV), e inóculo sin adaptación (I), proveniente de un reactor para tratamiento de efluente cervecero, con características granulares (AME= 0,13 mLCH4/gSSV). Se determinaron variables fisicoquímicas en el líquido al inicio y al final de proceso, y variables en la fase gaseosa (rendimiento de metano, PBM, e índice de biodegradabilidad). Los resultados mostraron que el PBM fue obtenido con la relación S/I= 0,4 gSV/gSSV utilizando el inóculo I. La AME y las características del inóculo granular fueron más influyentes que la aclimatación del inóculo al sustrato en el ensayo de PBM. Se evaluó la co-digestión del G como una estrategia para mejorar el proceso anaeróbico. Se realizaron ensayos de PBM, utilizando G como único sustrato y co-digerido con estiércol vacuno (V) y con frutas y verduras (FV). Se incluyó en este ensayo, un análisis de patógenos al inicio y final del ensayo. Los resultados sugieren que el guano puede ser co-digerido hasta un 50% con V y residuos de FV, generándose condiciones anaeróbicas estables y favorables, y con la obtención de un producto digerido en buenas condiciones de sanitización. Por último, se realizó un ensayo en reactor piloto de alimentación semi-continua y se evaluó la performance del proceso y la calidad de los dos productos obtenidos (biogás y digerido). El G co-digerido con residuos de FV incrementó en un 30 % la producción y rendimiento de biogás y metano, tuvo una mayor remoción de materia orgánica y menores concentraciones de compuestos inhibitorios. Por otro lado, la materia orgánica, los compuestos nitrogenados (NAT y NTK) y ciertos elementos totales (Zn, Mg, Mn) tuvieron una correlación positiva con la reducción del rendimiento de biogás y metano. En cuanto al producto digerido, los valores de Ca, CE, Mn y Zn, fueron más altos en el tratamiento mono-digerido del guano. Las concentraciones altas de Zn y la presencia de patógenos y parásitos en ambos procesos limitan la aplicación del digerido para su valorización agronómica. La co-digestión del guano con FV no solo mejora el proceso anaeróbico, sino que también representa una alternativa de tratamiento de dos residuos altamente problemáticos a nivel local, regional y territorial que podrían ser utilizados como recursos energéticos.

Poultry production in intensive systems has exponentially grown over the last years. This activity generates high volume of concentrated wastes that, if not treated, can cause a negative environmental impact. The anaerobic digestion (AD) is a promising alternative for the treatment waste. Through AD, poultry manure (PM) can be transformed into biogas and a semi-liquid digested material or digestate. These outputs can be used as an energy source and fertilizer, respectively. Several studies have shown that PM has favorable conditions to be treated by AD. However, the PM also presents inhibitory compounds such as ammonia nitrogen- that might discourage the use of this technology. The main objective of this thesis was to create methodological tools and strategies for the development of AD process for PM, which lead to the implementation of this technology on industrial scale. Physicochemical, microbiological and parasitological characteristics of PM from conventional systems (CS) and automatic systems (AS) were evaluated. Results show higher nitrogen compounds in PM from AS. PM from CS constantly lost carbon and humidity, concentrating nutrients and toxic compounds (Mn and Fe), the highest presence of pathogenic microorganism and parasites. These results suggest that PM from AS is more recommended to be treated with AD. Methanogenic bacteria activity of inoculum from different origin were evaluated using the methodology of Specific Methanogenic Activity (SMA). This test was protocolized and the reactors used were specifically designed and created. The hermetic and user-friendly design allowed a safe and simple measurement of methane and biogas generation. The results showed that the most active inoculum was the brewing effluent sludge. The energetic potential of PM was studied. The Biochemical Methane Potential (BMP) test was developed. PM was used as a substrate and 4 different substrate-inoculum ratios (S/I= 0.4, 1, 2 y 4 gVS/gVSS) were evaluated. The effect of inoculum acclimatization on the substrate was also evaluated. Two inoculums of different nature, origin and SMA were used: Acclimatized inoculum (AI) from anaerobic reactor fed with PM (SMA= 0.05 mLCH4/ gVSS) and non-acclimatized inoculum (I) from another anaerobic reactor fed with brewing industry wastewater (SMA= 0,13 mLCH4/gVSS). Physicochemical characteristics were evaluated on the initial and end of the process. Methane and biogas yield, BMP and the biodegradability index were also evaluated. Results showed that the best relations between the substrate and the inoculum was S/I= 0.4 gVS/gVSS, using the inoculum I. SMA and inoculum granular characteristics showed a stronger influence than inoculum acclimatization on the BMP results. Co-digestion of PM was evaluated as a strategy to improve the anaerobic process. BMP was evaluated in PM as the single substrate and co-digested with cow manure (C) and Fruits and Vegetables (FV). A pathogenic analysis was included in this experiment. There was a trend towards anaerobic process improvement with the use of co-substrate. Results suggest that PM can be co-digested up to 50% with C and FV, with stable and favorable anaerobic conditions. Performance of a semi-continuous anaerobic reactor was evaluated. Co-digested PM with FV increased by 30% both biogas and methane yield and production, had a better organic matter removal and lower inhibitory compounds concentration. Organic matter and nitrogen compounds (NAT y NTK) and some total elements (Zn, Mg, Mn) showed a positive correlation with biogas and methane yield reduction. PM mono-digested digestate had the highest Ca, CE, Mn and Zn values. High Zn concentrations and pathogenic organisms could limit the use of these digestates as fertilizer. PM co-digestion with FV improves the anaerobic process. It also presents an alternative for both wastes management at local, regional and territorial level and a renewable energy option.

Instituto de Microbiología y Zoología Agrícola (IMyZA)

Fil: Bres, Patricia. Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTA). Instituto de Microbiología y Zoología Agrícola; Argentina