Secado de residuos de jardinería en reactor mediante procesos biológicos

Transcripción

1 Secado de residuos de jardinería en reactor mediante procesos biológicos Lidón Herrera Prats, * Francisco J. Colomer Mendoza, Fabián Robles Martínez, Antonio Gallardo Izquierdo, Mar Carlos Alberola * fcolomer@emc.uji.es. Resumen El biosecado consiste en disminuir la humedad y estabilizar la materia biodegradable para obtener un producto útil como combustible o como paso previo a su depósito en vertedero. Para ello, se aprovecha el calor de la fermentación aerobia de la materia biodegradable. Los parámetros que controlan el proceso son: aireación, temperatura alcanzada y humedad inicial. En este trabajo, se ha empleado como sustrato los residuos de jardinería de la Universidad Jaume I de Castellón. El biosecado se ha realizado en unos reactores de 25 litros de capacidad de modo que se aproveche el calor generado en la fermentación. Para favorecer la aireación se ha aprovechado la capacidad texturizante de los restos de poda triturados además de un caudal de aire forzado que facilita la desecación por medio de la evaporación por convección. Así pues, se han conseguido en unos tiempos de secado de 20 días, reducciones de volumen entre el 40 y el 60% y de peso sobre el 40-57%. El residuo final reduce su humedad hasta un 56% y tiene un poder calorífico final (unas kcal/kg) adecuado para ser usado como combustible. Palabras Clave: biosecado, estabilización, fermentación aerobia, poder calorífico, texturizante 1. Introducción En este trabajo, se desarrolla un proceso de biosecado mediante reactores en los que se ha depositado residuos de jardinería. En anteriores experiencias realizadas por este equipo de investigación, se emplearon tanto los reactores como el biosecado mediante invernaderos, con diferentes mezclas de producto, proporciones y caudales; obteniéndose resultados de descenso de peso, volumen y humedad significativos Descripción del biosecado En este trabajo, se plantea la disminución de la humedad mediante la técnica conocida como biosecado. El biosecado consiste en eliminar parte de la humedad y estabilizar la materia orgánica biodegradable para reducir el peso y volumen para su deposición final, obtener un producto que puede ser utilizado como combustible o simplemente, para abaratar los costes de transporte. Para ello, la acción combinada del calor generado en la fermentación aerobia de la materia biodegradable y un adecuado flujo de aireación, facilitarán que el porcentaje de humedad baje, además de producirse una considerable pérdida de peso y volumen. Por consiguiente, el producto ya biosecado podrá tanto valorizarse energéticamente, como ser llevado a un vertedero, pero en esta ocasión con una menor carga ambiental. Esto es debido a que se trataría de un residuo estabilizado sin apenas generación de lixiviado y con menor cantidad de humedad y peso. 1.2 Parámetros de control en el biosecado En el proceso de biosecado, la circulación de aire forzado a través de la pila formada de residuos y el calor producido en las reacciones de degradación aeróbica de la materia orgánica permiten la evaporación del agua contenida en los residuos [1]. De todos modos, el secado no sólo es producido por estas dos únicas causas, si no por algunas variables más que se encuentran íntimamente ligadas, pp ISBN

2 655 siendo en ocasiones difícil discernir qué parámetro ha forjado un cambio significativo en el biosecado. Tipo de muestra: El tipo de muestra tratada determinará las condiciones que se produzcan en el biosecado. Es decir, las características del material establecerán tanto el resultado positivo del biosecado, como la duración del mismo. Tiempo de permanencia: El tiempo de permanencia es el periodo de funcionamiento del experimento, que vendrá establecido por la progresiva caída de temperatura del interior del residuo y de la humedad inicial de la muestra. Microorganismos responsables del biosecado: En el proceso de biosecado la fermentación se realiza por medio aerobio siendo la masa de residuos atacada por una población de microorganismos que se nutren de los componentes más digeribles produciendo calor [2]. Temperatura: La temperatura es un parámetro clave en el biosecado, no sólo influye la temperatura del exterior del reactor si no que la actividad microbiana hace que esta temperatura aumente. Una parte del calor generado biológicamente servirá para favorecer el crecimiento y la conservación de los microorganismos presentes, mientras que el resto sirve para mejorar la evaporación del agua en la matriz porosa [3]-[4]. Humedad: La presencia de nutrientes y humedad en el sustrato propiciará la proliferación de bacterias que degraden la muestra [5]. Aireación: El flujo de aire forzado es necesario para proporcionar oxígeno a las bacterias aerobias, eliminar el agua de la matriz y arrastrar la humedad ambiental hacia el exterior del reactor [6]. Adición de material texturizante (MT): En algunos estudios la presencia de material de granulometría mayor que el residuo biosecado influye positivamente en el secado, ya que se favorece la aireación en el interior de la pila [7] [8]. 2. Objetivos En el proceso de biosecado los parámetros de control del proceso están fuertemente ligados, y por ello es clave investigar cómo pueden afectar al rendimiento del secado y estabilización de los residuos tratados. El objetivo fundamental será estudiar la reducción de humedad, peso y volumen en los reactores. Para ello, es necesario realizar diversas variaciones atendiendo a las variables principales que afectan al funcionamiento del proceso: Determinar el efecto de la ventilación. Hallar un tiempo de permanencia óptimo. Estudiar la evolución del biosecado dependiendo del tipo de muestra. Contrastar la eficiencia mediante la adición de material texturizante. Una vez biosecado el residuo, éste aumenta su poder calorífico. Dependiendo del resultado de las distintas experiencias, la muestra podrá ser utilizada para varios usos, aunque el más sostenible desde el punto de vista ambiental sería la incineración previo pelletizado del residuo. 3. Material y métodos En este proyecto de biosecado a escala de laboratorio, se sometieron muestras de césped procedentes de la zona verde de la Universidad Jaume I de Castellón en cuatro bidones. En cuanto al emplazamiento de los reactores, éstos están ubicados en una sala cerrada donde se monitorea la temperatura y la humedad del aire. El caudal de aire forzado que deseca el residuo de jardinería se

3 inyecta por los cuatro soplantes y se libera por un orificio situado en la tapa del bidón. En el caso del lixiviado generado, se recoge de forma diaria mediante una abertura en la parte inferior del bidón (Figura 1). Figura 1. Esquema de los bidones para el biosecado (cotas en cm) Cada reactor tiene una capacidad de 25 litros, repartidos en dos compartimentos; el inferior ocupara una altura de 18 cm y albergara 4 difusores apoyados en las paredes de un cilindro hueco de 40 cm de diámetro. En el compartimento superior se dispone una base metálica que funciona como retén de los residuos, sobre la cual se deposita el volumen de muestra para biosecar. 3.1 Descripción de la experiencia Las muestras de césped necesarias para este experimento se recogen de los contenedores donde se depositan los restos de poda de la Universidad. Se disponen 4 reactores cargados con 7 kg de césped cada uno, con diferentes caudales de suministro de aire desde 2 L/min hasta 8 L/min (ver Tabla 1) que corresponden a unos caudales por kg de materia seca de 1.21 a 4.85 L/min kg m.s Recogida de datos Una vez cargados los bidones y se comienza con la inyección del caudal de forma continua durante 20 días. Durante este periodo se monitorea el aire de la sala donde se ubican los bidones, además de controlar diariamente los siguientes parámetros: Recogida de lixiviados, medición de volumen y ph de los mismos: una vez anotado el volumen diario generado de lixiviados, se analiza el ph. Control del descenso de peso de los bidones: se anota la reducción de peso del bidón con una balanza portátil. Esta disminución está relacionada con la pérdida de humedad de la muestra. Registro de la temperatura y humedad del aire de salida: mediante un termohigrómetro marca Testo modelo 925 se registran ambos parámetros tres veces al día. Control de temperatura interna: se miden también tres veces al día la temperatura en el centro de la pila de residuos en tres puntos a diferente altura mediante sondas de compost marca Leybold Didactic Gmbh modelo Análisis del gas de escape: se chequea dos veces al día la composición del gas de escape de los reactores (CH 4, CO 2, O 2, SO 2 y NH 3 ) mediante un analizador portátil Dräger modelo SEP

4 Después de los 20 días, se descarga el bidón y se toman muestras del residuo biosecado para analizar su humedad. Para ello se secan en la estufa a 105 ºC siguiendo el proceso normalizado de la norma UNE El residuo seco se tritura en molino de cuchillas hasta un tamaño de partícula en el que el 98.75% pasan por un tamiz de 2 mm. El residuo se mezcla de forma homogénea y se determina el poder calorífico mediante calorímetro isoperibólico (UNE :1995), El contenido en nitrógeno se analiza mediante el equipo de conductividad térmica (LECO FP-528 ). Carbono y azufre se determinan con equipo de espectrometría infrarroja (LECO SC 144 DR ) y el hidrógeno se determinó por espectrometría atómica de masas. Mediante las normas UNE y UNE se investiga también el contenido en cenizas y sólidos volátiles respectivamente de bidón. Los datos mostrados son el promedio de cuatro análisis en todos los casos. Con estos datos se puede estimar las condiciones en las que se realizará la valorización energética. Con el poder calorífico inferior (PCI) del residuo se podrá prever el calor que se va a desprender, lo cual puede ser transformado en energía eléctrica. Con el contenido en sólidos volátiles, carbono, azufre y nitrógeno se podrán estimar las emisiones de de gases contaminantes en el proceso de combustión (CO 2, NO 2 y SO 2 ) y determinará la necesidad o no de instalar sistemas de depuración de gases. Por último, el contenido en cenizas obtenido de las muestras determina el peso del residuo (escorias) que quedarán tras la incineración. 4. Discusión de resultados 657 Los reactores se llenaron con césped con una humedad del 76.41%, reduciéndose hasta alcanzar un 44.78% de humedad en el reactor 4 frente a 60.78% del reactor 1 (ver Tabla 1). La disminución de volumen ha estado comprendida entre el 40% y el 60%. Únicamente en los reactores 1 y 2 se genera lixiviado, obteniéndose como máximo un 2.49% de agua convertida en lixiviado en el reactor 1, el resto se elimina por la acción combinada del caudal de aireación y la acción de las bacterias presentes en la muestra. Por otro lado, se determinó el PCI de las muestras después de 20 días en los que se llegó a un aumento del 335.7% (desde kcal/kg hasta kcal/kg ) en el reactor con mayor tasa se aireación (reactor 4). Reactor Tasa de aireación L/min kg Tabla 1. Resumen de la experiencia L/min % H 2 O convertida en lixiviado % agua evaporada % pérdida de peso % incremento PCI Tanto la pérdida de peso como la disminución de humedad cambian la pendiente mayor medida que aumenta la tasa de aireación (Figura 2). En esta experiencia de biosecado se observa que los caudales de 4, 6 y 8 L/min muestran un comportamiento similar sin diferencias muy destacables a pesar de la diferencia que existe en el caudal de aireación. En este sentido, el fino equilibrio que existe entre las variables que afectan al biosecado es de especial importancia, ya que se comprueba que el incremento progresivo de caudal no repercute en una disminución proporcional de la humedad ni del peso. Se puede observar además la doble tendencia que existe entre los primeros 10 días y los últimos donde las pendientes son diferentes, siendo más acusada la correspondiente a la segunda mitad. Como se observa en la Figura 3 el porcentaje de pérdida de peso aumenta en un 31.13% del reactor 1 al reactor 2, mientras que del reactor 2 al reactor 3 hay un incremento del 5.2%, y del reactor 3 al reactor 4 sólo del 4.2%. Con esto, se deduce que el aumento de caudal no es linealmente proporcional a la pérdida de peso.

5 % pérdida de peso % pérdida peso Reactor 1 Reactor 2 Reactor 3 Reactor Tiempo (días) Figura 2. Evolución del porcentaje de pérdida de peso Caudal (L/min kg ms) Figura 3. Variación de la pérdida de peso respecto al caudal Conclusiones En el presente estudio se ha secado césped segado mediante dos fuentes de energía. En primer lugar. el calor producido por la fermentación aerobia y en segundo lugar. el arrastre de humedad por convección. El aumento de temperatura favoreció la evaporación del agua contenida en el sustrato y el caudal de aire suministró oxígeno a los microorganismos aerobios y arrastró esta agua. Se instalaron cuatro reactores con la misma cantidad de sustrato y con distintos caudales de aire para comprobar el efecto de distinta aireación en el tiempo del biosecado. El tiempo de biosecado fue de 20 días. La reducción de humedad osciló entre 20.45% (reactor 1) % (reactor 2) (reactor 3) y 41.39% (reactor 4). lo cual demuestra que a mayor caudal. la pérdida de peso es mayor. Sin embargo. esta relación no es lineal ya que el mayor incremento de pérdida de peso se produjo entre el reactor 1 y el reactor 2. De este modo. se obtuvo una reducción de peso entre el 40% y el 57% y una reducción de volumen entre el 40% y el 60%. lo cual minimizaría los costes de transporte entre los lugares de generación y los sitios de procesamiento o eliminación. Con las humedades finales obtenidas se consiguió ralentizar la actividad microbiana y por tanto. estabilizar los residuos. Así pues. el siguiente paso será comprobar el caudal óptimo desde el punto de vista económico y energético para secar los residuos. Agradecimientos

6 Los autores agradecen al Ministerio de Ciencia e Innovación del Gobierno de España por la financiación concedida mediante el proyecto ACI en la modalidad Convocatoria de Ayudas del Programa Nacional de Internacionalización de la I+D. Subprograma de Fomento de la Cooperación Científica Internacional (ACI-PROMOCIONA). Referencias Bibliográficas 659 [1] Velis. C.A.; Longhurst. P.J.; Drew. G.H.; Smith. R.; Pollard. S.T.J. Biodrying for mechanicalbiological treatment of wastes: A review of process science and engineering. Bioresource Technology Vol pp [2] Madigan. M.T. y Martinko. J.M. Brock Biology of Microorganisms. Prentice Hall Upper Saddle River. [3] Bailey. J.E. y Ollis. D.F. Biochemical Engineering Fundamentals. Mc Graw-Hill International Editions Inc New York. NY. [4] Prescott. L.M.. Harley. J.P. y Klein. D.A. Microbiology. W.C. Communications Inc Dubuque. Iowa. [5] Zhang. D.Q.; He. P.; Shao. L.; Jin. T.; Han. J. Biodrying of municipal solid waste with high water content by combined hydrolytic-aerobic technology. Journal of Environmental Sciences Vol. 20. pp [6] Roy. G.. Jasmin. S. and Stuart. P.R. Technical modelling of a bath biodrying reactor for pulp and paper mill sludge Prague. Czech Republic. 17th CHISA International Congress of Chemical and Process Engineering. [7] Robles. F.; Ramírez. I.; Piña. A.B.; Colomer. F.J. Efecto de la adición de agentes estructurantes a residuos hotícolas en tratamientos aeróbicos. Ingeniería Agrícola y Biosistemas Vol. 2 (1). pp [8] Yañez. R.. Alonso. J.L. and Díaz. M.J. Influence of bulking agent on sewage sludge composting process. Bioresource Technology Vol pp