Manejo de estiércol y cavitación
¿Qué midieron los estudios al aplicar cavitación hidrodinámica a lodos, y al tratar estiércol líquido almacenado para reducir los gases de olor?
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Cómo la cavitación hidrodinámica desintegra el lodo
La cavitación hidrodinámica es un pretratamiento mecánico: desintegra los sólidos para que una etapa biológica posterior pueda digerirlos. Se ha estudiado sobre todo en lodos de aguas residuales, y se ha propuesto para el estiércol líquido (purines) antes de la digestión anaeróbica.
El mecanismo es la presión. Cuando un líquido pasa por un estrechamiento, como un venturi o una placa de orificio, su presión local baja, se forman pequeñas cavidades de vapor y estas colapsan violentamente cuando la presión se recupera. El colapso produce ondas de choque y fuerzas de cizallamiento capaces de romper las paredes celulares bacterianas y desintegrar los flóculos de lodo, lo que libera materia orgánica intracelular en el líquido Mancuso et al., 2020.
Solubilización y potencial de biogás
Al desintegrar las partículas, la materia orgánica pasa de la fase sólida a la solución. Eso se refleja en un aumento de la demanda química de oxígeno soluble (DQOs), la fracción disuelta de la demanda química de oxígeno (DQO). La cavitación también convierte algunos compuestos biorrefractarios, que los microorganismos digieren con dificultad, en formas más biodegradables.
En estudios con lodos activados, el pretratamiento con cavitación mejoró la solubilización y la biodegradabilidad del lodo, y en eso se basa la expectativa de una producción de biogás más rápida en una etapa de digestión posterior Mancuso et al., 2017. El estudio de chorro en remolino midió la biodegradabilidad aeróbica de lodos activados; esta lección no informa rendimientos de biogás de digestores con estiércol. La lección sobre biogás y biometano trata la digestión con más detalle.
Gases de olor: lo que midió un estudio con nanopartículas
Las únicas mediciones de gases de estiércol de esta lección provienen de nanopartículas, no de cavitación ni de nanoburbujas. Se incluyen porque muestran lo que se ha medido en estiércol almacenado, y no se trasladan a otras tecnologías.
En estiércol lechero líquido almacenado en condiciones anaeróbicas, los tratamientos con nanopartículas redujeron la producción total de gas entre un 92 % y un 95 %. Las concentraciones de sulfuro de hidrógeno (H₂S) bajaron entre un 48,98 % y un 99,75 %, y las de metano (CH₄) más de un 99 %, en las muestras tratadas Sarker et al., 2019.
Los autores vincularon las reducciones con un pH más alto, que limita la acumulación de ácidos grasos volátiles (AGV), y con la supresión de las bacterias productoras de metano y reductoras de azufre Sarker et al., 2019. Un tratamiento que suprime los metanógenos durante el almacenamiento va en contra del objetivo de un digestor posterior, que depende de ellos, por lo que habría que sopesar un uso frente al otro.
Reducciones bacterianas informadas para la cavitación
Las revisiones sobre cavitación hidrodinámica informan recuentos bacterianos más bajos en agua y efluentes de aguas residuales tratados, incluido E. coli Mancuso et al., 2020; Sun et al., 2020.
Se describen dos mecanismos. Las cavidades que colapsan crean puntos calientes localizados de alta temperatura y presión, y generan radicales hidroxilo (•OH) que reaccionan con los componentes celulares; el cizallamiento y las ondas de choque también pueden romper las membranas celulares. Esta lección no da cifras de reducción para el estiércol, cuyas condiciones difieren de las del agua limpia.
Qué significa en la práctica
Los hallazgos sobre cavitación provienen de lodos de aguas residuales y de agua, y los hallazgos sobre gases, de un estudio con nanopartículas. Un establecimiento ganadero u operador de digestor que evalúe la cavitación hidrodinámica para purines haría una prueba de banco o piloto con su propio estiércol antes de sacar conclusiones, y mantendría vigentes sus normas de manejo de estiércol y de bioseguridad.
Mediciones útiles antes y después del tratamiento:
- Solubilización: DQO total y DQOs, para ver cuánta materia orgánica pasó a la solución.
- Biogás: volumen de gas y contenido de metano de un digestor o de una prueba de laboratorio de potencial de biogás con purines tratados y sin tratar.
- Química del almacenamiento: pH y AGV, y H₂S y metano en el espacio de cabeza del depósito.
- Bacterias: recuentos de E. coli en muestras tratadas y sin tratar, tomadas el mismo día.
- Energía: la energía eléctrica que usa la unidad de cavitación por metro cúbico tratado, para poder comparar cualquier beneficio con su costo.
Límites y preguntas abiertas
- La evidencia sobre cavitación de esta lección proviene de lodos activados, agua y efluentes, en buena parte a través de revisiones. No informa ningún estudio que haya aplicado nanoburbujas a estiércol de ganado; los estudios de cavitación en estiércol bovino y residuos de establecimientos lecheros se resumen en Cavitación hidrodinámica en agricultura y alimentos.
- Las reducciones de gases provinieron de aditivos de nanopartículas, no de nanoburbujas ni de cavitación, y no deben leerse como resultados de ninguna de las dos.
- La reducción de metano de más del 99 % se midió en muestras de estiércol almacenado en condiciones anaeróbicas; no es una cifra de emisiones de un establecimiento.
- El estudio de chorro en remolino midió la biodegradabilidad aeróbica de lodos activados, no el rendimiento de biogás a partir de estiércol.
- Las reducciones bacterianas por cavitación se informan aquí sin cifras y sin datos en estiércol.
Preguntas
¿Aumenta la cavitación hidrodinámica el biogás a partir de estiércol?
En estudios con lodos activados, el pretratamiento con cavitación mejoró la solubilización y la biodegradabilidad, y por eso se espera una producción de biogás más rápida en una digestión posterior. Esta lección no tiene cifras de rendimiento de digestores con estiércol, así que una prueba de potencial de biogás con los propios purines es la forma de averiguarlo.
¿Reducen las nanoburbujas el sulfuro de hidrógeno en el estiércol almacenado?
Las reducciones de sulfuro de hidrógeno informadas aquí, del 48,98 % al 99,75 %, provinieron de tratamientos con nanopartículas de estiércol lechero líquido almacenado en condiciones anaeróbicas, no de nanoburbujas ni de cavitación. Ningún estudio citado midió el sulfuro de hidrógeno tras tratar estiércol con nanoburbujas, así que la pregunta sigue abierta.
¿Reduce la cavitación E. coli en el estiércol?
Las revisiones informan recuentos bacterianos más bajos, incluido E. coli, en agua y efluentes tratados con cavitación hidrodinámica, por puntos calientes, cizallamiento y radicales hidroxilo. Esta lección no aporta datos en estiércol, así que un sitio necesitaría recuentos antes y después, y mantendría sus normas habituales de manejo de estiércol.
Referencias
- Mancuso, G., Langone, M., Andreottola, G. (2020). A critical review of the current technologies in wastewater treatment plants by using hydrodynamic cavitation process: principles and applications. Journal of Environmental Health Science and Engineering, 18, 311-333. https://doi.org/10.1007/s40201-020-00444-5 ↩
- Mancuso, G., Langone, M., Andreottola, G. (2017). A swirling jet-induced cavitation to increase activated sludge solubilisation and aerobic sludge biodegradability. Ultrasonics Sonochemistry, 35, 489-501. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2016.11.006 ↩
- Sarker, N. C., Rahman, S., Borhan, M. S., et al. (2019). Nanoparticles in mitigating gaseous emissions from liquid dairy manure stored under anaerobic condition. Journal of Environmental Sciences, 76, 26-36. https://doi.org/10.1016/j.jes.2018.03.014 ↩
- Sun, X., Liu, J., Ji, L., et al. (2020). A review on hydrodynamic cavitation disinfection: The current state of knowledge. Science of The Total Environment, 737, 139606. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.139606 ↩