Departamento de Ingeniería Química, Tecnología de Alimentos y Tecnologías del Medio Ambiente. Universidad de Cádiz TESIS DOCTORAL

Transcripción

1 Departamento de Ingeniería Química, Tecnología de Alimentos y Tecnologías del Medio Ambiente Universidad de Cádiz TESIS DOCTORAL CARACTERIZACIÓN CINÉTICA DE LA DEGRADACIÓN ANAEROBIA TERMOFÍLICA SECA DE LA FORSU. EFECTO DE DIFERENTES PRETRATAMIENTOS SOBRE LA BIODEGRADABILIDAD DEL RESIDUO. Luis Alberto Fernández Güelfo Cádiz, Marzo de 2008

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3 Caracterización cinética de la degradación anaerobia termofílica seca de la FORSU. Efecto de diferentes pretratamientos sobre la biodegradabilidad del residuo. Memoria presentada por el Ingeniero Químico D. Luis Alberto Fernández Güelfo para optar al grado de Doctor por la Universidad de Cádiz. Fdo.: Luis Alberto Fernández Güelfo Cádiz, Marzo de 2008 La presente tesis doctoral ha sido dirigida por los doctores D. Diego Sales Márquez, Catedrático del Área de Tecnologías del Medio Ambiente y D. Luis Isidoro Romero García, Profesor Titular del Área de Ingeniería Química y cumple los requisitos exigidos por la legislación vigente. LOS DIRECTORES: Fdo.: D. Diego Sales Márquez Fdo.: D. Luis Isidoro Romero García Vº Bº Fdo.: D. José María Quiroga Alonso Director del Departamento de Ingeniería Química, Tecnología de Alimentos y Tecnologías del Medio Ambiente Universidad de Cádiz

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5 AGRADECIMIENTOS Realmente, y a pesar de mi afición por la escritura, quiero dejar patente los innumerables dilémicos instantes de interrogación, en los que divagaba sobre consumar o no este pequeño momento de redacción. A lo mejor, por mi formación científica e ingenieril, tantas veces estuve tentado por ser sintético y práctico y sustituir diez al cubo palabras por una imagen de grupo y rematarla simplemente con gracias. Sin embargo, puestos a contar, caí en la cuenta de que una imagen rebosante de color realmente brilla descolorida, y aunque luce bastante siendo delgada, alegre e incluso la más grande reducida, sólo es el recuerdo de la moda y de tocados que se ven todos los días. Así, acabo de decidirme y continuo redactando este epígrafe embrionario que típicamente engalana el comienzo de cualquier tesitura. Sin embargo, mis manos se inclinan por no plagiar comentarios gratificantes protegidos por derechos de autor, que aún así se repiten una y otra vez, para viciarme con otro tipo de adulaciones. Querido leyente, deseo que las frases siguientes sean conmemoraciones a cinco años de objetivos, de amistad y a cinco años respirando una atmósfera que hasta entonces creía enferma terminal. Y no me estoy refiriendo al carismático aroma de los Residuos Sólidos Urbanos, sino a la fragancia sutil y elegante de un conjunto de individuos que ha pasado a ser mi hermano. Desde El Rector hasta el Último Becario, gracias por amenizar mi ambiente de trabajo sin pedir nada a cambio y obsequiarme, a lo mejor sin daros cuenta, con un aliciente diario. Sobre todo cuando mi única motivación era escalar el Monte Calvario y crucificarme ante aquellos ensayos que no salían y que aún hoy llevo de escapulario. (Gracias) 2 a los que confiaron en mí y me brindaron la oportunidad, Luigy y Diego, si he llegado a cavilar esta parrafada es por vosotros; gracias a quienes desconfiaron a primera vista y cambiaron de opinión a la segunda, Pera y Jordi, al final hablamos el mismo idioma; gracias a la paciencia de quienes me explicaron como adelantar cuando una L reflectante pincelaba mi bata, Blanca y Rosa, deberíais montar una autoescuela; gracias a las psicólogas pluriempleadas que me trataron el síndrome Pre-Doctoritis, Charo y Montse, cuando salgo a caminar sigo notando un desequilibrio ; gracias a quien jamás pronunció no puedo, Carlos, deberte una es de vergüenza; gracias a quien supo compartir su cama conmigo dejando intacta mi virilidad, Liñe, Dr. Honoris Causa en Ingeniería Rosa y fundador del Triunvirato Carabela; gracias por ser de padres diferentes y aún así compartir mi genética portuense, Pupi, ADN de buitre-fenotipo de palomita impúdica; gracias por enseñarme que el tiempo es más preciado que el oro, Chema, eternamente me subiré la cremallera andando; gracias por vuestros gestos inválidos de infelicidad, Loli y Manzano, una buena filosofía de vida; gracias por desvirgarme dulcemente la docencia, Selu, a pesar de mi gratificante experiencia sigue habiendo Suelos Contaminados; gracias por ser diferente sin olvidar el concepto de buena gente, Enrique, aunque pierda el apetito siempre me rondarán los gases. Llegado a este punto, claramente puedo ver como pasa la ocasión y esquivar piropearla, pero sería un desperdicio tratándose, además, de una ocasión despampanante, reventona y como menos pa cargársela. Así que me la cargaré practicándole un sensual juicio, en la que cada imputado sea

6 AGRADECIMIENTOS un becario, y la acusación su propia definición de oficio. Así, podría romper el hielo para quedarme con nieve fina y encabezar la lista con mi amigo Txomin y su visera Valentina, con Libo y Yousseff y sus bolsitas de nicotina, con el arco iris multicolor de mi tierra Andalucía o con la doble vida del Lara en las pistas de salsa, merengue u otros ingredientes de cocina. Con la cara recién nacida del niño Jesús pero con pelos más allá de la barba, con el acento candente de Julia que a cualquier oído le encanta, con Juana por su afición tractora, campechana y agraria, con el fervor ibérico de un Mou de bellota Made in África y su video de literas haciendo el paria. Con la mirada en busca y captura de Santi y sus puntos de vista en los márgenes del texto, con la señorita Cruela De Ville que ha terminado adorando a un perro, con la Mirada Mayúscula de M y su comentario este sí que no lo entiendo, con Dani más seis cuerdas dactilares cuyos nombres seguimos desconociendo, con Forster y su kilométrica serie de posters en incesante crecimiento. Con Víctor y su mosca revoloteando, con Cristina y su cargante paseo desde el instituto andando, con Rocío y su inimitable humor de contrabando, con Asun y su capitanía potable, con Carmen y su lejanía que solo se alivia mediante el cable. Por los que ya no están porque estuvieron, pero que siguen estando: Abel, Álvaro, Anthony Slim, Barragán, Carlitos, Cristina Vanesa, InmaculadaS, La Pitbull, Lourdes, Natalia, Metales, Raúl y Mª Ángeles, por los ángeles del cielo. Por los nuevos y las nuevas: Dani, Eli, Esther, Isabel, Lojo, Pablo y Tânia, de los que carezco de pruebas, pero les aguardo un juicio rápido en el testamento previo a cuando me muera. Por los biofrutas y biodiscos de María, Rocío y La Blanca Paloma, que con su pan se la coman. Sincero agradecimiento a mis queridísimos fabricantes de datos: a los estrepitosos COT y Pronitros; a los calenturientos muflas y estufas de secado; a los meticulosos Titrator y cromatógrafos de gases; a los agitadores de la multitud; a los cuantificadores de protones solteros, a los inquietos reactivos ante quienes me quito el sombrero. Gracias a las calculadoras sin pilas y a cualquier equipo que tocasen mis dedos. Ya sintiendo como tiembla el telón justo antes de caída, voy cerrando con una comparación jocosa en forma de despedida, ya que si un diamante es para siempre, no deliro si veo en este departamento un escaparate con joyas humanas expertas en Medio Ambiente. Gracias a quien le deba un amnésico agradecimiento mórbido como el Hg sobre mi conciencia, porque a pesar de mi breve corpulencia, hoy derrocho gratitud a granel y ante un olvido, pido arrodillado clemencia. Y en el límite cuando x tiende a cero, (gracias/x) a mi familia por su constante preocupación y tesón ante los efectos colaterales de este trabajo de cuasi-ficción. Gracias al 25 de marzo y al 14 de febrero, gracias chiquilla por lo que tú y yo sabemos. A todos, merci por ser así.

7 Acrónimos ACR AGV ARU CA CD CID COD CE CEE CER DATS DQO DRANCO EDAR EDARU FISH FORSU HDPE INE LDPE LER MBT MEC MCyT OMS PCI PETE PNRU PP PS PVC RD ROF RODC RSU RU SEBAC SIG SF SFS ST STS SV SVD SVS TR THR TRS VCOC VCOCM VCONC VCO0 Asociación de Ciudades para el Reciclaje Ácidos Grasos Volátiles Aguas Residuales Urbanas Cáscara de Arroz Carbono Disuelto Carbono Inorgánico Disuelto Carbono Orgánico Disuelto Comunidad Europea Comunidad Económica Europea Catálogo Europeo de Residuos Digestión Anaerobia Termofílica Seca Demanda Química de Oxígeno Compostaje Anaerobio Seca (Dry Anaerobic Composting) Estación Depuradora de Aguas Residuales Estación Depuradora de Aguas Residuales Urbanas Hibridación Molecular In Situ (Fluorescent in situ hybridization) Fracción Orgánica de los Residuos Sólidos Urbanos Polietileno de alta densidad (High Density PoliEthylene) Instituto Nacional de Estadística Polietileno de baja densidad (Low Density PoliEthylene) Lista Europea de Residuos Tratamiento Mecánico Biológico (Mechanical-Biological Treatment) Ministerio de Educación y Ciencia Ministerio de Ciencia y Tecnología Organización Mundial de la Salud Poder Calorífico Inferior Polietileno tereftalato Plan Nacional de Residuos Urbanos Polipropileno Poliestireno Cloruro de Polivinilo Real Decreto Residuo Orgánico Fresco Residuo Orgánico Digerido de Cerdo Residuos Sólidos Urbanos Residuos Urbanos Compostaje Anaerobio Secuencial Discontinuo (Sequential Batch Anaerobic Composting) Sistema Integrado de Gestión Sólidos Fijos Sólidos Fijos en Suspensión Sólidos Totales Sólidos Totales en Suspensión Sólidos Volátiles Sólidos Volátiles Disueltos Sólidos Volátiles en Suspensión Tiempo de Retención Tiempo Hidráulico de Retención Tiempo de Retención de Sólidos Velocidad de Carga Orgánica Consumida Velocidad de Carga Orgánica Consumida Media Velocidad de Carga Orgánica No Consumida Velocidad de Carga Orgánica Inicial Alimentada Acr.-1

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9 ÍNDICE

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11 Índice CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS CAPÍTULO II. ANTECEDENTES GENERALES 1. PROBLEMÁTICA DE LOS RESIDUOS URBANOS...II Situación actual...ii Generación y tipología...ii Características de los RU domésticos o domiciliarios...ii Legislación y normativa...ii Gestión y tratamiento de RU...II Modelos de gestión de RU...II Instalaciones de gestión de RU domiciliarios...ii Tratamientos aplicables a los RU domiciliarios...ii DEGRADACIÓN ANAEROBIA DE LOS RSU...II Etapas de la degradación anaerobia de los RSU...II Hidrólisis...II Acidogénesis...II Acetogénesis...II Metanogénesis...II Variables de operación de la degradación anaerobia de RSU...II Temperatura...II Nutrientes e inhibidores...ii Carga orgánica y tiempo de retención...ii Tamaño de partícula...ii Grado de mezcla...ii Arranque de la digestión anaerobia seca...ii Tipo de inoculación...ii VARIABLES DE ESTADO Y CONTROL DEL PROCESO...II Efecto del ph...ii Efecto de la acidez volátil y de la alcalinidad...ii Efecto de la producción de biogás...ii.67 I

12 Índice 4. TECNOLOGÍAS PARA LA DEGRADACIÓN ANAEROBIA DE RSU... II Evolución de la biometanización en Europa... II Clasificación de sistemas anaerobios para el tratamiento de RSU... II Temperatura del proceso... II Contenido en sólidos... II Etapas del proceso... II Mezcla de residuos... II Configuración espacial de los reactores... II Sistema tipo SEBAC (Sequential Batch Anaerobic Composting)... II Generalidades... II Procedimiento de operación... II Microbiología y modelización del proceso... II Perspectivas actuales... II Tecnologías a escala industrial para el tratamiento de RSU... II Valorga... II DRANCO (Dry Anaerobic Composting)... II BRV... II Kompogas... II BTA... II CINÉTICA DE LA DEGRADACIÓN ANAEROBIA DE RSU... II Modelos generales de degradación anaerobia... II Modelo de Romero (1991)... II Procesos discontinuos... II Procesos estacionarios continuos... II Otros modelos aplicados a los RSU... II PRETRATAMIENTOS DE LA FORSU... II Pretratamiento de residuos complejos... II Pretratamientos físicos... II Pretratamientos mecánicos... II Pretratamiento térmico... II Pretratamiento con energía ultrasónica... II Pretratamiento Químico... II Pretratamiento Biológico... II Combinaciones de pretratamientos... II.118 II

13 Índice CAPÍTULO III. ESTUDIO SEMICONTINUO CON FORSU SINTÉTICA: DETERMINACIÓN DEL TRS MÍNIMO Y ÓPTIMO Y CARACTERIZACIÓN CINÉTICA DEL PROCESO 1. MATERIAL Y MÉTODOS...III Plan de trabajo...iii Obtención del inóculo...iii Puesta en marcha y estabilización del reactor semicontinuo...iii Determinación del TRS mínimo y óptimo...iii Caracterización cinética del proceso...iii Equipos empleados...iii Tecnología SEBAC para la obtención del inóculo...iii Reactor semicontinuo de tanque agitado de 5 litros...iii Recogida del biogás...iii RESULTADOS Y DISCUSIÓN...III Obtención del inóculo. Sistema SEBAC...III Protocolo de puesta en marcha del reactor semicontinuo...iii Caracterización de los residuos empleados para el arranque del reactor semicontinuo...iii El arranque del reactor...iii Seguimiento de la Velocidad de Carga Orgánica Consumida (VCOC) y biogás generado...iii Seguimiento de la acidez y la alcalinidad...iii Seguimiento del nitrógeno amoniacal...iii Porcentajes globales de eliminación...iii Microbiología de la puesta en marcha del reactor...iii Caracterización microbiológica del inóculo...iii Evolución de la microbiota anaerobia en las etapas de arranque y estabilización...iii Determinación del TRSMIN y TRSOPT...III Seguimiento de la Velocidad de Carga Orgánica Consumida (VCOC) y biogás generado...iii Seguimiento de la acidez y el ph...iii Seguimiento de la alcalinidad y el amonio...iii.62 III

14 Índice Porcentajes globales de eliminación... III Análisis de la evolución del proceso al disminuir el TRS... III Caracterización cinética del digestor semicontinuo... III Soporte informático... III Aplicación de los modelos a los resultados experimentales... III Modelos de utilización de sustrato... III Cinética de primer orden... III Cinética de degradación de sustrato derivada del modelo de Monod... III Modelo de degradación de sustrato de Chen y Hashimoto... III Modelo de utilización de sustrato propuesto por Romero... III Modelo de Romero para la producción de productos... III Resultados obtenidos al aplicar los modelos de consumo de sustrato.. III Resultados obtenidos al aplicar el modelo de Romero de producción de productos... III Verificación del modelo para los TRS de 20, 15, 10 y 8 días... III Simulación del reactor operando con tiempos de retención de 20, 15, 10 y 8 días... III CONCLUSIONES... III.87 ANEXO DE TABLAS... III.91 CAPÍTULO IV. ESTUDIO SEMICONTINUO CON FORSU INDUSTRIAL: DETERMINACIÓN DEL TRS MÍNIMO Y ÓPTIMO Y CARACTERIZACIÓN CINÉTICA DEL PROCESO 1. MATERIAL Y METODOS... IV Plan de trabajo... IV Re-inoculación discontinua del reactor... IV Re-arranque del reactor... IV.2 IV

15 Índice Sustitución de la alimentación sintética por FORSU industrial y determinación del TRSMIN y TRSOPT...IV.2 2. RESULTADOS Y DISCUSIÓN...IV Re-inoculación discontinua del reactor...iv Caracterización de los residuos...iv Seguimiento del ph del digestor...iv Seguimiento del biogás generado...iv Re-arranque del reactor semicontinuo...iv Seguimiento de la Velocidad de Carga Orgánica Consumida (VCOC) y biogás generado...iv Seguimiento del biogás generado...iv Porcentajes globales de eliminación...iv Sustitución de la alimentación sintética por FORSU industrial y determinación del TRSMIN y TRSOPT...IV Seguimiento de la Velocidad de Carga Orgánica Consumida (VCOC) y biogás generado...iv Seguimiento de la acidez...iv Seguimiento de la alcalinidad, el ph y el nitrógeno amoniacal...iv Porcentajes globales de eliminación...iv Análisis de la evolución del proceso...iv Caracterización cinética del digestor semicontinuo cuando se emplea FORSU industrial como alimentación...iv Aplicación de los modelos a los resultados experimentales...iv Modelos de utilización de sustrato y producción de productos..iv Resultados obtenidos al aplicar los modelos de consumo de sustrato...iv Resultados obtenidos al aplicar el modelo de Romero de producción productos...iv Verificación del modelo para los TRS de 12, 10, 15, 13 y 12 días...iv Simulación del reactor operando con TRS de 12, 10, 15, 13 y 12 días...iv CONCLUSIONES...IV.39 ANEXO DE TABLAS...IV.42 V

16 Índice CAPÍTULO V. APLICACIÓN DE PRETRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS Y BIOLÓGICOS A LA FORSU INDUSTRIAL 1. MATERIAL Y MÉTODOS... V Plan de trabajo... V Pretratamientos termoquímicos... V Diseño de experimentos... V Equipo empleado... V Metodología... V Pretratamientos biológicos... V Diseño de experimentos... V Equipo empleado... V Metodología... V Metodología de los ensayos con Compost maduro... V Metodología de los ensayos con el hongo Aspergillus Awamori... V Preparación del inóculo... V Procedimiento... V Cuantificación de los microorganismos totales y viables en muestras de lodo activo... V.8 2. RESULTADOS Y DISCUSIÓN... V Pretratamientos termoquímicos... V Atmósfera inerte... V Atmósfera oxidante... V Comparativa de rendimientos... V Pretratamientos biológicos... V Batería 1. Compost maduro... V Batería 2. Aspergillus awamori... V Batería 3. Lodo activo de EDAR convencional... V Comparativa de rendimientos... V Análisis estadístico de los resultados... V Pretratamientos termoquímicos... V Pretratamientos biológicos... V.22 VI

17 Índice 3. CONCLUSIONES...V.23 ANEXO ESTADÍSTICO...V.25 CAPÍTULO VI. ESTUDIO DE BIODEGRADABILIDAD CON FORSU INDUSTRIAL PRETRATADA 1. MATERIAL Y MÉTODOS...VI Plan de trabajo...vi Diseño de experimentos...vi Equipos empleados...vi Metodología...VI Estudios de biodegradabilidad en discontinuo...vi Procedencia del inóculo...vi Metodología reactor 1...VI Metodología reactores 2, 3 y 4...VI Metodología reactores 5 y 6...VI Estudios de biodegradabilidad en semicontinuo...vi.6 2. RESULTADOS Y DISCUSIÓN...VI Estudios de biodegradabilidad en discontinuo...vi Caracterización de residuos...vi Seguimiento de la producción acumulada de metano y de la eliminación de materia orgánica...vi Seguimiento de la acidez total...vi Valores medios de Alcalinidad, ratio acidez volátil/ alcalinidad, Amonio y ph...vi Porcentajes de eliminación...vi Caracterización cinética del proceso...vi Ajuste del Carbono Orgánico Disuelto (COD)...VI Ajuste de la producción de metano...vi Análisis de los resultados de la modelización cinética...vi.22 VII

18 Índice 2.2 Estudios de biodegradabilidad en semicontinuo... VI Caracterización físico-química de los residuos empleados... VI Comparativa de rendimientos para los TRS de 15 y 10 días... VI CONCLUSIONES... VI.32 CAPÍTULO VII. GRADO DE CONSECUCIÓN DE LOS OBJETIVOS GLOBALES Y CONCLUSIONES GENERALES ANEXO: TÉCNICAS ANALÍTICAS 1. MUESTREO Y PREPARACIÓN DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS... A.1 2. SELECCIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE LAS MATERIAS PRIMAS... A.2 3. PUESTA A PUNTO DE LAS TÉCNICAS ANALÍTICAS... A Metodología de preparación de muestras y esquema analítico global... A ph... A Sólidos Totales (ST)... A Sólidos Volátiles (SV)... A Carbono Orgánico Total soluble (COT soluble)... A Nitrógeno total... A Nitrógeno amoniacal... A Fósforo total... A Alcalinidad... A Acidez volátil por Cromatografía gaseosa... A Volumen de biogás... A Composición del biogás... A.16 BIBLIOGRAFÍA VIII

19 CAPÍTULO I: Introducción y objetivos

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21 Capítulo I: Introducción e hipótesis de partida En España se generan en la actualidad aproximadamente 24 millones de toneladas de residuos urbanos, de las que un 40-45% se pueden considerar como fracción orgánica según datos del II Plan Nacional de Residuos Urbanos (II PNRU ) y, por tanto, susceptible de la aplicación de un tratamiento biológico. Hasta hace escasamente una década, el destino final de estos residuos era su depósito en vertedero, con los conocidos inconvenientes acarreados por este tipo de gestión. Los compromisos adquiridos con nuestra incorporación a la Unión Europea, han trascendido a través de la incorporación a nuestro ordenamiento jurídico, administrativo y competencial de las políticas medioambientales marcadas por las directivas europeas en materia de residuos. A la espera de la aparición de la próxima directiva sobre tratamiento biológico de residuos, que actualmente se encuentra en fase de borrador, el posicionamiento de España ha sido claro en la implantación de un sistema de recogida selectiva y de la aparición de empresas SIG (Sistema Integrado de Gestión) que actualmente abarcan un numeroso grupo de residuos que habitualmente acababan en vertedero. Aunque el camino está aún por andar, la senda parece claramente definida hacia una gestión integral de los residuos urbanos. La apuesta por los tratamientos biológicos para la valorización de la materia orgánica en España también es evidente, y como indica el II PNRU, la incineración sólo está prevista en aquellas circunstancias especiales que no permitan otro tipo de gestión que lleve asociado el reciclaje o reutilización como objetivo primario de la gestión. Por añadidura, se ha endurecido la normativa relativa a los niveles de emisión de las instalaciones de incineración y la normativa relativa a la eliminación en vertedero, con la que la Unión europea quiere recuperar hasta un 75% de la materia orgánica que en 1998 tenía en el vertedero su destino final. Todo ello ha permitido la proliferación, no sólo en España sino en Europa, de plantas de tratamiento de residuos orgánicos, incluyendo la Fracción Orgánica de los Residuos Sólidos Urbanos (FORSU). Se ha pasado en sólo 14 años a multiplicar por 15 la capacidad de tratamiento biológico de residuos orgánicos en Europa. I-1

22 Capítulo I: Introducción e hipótesis de partida Los dos tratamientos biológicos que aglutinan el grueso de las tecnologías desarrolladas para el tratamiento de la FORSU son el compostaje aerobio y la digestión anaerobia seca. La aplicación de tecnologías como el compostaje y la digestión anaerobia permite el aprovechamiento energético y valorización de estos residuos obteniendo productos finales comercializables como el compost y el biogás (Tchobanoglous, 1994). Desde el Grupo de Investigación de Tecnologías del Medio Ambiente de la Universidad de Cádiz (Grupo consolidado y de excelencia del Plan andaluz de Investigación TEP- 181), se ha potenciado en los últimos años la creación de una nueva línea de investigación en este sentido. Los esfuerzos se han centrado en el estudio sobre tratamiento biológico de residuos sólidos que ha tenido sus primeros pasos en la gestación y lectura de una tesis doctoral sobre compostaje aerobio de Residuos Sólidos Urbanos (Delgado, 2003), así como tres tesis doctorales y dos trabajo de investigación centrados en la digestión anaerobia seca (Álvarez, 2005; Forster, 2005; Montero, 2006; Fdez.-Güelfo, 2004; Fdez-Rodríguez, 2006). Ambos procesos son los más utilizados a nivel industrial en las plantas que se han construido y se encuentran en operación en España. El compostaje aerobio es la tecnología más extendida con diferencia por su simplicidad y menores costes operativos y de inversión, pero la degradación anaerobia seca se postula como un tratamiento alternativo o complementario que permite la recuperación de energía en forma de biogás. Por ello, algunas de estas plantas, han optado por la inclusión de un tratamiento de biometanización en sus diagramas de proceso. En el ámbito de la digestión anaerobia seca, en la provincia de Cádiz ha sido construida una planta de tratamiento de residuos sólidos urbanos que cuenta con unidades de digestión anaerobia seca y compostaje aerobio, y que se encuentra en la actualidad en fase de puesta en marcha en su tratamiento de biometanización. Uno de los aspectos que mayor interés ha suscitado en el estudio de la digestión anaerobia seca, es la fase de arranque que, por las características propias del residuo, I-2

23 Capítulo I: Introducción e hipótesis de partida constituye una de las etapas más delicadas del proceso y que mayor variedad presenta respecto a las estrategias utilizadas a nivel industrial. Las estrategias de arranque detalladas en la bibliografía han sido muy dispares. Los principales aspectos que se han estudiado durante la puesta en marcha son el tipo de inóculo utilizado, las condiciones de temperatura, la aplicación de pretratamientos fisicoquímicos y el empleo de diferentes configuraciones del proceso. El trabajo actual se enmarca en el seno de dos proyectos de investigación financiados con fondos del Plan Nacional de I+D del Ministerio de Ciencia y Tecnología (MCyT) y del Ministerio de Educación y Ciencia (MEC). Las referencias de los proyectos mencionados así como sus títulos se recogen a continuación: 1. MCyT (PPQ ): Diseño y optimización de un protocolo de arranque y estabilización del proceso de digestión anaerobia termofílica de alto contenido en sólidos (digestión seca). Desarrollo y aplicación de las técnicas microbiológicas de recuento bacteriano y de los tests de actividad para el seguimiento y control del proceso. 2. MEC (CTM /TECNO): Optimización de la digestión anaerobia seca de la fracción orgánica de residuos sólidos urbanos. Valorización del efluente del proceso mediante compostaje. El presente trabajo plantea los siguientes objetivos: 1. Optimizar la puesta en marcha de un reactor semicontinuo para la degradación anaerobia termofílica seca de la FORSU y determinar el Tiempo de Retención de Sólidos mínimo (TRS MIN ) y óptimo (TRS OPT ) para la operación semicontinua en reactores convencionales de tanque agitado sin retención de microorganismos, empleando tanto una alimentación sintética triturada como una FORSU industrial procedente de un trommel industrial. I-3

24 Capítulo I: Introducción e hipótesis de partida 2. Caracterizar la cinética intrínseca de la Digestión Anaerobia Termofílica Seca (DATS). El interés de este objetivo responde a la necesidad de establecer cuál es el paso limitante de la velocidad global del proceso anaerobio termofílico de alto contenido en sólidos cuando se desarrolla en reactores monoetapa. Para la DAT de bajo contenido en sólidos o digestión húmeda la etapa limitante de la velocidad es la metanogénesis del acetato. Sin embargo, en procesos de alto contenido en sólidos, la etapa hidrolítica puede llegar a convertirse en el paso limitante del proceso. 3. Acelerar la velocidad de hidrólisis y aumentar la biodegradabilidad anaerobia de la FORSU procedente de plantas industriales de tratamiento de basuras, utilizando diferentes pretratamientos termoquímicos y biológicos. Cuando se utilizan alimentaciones de FORSU tal y como se obtienen tras las etapas de triaje en plantas de tratamiento de basuras, la aplicación de pretratamientos específicos para conseguir la rápida solubilización de la materia orgánica en el medio puede permitir un aumento de la velocidad global del proceso y, además, evitar las sobrecargas y acidificaciones típicas de los reactores de FORSU. I-4

25 Capítulo I: Introducción e hipótesis de partida Hipótesis planteadas para la consecución de los objetivos propuestos El trabajo a desarrollar en la Tesis Doctoral parte como hipótesis fundamental de la viabilidad del proceso de degradación anaerobia termofílica para el tratamiento de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos. En este sentido se espera que el proceso de digestión anaerobia en condiciones termofílicas permita reducir de forma significativa el contenido en materia orgánica biodegradable de los RSU, y por tanto su carga contaminante, obteniéndose un efluente líquido estabilizado y una elevada producción de biogás. Esta hipótesis está avalada por los trabajos realizados previamente en el Grupo de Investigación. Así, por ejemplo, en los trabajos experimentales desarrollados por Álvarez (2005) y Fdez.-Rodríguez (2006) se ha conseguido operar de forma estable para degradar FORSU industrial empleando reactores discontinuos. Otra hipótesis considerada es que la realización de ensayos específicos utilizando reactores discontinuos y reactores semicontinuos de tipo tanque agitado permitirá caracterizar la cinética global del ecosistema microbiano anaerobio termofílico. La realización de ensayos discontinuos para caracterizar la cinética intrínseca del proceso de degradación anaerobia termofílica de la materia orgánica suele provocar una separación de fases espontánea en el proceso. Así, como consecuencia de la alta velocidad de fermentación de los microorganismos acidogénicos, los productos de la hidrólisis inicial son rápidamente transformados a Ácidos Grasos Volátiles (AGV), lo que provoca una acidificación del medio que inhibe parcialmente a los microorganismos acetogénicos y a los metanogénicos consumidores de acetato. Como consecuencia en una primera etapa se produce la hidrólisis y acidogénesis del residuo, acompañada de la utilización del hidrógeno generado por las metanógenas utilizadoras de hidrógeno, y en la segunda fase se producen las etapas de acetogénesis y metanogénesis a partir de acetato. La modelización de las cinéticas de ambas etapas permite obtener los parámetros característicos de las mismas pero, lógicamente, no considera los efectos I-5