ESTUDIO DEL TRATAMIENTO DE LA FRACCIÓN ORGÁNICA DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS URBANOS EN UN REACTOR ANAEROBIO DE DOS ETAPAS A PARTIR DE RESIDUOS MODELOS.

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1 ESTUDIO DEL TRATAMIENTO DE LA FRACCIÓN ORGÁNICA DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS URBANOS EN UN REACTOR ANAEROBIO DE DOS ETAPAS A PARTIR DE RESIDUOS MODELOS. Germán Miranda G (*). Ingeniero Civil Bioquímico. Universidad Católica de Valparaíso, Chile. Candidato a Magíster en ciencias de la ingeniería con mención en ingeniería bioquímica. Universidad Católica de Valparaíso. german.miranda.g@mail.ucv.cl Rolando Chamy M. Escuela de Ingeniería Bioquímica, Universidad Católica de Valparaíso. Paola Poirrier G. Escuela de Ingeniería Bioquímica, Universidad Católica de Valparaíso. (*) Calle General Cruz #34, Valparaíso, Chile. Tel , Fax: RESUMEN La tecnología anaerobia para el tratamiento de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos es una buena alternativa a la hora de analizar las posibilidades de tratamiento de esta fracción. Esta fracción es muy variable según el lugar y periodo en el cual es generada, es por ello que con el fin de eliminar este factor se trabajo con la formulación de un residuo modelo y se estudió el comportamiento de un reactor anaerobio de dos etapas en el tratamiento de este. EL residuo modelo cumplio con las caracteristicas de la fracción orgánica de los residuos sólido surbanos. Se monto, puso en marcha y opero un reactor hidrolítico y un reactor metanogénico con el fin de separar las tres etapas de la digestión anaerobia para en una etapa de hidrólisis y acidogénesis, y otra etapa de metanogénesis. El reactor hidrolítico poseía un volumen de 17 L y el sistema de mezclamiento fue por recirculación de percolado, se logró un tiempo de residencia aproximado de 26 días para la estabilización del residuo. El reactor metanogénico se puso en marcha con una alimentación sintética rica en ácidos grasos volátiles para el acostumbramiento de los microorganismos a las caracteristicas del efluente del reactor hidrolítico, luego se acoplo el sistema y el reactor metanogénico se comporto de mejor manera que con el efluente sintético en función de la estabilidad del sistema, no asi del acostumbramiento de los microorganismos. En si el sistema se comporto de buena manera, obteniendose remociones cercanas al 6% con el efluente real y sobre el 9% para el fluente sintetico. Palabras Clave (en negritas): Digestión Anaerobia, Residuos Sólidos, Razón Inóculo Sustrato, Residuo Modelo INTRODUCCION Uno de los efectos indeseados del desarrollo económico es el aumento de la producción de residuos ( provengan estos de actividades productivas o de consumo y sean líquidos o sólidos) con la consecuente necesidad de disposición o tratamiento de los mismos. En relación a los residuos son dos las características a considerar, ellas son su cantidad y el tipo de tratamiento que se les otorgue. La digestión anaerobia de sólidos orgánicos, sólidos disueltos o sólidos suspendidos ha evolucionado rápidamente en las últimas décadas. Se han implementado exitosamente tratamientos anaerobios para una amplia gama de residuos (sólidos o líquidos). Comparado con los métodos aeróbicos convencionales, y a la luz de la implementación de tecnologías sustentables, los procesos anaerobios solucionan el problema del tratamiento de residuos de una manera mucho más holística. Dentro de las ventajas de la digestión anaerobia se puede mencionar que el consumo de energía es menor debido a que no necesita mecanismos de aireación, generación de subproductos útiles como biogás y un residuo estabilizado con características de mejorador de suelos, solo una pequeña fracción de la DQO 1

2 alimentada es transformada a biomasa además de ser aplicable casi en cualquier lugar y a cualquier escala (Verstraete et al, 1996). El proceso de digestión anaerobia da origen, por un lado, a una serie de productos gaseosos cuya mezcla se denomina biogás, el cual está principalmente constituido por metano y dioxido de carbono, además de contener cantidades trazas de otros gases. Esta mezcla tiene características combustibles. Por otro se obtiene una suspensión (dependiendo del residuo a tratar) acuosa de material sólido (lodos) que contiene los componentes difíciles de degradar, la mayor parte del nitrógeno, el fósforo y la totalidad de los elementos minerales, este proceso puede describirse de acuerdo a tres pasos secuenciales (Flors et al, 198). Estas etapas son hidrólisis, acidificación y metanogénesis, conforme a la actividad de los microorganismos involucrados en cada etapa. Desde este punto de vista, se han desarrollado sistemas de digestión anaerobia en dos etapas, en el cual el residuo sólido primero es hidrolizado y acidificado en un digestor, reactor hidrolítico, y luego el efluente de éste es alimentado a un reactor metanogénico, donde los ácidos son digeridos produciendo biogás. El efluente de este reactor es retroalimentado al RLA en donde ejerce un efecto buffer en el proceso de acidificación. Más aún, este sistema de recirculación permite remover instantáneamente los productos ácidos previniendo su acumulación y por lo tanto, el fenómeno de inhibición por producto. En otras palabras, en este tipo de digestores existe una separación física de las poblaciones bacterianas correspondientes. El sistema descrito puede ser operado en lotes o continuo. En la Figura 2.5 se presenta un esquema de la configuración característica de un reactor de dos fases de residuos sólidos operando con recirculación de lixiviado. La literatura reporta distintos procesos de digestión anaerobia de residuos sólidos urbanos, tal es el caso de los procesos VALORGA (De Baere y Verstraete, 1984), BIOCEL (Ten Brummeler et al, 1991), Dranco (Six y De Baere, 1992), etc. Las realidades en que se han desarrollado estos procesos son completamente distintas a la realidad nacional debido a la diferencia en la composición y tipos de residuos generados, es por ello que cobra vital importancia la evaluación del comportamiento de un sistema de digestión anaerobia (de dos fases en este caso) con un residuo de características mas propias. MATERIALES Y MÉTODOS Residuo Modelo Para la formulación del residuo modelo se seleccionaron hogares que fueran representativos, es decir que no se consideraron los desechos provenientes de oficinas, comercio e industrias, asegurando que la heterogeneidad de los residuos no estuviera influenciada por factores distintos a la estacionalidad. Además, se realizaron encuestas en las cuales se detallaba el tipo, cantidad y características del residuo generado. La caracterización del residuo se llevo a cabo mediante análisis proximal y elemental, la caracterización del residuo modelo se presenta en la tabla 1. Tabla Nº1. Cracterización del Residuo Modelo Parámetro Valor Humedad (%) 76,74 Sólidos Totales (%) 23,26 Cenizas (%) 4,2 Sólidos Volátiles (%) 95,8 Proteína (%) 1,96 Lípidos (%),25 Fibra (%) 1,45 ENN (%) 11,93 DQO (mg O 2 /gms) 223,7 C/N 18,7 2

3 A partir de los resultados obtenidos en la formulación del residuo modelo se elaboró un protocolo de elaboración que puede apreciarse en la tabla 2. Reactor Hidrolítico. Tabla Nº2. Protocolo de Elaboración del Residuo Modelo. % (peso) Componente % Componente 1,76 Bolsas de té 1,65 Coronta de pera,99 Cáscara cebolla 12,16 Hojas de verdura 5,39 Cáscara manzana 5,5 Cáscara de Huevo 9,87 Cáscara Naranja 5,49 Limones 2,63 Cáscara papas cocida,29 Palos de fósforo 5,84 Cáscara papas Cruda,24 Servilletas 2,3 Cáscara pera 1,1 Tallos de verduras 7,9 Cáscara plátano 1,76 Zapallo 5,92 Cáscara tomate 3,95 Pescado,44 Cáscara zanahoria 3,95 Pan,4 Colillas cigarro 1,63 Comida preparada 1,65 Coronta de manzana Se construyo un reactor cilíndrico de 17.6 litros de volumen útil, con un sistema de recirculación de percolado. El reactor posee una entrada de alimentación, una de entrada de recirculación y una salida de gás. Además posee tres salidas de toma de muestra a distintas alturas como puede apreciarse en la figura 1. Alimentación Recirculación 37 cm 26 cm Figura 1: Esquema del Reactor Hidrolítico. El reactor se opero a 2 ± 2ºC el sistema de mezclamiento fue por recirculación de percolado, y la disposición de las tomas de muestra fue hecha pensando en la posible estratificación de los sólidos al interior del reactor, el percolado fue recirculado por medio de una bomba peristáltica. 3

4 El reactor se cargo a una concentración de sólidos de 72 gst/l (7% p/v) (Fernández, et a 21) se inoculo con lodos provenientes de un reactor EGSB y estos poseían un actividad metanogénica específica de,71 gdqo CH4 /gssv d., a partir de estudios anteriores realizados se trabajo con una razón inoculo-sustrato.129 gdqoch 4 /gst d que fue la razon a la que se reportaron mejores resultados en ensayos de biodegradabilidad anaerobia todos realizados a 7 % p/v de sólidos, esta concentración se obtuvo de pruebas realizadas con orujo agotado de cebada. El reactor fue alimentado con un residuo urbano modelo cuya caracterización se presenta en la tabla 1. El ph del reactor se dejo libre. Se realizó el seguimiento de distintos parámetros tales como DQO total y soluble, para el efluente del reactor y concentración de AGV y N-NH 4 +. Reactor Metanogénico Se diseña y construye un reactor tipo UASB de metacrilato transparente de,8l de volumen total y,65l de volumen útil. Está conectado a un sistema de medición de biogás (tubo Mariotte) y a un sedimentador. Este sedimentador tiene como función recuperar los lodos que salen junto con el efluente del reactor y recircularlos de nuevo. Opera a 2 ± 2ºC. En la figura 2 se presenta un esquema de este reactor. Salida Recirculación Alimentación Figura 2: Esquema del reactor UASB En este reactor se busca tratar el efluente rico en AGV proveniente del reactor hidrolítico, en un principio este reactor es alimentado con una alimentación sintética constituida por ácidos grasos volátiles, lactosa, etanol y bicarbonato de sodio como agente tampón, el objetivo de esto es el adaptamiento de la flora a un efluente rico en AGV sin alejarlo demasiado de la alimentación de mantenimiento de los lodos (lactosa y etanol), como la concentración de amonio en el fluente del reactor hidrolítico no alcanza valores inhibitorios no es necesario adaptarlos a mayores concentraciones de este. Se trata de mantener una relación de AGV semejante a la del reactor hidrolítico (Ac:But:Prop = 1:.5:.3) se inicia la alimentación de este reactor con una VCO = 1 kgdqo/m 3 reactor d y se fue incrementando cada vez que se alcanzara un porcentaje de remoción de la DQO igual o superior al 9% por un tiempo mayor a tres veces el tiempo de residencia hidráulico. El caudal de alimentación es de 2.5 ml/min. RESULTADOS Y DISCUSIONES Reactor Hidrolítico Se puede apreciar en la figura 3 que la DQO total presenta un valor inicial de 15 go 2 /L luego aumentando hasta cerca de 3 go 2 /L para luego disminuir a valores cercanos a los 4 go 2 /L para la DQO total mientras que para la DQO soluble se presenta un valor inicial de 9 go 2 /L ascendiendo a un valor cercano a los 17 go 2 /L para luego disminuir a un valor cercano a 3 go 2 /L. Tanto los valores de DQO total como soluble muestran un incremento inicial debido a la solubilización del residuo Con respecto al amonio se puede apreciar un aumento desde 26 ppm hasta un valor cercano a los 5 ppm, estos valores (relativamente bajos) se deben principalmente a que el amonio se genera por la hidrólisis de proteínas las cuales están en baja proporción en el residuo modelo utilizado el seguimiento de este parámetro puede apreciarse en la figura 4. 4

5 DQO (mg/l) DQO Total DQO Soluble Figura 3: Variación de la DQO en el reactor Hidrolítico DQO total DQO soluble En la figura 4 se puede apreciar la variación de AGV registrándose un aumento de ácido propiónico, butírico y acético este aumento inicial es luego seguido por una disminución de ácido propiónico y butírico y un aumento en la concentración de ácido acético lo que se explica por el proceso de acetogénesis en el cual los ácidos propiónico y butírico son transformados en ácido acético. El reactor se alimento a una VCO de 19.8 gdqo/m 3 d. 3 Concentración de AGV (g/l) 2,5 2 1,5 1, Ac. Acético Ac. Propiónico Ac. Butírico Figura 4: Variación de AGV en el reactor hidrolítico 5

6 Concentración N - NH Figura 5: Variación de N-NH + 4 en el reactor Reactor Metanogénico En la puesta en marcha del reactor metanogénico se utilizaron lodos provenientes de un reactor UASB de mantención, trato de mantenerse la alimentación similar a la de este pero se enriqueció con AGV de la manera que se indica en el punto anterior, en el día 5 se disminuye la cantidad de lactosa, en un 75%, en la alimentación. Dentro de los parámetros que se analizan están DQO y razón de alcalinidad. Para la preparación de la alimentación se utilizó la siguiente equivalencia: DQO equivalente a los AGV: se calcula sumando la DQO debida a cada ácido graso volátil (1,66 g O2 /g ACÉTICO ; 1,512 g O2 /g PROPIÓNICO ; g O2 /g BUTÍRICO ) a partir de las concentraciones de los mismos. DQO equivalente al etanol: se calcula multiplicando la concentración de etanol por el factor 1,43g O2 /g ETANOL. DQO equivalente a la Lactosa 2.6 g O2 /g Lactosa DQO (mg/l) % Remoción DQO Entrada DQO Salida % Remoción Figura 6: Comportamiento del reactor UASB durante su puesta en marcha (Zona Blanca) y operación (zona gris). 6

7 ,6,5 Razón de Alcalinidad,4,3,2, Figura 7: Variación de la razón de alcalinidad durante la operación del reactor metanogénico (Zona Gris). En la figura 6 se puede apreciar el comportamiento del reactor durante su puesta en marcha y operación en función de LA DQO de entrada y salida. También se observó la variación de la razón de alcalinidad α, este valor nos da un indicio de la estabilidad del reactor ya que es el cuociente entre la alcalinidad debida a los AGV y la alcalinidad total, este valor no debe ser mayor a.4 ya que de lo contrario indicaria una acumulación de los AGV y su posible acidificación posterior. En la figura 7 se puede apreciar el seguimiento de este parámetro. Se puede apreciar que este parámetro estuvo siempre en un valor elevado, pero sin la acidificación del reactor, en el día 78 se puede apreciar una desestabilización del reactor y su posterior recuperación, después de este periodo de tiempo se procedió a acoplar el sistema, como se muestra en las figuras 6 y 7 se aprecia una disminución en el porcentaje de remoción, pero a su vez se puede notar también una mejoría en la razón de alcalinidad, lo cual indica una buena respuesta por parte de los microorganismos al nuevo efluente pero no con una rápida adaptación. En la figura seis se pude apreciar además la buena respuesta de los lodos a la alimentación rica en AGV. Se puede apreciar un aumento en la estabilidad del reactor metanogénico bajando su razón de alcalinidad a valores cercanos a.25, lo cual se traduce en una buena estabilidad del reactor metenogénico, pero a su vez el descenso de remoción de DQO indica un acostumbramiento mas lento, pero estable. CONCLUSIONES A partir de los resultados obtenidos se puede concluir que los sistemas de dos etapas son adecuados para el tratamiento de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos, considerando que su puesta en marcha delicada y su operación hay que tener especial cuidado en la adaptación de los lodos. Por otro lado hay que considerar que no es necesario la adaptación de los microorganismos a compuestos inhibitorios como el amonio ya que este nunca alcanza niveles inhibitorios llegando solamente a valores de 5 ppm aproximadamente. REFERENCIAS Fernández B, Poirrier P, Chamy R.(21) Effect of the inoculum substrate ratio on the start-up of solid waste anaerobic digesters Wat.Sci.Technol. 44 (4): Verstraete, W.; de Ber, D.; Pena, M.; Lettinga, G.; Lens, P Anaerobic bioprocessing of organic waste. World Journal of Microbiology & Biotechnology. 12, Flors, A., Lequerica, J., Madarro, A. and Valles, S Producción de Metano por fermentación anaeróbica. Estado de la tecnología. Rev. Agroquim. Technol. Aliment. V 4. N 2. pp Ten Brummeler, E., Horbach H. and Koster I Dry anaerobic batch digestionof the organis fractionofmunicipal solid wastes. Journal of chemical technology and biotechnology. V 5. p

8 Six, W. and De Baere, L Dry anaerobic conversion of municipal solid waste by means of the DRANCO process. Water Science & Technology. V 25. N 7. pp De Baere, L. and Verstraete, W Anaerobic fermentation of semi-solid and solid substrates. In : Anaerobic Digestionand carbohydrates of waste. G. L Ferrero, M.P Ferranti and H. Naveau (eds). Pp Elsevier. London. 8