Evaluación de la biodegradabilidad anaerobia de residuos orgánicos pre-tratados térmicamente

Resumen

Una primera revisión bibliográfica relativa al estado del arte en materia de residuos y energía en España puso de manifiesto que tanto en la legislación (Ley 22/2011) como en los planes de Energías Renovables en España (PER, 2005-2010) y el Plan Integrado de Residuos (PNIR, 2008-2015) se ha establecido como prioridad la valorización de los residuos orgánicos por la vía de la generación de biogás. Marcando por tanto como objetivo global la OPTIMIZACIÓN DE LA DIGESTIÓN ANAEROBIA DE RESIDUOS ORGÁNICOS, la presente tesis comenzó con la realización de una investigación bibliográfica específica con los objetivos de definir los residuos de mayor interés y evaluar la problemática de su digestibilidad. Dada la limitación de la etapa de hidrólisis para residuos particulados, el rumbo de la tesis quedó fijado en la introducción de una etapa previa de pre-tratamiento, obteniéndose financiación de la empresa Cambi, líder mundial en tecnologías de tratamiento térmico de residuos. De este modo, la temática y objetivo final se concretan en la OPTIMIZACION DE LA DIGESTIÓN ANAEROBIA DE DISTINTOS RESIDUOS ORGÁNICOS MEDIANTE LA INTRODUCCIÓN DE UN PRE-TRATAMIENTO DE HIDRÓLISIS TÉRMICA CON EXPLOSIÓN DE VAPOR. Y como materia prima se seleccionan residuos de distintas categorías: industriales (bagazo de cerveza y cáscara de naranja), agrícolas (paja de trigo), ganaderos (purín de cerdo) y urbanos (lodos de depuradora), y se plantea una sistemática de trabajo común: experimentación en planta piloto de hidrólisis térmica con explosión de vapor en distintas combinaciones de temperatura-tiempo en el rango 150-220ºC y 1-60 minutos (unificadas en un ¿factor de severidad¿), y evaluación de la influencia en la biodegradabilidad mediante ensayos batch de potencial metanogénico, y estudio matemático cinético y estadístico de los resultados. El inicio de la tesis no resultó esperanzador, dado que los resultados con los dos residuos industriales ensayados mostraron que la hidrólisis térmica no mejoró la biodegradabilidad de dichos residuos; por el contrario, tanto la productividad como la cinética empeoraron. Hasta este momento, el único parámetro que se empleó en la discusión fue el factor de biodegradabilidad, que compara la producción de metano del residuo tratado respecto del no tratado. La paja de trigo fue el tercer residuo ensayado, obteniéndose resultados positivos en productividad para pre-tratamientos de severidad moderada, mostrando que no siempre el pre-tratamiento resulta beneficioso. Las condiciones óptimas de operación resultaron 200ºC-5min y 220ºC-1min (factor de severidad de 3.5), para las cuales la producción de metano se incrementó en un 20-25% y la velocidad de degradación se duplicó. En el caso del purín de cerdo, pre-tratado en el rango 120-180ºC, el tratamiento térmico siempre resultó beneficioso, llegándose a doblar tanto la productividad de metano como la velocidad de degradación para las condiciones óptimas de 170ºC y 15-30 min (factor de severidad de 3.5). Finalmente, para el residuo de lodos de depuradora, dado que la optimización de las condiciones de hidrólisis térmica ya ha sido previamente estudiada en una serie de trabajos publicados por miembros del grupo de investigación dentro del que se desarrolla la presente tesis (Departamento de Ingeniería Química y Tecnología del Medio Ambiente de la Universidad de Valladolid), el estudio realizado en el marco de esta tesis ha consistido en la implementación del modelo Anaerobic Digestión Model Nº1 para el modelado del comportamiento de digestores alimentados con lodo pre-tratado térmicamente. Previamente calibrado mediante resultados obtenidos en ensayos BMP, el modelo resultante ha demostrado ser fiable y útil. A partir de los resultados obtenidos se planteó una evaluación energética con el objetivo de tener una primera visión de la relación entre la energía térmica requerida para el funcionamiento del pre-tratamiento y la energía térmica generada a partir de biogás. Para los tres residuos cuyo pre-tratamiento ha resultado de interés (paja de trigo, purines de cerdo y lodos de depuradora), el balance resultó positivo. Sin embargo, el interés real desde el punto de vista operacional radica en las opciones de co-tratamiento y co-digestión, dada la posibilidad de incrementar la carga de operación de los digestores alimentados con residuo pre-tratado, y los incrementos reales de producción global de biogás que pueden obtenerse de este modo (más allá de los incrementos de productividad obtenidos en los ensayos de BMP). Existe, por tanto, un campo de trabajo abierto a partir de esta tesis, que se apoye en la operación de digestores en continuo alimentados con mezcla de residuos pre-tratados y frescos.