Optimización de la digestión anaerobia en fase secuencial de temperatura de lodos de EDAR

Resumen

La implantación de la Directiva 91/271/CEE del Consejo, de 21 de mayo, sobre tratamiento de las aguas residuales, ha supuesto un incremento en la eficacia de los procesos de depuración y la construcción de un gran número de nuevas estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR). Como consecuencia de ello, la cantidad de lodos generados también se ha visto incrementada de forma notable. En general, los lodos de depuradora están constituidos por los sólidos sedimentados del agua residual, el exceso de microorganismos producidos durante el tratamiento biológico, los productos sedimentados por coagulación natural o provocada de las partículas en suspensión o de carácter coloidal y los precipitados químicos formados por la reacción de los coagulantes con las partículas disueltas. El principal problema que plantean los lodos deriva de su elevado contenido en materia orgánica, que puede suponer entre el 40 % y el 80 % del peso seco, dependiendo del tipo y extensión del tratamiento empleado. La fracción orgánica es una mezcla de grasas, proteínas, carbohidratos, lignina, aminoácidos, azúcares, celulosa, material húmico, ácidos grasos y microorganismos, vivos y muertos. La mayor carga orgánica de los lodos procedentes del tratamiento de las aguas domésticas es de origen fecal fundamentalmente, por lo que tiende a descomponerse; de ahí la importancia de someterlos a tratamientos de estabilización y la necesidad de establecer normas reguladoras y pautas a seguir para una adecuada evacuación final. Esta creciente y continua generación de lodos requiere de estrategias de tratamiento y gestión bien definidas y altamente eficientes. Por ello se han de considerar siempre como un subproducto susceptible de ser valorizado, tanto desde un punto de vista energético como agronómico. Siguiendo el principio de prevención de la contaminación, la jerarquía de actuación en materia de gestión de lodos pasa por reducir su generación, seguida por su reciclaje y valorización con recuperación energética. Es por ello que el uso agrícola de los mismos es la alternativa más plausible, pues implica el concepto de reciclaje al considerar los biosólidos como una materia prima con valor económico. Ello, unido al actual problema existente en la agricultura en relación con el drástico descenso de materia orgánica de los suelos españoles, principalmente en las regiones del sur, hace que la aplicación agrícola se esté convirtiendo en una práctica habitual. Sin embargo, esta aplicación presenta grandes restricciones en función de los niveles de determinados elementos contaminantes contenidos en el lodo, especialmente metales pesados y microorganismos patógenos. Las tecnologías tradicionalmente implantadas en las EDARs españolas para la estabilización de los lodos, como la digestión aerobia y la digestión anaerobia mesofílica (35 °C), no son, en ocasiones, lo suficientemente eficaces. Así, los biosólidos derivados de estos procesos no cumplen, en muchos casos, los requisitos mínimos para su reciclaje y reutilización, al suponer un riesgo para la salud de los animales, las personas y del medio ambiente en general. El desarrollo de tecnologías que permitan reducir la cantidad de lodos generados y producir un producto altamente higienizado, es una opción más que interesante. Si además se consigue mediante este tratamiento valorizar el residuo, se habrá conseguido dar un paso más hacia la gestión eficiente y sostenible de los lodos de EDAR. Se hacen por tanto necesarios estudios de viabilidad para la implantación de nuevos procesos más eficaces y capaces, no sólo de minimizar los costes de operación y gestión, sino también de producir beneficios tanto económicos como medioambientales. Las llamadas tecnologías emergentes para la mejora de la biometanización están siendo objeto de múltiples estudios y pruebas piloto en los últimos años. Estas tecnologías consisten en la aplicación de pretratamientos de tipo físico, químico y biológico; en cambios en la configuración de los reactores; o en la separación de las etapas del proceso de digestión anaerobia. Como tecnología emergente, la digestión anaerobia en fases de temperatura (Temperature-Phased Anaerobic Digestion, TPAD) va más allá de un proceso anaerobio convencional, respecto al cual ha demostrado múltiples ventajas. Sin embargo, se trata de un concepto relativamente nuevo y requiere de estudios completos que permitan determinar las condiciones óptimas de operación. Por otro lado, con el fin de valorizar agronómicamente el residuo, se debe estudiar con detalle su influencia sobre los parámetros más relevantes como las concentraciones de metales pesados y de microorganismos patógenos, entre otros. Por otro lado, la aplicabilidad industrial del proceso TPAD necesita de estudios previos a escala de planta piloto que permitan reproducir, lo más fielmente posible, las condiciones de operación de los digestores anaerobios industriales. De esta manera se podría predecir la viabilidad de la implantación del proceso a gran escala e incluso obtener, realizando un estudio económico minucioso, una aproximación de los costes y beneficios a corto y largo plazo. Así pues, el principal objetivo de esta tesis es investigar la viabilidad del proceso de digestión anaerobia en fases de temperatura termofílica-mesofílica en lodos de depuradora, y optimizar las condiciones de operación para conseguir una mejora de su eficacia en términos de reducción de materia orgánica, de producción de biogás, de eliminación de patógenos y de calidad del efluente final, con el fin de obtener biosólidos que puedan ser clasificados como clase A (USEPA, 2003), en relación a su uso en la agricultura. La presente tesis doctoral integra estudios del proceso de digestión anaerobia en fases de temperatura de lodos de EDAR, tanto a escala de laboratorio como a escala piloto o semindustrial. La fase experimental ha sido orientada hacia tres objetivos fundamentales: La obtención de las condiciones óptimas de operación para el proceso TPAD, el estudio de su aplicabilidad a escala industrial y, por último, la producción de biosólidos clase A. Estos aspectos se desarrollan en los capítulos 3, 4 y 5 de esta memoria. A lo largo del Capítulo 1 se introduce la principal legislación aplicable a los lodos de EDAR. Se describen brevemente las principales tecnologías emergentes para la mejora del proceso de digestión anaerobia, haciendo especial hincapié en el proceso TPAD; y se ponen de manifiesto, de forma cuantitativa, la problemática del incremento en la producción de biosólidos así como las principales vías de gestión y evacuación de los mismos. Los equipos experimentales utilizados en los ensayos llevados a cabo a distintas escalas, así como de las principales técnicas analíticas empleadas, se detallan en el Capítulo 2. En el Capítulo 3, se describen ensayos en modo batch en fases de temperatura para la determinación del potencial bioquímico de metano (biochemical methane potential, BMP). El lodo mixto es sometido a condiciones anaerobias termofílicas (55 °C) durante 2, 4 y 6 días; tras esta predigestión se somete a nuevos ensayos BMP, está vez en rango mesofílico (35 °C). De esta manera, se optimizan las condiciones de operación del proceso TPAD que suponen el punto de partida de los ensayos semicontinuos a escala de laboratorio. Por otra parte, dentro de este capítulo se desarrolla un modelo cinético que describe el proceso TPAD de lodos de EDAR en reactores discontinuos de mezcla completa, determinándose los diferentes parámetros cinéticos. El Capítulo 4, se dedica a estudios TPAD semicontinuos, a escala de laboratorio. Se llevaron a cabo diferentes combinaciones de tiempos de retención de sólidos (TRS) para cada una de las etapas (termofílica/mesofílica). Las condiciones se establecieron en base a los resultados obtenidos en los ensayos batch referidos en el Capítulo 3. En este capítulo se describe la disminución paulatina del TRS, en cada una de las etapas, con el fin de alcanzar la optimización del proceso en términos de calidad de efluente y producción de metano, de forma general. Se ha de tener presente que, además de alcanzar las condiciones óptimas del proceso de digestión, la obtención de biosólidos de alta calidad, que favorezcan su aplicación agrícola, es un objetivo común de todos los estudios recogidos en esta memoria. Los resultados obtenidos durante los ensayos TPAD semicontinuos a escala de laboratorio fueron la base para los estudios realizados a escala de planta piloto en la EDAR Cádiz-San Fernando, que se describen en el Capítulo 5. La descripción detallada de la planta piloto utilizada se desarrolla durante el Capítulo 2. Por tanto, el Capítulo 5 se centra en la optimización del proceso TPAD a escala de planta piloto. Al igual que en los ensayos a escala de laboratorio, el TRS se fue disminuyendo y, en este caso, para el digestor mesofílico, el TRS se redujo hasta que el sistema se desestabilizó. Los reactores piloto se construyeron scale-down a partir de los digestores industriales, y el modo de operación, en cuanto al TRS aplicado inicialmente, fue también similar a los mismos.