Tratamiento de residuos sólidos urbanos (RSU) por medio de

Tratamiento de residuos sólidos urbanos (RSU) por medio de digestión
seca
Stefan Budzinskia, Alejandra Barlateya, Horacio Pinascoa, Tamara Ontiveroa, Julieta Lopeza
a
Tecnored Consultores SA, Mitre 857,
(5800), Rio Cuarto, Argentina
[email protected]
Resumen. A continuación, se expone el resumen correspondiente al Tratamiento de RSU a partir
de la Separación y su posterior fermentación seca en digestores tipo garage. La clasificación de
basura se realiza antes de su procesamiento y se separa únicamente el material no degradable
(metales y vidrio) en el período de fermentación considerado.
Se trata de un proceso batch donde se alimentan los residuos en el contenedor de fermentación
(digestor hermético) con una pala cargadora y se inoculan con material fermentado, para facilitar
la degradación anaeróbica de los residuos orgánicos alimentados. La biomasa se mantiene allí a
una temperatura de 38ºC/40ºC por un periodo de retención hidráulica de aproximadamente 4-5
semanas. Al final del periodo de mantenimiento, el fermentador se vacía completamente y se
recarga nuevamente con residuo fresco, repitiendo nuevamente el proceso. El sustrato agotado es
enviado a una clasificadora, en la cual se separa el compost que posee excelentes propiedades
fertilizantes del material plástico resistente a la degradación.
El biogás obtenido durante el proceso de fermentación contiene un alto contenido de metano y un
bajo porcentaje de sulfuro de hidrógeno. Este biocombustible se utiliza, después de una limpieza
adecuada, en la Planta de Cogeneración para la generación electricidad y calor.
La planta de digestión seca no contiene partes móviles instaladas en los digestores, lo cual genera
un impacto positivo sobre los costos de operación/mantenimiento y además, no es susceptible de
sustancias contaminantes tales como hojas, piedras, piezas de acero, madera y componentes
fibrosos.
Palabras Clave: Fermentación Seca, RSU, Digestores, Biomasa.
1. Introducción
Los Residuos Sólidos Urbanos (RSU) se generan en cantidades cada vez mayores y son una
fuente importante de residuos orgánicos que emiten biogás o gases de efecto invernadero al
ambiente y contribuyen al efecto del calentamiento global. Como alternativa, el biogás se puede
capturar y utilizar para la generación de electricidad y calor, convirtiéndolo de esta manera, en
una valiosa fuente de energía renovable. Esto impactaría fuertemente no sólo en la disminución
de las emisiones de gases de efecto invernadero sino también en la reducción del uso de
combustibles fósiles para la generación de energía eléctrica [1].
La tecnología de digestión seca es particularmente adecuada y eficiente para la conversión de la
fracción orgánica de los RSU en biogás, y de allí para la generación de electricidad. Además, el
digestato residual se puede procesar como un valioso fertilizante o acondicionador del suelo [2].
2. Desarrollo
Hasta el año 1992 y durante un lapso de aproximadamente 30 años, los R.S.U. generados en la
ciudad de Río Cuarto fueron vertidos de manera incontrolada en un basurero a cielo abierto, en
un predio ubicado en la margen sur del río. Los aportes de contaminantes a las aguas del río por
Hacia un sistema de gestión integral de los residuos sólidos
acción de los líquidos lixiviados y por erosión de márgenes, así como los inconvenientes
generados por autocombustión de los residuos, enfermedades transmitidas, presencia de
roedores y aves, emisiones de olores y su voladura por efectos del viento, convertían esta
situación como uno de los problemas ambientales más importantes del sur de la Provincia de
Córdoba [3]. Esta situación (a escala) se reitera en gran parte de las localidades que conforman
los Departamentos del Sur de la Provincia de Córdoba.
A partir del año 1993, se comenzó a generar un importante cambio en la Ciudad de Río Cuarto
en lo referente al tratamiento de los residuos. El servicio de recolección de residuos
domiciliarios fue concesionado a una empresa privada, así como la disposición final de los
mismos en un predio adquirido por el municipio y acondicionado como relleno sanitario (El
Tropezón), este lugar de disposición final funcionó por ocho años. Posteriormente, se construyó
el vertedero actual ubicado al sudeste de la ciudad sobre el viejo camino a la localidad de “La
Carlota” en un predio de 100 hectáreas. Este fue diseñado para una vida útil de 6 años con una
proyección futura de capacidad de recepción total de 20 años.
Actualmente, la problemática asociada al manejo de los residuos, sigue siendo una preocupación
compartida por la población en general y gobiernos locales de la Región [3]. A fin de encontrar
una solución a este inconveniente promoviendo la valorización de los mismos, minimizando la
cantidad de residuos dispuestos finalmente y reduciendo los impactos que estos producen sobre
el ambiente (Ley Nacional Residuos Domiciliarios Nº 25.916), se estudió el potencial
energético que poseen los RSU generados por los habitantes de la ciudad de Río Cuarto[1].
2.1 Caracterización y tasa de generación de los RSU
Se considera “residuos” a toda materia que, para quien la desecha, carece de valor estético,
sanitario y/o económico. Los Residuos Sólidos Urbanos (RSU) son los originados por los usos
residenciales, comerciales e institucionales, por el barrido del espacio público, así como los de
origen industrial que, por no ser peligrosos, son asimilables a los anteriores [3].
La localidad de Río Cuarto posee una población de 158.256 habitantes, en promedio se calcula
que cada habitante genera entre 0,91 y 0,95 kg/día según los datos aportados por el propio
municipio. Esto implica una producción de 147,18 t/día y 53.720 t/año de Residuos Sólidos
Urbanos (RSU) considerando una generación promedio per cápita de 0,93 Kg/persona/día [1].
En la Tabla 1, se muestra la composición de los residuos:
Tabla 1: Caracterización de los Residuos Sólidos Urbanos (RSU)
Categoría
% en peso
Cantidad
Unidad
Orgánicos
50,5%
74.324,93
kg/día
Papel y cartón
12,6%
18.544,44
kg/día
Plásticos
10,0%
14.717,81
kg/día
Vidrio
15,0%
22.076,71
kg/día
Metales
0,9%
13.24,60
kg/día
Otros
11,0%
16.189,59
kg/día
Total
100%
147.178,08
Kg/día
La tasa de generación anual de residuos biodegradables es de 171,5 kg generado por persona,
esta capacidad representa alrededor del 5% de los residuos biodegradables generados en toda la
Provincia de Córdoba, la cual está compuesta por 3.304.825 de habitantes (Censo Nacional
2010).
Hacia un sistema de gestión integral de los residuos sólidos
La Fracción Orgánica de los Residuos Sólidos Urbanos (FORSU) contiene una materia seca
(MS) de 30% y un porcentaje de sólidos volátiles del 82% (% MS).
2.2 Tratamiento de los RSU
En la ciudad de Río Cuarto no se implementa la separación en origen de la basura, por lo que los
residuos llegan al sitio de disposición final con diferentes grados de mezcla, según el día de
recolección y la época de año [3].
Con la finalidad de separar las fracciones de residuos que poseen valor en el mercado, se
considera la instalación de una planta de separación manual de vidrios y metales en las
inmediaciones del enterramiento sanitario actual. En la planta se produce la segregación de los
residuos de interés por inspección visual y el resto (fracción orgánica, papeles y cartón,
plásticos, residuos de poda, de barrido de calles, etc.) se transportan por medio de un cargador
frontal hasta el módulo de almacenamiento temporario de los residuos.
En general, la separación manual de residuos mezclados no llega a eficiencias mayores que el
60%, por lo que la cantidad de basura a procesar en la planta de digestión seca es de 133 t/día.
2.2.1 Homogeneización del Sustrato
Los residuos biológicos aprovechables para la fermentación seca, antes de ser procesados, se
depositan en un módulo cerrado (con el objetivo de evitar emisiones de olores desagradables),
donde se almacenan diariamente hasta que son tomados por un cargador frontal en lotes de
alrededor de 444 t y mezclado con aproximadamente un 10% del sustrato retirado y fermentado
en el ciclo anterior (44,4 t). Mezclar el sustrato fresco con residuo fermentado permite su
inoculación y de esta manera, acelera la degradación anaeróbica que se produce en el proceso
batch [4].
2.2.2 Fermentadores tipo Garage
Posteriormente a la mezcla, el sustrato se deposita en uno de los diez digestores herméticos tipo
garage y se mantiene allí durante un tiempo de retención hidráulica (TRH) de 30 días. Las
dimensiones de los digestores son: 35 m de largo, 5,5 m de ancho y 5 m de alto, con lo cual cada
uno posee un volumen de 962,5 m3.
Durante los primeros días (entre uno y tres días), ocurre en el material alimentado una
conversión biológica aeróbica y una liberación de calor, producto de las reacciones exotérmicas
implicadas. De esta manera, se produce un aumento en la temperatura del sustrato y se inicia la
degradación anaeróbica hidrolítica, gracias a la catalización provocada por autocalentamiento de
la masa. Una vez consumido el oxígeno por las bacterias facultativas dentro del digestor, para
que continúe desarrollándose el proceso anaeróbico es necesario mantener los residuos a
38/40ºC, para lo cual se considera un sistema de calefacción con cañerías de agua caliente
instaladas en las paredes y el piso. Simultáneamente y con el objeto de facilitar la digestión, se
inyecta con un sistema de rociadores y por la parte superior de los digestores, el recirculado
proveniente del digestor líquido de mezcla completa. El líquido que drena continuamente a
través de la masa de residuos por efecto de la fuerza de gravedad, se bombea al digestor líquido
mediante un sistema de cañerías que se encuentran instaladas por debajo de los diez digestores
secos. El percolado precalentado contiene en forma disuelta una gran parte de los
microorganismos necesarios para transformar los ácidos grasos en metano por lo que, se evita
cualquier tipo de acidificación que pudiera ocurrir en el propio proceso. La descarga efectiva del
líquido drenado se garantiza por medio de la pendiente del piso, los canales de desagüe y los
agujeros que se instalan en las paredes internas del fermentador [5].
Hacia un sistema de gestión integral de los residuos sólidos
Debido a esto, durante los primeros días la mayor producción de biogás proviene principalmente
del percolado, mientras que al cabo de unos días la generación de metano se establece en los
digestores secos y la principal formación ocurre en los mismos [4].
El percolado, que circula en lazo cerrado en la planta, se calienta una vez que se recolecta a
través de cañerías en los digestores, se filtra haciéndolo pasar por un desarenador para eliminar
los posibles minerales que pueda contener el líquido y finalmente, se deposita en el digestor
líquido de mezcla completa, el cual contiene un volumen de 2400 m3. Por otra parte, la pila de
residuos que se encuentra en cada cámara de fermentación también retiene minerales del
drenado ya que funciona como un filtro natural. En la figura 1, se puede apreciar el diagrama de
flujo de la planta:
Figura 1: Diagrama de Flujo de la Planta de Digestión Seca
Transcurridos los 30 días de tiempo de retención, la producción de biogás se detiene como
consecuencia del corte en el suministro de percolado y se produce la inyección de aire por
medio de un soplador de pistón rotativo. Gracias a la aireación a alta presión, se logra que el
biogás contenido en los poros de la pila de residuos sea expulsado en la cámara y luego, se
queme en una antorcha conjuntamente con el aire inyectado. Luego, se extrae todo el sustrato
almacenado en el digestor seco y un 10% se mezcla con residuo fresco a través de un cargador
frontal para comenzar nuevamente el proceso citado. Este proceso se repite para un mismo
digestor en secuencias correspondientes al tiempo de retención hidráulica [4]. Tratándose de
nueve digestores en funcionamiento real (un fermentador no se contabiliza porque se considera
que se encuentra en la etapa de carga/descarga), los fermentadores se cargan en forma
consecutiva cada 4 días y se descargan cumplidos los 30 días de alimentados. Esto establece una
operación por lotes con una producción de biogás prácticamente constante.
La mezcla de biogás generado durante el proceso de digestión anaeróbica de cada batch, se
almacena continuamente y temporalmente en un gasómetro de geomembrana que se encuentra
en la parte superior de cada uno de los fermentadores. La producción diaria de gas se equilibra
en los diez digestores gracias a su funcionamiento escalonado.
Una vez descargado de los digestores el material fermentado y con el fin de cumplimentar con
las normas nacionales de seguridad y de emisiones a la atmósfera, se suministra y extrae el aire
con una tasa de intercambio de tres veces durante el llenado y los procesos de descarga y el aire
de escape es conducido a un biofiltro [4]. En el gráfico 1 se aprecia el sistema de alimentación y
la producción constante de biogás:
Hacia un sistema de gestión integral de los residuos sólidos
Figura 2: Sistema de alimentación de los digestores tipo garage
2.2.3 Productos de la digestión anaeróbica
La producción de biogás diaria es 6856 m3/día, lo que representa 27.424 m3 por lote (cada 30
días). La composición promedio del biogás es: CH4 50-75%, CO2 25-45%, SH2 0,02-2%, N2
<2%, H2 <1%, H2O 2-7% y O2 <2% [6] y la variación en la producción de metano en cada
fermentador se pueden apreciar en el gráfico 2 [4]:
Figura 3: Variación en la producción de metano en cada digestor
Por otro lado, la planta de fermentación seca produce diariamente 61,5 t/día (205 t/batch) de
compost, que se podrá utilizar como fertilizante de suelos en los cuales se siembre cultivos que
no estén destinados a la alimentación humana y el residuo restante (16 t/día) se podrá
aprovechar como material de relleno para usos varios, en la construcción de muros que impidan
la propagación de ruidos en autopistas, etc.
2.3 Disposición final de los residuos
El 90% del residuo tratado, entre ellos la fracción de RSU (plásticos, metales, vidrio, biomasa
difícil degradable, etc.) que no se degradó durante los 30 días que estuvo almacenado en el
digestor y la materia orgánica agotada, circula en cintas transportadoras a través de una serie de
separadoras automáticas para la recolección de los materiales de valor comercial con el fin de su
posterior venta y reutilización. El resto, se deposita en una playa de digestato para
posteriormente utilizarse como compost deshidratado.
2.4 Generación de energía eléctrica y térmica
El biogás obtenido durante la fermentación se seca en un enfriador de agua (chiller).
Posteriormente, se bombea mediante un dispositivo de regulación de gas a dos unidades de
cogeneración de 400 Kw cada uno, en donde se produce energía eléctrica y térmica [7]. La
electricidad (5723 MW-h/año) se utilizará para abastecer la demanda de energía necesaria en la
planta de separación automática, en los sistemas de ventilación de los digestores secos, en la
agitación del tanque de lixiviados, en las bombas necesarias para la circulación del percolado y
el excedente se entregará a la Red Pública Nacional, a través del tendido eléctrico provincial. La
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energía térmica (7633 MW-h/año) se aprovechará en la calefacción de los digestores secos y
tanque de percolado.
3. Conclusión
La tecnología de incineración de Residuos Sólidos Urbanos (RSU) para la disminución del
volumen de basura a tratar, produce emisiones de grandes cantidades de gases tóxicos (dióxido
de nitrógeno, óxidos y otros) y de partículas sólidas [1]. Los RSU tienen entre un 5-25 % de
material inerte, con lo cual la emisión de partículas es considerable cuando se considera la
quema de los mismos. Por otra parte, en algunas provincias de Argentina la legislación aplicable
prohíbe la combustión de la basura como tecnología de tratamiento.
La tecnología de captación de biogás en rellenos sanitarios posee la gran desventaja de la
variación en la producción y la calidad diaria de gas, con lo cual, se hace imposible poder
alimentar una unidad de cogeneración con este combustible.
En este contexto, y considerando que en la mayoría de las ciudades del país no se realiza ningún
tipo de tratamiento, es que la fermentación seca se convierte en una solución positiva frente a la
cantidad de problemas económicos y ambientales que generan los residuos en cada municipio.
La Planta de Digestión Seca permite tratar los residuos en forma compatible con el ambiente y
genera un ingreso económico por la generación de energía eléctrica y térmica obtenida en las
unidades de cogeneración a partir del uso del biogás como combustible [7]. Además, la
producción diaria de compost permite su aprovechamiento como abono de suelos, con lo cual,
se recuperan nutrientes que de otra manera se perderían en un relleno sanitario, basural, etc. De
esta manera, se reduce al máximo posible el volumen de los residuos sólidos urbanos a depositar
en rellenos sanitarios y se recupera un alto porcentaje de materiales que poseen valor comercial,
cumpliendo de esta manera con el conocido proceso “0” basura.
Referencias Bibliográficas
[1] Secretaría de Ambiente y Desarrollo Sustentable de la Nación (2012), Curso Gestión
Integral de Residuos Sólidos Urbanos. Instituto Nacional de Administración Pública (INAP).
Argentina.
[2] Bekon (2010), Bassum dry fermentation plant and composting plant. www.bekon.eu.
22/07/2013.
[3] Martí A., Bologna C., Arditi S., Domínguez R., Zamanillo M., Reartes N. y Sagripanti G.
(1999), Proyecto Región Limpia. Comisión Regional para el Tratamiento de Residuos
Sólidos Urbanos. Río Cuarto.
[4] Kompoferm Eggersmann Group (2011), The Kompoferm plus-process. www.eggersmanngruppe.de/db/docs/einl-kompoferm-en.pdf.pdf. 17/06/2013.
[5] Gronauer, A., Aschmann, V. (2003), Wissenschaftliche Begleitung einer Pilotanlage zur
Feststoffvergärung von landwirtschaftlichen Gütern. Ministerio Bávaro de Agricultura y
Forestación. Alemania.
[6] Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) (2010), Guía sobre biogás.
http://mediathek.fnr.de/media/downloadable/files/samples/l/e/leitfadenbiogas-es-2013.pdf.
08/07/2013.
[7] Köttner M. (2005), Biogas and Fertilizer production from solid waste and biomass through
dry fermentation in batch method. Centro de Competencia Internacional de Biogás y
Bioenergías (IBBC). Alemania.
Hacia un sistema de gestión integral de los residuos sólidos