Obtención de fertilizantes líquidos a partir de material bioestabilizado

Resum

El uso de fertilizantes minerales en la agricultura se ha visto incrementado para suplir la demanda alimenticia planetaria, que cada vez es mayor. Esto ha provocado que la salinidad del suelo agrícola aumente, la asimilación de nutrientes por parte de las plantas haya disminuido y las materias primas utilizadas se estén mermando de tal manera que la producción de los fertilizantes esté en riesgo. En la actualidad, para superar algunos de los inconvenientes de estos fertilizantes, se están empleando fertilizantes de base orgánica basados en la incorporación de residuos de cultivos, estiércol u otras biomasas. Por tanto, el desarrollo de fertilizantes orgánicos no dependientes de fuentes minerales no renovables o procesos intensivos en energía y basados en el uso de materiales orgánicos renovables es un avance significativo hacia la economía circular que reincorpora los materiales de desecho al ciclo de producción. Los productos obtenidos a partir del compostaje de la fracción orgánica de los residuos municipales mezclados son una fuente potencial de carbono orgánico y nutrientes. En la Unión Europa se producen aproximadamente 250 Mt de residuos domésticos mezclados anualmente. Las plantas de tratamiento mecánico-biológico recuperan la fracción orgánica de estos residuos y la compostan con el fin de obtener un material bioestabilizado. Dicho material es un producto de baja calidad, debido al alto contenido en impurezas que se pueden encontrar en la fracción orgánica utilizada. Por eso, la Unión Europea está restringiendo su uso en la agricultura como fertilizante orgánico sólido, lo cual ha provocado un importante excedente de este residuo que puede acabar depositado en vertederos. La Unión Europea se ha propuesto como objetivo que, en 2035, la cantidad de residuos domésticos depositados en vertederos sea menor del 10% de los residuos totales generados (Directiva (UE) 2018/580). Esto genera la necesidad de desarrollar procesos de valorización del material bioestabilizado para obtener productos de alto valor añadido. Entre ellas, se incluye el aprovechamiento agronómico de este residuo para la obtención de fertilizantes orgánicos. Considerando todo lo anterior, el objetivo de la presente Tesis Doctoral es analizar tecnologías viables que permitan recuperar carbono orgánico y nutrientes a partir de los productos del compostaje de la fracción orgánica de los residuos mezclados con el fin de obtener fertilizantes de base orgánica sostenibles. En el desarrollo se tendrán en cuenta (i) criterios técnicos, considerando los parámetros marcados por el Reglamento Europeo (UE) 2019/1009 en cuanto a composición de los productos fertilizantes, (ii) criterios económicos, comprobando si las alternativas cumplen con una relación coste-beneficio competitiva en el mercado actual y (iii) criterios ambientales, analizando las emisiones generadas en el proceso de recuperación de nutrientes y el consumo de recursos materiales y energéticos. En primer lugar, se realizó la caracterización del material bioestabilizado y del rechazo de compostaje para determinar si su composición de nutrientes es adecuada y se puede plantear su valorización mediante la recuperación de los estos compuestos de interés agronómico. A continuación, se planteó la recuperación de nutrientes mediante extracción a partir del material bioestabilizado, usando un método de extracción convencional y asistido con microondas. Para ambas tecnologías se analizaron diferentes tipos de solventes (agua, solvente alcalino y solvente ácido). El proceso de producción de fertilizantes utilizando agua como solvente necesita de dos etapas, una de extracción y otra de concentración de los extractos líquidos para que el fertilizante líquido obtenido cumpla con la Regulación (UE) 2019/1009 en cuanto a composición de carbono orgánico y nutrientes, sin superar el contenido de metales pesados. Comparando las tecnologías de extracción, se ha podido comprobar que se puede reducir considerablemente el tiempo de operación al utilizar la extracción asistida con microondas frente a la tecnología convencional y que en el caso de la extracción asistida con microondas es necesario reducir el tamaño de la materia prima sólida antes de realizar la extracción para conseguir una mayor homogeneidad de la temperatura dentro del reactor y mejorar el rendimiento de la extracción de nutrientes. En el caso de utilizar la extracción convencional, las condiciones de operación más favorables fueron: relación S/L: 40% m/v, tiempo: 24 h, temperatura: 45 °C, agitación: 200 rpm, relación de concentración: 1/10. Por otra parte, en el caso de la extracción asistida con microondas, las condiciones de operación seleccionadas fueron: relación S/L: 40% m/v, tiempo: 2,5 minutos, temperatura: 80 °C, sólido molido (dp < 0,5 mm), relación de concentración: 1/8. La extracción de nutrientes con solventes alcalinos no requiere de una etapa posterior de concentración para cumplir con los límites establecidos por el Reglamento 2019/1009 en cuanto a carbono orgánico y nutrientes. Las condiciones de operación de la etapa de extracción fueron optimizadas a través de metodología de diseño de experimentos. En el caso de la extracción convencional, las condiciones óptimas de operación establecidas fueron las siguientes: relación S/L: 40% m/v, concentración del KOH: 1 M, tiempo: 72 h, temperatura: 45 °C y agitación: 200 rpm. En el caso de la extracción asistida con microondas, las condiciones óptimas de operación fueron: relación S/L: 30% m/v, molaridad del KOH: 0,87 M, tiempo: 5 minutos, temperatura: 157 °C y sólido molido (dp < 0,5 mm). La extracción con solventes ácidos se centró en recuperar fósforo del material bioestabilizado mediante la obtención de extractos que posteriormente pudieran ser precipitado en forma de estruvita (NH4MgPO4·6H2O). Se emplearon como solventes tanto ácidos inorgánicos (sulfúrico y nítrico) como orgánicos (oxálico y cítrico) y se analizó la influencia de la temperatura, el tiempo y la concentración del solvente en el rendimiento de extracción de fósforo. Los resultados experimentales demuestran que la temperatura de extracción más favorable fue de 30 °C y se demostró que, aunque el uso de ácido sulfúrico 0,5 M proporcionó un mayor rendimiento de extracción (94,2%), el uso de ácido oxálico a 0,1 M es la mejor opción para maximizar la recuperación de fósforo, minimizando, a su vez, la extracción de metales pesados, alcanzado una concentración de 2,5 g/kg de fósforo en el extracto obtenido. Por otra parte, los resultados experimentales de extracción de fósforo se ajustaron a un modelo cinético de extracción de segundo orden, obteniéndose en todos los casos coeficientes de correlación elevados (R2 > 0,99) y alcanzándose la concentración de equilibrio en un tiempo de extracción de 8 h. El estudio económico preliminar del proceso de extracción ácida muestra que el precio de venta estimado de la estruvita que podría obtenerse en el proceso no es competitivo. Los resultados más favorables se obtuvieron utilizando ácido sulfúrico 0,5 M, siendo el coste total de la inversión de 130000 € y un precio mínimo de venta del fertilizante sólido (estruvita) de 4,96 €/kg. Finalmente, se ha evaluado la viabilidad económica y ambiental de una planta con una capacidad de tratamiento de 300kg/h de material bioestabilizado con un 25% de humedad para la producción de fertilizantes líquidos, comparando los procesos de extracción convencional y la extracción asistida con microondas utilizando agua y solventes alcalinos. A través de los balances de materia se ha demostrado que la producción de fertilizantes utilizando solventes alcalinos es diez veces mayor que cuando se emplea agua debido a que esta extracción requiere de una etapa de concentración. Esto repercute directamente en el precio mínimo de venta, ya que los fertilizantes obtenidos en condiciones alcalinas tendrían un precio de venta menor. Por otro lado, respecto a las tecnologías de extracción, el coste total de inversión de la tecnología de microondas es superior en comparación con la tecnología convencional debido a que el coste del reactor microondas es mayor que el coste del tanque de agitación necesario para la extracción convencional, si bien los tiempos de operación requeridos se acortan de forma significativa. Respecto a la evaluación ambiental, los indicadores muestran que cuando la extracción se lleva a cabo con agua el impacto producido por cantidad de fertilizante obtenido es superior que cuando se usa el solvente alcalino, debido, principalmente, a la etapa de concentración del extracto líquido debido a la etapa de concentración necesaria en el proceso que utiliza agua como solvente. Comparando las tecnologías de extracción, se demuestra que la extracción asistida con microondas presenta un consumo de agua menor que la extracción convencional, pero un mayor consumo energético. En vista de los resultados obtenidos en el estudio económico y ambiental, el mejor escenario y, por tanto, el más favorable para realizar el escalado a planta industrial, es el de extracción convencional con solvente alcalino con un coste de la inversión de 1,4 M€ y un precio de venta mínimo del producto fertilizante de 0,7 €/L.