Tecnologías para el tratamiento de los sólidos orgánicos del sector residencial y su aprovechamiento como fuente de energía Mydory Oyuky Nakasima López, Nicolás Velázquez Limón, Sara Ojeda Benítez mydory.nakasima@hotmail.com Resumen En este artículo se presenta el estado del arte de la tecnología de digestión anaeróbica para el tratamiento de los sólidos orgánicos. Se realizó un estudio comparativo considerando las características principales, ventajas, desventajas y aplicaciones más comunes de las tecnologías, seleccionando lo mejor de cada una de ellas para la generación de una propuesta tecnológica de procesamiento de los sólidos orgánicos del sector residencial, a nivel vivienda o conjunto habitacional. Finalmente, se realiza una descripción de las diferentes etapas del sistema propuesto, acoplando el proceso de digestión anaeróbica con un motor stirling para la generación de energía eléctrica, proponiendo un sistema de captación solar tipo fresnel para la generación de vapor que será utilizado en la etapa de pre-tratamiento térmico de los sólidos orgánicos. Palabras Clave: biogás, digestión anaeróbica, sólidos orgánicos domiciliarios, pre-tratamiento 535 1. Introducción En la sociedad moderna, el consumismo está fuertemente relacionado con el sistema básico de necesidades, una de las necesidades básicas de cualquier familia es la de comer, la actividad que se realiza para satisfacer esta necesidad implica que diariamente se acumulan desechos orgánicos que podrían ser aprovechados para no producir contaminación [1]. Actualmente, y sobre todo en los países desarrollados, es donde existe el mayor índice de consumo y por tanto el de mayor producción de, debido al rápido crecimiento de población. Mexicali, Baja California, no es la excepción, ya que cuenta con 936,826 habitantes registrados en el año 2010, lo que corresponde aproximadamente al 30% del total de la población del estado de Baja California [2]. Se han realizado estudios acerca de la generación, composición y cuantificación de los sólidos del sector residencial de la ciudad de Mexicali, donde se ha registrado que el 41.4% corresponden a orgánicos que comprenden los desechos de comida y de jardines principalmente, equivalentes a 300 toneladas diarias de orgánicos, que a su vez corresponde a 0.8565 kilogramos por habitante por día [3], los cuales contienen un gran potencial para ser utilizados como fuente de energía. El gran inconveniente es que este tipo de se están convirtiendo en un serio problema ambiental debido a la disposición final en los rellenos sanitarios, incrementando la carga de orgánicos y por consiguiente la generación excesiva de metano principalmente, el cual tiene alrededor de 25 veces más efecto invernadero que el dióxido de carbono, así como la generación de otros gases liberándose directamente a la atmósfera, lo que contribuye negativamente al llamado efecto invernadero y a su vez al cambio climático. Actualmente, existen opciones tecnológicas que pueden ser aplicadas para reducir los efectos negativos que ocasionan este tipo de [4]. Entre los tratamientos biológicos, la digestión anaeróbica es usualmente considerada el proceso más rentable, debido a la alta recuperación de energía relacionado con el proceso y sobre todo por su limitado impacto ambiental [5]. Por lo tanto, la digestión anaeróbica para la obtención de biogás, constituye una alternativa energética muy pp 535-542 ISBN 978-607-607-015-4
importante, en esta época en donde es indiscutible la disminución de las reservas de combustibles fósiles y el incremento de su precio, así como el deterioro ambiental que estamos provocando al planeta con la desmedida generación de. 2. Digestión anaeróbica La digestión anaeróbica es un proceso biológico en el que la materia orgánica, en ausencia de oxígeno y mediante la acción de un grupo de bacterias específicas, se descomponen en productos gaseosos o biogás CH4, CO2, H2, H2S, etc., y en digestato, que es una mezcla de productos minerales N, P, K, Ca, etc., y compuestos de difícil degradación [6]. Las ventajas principales del proceso de digestión anaeróbica son: minimización de emisiones de gases de efecto invernadero, el aprovechamiento energético de los orgánicos y a su vez la obtención de un abono orgánico rico en nutrientes y libre de patógenos para el uso directo en la tierra. 2.1 Fases de la digestión anaeróbica La digestión anaeróbica está caracterizada por la existencia de varias fases consecutivas diferenciadas en el proceso de degradación del sustrato término genérico para designar, en general, el alimento de los microorganismos [6], interviniendo cuatro grandes poblaciones de microorganismos como se muestra en la figura 1: Hidrólisis Acidogénesis Acetogénesis Metanogénesis Materia Orgánica Compleja Proteínas Carbohidratos Aminoácidos, Azucares Productos Intermedios Ej. Propiónico, Butírico. Hidrógeno, dióxido de carbono Metano, dióxido de carbono 536 Grasas Ácidos Grasos Ácido acético Figura. 1. Etapas del proceso de digestión anaeróbica 2.2. Parámetros ambientales y operacionales del proceso Siendo la digestión anaerobia un proceso bioquímico complejo, es necesario mantener las condiciones óptimas que permitan la realización tanto de las reacciones químicas dentro de la matriz líquida del reactor, como las reacciones bioquímicas intracelulares que dan vida a los organismos en juego [7]. La tabla 1 muestra las condiciones óptimas de operación para que se lleve a cabo correctamente el proceso de digestión anaeróbica.
Tabla. 1. Condiciones y parámetros de operación del proceso de digestión anaeróbica Condición Parámetro ph neutro 6.8 7.2 Temperatura mesofílica 30 37 C Tiempo de Retención Hidráulica (TRH) 15-25 días % de Sólidos Volátiles (SV) 7-12 Relación C/N 20:1 30:1 537 3. Estudio comparativo de las tecnologías para el tratamiento de orgánicos El estudio comparativo de las tecnologías utilizadas en el proceso de digestión anaeróbica para el tratamiento de orgánicos, fue clasificado de acuerdo a su proceso evolutivo: digestores de primera, segunda y tercera generación, tal como se muestra en la tablas 2, 3 y 4. Los criterios para el análisis comparativo y selección de la tecnología de digestión anaeróbica más idónea, están basados en sus principales características, ventajas y desventajas, considerando especialmente el tipo de residuo que puede procesar, tiempo de retención hidráulico y rendimiento de producción de biogás. Digestor Anaerobio Laguna Anaeróbica Tanques Sépticos Modelo Hindú Tabla.2. Estudio comparativo de digestores anaeróbicos de primera generación Características Ventajas Desventajas Aplicaciones Está diseñada para la remoción de materia orgánica suspendida y parte de la fracción soluble de materia orgánica. Funcionan de manera similar a los tanques sépticos abiertos. Operan en serie con lagunas facultativas y de maduración. Contenedor hermético cerrado en donde se acumulan las aguas negras y donde se les da un tratamiento primario. Elimina los sólidos al acumular las aguas negras en el tanque y al permitir que parte de los sólidos, se asienten en el fondo del tanque mientras que los sólidos que flotan (aceites y grasas) suben a la parte superior. Cuenta con un período de retención mínimo de 6días. Consiste en una fosa o en un tanque pequeño que opera de forma semi-continua. Este tipo de reactor es enterrado verticalmente y se cargan por - Relativamente barato - Proceso simple - Efluente de buena calidad - Espacio reducido - Buen rendimiento para el tratamiento de aguas residuales con altas concentraciones de materia orgánica -Apropiado para comunidades rurales, edificaciones y condominios, etc. -Su limpieza no es frecuente. -Bajo costo de construcción y operación. -Mínimo grado de dificultad en operación y mantenimiento si se cuenta con infraestructura de remoción de lodos. -Tiempo de retención de 10-30 días relativamente cortos. -Fácil manejo. -Trabaja a una presión -Supervisión constante a la mezcla y cantidad de desechos, con el fin de mantener una biomasa de buena calidad para el tratamiento - No hay acceso a los mezcladores para su mantenimiento -Operación a baja temperatura y largos períodos de retención -Se deben construir a distancias considerables de los límites urbanos -Uso limitado a la capacidad de infiltración del terreno que permita disponer adecuadamente de los efluentes en el suelo. - Requiere de equipo para la remoción de lodos (bombas, camiones con bombas de vacío, etc.) -Poco eficiente en la biodegradación de. -Costos elevados debido al gasómetro de la industria y agrícola domésticas (urbanas, urbano marginales y rurales) domiciliarios y/o agropecuarios.
Modelo Chino Mezcla Completa sin Recirculació n (RMC) Mezcla Completa con Recirculació n (Contacto Anaerobio) Digestor Anaerobio Filtro Anaerobio Manto de Lodo Granular gravedad una vez al día. El gasómetro esta integrado al sistema, en la parte superior del pozo se tiene una campana flotante donde se almacena el gas, balanceada por contrapesos de ahí sale el gas para su uso. Consiste tanque redondo y achatado con el techo y el piso en forma de domo. Se encuentran enterrados y cuentan con un gasómetro fijo. En este caso, a medida que aumenta la producción de gas, aumenta la presión en el domo o cúpula fija, forzando al líquido en los tubos de entrada y salida a subir. Trabaja a una presión variable, ya que su objetivo no es producir biogás sino abono orgánico ya procesado. Reactor relativamente simple. Distribución uniforme de concentraciones, tanto del substrato como de microorganismos. El tiempo de retención hidráulico es de 10-30 días. Tiempo de arranque de 30-90 días. La retención de la biomasa se realiza por sedimentación externa y recirculación. El reactor se mantiene agitado. Adecuado para tratar aguas residuales con sólidos de lenta digestión. Tiempos de retención hidráulica de 1-5 días. Tiempo de arranque de 20-60 días. constante. - Bajo costo. -Fácil manejo. -Buena descomposición de la materia suspendida -Buena sedimentación -Sin problemas de taponamiento en tuberías -Recirculación necesaria móvil. -Elevado tiempo de retención de 30-60 días -Cantidad elevada de formación de espuma -Alta demanda de energía y espacio -No hay buena sedimentación de la biomasa -Carga volumétrica y producción de gas baja -Largo tiempo de retención -Tanque adicional para sedimentación lo que implica el incremento de costos de inversión Tabla. 3. Estudio comparativo de digestores anaeróbicos de segunda generación agrícolas/estiérc ol. -Excretas humanas. urbanas. -Actividades agrícolas y agroindustriales de alta carga orgánica (aguas residuales de azucareras, cerveceras, etc.) Características Ventajas Desventajas Aplicaciones Consiste de un lecho poroso donde la flora anaeróbica se puede adherir. Se opera sin recirculación. El exceso de barro se elimina del reactor junto con el efluente tratado. Es ideal para aguas residuales con carga orgánica soluble o que se degrade fácilmente. Reactor tubular que operan en régimen continuo y flujo ascendente. Reactor anaerobio en el cuál los -Proceso robusto -Buena retención de microorganismos -Bajo costo -No requiere agitador -Tiempos de retención hidráulica de 1-5 días. -Tiempo de residencia bajo (48 h) -Sin problemas de taponamiento en tuberías -Precipitación de sustancias inorgánicas -Posible obstrucción del filtro -Alta demanda de construcción -No es apropiado para altas concentraciones de lodos -Tiempo de arranque de 20-60 días. -Recirculación necesaria -Problemas cuando no aparecen gránulos -Sensible con elevadas de la industria agroalimentaria de la industria agroalimentaria 538
539 (UASB) Circulación Interna (IC) Híbrido (AHR) Flujo de Pistón Horizontal Geomembra na microorganismos se agrupan formando biogránulos (generalmente en el rango de 0.5 a 2 mm de diámetro), por el tipo de flujo que maneja. La composición del gránulo está estratificada. Está basado en la tecnología del UASB con dos etapas de separadores trifásicos, donde el inferior es altamente cargado de materia orgánica a diferencia del superior, recuperando el biogás en dos zonas. En la primer zona se utiliza el biogás recogido para generar una agitación de gas que hace circular el agua y el lodo a través del reactor manteniendo mezclado el sustrato. En la segunda zona presenta una carga hidráulica baja, lo que separa con eficiencia el biogás, gránulos de biomasa y efluentes tratados. Consiste en una manto de barros, que permite tener una buena densidad de biomasa en la parte inferior. En la parte superior, la concentración de biomasa granulada se puede colocar una cierta altura de relleno permitiendo el desarrollo de biomasa adicional, adherida al mismo, aumentando las posibilidades de depuración. Cuenta con un tiempo de residencia de 10 a 13 hrs aprox. Este tipo de reactor tiene una orientación horizontal y está construido fijamente dentro de un tubo de concreto, que en escala y geometría, es similar a los diseños de los recipientes de compostaje aeróbico. El biodigestor tiene una geometría alargada donde la mezcla de materia orgánica y agua circula en flujo pistón. Este tipo de flujo permite que -Mezclado natural -Buena sedimentación de los lodos -Convierte del 70-95% de la materia orgánica biodegradable en una corriente de biogás valorizable - Espacio reducido -Poca propensión a atascarse con sólidos debido al sistema de distribución de afluentes -No hay piezas móviles internas; menos costes de mantenimiento. -El volumen pequeño del sistema, simplifica la gestión del inventario de lodos. -El biogás se elimina del reactor mucho antes del punto en el que se descarga el efluente, lo que proporciona una zona de reposo y mantiene la biomasa en el reactor -Tiempo de residencia = 4hrs. -Alta eficiencia debido al flujo ascendente del lecho fijo -Alta concentración de biomasa -Alta producción de biogás -Espacio reducido -Consumo de agua bajo o nulo dependiendo de las características del material -Baja demanda de energía en el manejo de materiales, transporte y fermentación mediante el uso de unidades de baja velocidad y tiempos de operación alternados -Alta degradación de SSV a través del flujo de pistón casi continua. -Excelente resistencia química a la mayoría de los efluentes industriales. -Útil para grandes volúmenes de biomasa. concentraciones de material orgánico insoluble - Dificulta la formación de gránulos. -Posibles daños y taponamiento de las capas inferiores -Bajo rendimiento -La actividad de microorganismos metanogénicos es mayor en la parte inferior que en los niveles superiores -Las temperaturas son difíciles de controlar y puede dar lugar a gradientes de temperaturas indeseables - Altos costos de mantenimiento -Requiere de mucho espacio. -Requiere de agitadores mecánicos. domésticas de alto contenido orgánico. - Fábrica de cerveza y de bebidas NO alcohólicas. -Industria del papel. - Industria alimenticia. de la industria agroalimentaria domésticas orgánicos municipales. -Tratamiento de porcino, vacuno y bovino. -Tratamiento de orgánicos industriales agropecuarios y de la agroindustria.
cada porción del residuo que ingresa por un extremo cumpla el tiempo de residencia necesario dentro del biodigestor antes de salir por el otro extremo, bien alejado del inicio. La cubierta superior tiene el objetivo de recuperar todo el biogás producido, como también cumplir de función de gasómetro. Tabla. 4. Estudio comparativo de digestores anaeróbicos de tercera generación los orgánicos domiciliarios. Digestor Anaerobio Lecho Fluidizado Manto de Lodo Granular Expandido (EGSB) Características Ventajas Desventajas Aplicaciones Sistema en el que las bacterias se encuentran suspendidas. Cuenta con recirculación para mantener el caudal adecuado que permita la expansión y fluidización del lecho. En la parte superior de la unidad, se encuentra un sedimentador que evita la salida de partículas de lodo con el efluente. En la medida que se disponga de biomasa granular de buena calidad, puede utilizarse para expandir el lecho con mayores velocidades ascendentes. Debido al caudal de recirculación que se aplica, mejora la actividad de la biomasa. Aplicación de elevadas cargas orgánicas. -Excelente contacto entre la biomasa y los de agua -Fácil arranque y tiempos cortos de retención hidráulica de 1-10 horas -Insensible a las variaciones de carga -Velocidad de sedimentación ajustable -Mezclado efectivo, debido a la alta velocidad de la corriente ascendente -Elevada concentración de biomasa activa sobre las partículas de soporte -Tiempo de residencia bajo (10 h) -Inversión y gastos de operación muy altos -Mantenimiento complicado -Sensible con alimentos tóxicos -Altos costos de energía debido a la recirculación -Aguas residuales especialmente de la industria agroalimentaria -Fracciones líquidas o sobrenadantes de ganaderos (experiencias limitadas) - Tratamiento de industriales de diversos tipos. 540 4. Propuesta de las etapas del proceso de tratamiento de los sólidos orgánicos del sector residencial En la figura 2 se muestra el sistema propuesto de las etapas por las que pasan los sólidos orgánicos del sector residencial, desde su almacenamiento por el usuario, pre-tratamiento, tratamiento mediante la digestión anaeróbica hasta la obtención del biogás acoplando un motor stirling para su utilización como energía eléctrica en la vivienda, así como el uso de los sólidos orgánicos digeridos, ya sea en forma líquida o sólida que pueden ser utilizados directamente en la tierra de los jardines de las viviendas y/o en los parques comunitarios.
Figura. 2. Etapas del proceso de tratamiento de los sólidos orgánicos domiciliarios 5. Resultados y discusiones 541 Como puede apreciarse en las tablas 2, 3 y 4, la evolución de los digestores ha venido siendo sustentada con nuevas geometrías, etapas de pre-tratamiento, separación de fases, cambios en el modo de operación, fijación y suspensión de bacterias, altas velocidades de flujo, entre otros. Los digestores de primera generación se caracterizan por tener una parte de los microorganismos en suspensión y la otra parte se encuentran acumulados como sedimento logrando un adecuado contacto de los mismos con el sustrato, son de fácil operación, debido a su baja capacidad de procesamiento de cuenta con largos períodos de retención hidráulico lo cual requiere de equipos más grandes; estos digestores son utilizados para tratar domésticas, industriales y agrícolas, así como sólidos orgánicos domiciliarios y agrícolas. Los digestores de segunda generación se identifican por tener a los microorganismos retenidos en el tanque por medio de una bio-película adherida a un soporte (empaque), o bien, por su sedimentación en forma de agregados (flóculos o granos) densos. En estos sistemas se ha separado el tiempo de retención hidráulico celular reduciendo el tiempo de retención hidráulico así como el tamaño de los digestores, también se ha mejorado considerablemente el dispositivo de distribución del sustrato en su interior, la mayoría de los digestores clasificados en esta generación no requieren de mezcladores; las aplicaciones de este tipo de digestores son tanto para tratamiento de aguas residuales como de sólidos orgánicos industriales, domiciliarios y agrícolas. Por último, los digestores de tercera generación también retienen los microorganismos en bio-película o grano compacto y denso, con la particularidad de que el soporte se expande o fluidifica con altas velocidades de flujo debido a que cuenta con recirculación de materia orgánica. Sin embargo, esto los vuelve más costosos, tiene tiempos cortos de retención hidráulico lo que disminuye el tamaño del digestor, permite elevadas cargas orgánicas obteniendo un mayor rendimiento de biogás y sus aplicaciones más comunes son para tratamientos de agua residuales industriales y agrícolas. La evolución de la tecnología de digestión anaeróbica, incorporando procesos de pre-tratamiento y recirculación de la biomasa, ha permitido disminuir los tiempos de retención hidráulico de días a horas, obteniendo digestores más pequeños, haciéndola más eficiente y económicamente viable. De acuerdo a la figura 2, dentro del sistema propuesto de las etapas del proceso del tratamiento, se considera que se realicen la separación de fases. Esto implica realizar un pre-tratamiento mecánico y térmico del residuo para ayudar a favorecer la primer fase del proceso de digestión anaeróbica, la fase hidrolítica, ya que los orgánicos domiciliarios están compuestos por moléculas orgánicas complejas, como proteínas, grasas y almidones principalmente, donde estas bacterias requieren de una gran cantidad de energía para desdoblar los polímeros en fragmentos más
pequeños, lo cual sin el pre-tratamiento antes mencionado, llevaría mucho más tiempo en realizarse este fenómeno, es por eso que se propone la separación de fases para acelerar el proceso de producción de biogás. 4. Conclusiones Los digestores (circulación interna, lecho fluidizado y manto de lodo granular expandido) son los que tienen mayor potencial para ser utilizados en el procesamiento de los sólidos orgánicos del sector residencial, dado que son los que presentan altas cargas orgánicas (10-35 kg/m³.día), el menor tiempo de retención hidráulico (1-10 horas) y un alto rendimiento de producción de biogás. Referencias Bibliográficas [1] Ojeda Benítez Sara El consumo como fuente de generación de basura y contaminación. En Quintero Núñez Margarito Contaminación y medio ambiente en B.C. Editorial Miguel Angel Porrua 2006 pp 227-249 [2] Instituto Nacional de Estadística y Geografía INEGI. Año 2010. http://www.inegi.org.mx/sistemas/mexicocifras/default.aspx?ent=02 [3] Carabias J., Provencio E., Sánchez J. Estadísticas e indicadores de inversión sobre sólidos municipales en los principales centros urbanos de México. Primera Edición. Noviembre de 1977. Talleres de desarrollo gráfico editorial S.A. de C.V. México D.F. 61 páginas. [4] Taboada P., Aguilar Q., Ojeda S., "Análisis estadístico de sólidos domésticos en un municipio fronterizo de México". Avances en ciencias e ingeniería. Vol. 2(1). 2011. pp. 2. [5] Mata J., Macé S., Llabrés P., "Anaerobic digestion of organic solid wastes. An overview of research achievements and perspectives". Bioresource technology. Vol. 74. 2000. pp. 1. [6] Besel, S.A. (Departamento de Energía). Biomasa: digestores anaerobios. 2007. IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía). Madrid, España. 48 páginas. [7] Montes Carmona, M. E. 2008. Tesis doctoral: estudio técnico-económico de la digestión anaerobia conjunta de la fracción orgánica de los sólidos urbanos y lodos de depuradora para la obtención de biogás. 542