Mejora de la gestión de purines en granja de porcino y su impacto ambiental

Abstract

Intensification of the livestock sector has improved the production efficiency and reduced economic costs, but the environmental risk derived from the generation of vast amounts of animal waste and slurries in relatively small areas has been increased. These facts suggest both, the need of knowing the amount of pig slurry produced in specific areas and the assessment of the excess of pig slurry, which may need alternatives for treatment and recycling. In this sense, the research of this work was focused on the study of the pig farming sector in the Region of Murcia, the integration and the assessment of the technological requirements of composting as a treatment technology at farm level and the evaluation of the pig slurry treatment systems under real farm conditions. During the first stage of the research, the distribution of the pig production sector in Murcia and the characteristics of the different pig slurries were determined in 18 farms located in the highest slurry production area within the nitrate-vulnerable zone in the Region of Murcia (Spain). The analysis of the local data showed that Murcia is one of the zones with highest concentration of pig farms in Spain, with a limited spatial distribution of the farms in the Region, where more than 50% of the total pig slurry production is located in the municipalities of Lorca and Fuente Álamo. The most common use of pig slurry in Murcia is the agricultural application to soils as a fertiliser, after the adequate storage in open-air tanks. But two main constraints have been identified for the agricultural use of pig slurry: the excess of pig slurry production with respect to the land available for its agricultural use; and the localization of numerous farms within the limits of the vulnerable zone to nitrates contamination. In order to define the composting methodology for pig slurry treatment, including the solid-liquid separation and the selection of the bulking agent material as pre-treatments, two assays were carried out at laboratory and pilot scale. The pig slurry treatment technology was then established in a farm of sows and piglets equipped with a mechanical solid/liquid separation system, where the efficiency of the treatment system and the integration of the composting technology were evaluated. Then, two composting systems using the solid fraction of pig slurry obtained with different methodology (with and without storage) and two different bulking agents (cereal straw and cotton gin waste) were set up in the farm. The results obtained have shown that both the procedure to obtain the solid fraction of pig slurry and the characteristics of the bulking agent play an important role in the evolution of the composting process and in the quality of the compost. The results demonstrated that composting of the solid phase of pig slurry can be an efficient way to manage this waste with a high recovery of nutrients and organic matter for soil application outside the farm. The main environmental implications of the composting technology were evaluated in the farm. The study of greenhouse gas emission (CO2, CH4 and N2O) from the composting pile revealed the influence of the composting methodology and management of the pile in the dynamics of each gas emission. For the studied farm, 4 manure management scenarios have been evaluated according to the IPCC, which showed that the composting treatment system could be a mitigation strategy for GHG emissions in comparison with the slurry storage in open-air tanks. Also, the environmental risk associated with the high concentration of Cu and Zn of the solid fraction of slurries derived from piglets and then concentrated in the compost was evaluated. The distribution of total and soluble concentrations of these metals in the different particle size of the compost showed that their solubility was reduced during composting and therefore their potential phytotoxic effects. The evaluation of the composting technology at the farm level was completed in the following aspects: agronomical, through the balance of the main nutrients (N, P, K); environmental by the estimation of the global warming potential and the acidification potential; energetic, by means of the balance of electrical, thermic and fuel energy; economical, through the incomes and expenses balance; social impact with respect to job creation, noise and smells of the installation; and biosecurity, through the analysis of microbial pathogens. The use of the pig slurry compost as a component of growth media for non-food crops was hypothesized as a different alternative to the agricultural use as a fertilizer. Then, an experiment was developed to determine the advantages of using biochar or coir as mixing agents to produce acceptable growth media from pig slurry composts. To reach this objective, the effects of the mixing agents on the physical and chemical characteristics of the growth media – focusing on the pollutants Cu and Zn, which were abundant in the pig slurry compost, and on the gaseous emissions – were studied. The beneficial effect of the mixing agents on substrate production was tested on the seedling growth of two plant species, milk thistle and sunflower, which can be used for non-food purposes such as soil remediation and energy production. Toxic effects appeared in plants grown in substrates prepared with compost at proportions greater than 20 %; whilst at low rate (up to 20 %) the beneficial effects were associated to the nutrients (N, P and K) supplied by the compost to the crops. The results showed that biochar was more adequate than coir for the preparation of substrates with pig slurry compost, enabling seed germination and plant growth by decreasing the EC and available Cu and Zn contents, hence limiting phytotoxic effects, whilst also reducing CO2, NO and VOC emissions.

La intensificación del sector ganadero ha mejorado la eficiencia de producción y ha reducido los costes económicos, pero ha aumentado el riesgo ambiental derivado de la generación de grandes cantidades de estiércoles y purines en áreas relativamente pequeñas. Estos hechos sugieren tanto la necesidad de conocer la cantidad de purín de cerdo producida en áreas específicas, como la evaluación de las posibles alternativas para el necesario tratamiento y reciclado del exceso de purín generado. En este sentido, este trabajo se ha centrado en el estudio del sector porcino en la Región de Murcia, la integración y la evaluación de los requerimientos tecnológicos del compostaje como tecnología de tratamiento a nivel de explotación, y la evaluación de los sistemas de tratamiento de purín trabajando en condiciones reales de granja. Durante la primera fase de la investigación se determinó la distribución del sector porcino en Murcia, y las características del purín de cerdo en 18 explotaciones ubicadas en la zona de mayor producción porcina en una zona vulnerable a la contaminación por nitratos de la Región de Murcia. El análisis de los datos locales mostró que Murcia es una de las zonas con mayor concentración de explotaciones porcinas en España, con una distribución espacial limitada, donde más del 50% de la producción total se localiza en los municipios de Lorca y Fuente Álamo. El uso más común del purín de cerdo en Murcia es la aplicación agrícola al suelo como material fertilizante, tras su adecuado almacenamiento en balsas al aire libre. Sin embargo, se han identificado dos limitaciones principales para el uso agrícola del purín: su exceso de producción con respecto al suelo disponible para su uso agrícola; y la localización de muchas granjas dentro de los límites de la zona vulnerable a la contaminación por nitratos. Con el fin de definir la metodología de compostaje para el tratamiento del purín de cerdo, incluyendo pretratamientos como la separación sólido-líquido y la selección del material que actué como agente estructurante, se realizaron dos ensayos a escala de laboratorio y piloto. La tecnología de tratamiento del purín se estableció en una granja de cría, con cerdas y lechones, equipada con un sistema mecánico de separación sólido-líquido, en la que se evaluó la eficiencia del sistema de tratamiento y se llevó a cabo la integración de la tecnología de compostaje. A continuación, en la explotación se establecieron dos sistemas de compostaje utilizando la fracción sólida de purín de cerdo obtenida con diferente procedimiento (almacenado y no almacenado) y dos agentes estructurantes diferentes (paja de cereal y residuo de desmotado de algodón). Los resultados obtenidos han demostrado que tanto el procedimiento para obtener la fracción sólida de purín de cerdo como las características del agente estructurante desempeñan un papel importante en la evolución del proceso de compostaje y en la calidad del compost. Los resultados demostraron que el compostaje de la fase sólida de purín de cerdo puede ser una técnica eficiente de gestionar estos residuos con una alta recuperación de nutrientes y materia orgánica para la aplicación al suelo como un material fertilizante. Las principales implicaciones ambientales de la tecnología de compostaje se evaluaron en la granja seleccionada. El estudio de las emisiones de gases de efecto invernadero (CO2, CH4 y N2O) en la pila de compostaje reveló la influencia de la metodología de compostaje y la gestión de la pila en la dinámica de emisión de cada gas. Para la finca estudiada, se evaluaron 4 escenarios de manejo de estiércol según la IPCC. Así, se demostró que el sistema de tratamiento de compostaje puede ser una estrategia efectiva de mitigación de emisiones de GEI en comparación con el almacenamiento de purines en balsas al aire libre. También se evaluó el riesgo ambiental asociado a la alta concentración de Cu y Zn de la fracción sólida de purín derivado de lechones que posteriormente se concentra aún más en el compost. La distribución de la concentración total y la fracción soluble de estos metales en los diferentes tamaños de partícula del compost mostraron que su solubilidad se redujo durante el compostaje y por lo tanto sus posibles efectos fitotóxicos. La evaluación de la tecnología de compostaje a nivel de granja se completó en los siguientes aspectos: agronómico, a través del balance de los principales nutrientes (N, P, K); ambiental, mediante la estimación del potencial de calentamiento global y el potencial de acidificación; energético, realizando el balance de energía eléctrica, térmica y de combustible; económico, a través del balance de ingresos y gastos; impacto social, con respecto a la creación de empleo, los ruidos y los olores de la instalación; y bioseguridad, mediante la determinación de microorganismos patógenos. El uso del compost de purín de cerdo como componente de sustrato de cultivo para plantas de uso no alimentario se planteó como una alternativa diferente del uso agrícola como fertilizante. Así, se desarrolló un experimento para determinar las ventajas de usar biochar o fibra de coco como componente adicional para la preparación de medios de cultivo a partir de compost de purín de cerdo. Para alcanzar este objetivo, se estudiaron los efectos del biochar o de la fibra de coco sobre las características físicas y químicas de los medios de cultivo, y especialmente en los contaminantes Cu y Zn, abundantes en el compost, y en las emisiones gaseosas. El efecto beneficioso de ambos materiales para la producción de sustratos se ensayó en un experimento de invernadero para el crecimiento de plántulas de dos especies vegetales, cardo mariano y girasol, que pueden utilizarse para fines no alimentarios tales como fitorecuperación de suelos contaminados y producción de energía. En plantas cultivadas en sustratos preparados con compost en proporciones superiores al 20 % aparecieron efectos tóxicos, mientras que a una proporción baja (< 20 %) los efectos fueron beneficiosos y se asociaron a los nutrientes (N, P y K) suministrados por el compost a los cultivos. Los resultados mostraron que el biochar era más adecuado que la fibra de coco para la preparación de sustratos con compost de purín, favoreciendo la germinación y el crecimiento de las plantas, y disminuyendo la conductividad eléctrica y las concentraciones de Cu y Zn en formas disponibles del sustrato, limitando así sus efectos fitotóxicos y reduciendo las emisiones de CO2, NO y COVs.