Pretreatment technologies to enhance solid wastes anaerobic digestion

Resumen

La digestión anaerobia es un proceso que produce energía verde y ofrece una oportunidad para integrar el sector de los bioresiduos con el de la bioenergía en una unidad simple y convencional; por ello, posee hoy en día un amplio rango de aplicaciones y posibilidades debido a la creciente importancia de las preocupaciones medioambientales en todo el mundo. Este proceso pertenece por lo tanto a un sector en crecimiento que debe ser investigado en profundidad para que sea optimizado en procesos a gran escala. Con el fin de acelerar el proceso de hidrólisis de la digestión de residuos sólidos, se aplican pretratamientos como etapa previa a la digestión anaerobia. Estas tecnologías se basan en la solubilización de la materia orgánica mediante procesos mecánicos, químicos, térmicos o biológicos. Por lo tanto, los pretratamientos influirán directamente en la cinética del proceso y en el potencial metanogénico de los sustratos, obteniéndose menores tiempos de retención en los digestores y mayores producciones de biogás, y mejorando a su vez las propiedades de los digestatos. Las tecnologías de pretratamiento se han estudiado ampliamente con lodos de depuradora y han sido incluso aplicados en procesos continuos a gran escala en numerosas EDAR. Sin embargo, en el sector de los residuos sólidos, no han sido apenas estudiados y necesitan mayor investigación para su implementación en plantas de tratamiento de residuos. El principal objetivo de esta tesis es mejorar la digestión anaerobia mediante tecnologías de pretratamiento. Para ello, los métodos empleados para estudiar el efecto de los pretratamientos en diferentes residuos sólidos son: ensayos de biodegradabilidad, técnicas de pretratamiento, pruebas hidrodinámicas, herramientas de modelado, entre otros. Se estudian seis residuos sólidos (algunos de ellos juntos en ensayos de co-digestión): lodos de depuradora espesado de una EDAR municipal, un residuo sólido urbano (RSU) preseleccionado de una planta de tratamiento, la fracción orgánica de un RSU (mezcla sintética), residuo de grasa de EDAR, bagazo cervecero de una planta industrial y estiércol vacuno de matadero. Se ensayan tres técnicas de desintegración como pretratamientos: la hidrólisis térmica, las cavitaciones por ultrasonidos y un tratamiento enzimático. Entre las tecnologías de pretratamiento estudiadas, la hidrólisis térmica ha presentado los mejores resultados, mostrando un gran potencial para ser incorporada en procesos a gran escala. Mejora significativamente las producciones de metano (por encima del 30%) y las cinéticas (incluso dobles) de los sustratos que tienen un gran contenido en fibra (RSU, bagazo, estiércol) o material celular microbiano (lodo secundario de depuradora). Sin embargo, no ha mostrado efectos notables en sustratos ricos en lípidos (grasa) o con un gran contenido en carbohidratos fácilmente biodegradables (FORSU sintética). Además, mejora la rheología del digestor y la deshidratabilidad del digestato, reduciendo costes asociados y de gestión del digestato. También, la hidrólisis térmica presenta autosuficiencia energética ya que tiene un elevado potencial para ser implementado con una integración energética completa gracias a la recuperación de calor en el motor de biogás para generar vapor. De hecho, la hidrólisis térmica puede incrementar hasta un 40% los beneficios de una planta de digestión, incluso duplicándolos si se consideran los costes de gestión del digestato. En una planta real de RSU de 30000 t/año, una planta de hidrólisis térmica (cuyas condiciones óptimas de operación son 15 minutos de tiempo de hidrólisis a 150ºC) generaría unos beneficios netos de casi 0.5 M€/año. Por otro lado, la aplicación de pretratamientos a procesos de co-digestión con lodos de depuradora ha mostrado perspectivas prometedoras en vistas a optimizar los digestores anaerobios en las EDAR. La utilización de grasa (también de EDAR) como co-sustrato conlleva a ventajas importantes en cuanto a costes de gestión y su co-digestión con lodos ha sido mejorada mediante el pretratamiento de hidrólisis térmica en reactores semi-continuos a escala laboratorio.