Evaluación de un Sistema Discontinuo de Biodigestión Anaerobia para el tratamiento de desechos avicolas

 

OLIVIA PALACIOS

Universidad Nacional Experimental de los Llanos Occidentales Ezequiel Zamora E-mail: olivia.palacios@gmail.com

RESUMEN

En el presente estudio, realizado en Guanare (Venezuela) durante los meses de noviembre 1998 a marzo 1999, se evaluó la aplicación de la biodigestión anaerobia en un sistema de flujo discontinuo (batch) para el tratamiento de residuos sólidos de granjas avícolas con fines de estabilización, producción de biogas, producción de bioabono y control de patógenos. Se evaluaron tres tratamientos: gallinaza (G), cama de pollos (CP) y una mezcla de estos materiales (G + CP). La mayor producción de biogas (0,249 m3/m3d) se obtuvo con la mezcla de materiales, para un tiempo de retención de 60 días a partir del inicio de la producción de gas combustible. Los parámetros físico-químicos evaluados muestran niveles de reducción variables, excepto para pH, nitrógeno orgánico, nitrógeno amoniacal y hierro, cuyos valores se incrementaron. Las características químicas del bioabono, no reflejaron variaciones importantes entre los tratamientos. Se detectó una escasa reducción en la carga de coliformes fecales y presencia de bacterias de los géneros Escherichia, Proteus, Enterobacter y Klebsiella. Los análisis de Salmonella resultaron negativos. La evaluación parasitológica muestra presencia de ácaros y huevos de parásitos de los géneros Ascaridia, Trichostrongylus, Heterakis y Eimeria, tanto en las muestras iniciales como finales. Entre las conclusiones destaca que el tratamiento anaerobio evaluado resultó poco eficiente para el control de bacterias del grupo Enterobacteriaceae y no se observaron efectos de control sobre los huevos de los parásitos encontrados. Por lo tanto, se recomienda profundizar el estudio de los aspectos bacteriológicos y parasitológicos, con la finalidad de evaluar alternativas para su control, así como para un manejo adecuado del bioabono.

Palabras clave: biodigestión anaerobia, biogas, gallinaza, cama de pollos, patógenos, desechos avícolas.

EVALUATION OF A BATCH ANAEROBIC DIGESTION SYSTEM FOR THE TREATMENT OF POULTRY WASTES

ABSTRACT

In the present study, carried out in Guanare (Venezuela), in the period between November 1998 and March 1999, the application of an anaerobic digestion process in a discontinuous flow (batch) system was evaluated for the treatment of hen manure and rice hulls, with the purpose of stabilization, biogas production and pathogen control. The main biogas production (0,249 m3/m3d) was obtained with a combination of the evaluated materials, in a retention time of 60 days. In the bacteriological study, we found bacteria of the Escherichia, Proteus, Enterobacter and Klebsiella groups. Salmonella was not found. The parasitological study reported Ascaridia, Trichostrongylus, Heterakis and Eimeria. Among the conclusions reached, we emphasize that the anaerobic mesophilic process exercises scarce control over bacteria of the Enterobacteriaceae group, and no control was observed over the parasite eggs found. Therefore, further studies into these aspects is considered important, so as to find alternatives of control and recommendations for a safe handling of manure.

Key words: anaerobic digestion, biogas, hen manure, pathogens.

Recibido: noviembre de 2003 Recibido en forma final revisado: noviembre de 2005

INTRODUCCIÓN
Las unidades de producción avícola industrial generan grandes cantidades de desechos sólidos que incluyen
excretas, residuos de alimentos, y animales muertos. Las excretas sin mezclar (gallinaza) provienen de la cría y
mantenimiento de gallinas ponedoras. Cuando se trata de la cría de pollos de engorde, las excretas están mezcladas con el material utilizado para cubrir el piso de los galpones (cáscara de arroz). El material resultante es conocido como cama de pollos. El empleo de gallinaza y cama de pollos como abono orgánico, es una práctica común entre los productores agrícolas. Sin embargo, la aplicación al suelo de estos materiales sin tratar genera una serie de problemas, entre ellos, los malos olores y la proliferación de moscas, además de la dispersión de los organismos patógenos que pudiesen estar presentes en la misma. Por otro lado, la cáscara de arroz contenida en la cama de pollos se degrada muy lentamente en condiciones naturales.
El inadecuado manejo de los desechos de granjas avícolas representa un riesgo de contaminación de las aguas por nitratos, fósforo y organismos patógenos. El uso de estos desechos como abono orgánico debe estar sujeto a ciertas recomendaciones de manejo y distribución, resultando económicamente competitivo como aporte de nitrógeno y fósforo, con respecto al fertilizante comercial (Chapman 1996).
El empleo de excretas de aves como materia prima para la biodigestión anaerobia ha sido evaluado por diversos
autores, los cuales coinciden en señalar que el elevado contenido de NH₃ de este material no representa un obstáculo para el proceso. Los tiempos de retención deben ser cortos (10 días), siendo posible una producción diaria de biogas cercana a los 4 m³ / m³ de biodigestor, con cargas diarias de 5,5 kg SV/ m³ de biodigestor. Una elevada producción de biogas se observa al siguiente día de la carga, para luego declinar (Morrison et al.1980).
En la actualidad, la alternativa de mayor interés comercial para el tratamiento de desechos orgánicos, incluyendo la fracción orgánica de los desechos sólidos urbanos, es su conversión a biogas, por medio de sistemas anaerobios. Es recomendable el empleo de plantas de tratamiento que reciban desechos de varias fuentes, con la finalidad de reducir los costos por volumen tratado (Callaghan et al. 1999).
Conviene destacar también que el proceso de biodigestión anaerobia ha demostrado ser de gran utilidad para el control de los malos olores generados por las excretas (Zhang y Dague 1995).
El presente trabajo se realizó con el objetivo de evaluar la aplicación de la biodigestión anaerobia en un sistema
discontinuo (batch) como método de tratamiento para los residuos provenientes de granjas avícolas, utilizando como parámetros la producción de biogas, las características químicas del bioabono, así como su carga bacteriológica y parasitológica.

MATERIALES Y MÉTODOS
El estudio fue realizado en el vivero de la Universidad Nacional Experimental de los Llanos Occidentales
«Ezequiel Zamora» (UNELLEZ), ubicado en Mesa de Cavacas (Guanare), Estado Portuguesa, durante los meses
de noviembre 1998 a marzo 1999. Los biodigestores experimentales se colocaron al aire libre, por lo cual su
funcionamiento ocurrió en condiciones mesofílicas de acuerdo con la temperatura promedio de la zona (26,6 °C)
y estuvo sujeto a sus variaciones diarias.
Para el ensayo se diseñó un biodigestor experimental tipo batch, de doble cilindro (para crear el sello de agua) y cúpula con eje central. Se construyeron 18 biodigestores experimentales, en lámina de hierro calibre 16, con una
capacidad de 18,5 litros cada uno (Figura 1).
Los materiales utilizados para preparar los tratamientos evaluados fueron: gallinaza pura (proveniente de una granja de gallinas ponedoras) y cama de pollos (proveniente de un galpón de cría de pollos de engorde). Como inóculo se empleó el efluente de un biodigestor tubular plástico de flujo contínuo, alimentado con excretas de cerdo.

Se evaluaron los siguientes tratamientos, con seis
repeticiones cada uno:
- Tratamiento 1: Gallinaza (G).
- Tratamiento 2: Cama de pollos (CP).
- Tratamiento 3: Una combinación de gallinaza y cama de pollos(G+CP).
Se añadieron seis litros de inóculo a cada biodigestor (aprox. 33% del volumen de biodigestión). Se tomaron muestras iniciales para evaluar pH, sólidos totales y volátiles, nitrógeno orgánico y amoniacal, potasio, calcio, magnesio, manganeso, hierro, zinc y cobre.

La producción de biogas fue evaluada con base en el volumen diario producido por cada biodigestor, medido por
la elevación diaria de la cúpula. Posteriormente se realizaron las conversiones correspondientes para expresar la
producción diaria de biogas (m3/d) en relación con el volumen del biodigestor (m3/ m3d), el contenido de sólidos
totales (m3/kgST) y sólidos volátiles (m3/kgSV) del material de carga.
Cada día se verificó la combustibilidad del biogas. El día en que el biogas comenzó a ser combustible se consideró
como punto inicial para la evaluación. Las mediciones de producción de biogas se realizaron hasta que se hizo mínima.
El período de evaluación considerado para la realización de los cálculos fue de 60 días a partir del inicio de la
producción de gas combustible. Al finalizar dicho período, se tomaron las muestras finales y se aplicaron los análisis mencionados para las muestras iniciales.
Para la evaluación de los aspectos bacteriológicos y parasitológicos se tomó una muestra de los materiales de
carga antes de mezclarlos, con el objeto de identificar el origen de los microorganismos. Al final, se tomó una muestra de cada uno de los tratamientos.
Los análisis bacteriológicos realizados fueron:

- Presencia de coliformes totales por el método de tubos múltiples de fermentación.
- Aislamiento e identificación de las bacterias responsables de los resultados positivos en los tubos de fermentación (marcha bioquímica).

- Detección de Salmonella.
- Presencia de parásitos por el método de McMaster. El análisis estadístico de los datos se realizó mediante la
técnica de análisis de la varianza para un modelo lineal aditivo correspondiente a un diseño completamente
aleatorizado, considerando la variable Tratamiento (T) como independiente, con evaluaciones diarias de la producción de biogas como variable dependiente. La produccion de biogas se expreso en volumen diario de biogas en relacion con el volumen de material en fermentacion (m3/m3d). El modelo se puede resumir de la siguiente manera: Produccion diaria de biogas = Para la comparacion de medias se utilizo la prueba de rangos multiples de Duncan al 5%.

RESULTADOS Y DISCUSION
Produccion de biogas y desarrollo del proceso La produccion total (acumulada) de biogas para cada
tratamiento, en sus diferentes formas de expresion, se presenta en el Cuadro 1.
La produccion obtenida en el presente estudio para la gallinaza (0,045 m3/kg ST y 0,079 m3/kg SV ) es baja en
comparacion con los resultados reportados por Converse et al. (1980) y Morrison et al. (1980), quienes obtuvieron producciones de 0,44 y 0,36 m³/kg SV, respectivamente, trabajando con gallinaza pura.
Es importante destacar que los autores mencionados anteriormente emplearon: sistemas de flujo continuo, mezcla completa, temperaturas constantes de 35oC y concentracion de solidos totales inferior a 10%. En el presente trabajo, los biodigestores utilizados fueron de tipo batch, sometidos a las variaciones de la temperatura ambiente y con una concentracion de solidos superior a 20%. Estas diferencias en los parametros de funcionamiento dificultan la comparacion de resultados.
Por otro lado, Palacios (1995) obtuvo una produccion de 0,361 m3/m3d empleando gallinaza en un biodigestor batch, con un contenido de solidos de 30% a temperatura ambiente en la misma localidad. Este valor tambien es superior al obtenido para el tratamiento 1 (gallinaza) (0,226 m³/m³d).
Sin embargo, la produccion total de biogas en relacion al volumen del biodigestor en el presente ensayo fue superior (13,18 contra 7,58 m3/m3), lo cual podria ser explicado porque el tiempo de evaluacion de la produccion de biogas fue mayor (61 contra 22 dias).

Neelakantan y Singh (1992), trabajaron con cama de pollos en botellas de fermentación Haffkine de 2,5 L a 30 °C por 30 días con un contenido de sólidos totales de 5 %, y obtuvieron una producción de 0,392 m³/kg ST, la cual
también es superior a la obtenida en el presente estudio para el tratamiento 2 (cama de pollos)(0,054 m³/kg ST para un contenido de sólidos de sólidos totales de 21%). La baja producción de biogas resultante en este estudio puede estar relacionada con la concentración de sólidos en el material y un tratamiento con yodo aplicado en la unidad de producción en los días previos a su recolección. La baja producción de biogas por masa de sólidos totales y volátiles puede ser consecuencia de la elevada concentración del material en comparación con las referencias. Sin embargo, la discusión comparativa de estos resultados debería considerar, además, los valores de producción total del sistema en m3/m3 y el período de producción, con la finalidad de realizar un análisis más completo. En todo caso, se destaca que la producción de biogas no es proporcional a la concentración de sólidos. En el Cuadro 2 se resumen los valores de producción diaria promedio de biogas por tratamiento y los resultados de la comparación estadística, basados en el análisis de varianza realizado. El tratamiento 3 (combinación), presentó la mayor producción diaria promedio seguido por el tratamiento 1.
Esto confirma las referencias que señalan la conveniencia de mezclar excretas con materiales vegetales para favorecer la producción de biogas al añadir una fuente importante de carbono orgánico.
La Figura 2 presenta de manera gráfica el comportamiento de los tratamientos durante el tiempo de ensayo en términos de la producción diaria de biogas (m3/m3d). En los tratamientos 1 y 3 la producción de biogas combustible se inició con rapidez (días 3 y 6 respectivamente), mientras que en el tratamiento 2 ocurrió con un mes de retraso (día 30). Este retraso probablemente fue consecuencia de la aplicaciónde un desinfectante a base de yodo en la unidad de producción de pollos de engorde para el control de moscas en los galpones.

El tratamiento 2 presentó una curva de producción bimodal, característica en sistemas batch (Taylhardat com.pers. 1999). En cambio, el tratamiento 1 mostró una curva de descenso continuo en la producción de biogas. Esta curva tiene un comportamiento similar al observado por Palacios (1995), quien reportó una elevada producción inicial seguida por una disminución continua. También Callaghan (1999) señaló una degradación rápida de la gallinaza. De ello, podríamos deducir que la gallinaza pura se degrada con mayor facilidad, mientras que la cama de pollos y la combinación se degradan lentamente debido al elevado contenido de cáscara de arroz.
Características del bioabono: En el Cuadro 2 se presenta un resumen comparativo de las características químicas del bioabono correspondientes al promedio de los valores finales encontrados para cada tratamiento. El análisis de la varianza indicó diferencias significativas para hierro, nitrógeno orgánico y nitrógeno amoniacal. Para los demás parámetros no se observaron diferencias. Con base en el contenido de nitrógeno amoniacal, la gallinaza generó el bioabono más rico. Sin embargo, es importante destacar que la evaluación del bioabono requiere un estudio más profundo, empleando un mayor número de variables, entre ellas, la respuesta de suelos y plantas a la aplicación de este material. Esta respuesta tiene relación no sólo con los parámetros físico-químicos sino también con las características microbiológicas del material. Existen estudios que han demostrado efectos
positivos en el crecimiento de plantas y absorción de fósforo, asociados a la presencia de enterobacterias (Enterobacter sp.) (Vassileva et al. 1999) en el suelo. Estas bacterias están presentes en el bioabono, por lo tanto, podríamos esperar efectos similares al utilizarlo como abono orgánico.
En términos generales, las características organolépticas y el aspecto visual de los materiales evaluados son menos desagradables que al inicio del proceso, especialmente en cuanto al olor. A pesar del elevado contenido de humedad y prolongado período de retención sin agitación, no se presentó una separación de fases (sólida-líquida) lo suficientemente acentuada como para permitir su evaluación por separado. Se recomienda por lo tanto el manejo del lodo como un solo material.
Aspectos bacteriológicos y parasitológicos: El Cuadro 4 resume los resultados de la prueba de coliformes
fecales realizada a los materiales de carga y al material de salida de los biodigestores para cada tratamiento. El material con mayor carga de coliformes fue la gallinaza, pues se trata de excremento puro con un elevado contenido de humedad. La cama de pollos resultó con la menor carga de coliformes debido a que es un material más seco. El inóculo presentó una carga intermedia.

En cuanto a los tratamientos, se observó mayor reducción en el número de coliformes en la gallinaza (de 3,5 x 108 NMP/g a 2 x 10^-1 NMP/g).
En el Cuadro 5 se presentan los resultados del análisis bacteriológico. Se detectó presencia de Escherichia coli,
Enterobacter cloacae, Proteus mirabilis, Proteus vulgaris,y Klebsiella sp. (pertenecientes a la familia
Enterobacteriaceae ). La ausencia de Klebsiella sp. en las muestras de entrada probablemente resultó de una inhibición en su crecimiento por parte de las otras bacterias presentes que son altamente invasivas, como Proteus. Las bacterias del género Proteus aparecieron asociadas a las excretas de aves, mientras que Escherichia yEnterobacter se observaron solamente en el inóculo. Al finalizar el proceso Proteus apareció solamente en la combinación. Klebsiella se encontró en las muestras provenientes de cama de pollos y combinación, por lo que podría suponerse asociada a la cama de pollos. Estos resultados pueden ser considerados solamente como indicadores preliminares, ya que el número de muestras analizadas fue muy reducido. Se recomienda realizar un estudio detallado de este aspecto, incluyendo evaluaciones de bacterias pertenecientes a otros grupos. La evaluación de Salmonella resultó negativa en los materiales iniciales, por lo tanto, no se realizó en los tratamientos.
El Cuadro 6 resume los resultados del análisis parasitológico. Se observó presencia de ácaros y huevos de
Ascaridia galli y Trichostrongylus tenuis en la muestra de gallinaza. No se encontraron huevos de parásitos en las
muestras de cama de pollos e inóculo. Estas muestras fueron refrigeradas antes de su evaluación, lo cual pudo haber afectado la observación de los huevos.

En las muestras de salida se encontraron huevos de Heterakis gallinarum y Eimeria sp., que no se observaron en las muestras de entrada. Heterakis gallinarum se detectó en los tres tratamientos, mientras que Eimeria sp. apareció solamente en gallinaza y combinación. De ello podríamos deducir que Heterakis gallinarum estuvo asociado tanto a gallinaza como a cama de pollos, mientras que Eimeria sp. provino de la gallinaza. El elevado número de huevos de Eimeria sp. indica una carga pesada y un alto riesgo de coccidiosis en el lugar donde se tomaron las muestras (Faría com.pers.1999).
Por otro lado, se observaron huevos de Ascaridia galli en la cama de pollos aunque no se detectó en la muestra inicial. Igual sucedió con la presencia de ácaros. En el caso de los huevos de Trichostrongylus tenuis, estos
aparecieron asociados a la gallinaza y no resultaron afectados por el proceso anaerobio. La presencia de huevos viables de parásitos en las muestras de salida indica que el proceso anaerobio no tuvo efectos de control sobre este parámetro. Los resultados de la evaluación bacteriológica y parasitológica coincidió con los reportados por Carrington et al. (1991), quienes evaluaron la destrucción de bacterias fecales, enterovirus y huevos de parásitos en lodos de aguas residuales domésticas tratados con biodigestión anaerobia tipo batch. Se observó una reducción en los coliformes fecales y en los enterovirus, mas no se encontraron efectos de control sobre la viabilidad de los huevos de los parásitos presentes en el material de carga, a menos que se realizara algún tratamiento adicional.

CONCLUSIONES
La biodigestión anaerobia en un sistema discontinuo (batch) es un método para el tratamiento de gallinaza, cama de pollos y combinaciones de estos materiales, aplicable cuando elobjetivo que se persigue es la estabilización del material. La producción de biogas obtenida para los tratamientosevaluados en el presente trabajo es inferior a la reportada por otros autores para materiales de carga similares, debido a las diferencias en los parámetros de funcionamiento de los sistemas empleados, principalmente concentración de sólidos en el biodigestor y funcionamiento hidráulico. La gallinaza pura se degrada con mayor velocidad que la cama de pollos o la combinación de materiales aunque éstas presenten una producción de biogas ligeramente superior.
Esto influye directamente en los tiempos de retención y por tanto, en el volumen de diseño de sistema de tratamiento.
La adición de materiales vegetales a las excretas favorece la producción de biogas.
El sistema de tratamiento anaerobio tipo batch permite una reducción en el contenido de diversos elementos disueltos en el material favoreciendo su transformación a formas no solubles. Estas reducciones fueron mayores en el tratamiento con gallinaza pura, por lo que podemos decir que están asociadas a la degradabilidad del material. Los tratamientos evaluados no presentaron diferencias significativas en sus características químicas, excepto para el contenido de nitrógeno amoniacal, nitrógeno orgánico y hierro. De acuerdo con el contenido de nitrógeno amoniacal, el bioabono más rico proveniene de la gallinaza pura.
El sistema de tratamiento anaerobio tipo batch ejerce un control limitado sobre las bacterias del grupo
Enterobacteriaceae, pero se desconoce el grado de control sobre bacterias pertenecientes a otros grupos que pudieran ser potencialmente patógenas.
El sistema de tratamiento anaerobio tipo batch no ejerce control sobre los huevos de parásitos presentes en los
materiales de carga evaluados, por lo que es urgente estudiar mecanismos para controlar este parámetro, y establecer recomendaciones de uso orientadas a disminuir los riesgos potenciales en el manejo del bioabono.

RECOMENDACIONES
Realizar nuevas evaluaciones para confirmar los valores de producción de biogas obtenidos en este ensayo y desarrollar procedimientos para mejorarla.
Realizar estudios más amplios sobre las características químicas y biológicas del bioabono y sus efectos sobre
suelos y plantas. Profundizar en los estudios de los aspectos bacteriológicos y parasitológicos del proceso anaerobio. Establecer mecanismos para el control de bacterias y parásitos en el bioabono.
Evaluar alternativas para la utilización del bioabono, con la finalidad de reducir los riesgos potenciales a la salud
humana y animal.

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