Tecnologías para el tratamiento de los residuos sólidos

Tecnologías para el tratamiento de los residuos sólidos orgánicos
del sector residencial y su aprovechamiento como fuente de
energía
Mydory Oyuky Nakasima López, Nicolás Velázquez Limón, Sara Ojeda Benítez
[email protected]
Resumen
En este artículo se presenta el estado del arte de la tecnología de digestión anaeróbica para el
tratamiento de los residuos sólidos orgánicos. Se realizó un estudio comparativo considerando las
características principales, ventajas, desventajas y aplicaciones más comunes de las tecnologías,
seleccionando lo mejor de cada una de ellas para la generación de una propuesta tecnológica de
procesamiento de los residuos sólidos orgánicos del sector residencial, a nivel vivienda o conjunto
habitacional. Finalmente, se realiza una descripción de las diferentes etapas del sistema propuesto,
acoplando el proceso de digestión anaeróbica con un motor stirling para la generación de energía
eléctrica, proponiendo un sistema de captación solar tipo fresnel para la generación de vapor que
será utilizado en la etapa de pre-tratamiento térmico de los residuos sólidos orgánicos.
Palabras Clave: biogás, digestión anaeróbica, residuos sólidos orgánicos domiciliarios, pre-tratamiento
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1. Introducción
En la sociedad moderna, el consumismo está fuertemente relacionado con el sistema básico de
necesidades, una de las necesidades básicas de cualquier familia es la de comer, la actividad que se
realiza para satisfacer esta necesidad implica que diariamente se acumulan desechos orgánicos que
podrían ser aprovechados para no producir contaminación [1]. Actualmente, y sobre todo en los
países desarrollados, es donde existe el mayor índice de consumo y por tanto el de mayor
producción de residuos, debido al rápido crecimiento de población.
Mexicali, Baja California, no es la excepción, ya que cuenta con 936,826 habitantes registrados en
el año 2010, lo que corresponde aproximadamente al 30% del total de la población del estado de
Baja California [2]. Se han realizado estudios acerca de la generación, composición y cuantificación
de los residuos sólidos del sector residencial de la ciudad de Mexicali, donde se ha registrado que el
41.4% corresponden a residuos orgánicos que comprenden los desechos de comida y residuos de
jardines principalmente, equivalentes a 300 toneladas diarias de residuos orgánicos, que a su vez
corresponde a 0.8565 kilogramos por habitante por día [3], los cuales contienen un gran potencial
para ser utilizados como fuente de energía. El gran inconveniente es que este tipo de residuos se
están convirtiendo en un serio problema ambiental debido a la disposición final en los rellenos
sanitarios, incrementando la carga de residuos orgánicos y por consiguiente la generación excesiva
de metano principalmente, el cual tiene alrededor de 25 veces más efecto invernadero que el
dióxido de carbono, así como la generación de otros gases liberándose directamente a la atmósfera,
lo que contribuye negativamente al llamado efecto invernadero y a su vez al cambio climático.
Actualmente, existen opciones tecnológicas que pueden ser aplicadas para reducir los efectos
negativos que ocasionan este tipo de residuos [4]. Entre los tratamientos biológicos, la digestión
anaeróbica es usualmente considerada el proceso más rentable, debido a la alta recuperación de
energía relacionado con el proceso y sobre todo por su limitado impacto ambiental [5]. Por lo tanto,
la digestión anaeróbica para la obtención de biogás, constituye una alternativa energética muy
Hacia la sustentabilidad: Los residuos sólidos como fuente de energía y materia prima
© 2011 pp 535-542 ISBN 978-607-607-015-4
importante, en esta época en donde es indiscutible la disminución de las reservas de combustibles
fósiles y el incremento de su precio, así como el deterioro ambiental que estamos provocando al
planeta con la desmedida generación de residuos.
2. Digestión anaeróbica
La digestión anaeróbica es un proceso biológico en el que la materia orgánica, en ausencia de
oxígeno y mediante la acción de un grupo de bacterias específicas, se descomponen en productos
gaseosos o biogás CH4, CO2, H2, H2S, etc., y en digestato, que es una mezcla de productos minerales
N, P, K, Ca, etc., y compuestos de difícil degradación [6]. Las ventajas principales del proceso de
digestión anaeróbica son: minimización de emisiones de gases de efecto invernadero, el
aprovechamiento energético de los residuos orgánicos y a su vez la obtención de un abono orgánico
rico en nutrientes y libre de patógenos para el uso directo en la tierra.
2.1 Fases de la digestión anaeróbica
La digestión anaeróbica está caracterizada por la existencia de varias fases consecutivas
diferenciadas en el proceso de degradación del sustrato término genérico para designar, en general,
el alimento de los microorganismos [6], interviniendo cuatro grandes poblaciones de
microorganismos como se muestra en la figura 1:
Hidrólisis
Acidogénesis
Aminoácidos,
Azucares
Materia Orgánica
Compleja
Proteínas
Acetogénesis
Hidrógeno,
dióxido de
carbono
Productos
Intermedios
Ej.
Propiónico,
Butírico.
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Metano,
dióxido
de carbono
Carbohidratos
Grasas
Metanogénesis
Ácidos
Grasos
Ácido
acético
Figura. 1. Etapas del proceso de digestión anaeróbica
2.2. Parámetros ambientales y operacionales del proceso
Siendo la digestión anaerobia un proceso bioquímico complejo, es necesario mantener las
condiciones óptimas que permitan la realización tanto de las reacciones químicas dentro de la
matriz líquida del reactor, como las reacciones bioquímicas intracelulares que dan vida a los
organismos en juego [7]. La tabla 1 muestra las condiciones óptimas de operación para que se lleve
a cabo correctamente el proceso de digestión anaeróbica.
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Tabla. 1. Condiciones y parámetros de operación del proceso de digestión anaeróbica
Condición
Parámetro
pH neutro
6.8 – 7.2
Temperatura mesofílica
Tiempo de Retención Hidráulica (TRH)
% de Sólidos Volátiles (SV)
Relación C/N
30 – 37 °C
15 -25 días
7-12
20:1 – 30:1
3. Estudio comparativo de las tecnologías para el tratamiento de residuos orgánicos
El estudio comparativo de las tecnologías utilizadas en el proceso de digestión anaeróbica para el
tratamiento de residuos orgánicos, fue clasificado de acuerdo a su proceso evolutivo: digestores de
primera, segunda y tercera generación, tal como se muestra en la tablas 2, 3 y 4. Los criterios para
el análisis comparativo y selección de la tecnología de digestión anaeróbica más idónea, están
basados en sus principales características, ventajas y desventajas, considerando especialmente el
tipo de residuo que puede procesar, tiempo de retención hidráulico y rendimiento de producción de
biogás.
Tabla.2. Estudio comparativo de digestores anaeróbicos de primera generación
Digestor
Anaerobio
Laguna
Anaeróbica
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Tanques
Sépticos
Modelo
Hindú
Características
Ventajas
Desventajas
Aplicaciones
Está
diseñada
para
la
remoción de materia orgánica
suspendida y parte de la
fracción soluble de materia
orgánica.
Funcionan
de
manera similar a los tanques
sépticos abiertos. Operan en
serie con lagunas facultativas
y de maduración.
- Relativamente barato
- Proceso simple
- Efluente de buena calidad
- Espacio reducido
- Buen rendimiento para el
tratamiento
de
aguas
residuales
con
altas
concentraciones de materia
orgánica
-Tratamiento de
aguas residuales
de la industria y
agrícola
Contenedor hermético cerrado
en donde se acumulan las
aguas negras y donde se les
da un tratamiento primario.
Elimina los sólidos al
acumular las aguas negras en
el tanque y al permitir que
parte de los sólidos, se
asienten en el fondo del
tanque mientras que los
sólidos que flotan (aceites y
grasas) suben a la parte
superior. Cuenta con un
período de retención mínimo
de 6días.
Consiste en una fosa o en un
tanque pequeño que opera de
forma semi-continua. Este
tipo de reactor es enterrado
verticalmente y se cargan por
-Apropiado
para
comunidades
rurales,
edificaciones
y
condominios, etc.
-Su
limpieza
no
es
frecuente.
-Bajo costo de construcción
y operación.
-Mínimo
grado
de
dificultad en operación y
mantenimiento si se cuenta
con
infraestructura
de
remoción de lodos.
-Supervisión constante
a la mezcla y cantidad
de desechos, con el fin
de
mantener
una
biomasa
de
buena
calidad
para
el
tratamiento
- No hay acceso a los
mezcladores para su
mantenimiento
-Operación a baja
temperatura y largos
períodos de retención
-Se deben construir a
distancias considerables
de los límites urbanos
-Uso limitado a la
capacidad
de
infiltración del terreno
que permita disponer
adecuadamente de los
efluentes en el suelo.
- Requiere de equipo
para la remoción de
lodos
(bombas,
camiones con bombas
de vacío, etc.)
-Poco eficiente en la
biodegradación
de
residuos.
-Costos
elevados
debido al gasómetro
-Tratamiento de
residuos
domiciliarios y/o
agropecuarios.
-Tiempo de retención de 1030
días
relativamente
cortos.
-Fácil manejo.
-Trabaja a una presión
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-Tratamiento de
aguas residuales
domésticas
(urbanas, urbano
marginales
y
rurales)
Modelo
Chino
Mezcla
Completa sin
Recirculació
n (RMC)
Mezcla
Completa
con
Recirculació
n
(Contacto
Anaerobio)
gravedad una vez al día. El
gasómetro esta integrado al
sistema, en la parte superior
del pozo se tiene una
campana flotante donde se
almacena el gas, balanceada
por contrapesos de ahí sale el
gas para su uso.
Consiste tanque redondo y
achatado con el techo y el
piso en forma de domo. Se
encuentran
enterrados
y
cuentan con un gasómetro
fijo. En este caso, a medida
que aumenta la producción de
gas, aumenta la presión en el
domo o cúpula fija, forzando
al líquido en los tubos de
entrada y salida a subir.
Trabaja a una presión
variable, ya que su objetivo
no es producir biogás sino
abono orgánico ya procesado.
Reactor relativamente simple.
Distribución uniforme de
concentraciones, tanto del
substrato
como
de
microorganismos. El tiempo
de retención hidráulico es de
10-30 días. Tiempo de
arranque de 30-90 días.
constante.
móvil.
- Bajo costo.
-Fácil manejo.
-Elevado tiempo de
retención de 30-60 días
-Cantidad elevada de
formación de espuma
-Tratamiento de
residuos
agrícolas/estiérc
ol.
-Excretas
humanas.
-Buena descomposición de
la materia suspendida
-Tratamiento de
aguas residuales
urbanas.
-Actividades
agrícolas
y
agroindustriales
La retención de la biomasa se
realiza por sedimentación
externa y recirculación. El
reactor se mantiene agitado.
Adecuado para tratar aguas
residuales con sólidos de lenta
digestión.
Tiempos
de
retención hidráulica de 1-5
días. Tiempo de arranque de
20-60 días.
-Buena sedimentación
-Sin
problemas
de
taponamiento en tuberías
-Recirculación necesaria
-Alta
demanda
de
energía y espacio
-No
hay
buena
sedimentación de la
biomasa
-Carga volumétrica y
producción de gas baja
-Largo
tiempo
de
retención
-Tanque adicional para
sedimentación lo que
implica el incremento
de costos de inversión
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-Tratamiento de
aguas residuales
de alta carga
orgánica (aguas
residuales
de
azucareras,
cerveceras, etc.)
Tabla. 3. Estudio comparativo de digestores anaeróbicos de segunda generación
Digestor
Anaerobio
Filtro
Anaerobio
Manto de
Lodo
Granular
Características
Ventajas
Desventajas
Aplicaciones
Consiste de un lecho poroso
donde la flora anaeróbica se
puede adherir.
Se opera sin recirculación. El
exceso de barro se elimina del
reactor junto con el efluente
tratado. Es ideal para aguas
residuales con carga orgánica
soluble o que se degrade
fácilmente.
-Proceso robusto
-Buena
retención
de
microorganismos
-Bajo costo
-No requiere agitador
-Tiempos
de
retención
hidráulica de 1-5 días.
-Tratamiento de
aguas residuales
de la industria
agroalimentaria
Reactor tubular que operan en
régimen continuo y flujo
ascendente. Reactor anaerobio
en
el
cuál
los
-Tiempo de residencia bajo
(48 h)
-Sin
problemas
de
taponamiento en tuberías
-Precipitación
de
sustancias inorgánicas
-Posible obstrucción del
filtro
-Alta
demanda
de
construcción
-No es apropiado para
altas concentraciones de
lodos
-Tiempo de arranque de
20-60 días.
-Recirculación necesaria
-Problemas cuando no
aparecen gránulos
-Sensible con elevadas
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-Tratamiento de
aguas residuales
de la industria
agroalimentaria
(UASB)
Circulación
Interna (IC)
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Híbrido
(AHR)
Flujo de
Pistón
Horizontal
Geomembra
na
microorganismos se agrupan
formando
biogránulos
(generalmente en el rango de
0.5 a 2 mm de diámetro), por
el tipo de flujo que maneja.
La composición del gránulo
está estratificada.
Está basado en la tecnología
del UASB con dos etapas de
separadores trifásicos, donde
el inferior es altamente
cargado de materia orgánica a
diferencia
del
superior,
recuperando el biogás en dos
zonas. En la primer zona se
utiliza el biogás recogido para
generar una agitación de gas
que hace circular el agua y el
lodo a través del reactor
manteniendo mezclado el
sustrato. En la segunda zona
presenta una carga hidráulica
baja, lo que separa con
eficiencia el biogás, gránulos
de biomasa y efluentes
tratados.
Consiste en una manto de
barros, que permite tener una
buena densidad de biomasa en
la parte inferior . En la parte
superior, la concentración de
biomasa ―granulada‖ se puede
colocar una cierta altura de
relleno
permitiendo
el
desarrollo
de
biomasa
adicional, adherida al mismo,
aumentando las posibilidades
de depuración. Cuenta con un
tiempo de residencia de 10 a
13 hrs aprox.
Este tipo de reactor tiene una
orientación horizontal y está
construido fijamente dentro
de un tubo de concreto, que
en escala y geometría, es
similar a los diseños de los
recipientes de compostaje
aeróbico.
El biodigestor tiene una
geometría ―alargada‖ donde la
mezcla de materia orgánica y
agua circula en ―flujo pistón‖.
Este tipo de flujo permite que
-Mezclado natural
-Buena sedimentación de
los lodos
-Convierte del 70-95% de
la
materia
orgánica
biodegradable
en
una
corriente
de
biogás
valorizable
- Espacio reducido
-Poca
propensión
a
atascarse con sólidos debido
al sistema de distribución
de afluentes
-No hay piezas móviles
internas; menos costes de
mantenimiento.
-El volumen pequeño del
sistema,
simplifica
la
gestión del inventario de
lodos.
-El biogás se elimina del
reactor mucho antes del
punto en el que se descarga
el
efluente,
lo
que
proporciona una zona de
reposo y mantiene la
biomasa en el reactor
-Tiempo de residencia =
4hrs.
-Alta eficiencia debido al
flujo ascendente del lecho
fijo
-Alta concentración de
biomasa
concentraciones
de
material
orgánico
insoluble
-Tratamiento de
aguas residuales
domésticas
- Dificulta la formación
de gránulos.
-Tratamiento de
aguas residuales
de
alto
contenido
orgánico.
- Fábrica de
cerveza y de
bebidas
NO
alcohólicas.
-Industria del
papel.
Industria
alimenticia.
-Posibles
daños
y
taponamiento de las
capas inferiores
-Bajo rendimiento
-La
actividad
de
microorganismos
metanogénicos es mayor
en la parte inferior que
en los niveles superiores
-Tratamiento de
aguas residuales
de la industria
agroalimentaria
-Tratamiento de
aguas residuales
domésticas
-Alta producción de biogás
-Espacio reducido
-Consumo de agua bajo o
nulo dependiendo de las
características del material
-Baja demanda de energía
en el manejo de materiales,
transporte y fermentación
mediante el uso de unidades
de baja velocidad y tiempos
de operación alternados
-Alta degradación de SSV a
través del flujo de pistón
casi continua.
-Excelente
resistencia
química a la mayoría de los
efluentes industriales.
-Útil
para
grandes
volúmenes de biomasa.
-Las temperaturas son
difíciles de controlar y
puede dar lugar a
gradientes
de
temperaturas
indeseables
- Altos costos de
mantenimiento
-Tratamiento de
residuos
orgánicos
municipales.
-Tratamiento
de
residuos
porcino, vacuno
y bovino.
-Tratamiento
de
residuos
orgánicos
industriales
-Requiere de mucho
espacio.
-Requiere de agitadores
mecánicos.
-Tratamiento de
residuos
agropecuarios y
de
la
agroindustria.
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cada porción del residuo que
ingresa por un extremo
cumpla
el
tiempo
de
residencia necesario dentro
del biodigestor antes de salir
por el otro extremo, bien
alejado del inicio. La cubierta
superior tiene el objetivo de
recuperar todo el biogás
producido, como también
cumplir de función de
gasómetro.
-Tratamiento de
los
residuos
orgánicos
domiciliarios.
Tabla. 4. Estudio comparativo de digestores anaeróbicos de tercera generación
Digestor
Anaerobio
Lecho
Fluidizado
Manto de
Lodo
Granular
Expandido
(EGSB)
Características
Ventajas
Desventajas
Aplicaciones
Sistema en el que las
bacterias
se
encuentran
suspendidas. Cuenta con
recirculación para mantener el
caudal adecuado que permita
la expansión y fluidización
del lecho. En la parte superior
de la unidad, se encuentra un
sedimentador que evita la
salida de partículas de lodo
con el efluente.
-Excelente contacto entre la
biomasa y los residuos de
agua
-Fácil arranque y tiempos
cortos
de
retención
hidráulica de 1-10 horas
-Insensible a las variaciones
de carga
-Velocidad
de
sedimentación ajustable
-Inversión y gastos de
operación muy altos
-Mantenimiento
complicado
-Sensible con alimentos
tóxicos
En la medida que se disponga
de biomasa granular de buena
calidad, puede utilizarse para
expandir el lecho con
mayores
velocidades
ascendentes. Debido al caudal
de recirculación que se aplica,
mejora la actividad de la
biomasa.
Aplicación
de
elevadas cargas orgánicas.
-Mezclado efectivo, debido
a la alta velocidad de la
corriente ascendente
-Elevada concentración de
biomasa activa sobre las
partículas de soporte
-Tiempo de residencia bajo
(10 h)
-Altos costos de energía
debido
a
la
recirculación
-Aguas
residuales
especialmente
de la industria
agroalimentaria
-Fracciones
líquidas
o
sobrenadantes
de
residuos
ganaderos
(experiencias
limitadas)
- Tratamiento de
aguas residuales
industriales de
diversos tipos.
4. Propuesta de las etapas del proceso de tratamiento de los residuos sólidos orgánicos
del sector residencial
En la figura 2 se muestra el sistema propuesto de las etapas por las que pasan los residuos sólidos
orgánicos del sector residencial, desde su almacenamiento por el usuario, pre-tratamiento,
tratamiento mediante la digestión anaeróbica hasta la obtención del biogás acoplando un motor
stirling para su utilización como energía eléctrica en la vivienda, así como el uso de los residuos
sólidos orgánicos digeridos, ya sea en forma líquida o sólida que pueden ser utilizados
directamente en la tierra de los jardines de las viviendas y/o en los parques comunitarios.
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Figura. 2. Etapas del proceso de tratamiento de los residuos sólidos orgánicos domiciliarios
5. Resultados y discusiones
Como puede apreciarse en las tablas 2, 3 y 4, la evolución de los digestores ha venido siendo
sustentada con nuevas geometrías, etapas de pre-tratamiento, separación de fases, cambios en el
modo de operación, fijación y suspensión de bacterias, altas velocidades de flujo, entre otros.
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Los digestores de primera generación se caracterizan por tener una parte de los microorganismos en
suspensión y la otra parte se encuentran acumulados como sedimento logrando un adecuado
contacto de los mismos con el sustrato, son de fácil operación, debido a su baja capacidad de
procesamiento de residuos cuenta con largos períodos de retención hidráulico lo cual requiere de
equipos más grandes; estos digestores son utilizados para tratar aguas residuales domésticas,
industriales y agrícolas, así como residuos sólidos orgánicos domiciliarios y agrícolas. Los
digestores de segunda generación se identifican por tener a los microorganismos retenidos en el
tanque por medio de una bio-película adherida a un soporte (empaque), o bien, por su
sedimentación en forma de agregados (flóculos o granos) densos. En estos sistemas se ha separado
el tiempo de retención hidráulico celular reduciendo el tiempo de retención hidráulico así como el
tamaño de los digestores, también se ha mejorado considerablemente el dispositivo de distribución
del sustrato en su interior, la mayoría de los digestores clasificados en esta generación no requieren
de mezcladores; las aplicaciones de este tipo de digestores son tanto para tratamiento de aguas
residuales como de residuos sólidos orgánicos industriales, domiciliarios y agrícolas. Por último, los
digestores de tercera generación también retienen los microorganismos en bio-película o grano
compacto y denso, con la particularidad de que el soporte se expande o fluidifica con altas
velocidades de flujo debido a que cuenta con recirculación de materia orgánica. Sin embargo, esto
los vuelve más costosos, tiene tiempos cortos de retención hidráulico lo que disminuye el tamaño
del digestor, permite elevadas cargas orgánicas obteniendo un mayor rendimiento de biogás y sus
aplicaciones más comunes son para tratamientos de agua residuales industriales y agrícolas. La
evolución de la tecnología de digestión anaeróbica, incorporando procesos de pre-tratamiento y
recirculación de la biomasa, ha permitido disminuir los tiempos de retención hidráulico de días a
horas, obteniendo digestores más pequeños, haciéndola más eficiente y económicamente viable.
De acuerdo a la figura 2, dentro del sistema propuesto de las etapas del proceso del tratamiento, se
considera que se realicen la separación de fases. Esto implica realizar un pre-tratamiento mecánico
y térmico del residuo para ayudar a favorecer la primer fase del proceso de digestión anaeróbica, la
fase hidrolítica, ya que los residuos orgánicos domiciliarios están compuestos por moléculas
orgánicas complejas, como proteínas, grasas y almidones principalmente, donde estas bacterias
requieren de una gran cantidad de energía para desdoblar los polímeros en fragmentos más
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pequeños, lo cual sin el pre-tratamiento antes mencionado, llevaría mucho más tiempo en realizarse
este fenómeno, es por eso que se propone la separación de fases para acelerar el proceso de
producción de biogás.
4. Conclusiones
Los digestores (circulación interna, lecho fluidizado y manto de lodo granular expandido) son los
que tienen mayor potencial para ser utilizados en el procesamiento de los residuos sólidos orgánicos
del sector residencial, dado que son los que presentan altas cargas orgánicas (10-35 kg/m³.día), el
menor tiempo de retención hidráulico (1-10 horas) y un alto rendimiento de producción de biogás.
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