Co-digestión anaerobia mesofílica de cosetas de remolacha agotada con estiércoles animales

Resumen

El sustrato lignocelulósico denominado "cosetas agotadas de remolacha azucarera" es un subproducto derivado del proceso industrial de producción de azúcar a partir de la remolacha azucarera y es utilizado habitualmente como suplemento nutritivo en la alimentación del ganado. Sin embargo, este sustrato forma parte de la denominada "biomasa lignocelulósica" que es susceptible de aprovechamiento energético mediante el proceso de digestión anaerobia para obtener el biogás, un biocombustible gaseoso con alto contenido en metano que aporta ventajas económicas y medioambientales frente al gas natural. Sin embargo, los sustratos lignocelulósicos, tal y como las cosetas agotadas de remolacha azucarera, presentan un déficit en nitrógeno y alcalinidad, que puede limitar el proceso de digestión anaerobia. La combinación de estos sustratos lignocelulósicos con residuos ganaderos -que aportan nitrógeno y alcalinidad- en un proceso denominado co-digestión anaerobia, es una solución adecuada y efectiva para incrementar los rendimientos del aprovechamiento energético de ambos tipos de sustratos. La presente Tesis Doctoral, presentada en formato de compendio de publicaciones, se enmarca dentro del proyecto nacional "CTM2013-43938-R" del Plan Estatal de Investigación Científica y Técnica y de Innovación, titulado "Digestión anaerobia de cosetas agotadas de remolacha y co-digestión con estiércoles ganaderos en distintos rangos de temperatura. Evaluación energética". Dicho proyecto ha sido financiado por el MINISTERIO DE ECONOMÍA Y COMPETITIVIDAD (cofinanciado con FONDOS FEDER) dentro del Programa Estatal de Investigación, Desarrollo e Innovación orientada a los Retos de la Sociedad. Los objetivos de la presente Tesis Doctoral han sido enfocados al estudio de la viabilidad de la digestión anaerobia mesofílica de las cosetas agotadas de remolacha azucarera como único sustrato y en co-digestión con dos tipos de residuos ganaderos que son el purín de cerdo y el estiércol de vaca. Para alcanzar estos objetivos, se realizaron ensayos operando en régimen discontinuo, centrándose en la selección de la proporción de mezcla entre los sustratos seleccionados y el contenido en sólidos totales (ST) mediante la comparación de los rendimientos de cada mezcla establecida con los resultados de la digestión anaerobia de cada sustrato individualmente. Seguidamente, se realizaron ensayos operando en régimen semicontinuo y trabajando en las mejores condiciones obtenidas en la etapa anterior, con objeto de optimizar el tiempo hidráulico de retención (THR) y la velocidad de carga orgánica (VCO) utilizable. Los resultados de los ensayos en discontinuo mostraron que la co-digestión de las cosetas agotadas de remolacha aporta ventajas significativas al proceso, con ambos co-sustratos ganaderos. Concretamente, la mejor mezcla de cosetas de remolacha con el purín de cerdo (ratio C/N de 18,5) ha mostrado una productividad especifica de metano de 494 ml CH4/gSVañadido, que ha resultado un 103% y un 30% más alta que las obtenidas mediante la digestión anaerobia individual de las cosetas y el purín de cerdo, respectivamente. Por otra parte, la adición del purín de cerdo ha permitido reducir significativamente el periodo de arranque del proceso a 8 días cuando este tiempo inicial ha sido de 37 días para la digestión de las cosetas agotadas de remolacha como único sustrato. En el caso de la co-digestión de las cosetas de remolacha con el estiércol de vaca, las mejores mezclas han sido las que contenían cosetas agotadas de remolacha por debajo del 50%.La ratio C/N de 18,5 ha mostrado una productividad específica de metano de 557 ml CH4/gSVañadido, que ha resultado un 81% y un 25% más alta que las obtenidas mediante la digestión anaerobia individual de las cosetas de remolacha y el estiércol de vaca, respectivamente. Los co-sustratos ganaderos no han repercutido únicamente en la productividad de metano obtenida sino que, además, han aportado estabilidad al proceso. Al añadir el co-sustrato purín de cerdo, se han obtenido mejoras en los parámetros relacionados con la estabilidad del proceso como la ratio acidez/alcalinidad o en la proporción entre el ácido propiónico y el ácido acético (0,4 y 0,08, respectivamente para ambas ratios).La digestión individual de las cosetas agotadas de remolacha ha mostrado algunos problemas ya que el sistema tiende a generar altas concentraciones de ácidos grasos volátiles, retrasando el periodo de arranque y afectando a los rendimientos de producción de metano. Seguidamente, se realizaron ensayos comparativos en régimen discontinuo, operando con las mejores mezclas (ratio C/N de 18,5) de las cosetas agotadas de remolacha y cada uno de los co-sustratos ganaderos (purín de cerdo y estiércol de vaca), con el objetivo de evaluar la mejora que aporta cada uno de los co-sustratos al proceso, en condiciones de operación similares (mismo inóculo y mismo lote de cosetas agotadas de remolacha). En este caso, se han observado productividades específicas de metano similares de 464 ml CH4/gSVañadido y 451 ml CH4/gSVañadido, para la co-digestión con purín de cerdo y estiércol de vaca, respectivamente. Por otra parte, se ha observado que las productividades específicas de metano experimentales han sido un 42% y un 54% más altas que las teóricas estimadas a partir de las producciones de cada sustrato individualmente. De los estudios realizados con ambos co-sustratos, se ha concluido que la acidificación del sistema por alta liberación de los ácidos grasos volátiles es una característica del sustrato lignocelulósico denominado cosetas agotadas de remolacha y que los efectos sinérgicos obtenidos mediante la adición del co-sustrato ganadero permiten evitar fallos del sistema debido a esta acidificación. Otro de los aspectos que ha sido estudiado en este trabajo fue el efecto del contenido en sólidos totales en la co-digestión de los sustratos. Para ello, se han evaluado los contenidos en ST del 8% y 5%. Cabe señalar que para los residuos lignocelulósicos fibrosos, tal y como las cosetas agotadas de remolacha, resulta difícil operar con contenidos más altos de ST ya que la reología del sustrato al rehidratarse supone problemas de agitación y de mezcla dentro del reactor lo que impide la homogeneización adecuada del medio, afectando así al rendimiento del proceso. El contenido en ST del 8% ha sido seleccionado como adecuado para las condiciones estudiadas ya que ha permitido obtener altos rendimientos sin perjuicio del funcionamiento adecuado del sistema. Las productividades específicas de metano han sido un 32% y un 51% más altas comparando el contenido en sólidos del 8% con el de 5%, respectivamente en el caso de la co-digestión con el purín de cerdo y el estiércol vacuno. Como se indicó anteriormente, basándose en los resultados de todas estas etapas anteriores, se realizaron ensayos en régimen semicontinuo de las cosetas agotadas de remolacha como único sustrato y de su co-digestión con cada uno de los dos co-sustratos ganaderos. Para ello, se ha estudiado una serie de tiempos hidráulicos de retención que lógicamente, corresponden a una serie de velocidades de carga orgánica. En el caso de la digestión anaerobia de las cosetas agotadas de remolacha sin co-sustrato, se han evaluado tres THR:20, 18 y 15 días. En este caso, se ha comprobado que la digestión anaerobia de este sustrato individualmente solo es viable operando al THR de 20 días (VCO de 3,26 gSV/Lreactor*día), y que la operación a tiempos más cortos provoca graves distorsiones en el sistema debido a la liberación de concentraciones apreciables de ácido propiónico acompañada, a su vez, de la acidificación del reactor. En estas condiciones, el reactor operando a 20 días de THR ha mostrado una tasa de producción diaria de metano estable de 0,84±0,28 LCH4/Lreactor*día, una productividad específica de metano de 216 mL CH4/gSVañadidos y una reducción del contenido en sólidos volátiles (SV) del 57%. Al igual que lo observado en los ensayos realizados en discontinuo, la adición del co-sustrato ganadero permite mejorar la efectividad y estabilidad del proceso. Para la co-digestión anaerobia de las cosetas agotadas de remolacha con el estiércol de vaca, se estudiaron los THR de 20, 18, 15 y 12 días. Los resultados de este ensayo mostraron que el THR óptimo ensayado es de 15 días (VCO de 4,9 gSV/Lreactor*día). En estos ensayos, la tasa de producción diaria de metano en el THR de 15 días, la productividad específica de metano y la eliminación de SV han sido de 1,2 LCH4/Lreactor*día, 314 mLCH4/gSVañadidos y 54%, respectivamente. El THR de 12 días ha resultado crítico con bajadas en la producción de metano y distorsiones en el sistema. En cuanto a la co-digestión de las cosetas agotadas de remolacha con el purín de cerdo, se han estudiado los THR de 20, 18, 15, 12, 8, 6 y 5 días. Los resultados de este ensayo han mostrado que la adición del purín de cerdo permite la bajada del THR hasta los 6 días (VCO de 11,2 gSV/Lreactor*día) con una tasa de producción diaria de metano de 3,1 LCH4/Lreactor*día y una productividad específica de metano de 271mLCH4/gSVañadidos. Además, se ha obtenido una eliminación de los sólidos volátiles del 57%. El THR de 5 días ha resultado crítico produciéndose distorsiones en el sistema por liberación de ácidos grasos volátiles (principalmente ácido acético) acompañadas de la consiguiente bajada de pH y de la alcalinidad. Por otra parte, si se emplea como criterio el porcentaje de reducción de sólidos volátiles, el THR de 12 días ha sido el mejor de los ensayados obteniendo el 68 % de eliminación de SV. La tasa de producción diaria de metano al THR de 6 días en el caso de la co-digestión con el purín y de 15 días en el caso de la co-digestión con el estiércol vacuno han resultado el 72% y 32% superiores a la obtenido en el caso de la digestión anaerobia de cosetas agotadas de remolacha como único sustrato trabajando a 20 días de THR. Por otra parte, las VCO de los ensayos de co-digestión con el purín de cerdo y el estiércol de vaca han sido el 70% y 33% más altas que en el caso de la digestión anaerobia individual de las cosetas, respectivamente. Cabe destacar que en todos los ensayos en régimen semicontinuo, tras la distorsión de los sistemas cuando se he producido una sobrecarga, se han vuelto a recuperar los reactores mediante la suspensión temporal de la alimentación y su re-inoculación con un efluente adaptado para la degradación de las cosetas agotadas de remolacha, volviendo a obtener los mismos rendimientos cuando se operaba de nuevo en las condiciones óptimas determinadas, lo que confirma la estabilidad de los procesos en sus condiciones definidas como óptimas.