Revalorización de biogás generado en vertederos mediante microalgas

Resumen

La implementación de fuentes de energías renovables que hagan frente al calentamiento global como producto de los gases de efecto invernadero (GEI) generados principalmente por la combustión de combustibles fósiles es una prioridad de la sociedad actual. En este sentido, el biogás es una buena alternativa ya que es una fuente de energía renovable. Su composición depende del tipo de sustrato y sistema de digestión, y está constituido principalmente por CH4 (40-80%), CO2 (30-55%) y otros compuestos minoritarios como H2S, O2, siloxanos, vapor de agua y NH3 entre otros. De las fuentes de biogás, el producido en vertederos de residuos sólidos es el de mayor producción volumétrica. No obstante, para poder ser empleado es necesario someterlo a un proceso de limpieza para eliminar algunos de los componentes minoritarios, principalmente el H2S, y en algunos casos resulta de interés someterlo a un proceso de revalorización para eliminar el CO2 y así aumentar el poder calorífico permitiendo usos de mayor interés. Así pues, la eliminación de CO2 permite por ejemplo el uso del biogás como combustible de vehículos o para ser inyectado en redes de gas natural. La alta capacidad fotosintética de las microalgas hace que sean efectivas para este proceso, además de que se obtiene biomasa de la que se pueden obtener productos de valor agregado como extractos proteicos, lípidos, carbohidratos, pigmentos entre otros. Esta tesis doctoral tiene como objetivo obtener un consorcio de microalgas con alta capacidad de crecimiento y que permita aumentar el valor agregado de biogás de vertedero eliminando el CO2 y usando lixiviados del propio vertedero como fuente de nutrientes. La metodología comprendió el muestreo y análisis fisicoquímico de los principales parámetros de lixiviados del vertedero Miramundo de la provincia de Cádiz. Se estudió la capacidad de crecimiento de las microalgas y asimilación de CO2 a diferentes concentraciones entre 5 y 30% usando un fotobiorreactor (FBR) de columna de borboteo de 8 L. También se estudió la capacidad de crecimiento de las microalgas usando diferentes medios de cultivo: Combo, BBM, F/2 y lixiviados del propio vertedero. El trabajo incluyó el estudio de un modelo matemático dinámico que consideró la transferencia de masa del CO2 de la fase gaseosa a la fase líquida, la intensidad lumínica, la concentración de nitrógeno (amonio y nitrato). Se estudiaron dos estrategias de revalorización de biogás simulado (CO2/N2): en una sola etapa usando un sistema de control ON/OFF dependiente del pH entre 6 y 9 y un sistema de control dependiente de la concentración de CO2 a la salida entre 1 y 5%. Para la segunda estrategia, en dos etapas se utilizó un FBR de columna de 55 L, interconectada a una columna de absorción (CA), de 0,8 L. Se estudió el empaquetamiento, la relación líquido-gas (L/G de 1 a 4) y la concentración de CO2 al inicio (20 y 40%). Se aisló un consorcio de microalgas no-axénico a partir de lixiviados de vertedero, que presentó formas esféricas y con un diámetro promedio de 3,61 ± 0,44 µm. Los lixiviados se caracterizaron por tener una alta alcalinidad, DQO, nitrógeno total y amonio del orden de 14972 mg CaCO3/L, 8139 mg O2/L, 3576 y 2764 mg/L, respectivamente. El modelo matemático propuesto se ajustó con 13 parámetros cinéticos proporcionando un buen a ajuste entre los datos experimentales y simulados. Respecto a la estrategia de captura de CO2 en biogás en una sola etapa, se lograron porcentajes de eficiencia de eliminación de CO2 (%EECO2) del orden de 85,7 y 97,0% para el sistema de control ON/OFF basado en el cambio de pH y porcentaje de CO2 a la salida respectivamente. En cuanto a la captura de CO2 en dos etapas y para 20% de CO2 de entrada, se alcanzaron %EECO2 de 99,8; 99,8 y 96,2% cuando se usó medio Combo a una relación L/G de 2, lixiviados de vertedero a una relación L/G de 1,5 y lixiviados en conjunto con bacterias nitrificantes a una relación L/G de 1,5 respectivamente. De igual manera, se aumentó la concentración de N2 en 95,7% para el sistema en dos etapas y con 20% de CO2 a la entrada, relación L/G de 1,5, y medio combo como medio de nutrientes. Para el sistema en conjunto con microalgas, bacterias nitrificantes y lixiviados, los porcentajes de N2, CO2 y O2 fueron 96,1; 1,0 y 2,9% respectivamente para una relación L/G de 1,5 y 20% de CO2 en el biogás simulado.