Producción de bio-hidrógeno por co-digestión anaerobia acidogénica de residuos sólidos urbanos, residuos alimentarios de cocina y lodos de depuradora

Resumen

RESUMEN DE TESIS La presente Tesis doctoral ha tenido como objetivo principal estudiar la posibilidad de incrementar la producción de bio-hidrógeno a partir de la fracción orgánica de residuos sólidos urbanos (FORSU) mediante de la co-digestión con otros residuos de carácter urbano como son los residuos alimentarios de cocina (RAC) y los lodos de depuradora, que permitieron aumentar el contenido de materia orgánica de la mezcla. El interés científico-técnico de este trabajo viene marcado por el hecho de investigar la producción de bio-hidrógeno de forma acoplada al tratamiento de una serie de residuos orgánicos de carácter urbano. El tratamiento clásico que se ha dado a estos residuos ha sido su utilización en plantas de bioreciclaje para generación de compost y, más recientemente, el acoplamiento del proceso de compostaje con una etapa previa de biometanización, que permite obtener un biogás rico en metano que puede utilizarse con fines energéticos. Un esquema aún más novedoso consiste en utilizar el proceso de digestión anaerobia en fases separadas previo al compostaje final. En este caso, en la etapa acidogénica (fermentación oscura) del proceso anaerobio se genera un biogás con alto contenido en hidrógeno. Este aspecto tiene especial interés ya que el hidrógeno está considerado el vector energético del futuro próximo y su producción a partir de la degradación de residuos orgánicos presenta un especial interés. Por otra parte, los resultados del trabajo tienen interés para dar cumplimiento al Plan Nacional de Investigación de Residuos (PNIR) que establece una serie de plazos para alcanzar los objetivos previstos en lo que se refiere a la gestión de los residuos urbanos de origen domiciliario. Así, para los residuos municipales biodegradables la cantidad destinada a vertedero debe irse reduciendo progresivamente, hasta alcanzar en 2019 una reducción del 30% (4.176.950 t) del nivel de vertido de 1995. Esto implica que obligatoriamente debe incrementarse la cantidad de residuos municipales biodegradables que se traten mediante los procesos de compostaje y/o biometanización. De hecho, el PNIR incluye específicamente como objetivos relacionados con este tipo de residuos los siguientes: • Inclusión dentro de los programas de la I+D+i que se establezcan de una línea en materia de prevención y gestión de residuos urbanos de origen domiciliario. • Colaboración con la Red Española de Compostaje para el desarrollo de trabajos técnicos encaminados a optimizar el rendimiento de las plantas de compostaje y biometanización disponibles. • Realización y difusión de una guía para el buen funcionamiento de estas instalaciones. • Reorientación de las instalaciones de biometanización hacia el tratamiento de la fracción orgánica recogida selectivamente. El último de los objetivos indicados incide directamente en la necesidad de profundizar en la recogida selectiva de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos (separada del resto de componentes que actualmente se depositan en el mismo contenedor) para favorecer su posible biometanización (gestión sostenible de los residuos orgánicos). En la actualidad, a nivel nacional este sistema de recogida selectiva en origen, sólo está implantado en varias comunidades autónomas como son el País Vasco y Cataluña, aunque existen varias comunidades que han decidido dar un paso más e implantar próximamente este sistema de recogida selectiva como es el caso de Andalucía, donde ciudades como Sevilla y Córdoba han comenzado una experiencia piloto, instalando los primeros contenedores en algunos barrios de la ciudad, para estudiar la implicación de la ciudadanía y las posibles mejoras que pueden conseguirse en la gestión de los residuos. Los objetivos específicos de la presente Tesis Doctoral fueron los siguientes: - Poner en funcionamiento y mantener estable un reactor de inoculación. - Caracterizar todos los residuos empleados (FORSU, RAC y lodos de depuradora), mediante la determinación de los principales parámetros analíticos, a lo largo del desarrollo experimental del trabajo, ya que las características pueden variar según la estación del año y su origen. - Seleccionar las condiciones idóneas y los parámetros de operación óptimos del proceso de producción de bio-hidrógeno, a partir de los diferentes residuos (FORSU, RAC y lodos de depuradora), mediante digestión anaerobia acidogénica. - Obtener la ratio más favorable para la producción de bio-hidrógeno de las mezclas de la fracción orgánica de residuos sólidos urbanos (FORSU) y de los residuos alimentarios de cocina (RAC), así como de las mezclas de la FORSU con lodos de la depuración de aguas residuales urbanas. - Evaluar la mejora en la producción de bio-hidrógeno que se obtiene para las mezclas de la FORSU con residuos alimentarios de cocina (RAC) y lodos de depuradora, en función de la carga orgánica suministrada, operando en régimen de alimentación en semi-continuo en sistemas de tipo tanque agitado. - Evaluar la mejora en la producción de bio-hidrógeno que se obtiene para las mezclas de la FORSU con residuos alimentarios de cocina (RAC) al aplicar un pre-tratamiento de pre-compostaje, previo a su digestión anaerobia acidogénica. La presente Tesis Doctoral se ha dividido en cinco etapas experimentales que se detallan a continuación: A) Estudio de viabilidad de la co-digestión de la FORSU y del RAC, operando en régimen de alimentación semicontinuo, y análisis del efecto del tiempo hidráulico de retención sobre la eficacia del proceso. En esta primera etapa, se estudió la viabilidad de la co-digestión entre los residuos de la FORSU y del RAC. Teniendo en cuenta las dificultades asociadas a la digestión del RAC, se optó por una mezcla conservadora formada por un 80% de la FORSU y un 20 % del RAC, ya que cuándo el RAC se degrada anaeróbicamente en un proceso individual produce cantidades importantes de ácidos grasos de cadena larga que pueden llegar a inhibir el proceso. Todos los ensayos se realizaron en condiciones de digestión seca (20% de contenido en sólidos totales) y temperatura termofílica (55 ºC) (Fernández-Rodríguez et al., 2014) en reactores de tanque agitado con un volumen útil de 5 litros. Estos estudios fueron llevados a cabo utilizando diferentes tiempos hidráulicos de retención (THRs) de 6,6; 4,4; 2,4 y 1,9 días. Se seleccionaron estos THRs, dado que anteriormente habían sido empleados, en el grupo de investigación, en el estudio de la producción de bio-hidrógeno por digestión anaerobia acidogénica de la FORSU como residuo individual (Romero Aguilar et al., 2013). Debe resaltarse que la FORSU utilizada tenía la misma procedencia que la empleada en este trabajo, la planta de tratamiento de residuos sólidos urbanos “Las Calandrias” ubicada en la localidad de Jerez de la Frontera (Cádiz) por lo que se facilitaba la comparación de los resultados. Por otra parte, los residuos alimentarios de cocina (RAC) procedían de las diferentes cafeterías del Campus Universitario de Puerto Real (Cádiz). En este estudio se observó, que existía una mejora significativa en la producción de bio-hidrógeno con respecto a los resultados previos obtenidos utilizando únicamente FORSU, en todos los THRs ensayados, ya que al producirse un incremento en materia orgánica en la mezcla, esto se tradujo en un aumento en los rendimientos y las productividades. Más concretamente, la productividad específica de bio-hidrógeno se vio incrementada en un rango entre un 56-65% con respecto a los valores obtenidos en la digestión anaerobia de la FORSU para los diferentes tiempos hidráulicos de retención ensayados, incluyendo el THR de 1,9 días que se consideró óptimo para la digestión acidogénica de la FORSU (Romero Aguilar et al., 2013). La mayor productividad específica se alcanzó a un THR de 1,9 días y fue de 38 mL H2/gSVañadidos. B) Optimización del tiempo hidráulico de retención utilizable para las distintas mezclas de la FORSU y del RAC en el proceso de digestión acidogénica para obtención de bio-hidrógeno. En esta segunda etapa, utilizando la misma tipología de equipo experimental de la primera, se probaron diferentes ratios de mezclas de la FORSU con los RAC para el mismo conjunto de THRs. Así, al comprobar en la etapa anterior la viabilidad de la digestión de la mezcla 80:20 de la FORSU y del RAC, y comprobar que la adición del RAC mejoraba considerablemente la producción de bio-hidrógeno, se procedió a ensayar con diferentes mezclas, en las que se aumentaba progresivamente el contenido en RAC para encontrar el límite de operación del proceso. Concretamente, además de la mezcla 80:20 fueron investigadas otras dos ratios diferentes 70:30 y 50:50. El incremento de la fracción del RAC en la mezcla supone además un incremento en la carga orgánica alimentada. Así, manteniendo los mismos tiempos hidráulicos de retención (THR) del estudio anterior 6,6; 4,4; 2,4 y 1,9 días, las velocidades de carga orgánica (VCO) oscilaron entre 21,0 y 88,8 gSV/L•día. Los resultados mostraron que cuando la VCO aumentaba hasta 59,8 gSV/L•día, y la proporción del RAC aumentaba hasta el valor de 50:50, se producía una mejora en los rendimientos en términos de solubilización de la materia orgánica y en producción de bio-hidrógeno. Sin embargo, se observó que para mezclas donde la VCO se encontraba por encima de 70,3 gSV/L•día, cuando se utiliza la proporción de mezcla 50:50 (FORSU: RAC) y el THR era inferior a 4,4 días, se producía un proceso de desestabilización que estaba relacionado con un desequilibrio en la fase de hidrólisis. Para comprobar este hecho, se analizó la evolución de varios parámetros indirectos que permiten evaluar la extensión de las etapas de hidrólisis y acidogénesis, como fueron el carbono como sustrato acidogénico (CSA), el carbono ácido disuelto (CAD) y el carbono no solubilizado (CNS). Mediante un diseño experimental estadístico, se pronosticó que el óptimo teórico se situaba en la proporción de mezcla 63:37 (FORSU: RAC) y el THR de 3,2 días, con una predicción de rendimiento en la producción de bio-hidrógeno de 60 mL H2/gSValimentados y una productividad de 2,1 LH2/Lreactor•día. C) Selección de las condiciones óptimas para la producción de bio-hidrógeno mediante mezclas de la FORSU y lodos de depuradora. En la tercera etapa se investigó, en primer lugar, la tipología del lodo a emplear como co-sustrato del proceso (lodos primarios, secundarios, y mixtos), posteriormente, se probaron diferentes concentraciones de sólidos totales (ST): 10, 15, 20 y 25% y, por último, se probaron diferentes ratios de mezclas: 1:1; 2.5:1; 5:1 y 10:1, para determinar cuál era la mezcla óptima para las mezclas de la FORSU y los lodos de depuradora. Este estudio, se llevó a cabo en viales o reactores discontinuos a escala de laboratorio, con un volumen total de 250 mL y un volumen útil 120 mL, dejando el resto como espacio en cabeza para permitir la acumulación del gas generado. Los viales se mantenían en un baño termostatizado a una temperatura de 55 ºC. Se concluyó que la mezcla óptima fue de 5:1 (FORSU: lodos) empleando lodos mixtos de depuradora y con un porcentaje del 20% en sólidos totales (ST), con una productividad específica de 51 mL H2/gSVañadidos, un 50% mayor con respecto a la a los valores obtenidos de la digestión anaerobia acidogénica de FORSU, por sí sola. D) Optimización del tiempo hidráulico de retención para la digestión acidogénica de las mezclas de la FORSU y lodos de EDAR operando en régimen de alimentación semicontinuo. En la cuarta etapa, y manteniendo las condiciones óptimas determinadas en el apartado anterior (mezclas FORSU:Lodos mixtos de EDAR, en proporción 5:1 y con un contenido en ST del 20%), se ensayaron diferentes THRs operando en semicontinuo. Los THRs utilizados abarcaron desde 2,9 días hasta 0,8 días. El objetivo fue determinar el efecto del THR empleado sobre la producción de bio-hidrógeno y, a su vez, determinar cuando el sistema se desestabilizaba y, por tanto, se producía una disminución en la producción de bio-hidrógeno. Al igual que en las etapas anteriores, todos los ensayos se realizaron en condiciones de digestión seca (20% de contenido en sólidos totales) y temperatura termofílica (55 ºC) (Fernández-Rodríguez et al., 2014) en reactores de tanque agitado con un volumen útil de 5 litros. Los mejores resultados fueron obtenidos para un THR de 1,2 días, donde la productividad fue de 3,7 LH2/ Lreactor•día y la productividad específica fue de 33,8 mL H2/gSValimentados y el porcentaje de hidrógeno en el biogás fue del 52%. Sin embargo, se observó que, para THR inferiores a 1,2 días, el sistema comenzaba a fallar, principalmente en la fase de hidrólisis. Para corroborar este hecho, se utilizaron al igual que en apartado B, los parámetros indirectos relacionados con la evolución del proceso de hidrólisis y acidogénesis: carbono como sustrato acidogénico (CSA), carbono ácido disuelto (CAD) y carbono no solubilizado (CNS), comprobándose que efectivamente el problema se generaba por fallo en la etapa de hidrólisis. E) Estudio del efecto de un tratamiento de pre-compostaje para incrementar la productividad de bio-hidrógeno en el proceso de digestión acidogénica aplicado a mezclas de la FORSU y RAC. En la quinta y última etapa, se realizó un estudio del efecto que tiene la aplicación de técnicas de pre-tratamientos mediante pre-compostaje a las diferentes mezclas de la FORSU y del RAC. Estudios previos, realizados en el grupo de investigación (Fdez.-Güelfo et al., 2011a; Fdez.-Güelfo et al., 2011b) demostraron que el pre-compostaje de la FORSU conseguía un importante incremento en la solubilización de la materia orgánica y posibilitaba incrementar de manera importante, la productividad de metano en el proceso de bio-metanización de este residuo. Por ello, en este estudio se pretendió comprobar si el pre-compostaje también permitía incrementar la solubilización de la materia orgánica de las mezclas FORSU/RAC y, por tanto, la productividad de bio-hidrógeno, en este caso. El proceso de pre-compostaje, consistió en añadir a la mezcla de la FORSU/RAC un 5% de compost activo, manteniéndolo en contacto con la mezcla durante un tiempo de 24 horas, en condiciones de aireación estática, a temperatura ambiente. Las muestras pre-compostadas, así como un ensayo de control consistente en la mismas muestras sin pre-compostar, se sometieron a digestión anaerobia acidogénica seca (20% ST) y termofílica (55ºC). Los ensayos se realizaron en este caso utilizando reactores de tipo tanque agitado de 1,7 litros de volumen útil, operando en discontinuo. En el estudio, se probaron las tres mezclas de la FORSU y RAC que se utilizaron en el apartado B, 80:20; 70:30 y 50:50, en tres reactores sin pre-tratamiento y en tres con el pre-tratamiento de compostaje, observándose que para las mezclas pre-compostadas tanto el rendimiento como la productividad de bio-hidrógeno aumentaban en más de un 50% en todos los casos. Por lo tanto, como conclusión general del presente trabajo de Tesis Doctoral puede indicarse que se ha demostrado que tanto la co-digestión de la FORSU con los RAC como la co-digestión de la FORSU con lodos de depuradora, producen una mejora en los rendimientos alcanzables, en términos de solubilización de la materia orgánica y en producción y productividad de bio-hidrógeno, con respecto a los valores obtenidos en la digestión anaerobia de la FORSU individualmente. Adicionalmente, se ha comprobado que el tratamiento de pre-compostaje de las mezclas FORSU-RAC consigue aumentos de más del 50% tanto del rendimiento como de la productividad de bio-hidrógeno. La mayor productividad específica se alcanzó para la mezcla pre-compostada para la mezcla de ratio 70:30 (FORSU:RAC) y fue de 148,5 LH2/ kgSVañadidos. Finalmente, también se han determinado los límites de la fracción de RAC que puede incluirse en la mezcla con la FORSU y que permiten una operación estable sin aparecer síntomas de inhibición.