Digestión anaeróbica

La digestión anaeróbica es una secuencia de procesos mediante los cuales los microorganismos descomponen material biodegradable en ausencia de oxígeno. El proceso se utiliza con fines industriales o domésticos para gestionar residuos o producir combustibles. Gran parte de la fermentación utilizada industrialmente para producir alimentos y bebidas, así como la fermentación casera, utiliza la digestión anaeróbica.

La digestión anaeróbica ocurre naturalmente en algunos suelos y en sedimentos de lagos y cuencas oceánicas, donde generalmente se la denomina "actividad anaeróbica". Esta es la fuente de gas metano de los pantanos descubierta por Alessandro Volta en 1776.

El proceso de digestión comienza con la hidrólisis bacteriana de los materiales de entrada. Los polímeros orgánicos insolubles, como los carbohidratos, se descomponen en derivados solubles que quedan disponibles para otras bacterias. Las bacterias acidogénicas luego convierten los azúcares y los aminoácidos en dióxido de carbono, hidrógeno, amoníaco y ácidos orgánicos. En la acetogénesis, las bacterias convierten estos ácidos orgánicos resultantes en ácido acético, junto con amoníaco, hidrógeno y dióxido de carbono adicionales, entre otros compuestos. Finalmente, los metanógenos convierten estos productos en metano y dióxido de carbono. Las poblaciones de arqueas metanogénicas juegan un papel indispensable en los tratamientos anaeróbicos de aguas residuales.

La digestión anaerobia se utiliza como parte del proceso de tratamiento de residuos biodegradables y lodos de depuradora. Como parte de un sistema integrado de gestión de residuos, la digestión anaeróbica reduce la emisión de gases de vertedero a la atmósfera. Los digestores anaeróbicos también se pueden alimentar con cultivos energéticos cultivados específicamente, como el maíz.

La digestión anaeróbica es ampliamente utilizada como fuente de energía renovable. El proceso produce un biogás, que consta de metano, dióxido de carbono y trazas de otros gases 'contaminantes'. Este biogás se puede usar directamente como combustible, en motores de gas combinados de calor y electricidad o se puede actualizar a biometano con calidad de gas natural. El digestato rico en nutrientes que también se produce se puede utilizar como fertilizante.

Con la reutilización de los desechos como recurso y los nuevos enfoques tecnológicos que han reducido los costos de capital, la digestión anaeróbica ha recibido en los últimos años una mayor atención entre los gobiernos de varios países, entre ellos el Reino Unido (2011), Alemania, Dinamarca (2011) y Estados Unidos.

Proceso

Muchos microorganismos afectan la digestión anaeróbica, incluidas las bacterias formadoras de ácido acético (acetógenos) y las arqueas formadoras de metano (metanógenos). Estos organismos promueven una serie de procesos químicos para convertir la biomasa en biogás.

El oxígeno gaseoso se excluye de las reacciones por contención física. Los anaerobios utilizan aceptores de electrones de fuentes distintas al oxígeno gaseoso. Estos aceptores pueden ser el propio material orgánico o pueden ser suministrados por óxidos inorgánicos desde dentro del material de entrada. Cuando la fuente de oxígeno en un sistema anaeróbico se deriva de la propia materia orgánica, los productos finales "intermedios" son principalmente alcoholes, aldehídos y ácidos orgánicos, además de dióxido de carbono. En presencia de metanógenos especializados, los intermedios se convierten en los productos finales 'finales' de metano, dióxido de carbono y trazas de sulfuro de hidrógeno. En un sistema anaeróbico, la mayor parte de la energía química contenida en el material de partida es liberada por las arqueas metanogénicas en forma de metano.

Las poblaciones de microorganismos anaerobios suelen tardar un período de tiempo significativo en establecerse para ser totalmente eficaces. Por lo tanto, la práctica común es introducir microorganismos anaerobios a partir de materiales con poblaciones existentes, un proceso conocido como "sembrado" de los digestores, que generalmente se logra con la adición de lodos de depuradora o purines de ganado.

Etapas del proceso

Las cuatro etapas clave de la digestión anaeróbica involucran hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis. El proceso general puede ser descrito por la reacción química, donde el material orgánico como la glucosa es digerido bioquímicamente en dióxido de carbono (CO ₂) y metano (CH ₄) por los microorganismos anaerobios.

C ₆ H ₁₂ O ₆ → 3CO ₂ + 3CH ₄

• Hidrólisis

En la mayoría de los casos, la biomasa se compone de grandes polímeros orgánicos. Para que las bacterias en los digestores anaeróbicos accedan al potencial energético del material, estas cadenas primero deben descomponerse en sus partes constituyentes más pequeñas. Estas partes constituyentes, o monómeros, como los azúcares, están fácilmente disponibles para otras bacterias. El proceso de romper estas cadenas y disolver las moléculas más pequeñas en una solución se llama hidrólisis. Por lo tanto, la hidrólisis de estos componentes poliméricos de alto peso molecular es el primer paso necesario en la digestión anaerobia. A través de la hidrólisis, las moléculas orgánicas complejas se descomponen en azúcares simples, aminoácidos y ácidos grasos.

El acetato y el hidrógeno producidos en las primeras etapas pueden ser utilizados directamente por los metanógenos. Otras moléculas, como los ácidos grasos volátiles (AGV) con una longitud de cadena mayor que la del acetato, primero deben catabolizarse en compuestos que puedan ser utilizados directamente por los metanógenos.

• acidogénesis

El proceso biológico de acidogénesis da como resultado una mayor descomposición de los componentes restantes por bacterias acidogénicas (fermentativas). Aquí se crean AGV, junto con amoníaco, dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno, así como otros subproductos. El proceso de acidogénesis es similar a la forma en que se agria la leche.

• Acetogénesis

La tercera etapa de la digestión anaeróbica es la acetogénesis. Aquí, las moléculas simples creadas a través de la fase de acidogénesis son digeridas por los acetógenos para producir principalmente ácido acético, así como dióxido de carbono e hidrógeno.

• Metanogénesis

La etapa terminal de la digestión anaeróbica es el proceso biológico de la metanogénesis. Aquí, los metanógenos utilizan los productos intermedios de las etapas anteriores y los convierten en metano, dióxido de carbono y agua. Estos componentes constituyen la mayor parte del biogás emitido por el sistema. La metanogénesis es sensible tanto a pH altos como bajos y ocurre entre pH 6.5 y pH 8. El material restante no digerible que los microbios no pueden usar y cualquier resto bacteriano muerto constituye el digestato.

Configuración

Los digestores anaeróbicos se pueden diseñar y diseñar para operar usando una cantidad de configuraciones diferentes y se pueden categorizar en modo de proceso por lotes versus modo continuo, condiciones de temperatura mesófilas versus termófilas, porción alta versus baja de sólidos y procesos de una etapa versus etapas múltiples. El proceso continuo requiere un diseño más complejo, pero aun así, puede ser más económico que el proceso por lotes, porque el proceso por lotes requiere más dinero inicial para la construcción y un mayor volumen de digestores (distribuidos en varios lotes) para manejar la misma cantidad de desechos que un proceso continuo. digestor de proceso.Se requiere una mayor energía térmica en un sistema termofílico en comparación con un sistema mesófilo, pero el sistema termofílico requiere mucho menos tiempo y tiene una mayor capacidad de producción de gas y un mayor contenido de gas metano, por lo que se debe considerar esa compensación con cuidado. Para el contenido de sólidos, Low manejará hasta un 15 % de contenido de sólidos. Por encima de este nivel se considera un alto contenido de sólidos y también se le puede conocer como digestión seca. En un proceso de una sola etapa, un reactor alberga los cuatro pasos de digestión anaeróbica. Un proceso de múltiples etapas utiliza dos o más reactores para la digestión para separar las fases de metanogénesis e hidrólisis.

Por lotes o continuo

La digestión anaeróbica se puede realizar como un proceso por lotes o como un proceso continuo. En un sistema por lotes, la biomasa se agrega al reactor al comienzo del proceso. A continuación, el reactor se sella durante la duración del proceso. En su forma más simple, el procesamiento por lotes necesita la inoculación con material ya procesado para iniciar la digestión anaeróbica. En un escenario típico, la producción de biogás se formará con un patrón de distribución normal a lo largo del tiempo. Los operadores pueden utilizar este hecho para determinar cuándo creen que se ha completado el proceso de digestión de la materia orgánica. Puede haber graves problemas de olores si un reactor por lotes se abre y se vacía antes de que el proceso esté bien completado. Un tipo más avanzado de enfoque por lotes ha limitado los problemas de olor al integrar la digestión anaeróbica con el compostaje en el recipiente. En este enfoque, la inoculación se realiza mediante el uso de percolado desgasificado recirculado. Una vez completada la digestión anaeróbica, la biomasa se mantiene en el reactor que luego se utiliza para el compostaje en el recipiente antes de abrirlo.Como la digestión por lotes es simple y requiere menos equipo y niveles más bajos de trabajo de diseño, suele ser una forma de digestión más económica. El uso de más de un reactor por lotes en una planta puede garantizar una producción constante de biogás.

En los procesos de digestión continua, la materia orgánica se agrega constantemente (mezcla completa continua) o se agrega en etapas al reactor (flujo pistón continuo; primero en entrar, primero en salir). Aquí, los productos finales se eliminan constante o periódicamente, lo que da como resultado una producción constante de biogás. Se pueden utilizar digestores simples o múltiples en secuencia. Los ejemplos de esta forma de digestión anaeróbica incluyen reactores continuos de tanque agitado, lechos de lodo anaeróbico de flujo ascendente, lechos de lodo granular expandido y reactores de circulación interna.

Temperatura

Los dos niveles de temperatura operativa convencionales para digestores anaeróbicos determinan las especies de metanógenos en los digestores:

• La digestión mesófila tiene lugar de manera óptima alrededor de 30 a 38 °C, o a temperaturas ambiente entre 20 y 45 °C, donde los mesófilos son los principales microorganismos presentes.
• La digestión termófila tiene lugar de manera óptima entre 49 y 57 °C, o a temperaturas elevadas de hasta 70 °C, donde los termófilos son los principales microorganismos presentes.

Se ha llegado a un caso límite en Bolivia, con digestión anaeróbica en condiciones de trabajo a temperatura inferior a 10 °C. El proceso anaeróbico es muy lento, tardando más de tres veces el tiempo normal del proceso mesófilo. En un trabajo experimental en la Universidad de Alaska Fairbanks, un digestor de 1000 litros que utiliza psicrófilos recolectados del "lodo de un lago congelado en Alaska" ha producido entre 200 y 300 litros de metano por día, alrededor del 20 al 30 % de la producción de los digestores en lugares más cálidos. climasLas especies mesófilas superan en número a las termófilas y también son más tolerantes a los cambios en las condiciones ambientales que las termófilas. Por lo tanto, los sistemas mesófilos se consideran más estables que los sistemas de digestión termófilos. Por el contrario, mientras que los sistemas de digestión termófilos se consideran menos estables, su entrada de energía es mayor, y se elimina más biogás de la materia orgánica en la misma cantidad de tiempo. Las temperaturas aumentadas facilitan velocidades de reacción más rápidas y, por lo tanto, rendimientos de gas más rápidos. La operación a temperaturas más altas facilita una mayor reducción de patógenos del digestato. En países donde la legislación, como las Regulaciones de subproductos animales en la Unión Europea, requiere que el digestato cumpla con ciertos niveles de reducción de patógenos, puede haber un beneficio al usar temperaturas termófilas en lugar de mesófilas.

Se puede utilizar un pretratamiento adicional para reducir el tiempo de retención necesario para producir biogás. Por ejemplo, ciertos procesos trituran los sustratos para aumentar el área superficial o usan una etapa de pretratamiento térmico (como la pasteurización) para mejorar significativamente la producción de biogás. El proceso de pasteurización también se puede utilizar para reducir la concentración de patógenos en el digestato, dejando el digestor anaeróbico. La pasteurización puede lograrse mediante tratamiento térmico combinado con maceración de los sólidos.

Contenido de sólidos

En un escenario típico, tres parámetros operativos diferentes están asociados con el contenido de sólidos de la materia prima a los digestores:

• Alto contenido de sólidos (seco, sustrato apilable)
• Alto contenido de sólidos (húmedo, sustrato bombeable)
• Bajo contenido de sólidos (húmedo—sustrato bombeable)

Los digestores altos en sólidos (secos) están diseñados para procesar materiales con un contenido de sólidos entre 25 y 40%. A diferencia de los digestores húmedos que procesan lodos bombeables, los digestores con alto contenido de sólidos (sustrato seco apilable) están diseñados para procesar sustratos sólidos sin agregar agua. Los estilos principales de digestores secos son los de flujo pistón vertical continuo y los digestores horizontales de túnel por lotes. Los digestores de flujo de pistón vertical continuo son tanques cilíndricos verticales donde la materia prima se alimenta continuamente en la parte superior del digestor y fluye hacia abajo por gravedad durante la digestión. En los digestores de túnel por lotes, la materia prima se deposita en cámaras tipo túnel con una puerta hermética al gas. Ninguno de los enfoques tiene mezcla dentro del digestor. La cantidad de pretratamiento, como la eliminación de contaminantes, depende tanto de la naturaleza de los flujos de desechos que se procesan como de la calidad deseada del digestato. La reducción de tamaño (molienda) es beneficiosa en los sistemas verticales continuos, ya que acelera la digestión, mientras que los sistemas por lotes evitan la molienda y en su lugar requieren estructura (p. ej., desechos de jardín) para reducir la compactación de la pila apilada. Los digestores secos verticales continuos tienen una huella más pequeña debido al tiempo de retención efectivo más corto y al diseño vertical. Los digestores húmedos se pueden diseñar para operar con un alto contenido de sólidos, con una concentración de sólidos suspendidos totales (TSS) superior al ~20 %, o una concentración baja de sólidos inferior al ~15 %. desechos de jardín) para reducir la compactación de la pila apilada. Los digestores secos verticales continuos tienen una huella más pequeña debido al tiempo de retención efectivo más corto y al diseño vertical. Los digestores húmedos se pueden diseñar para operar con un alto contenido de sólidos, con una concentración de sólidos suspendidos totales (TSS) superior al ~20 %, o una concentración baja de sólidos inferior al ~15 %. desechos de jardín) para reducir la compactación de la pila apilada. Los digestores secos verticales continuos tienen una huella más pequeña debido al tiempo de retención efectivo más corto y al diseño vertical. Los digestores húmedos se pueden diseñar para operar con un alto contenido de sólidos, con una concentración de sólidos suspendidos totales (TSS) superior al ~20 %, o una concentración baja de sólidos inferior al ~15 %.

Los digestores con alto contenido de sólidos (húmedos) procesan una suspensión espesa que requiere más aporte de energía para mover y procesar la materia prima. El espesor del material también puede conducir a problemas asociados con la abrasión. Los digestores con alto contenido de sólidos suelen tener un requisito de tierra más bajo debido a los volúmenes más bajos asociados con la humedad. Los digestores con alto contenido de sólidos también requieren la corrección de los cálculos de rendimiento convencionales (p. ej., producción de gas, tiempo de retención, cinética, etc.) originalmente basados ​​en conceptos de digestión de aguas residuales muy diluidas, ya que fracciones más grandes de la masa de materia prima son potencialmente convertibles en biogás.

Los digestores bajos en sólidos (húmedos) pueden transportar material a través del sistema utilizando bombas estándar que requieren una entrada de energía significativamente menor. Los digestores bajos en sólidos requieren una mayor cantidad de tierra que los altos en sólidos debido a los mayores volúmenes asociados con el aumento de la proporción de líquido a materia prima de los digestores. Hay beneficios asociados con la operación en un ambiente líquido, ya que permite una circulación más completa de los materiales y el contacto entre las bacterias y sus alimentos. Esto permite que las bacterias accedan más fácilmente a las sustancias de las que se alimentan y aumenta la tasa de producción de gas.

Complejidad

Los sistemas de digestión se pueden configurar con diferentes niveles de complejidad. En un sistema de digestión de una sola etapa (una etapa), todas las reacciones biológicas ocurren dentro de un solo reactor sellado o tanque de retención. El uso de una sola etapa reduce los costos de construcción, pero da como resultado un menor control de las reacciones que ocurren dentro del sistema. Las bacterias acidogénicas, a través de la producción de ácidos, reducen el pH del tanque. Las arqueas metanogénicas, como se describió anteriormente, operan en un rango de pH estrictamente definido. Por lo tanto, las reacciones biológicas de las diferentes especies en un reactor de una sola etapa pueden estar en competencia directa entre sí. Otro sistema de reacción de una etapa es una laguna anaeróbica. Estas lagunas son cuencas de tierra similares a estanques que se utilizan para el tratamiento y almacenamiento a largo plazo de estiércol.Aquí las reacciones anaeróbicas están contenidas dentro del lodo anaeróbico natural contenido en la piscina.

En un sistema de digestión de dos etapas (múltiples etapas), se optimizan diferentes recipientes de digestión para brindar el máximo control sobre las comunidades bacterianas que viven dentro de los digestores. Las bacterias acidógenas producen ácidos orgánicos y crecen y se reproducen más rápidamente que las arqueas metanogénicas. Las arqueas metanogénicas requieren un pH y una temperatura estables para optimizar su rendimiento.

En circunstancias típicas, la hidrólisis, la acetogénesis y la acidogénesis ocurren dentro del primer recipiente de reacción. Luego, el material orgánico se calienta a la temperatura operativa requerida (ya sea mesófila o termófila) antes de ser bombeado a un reactor metanogénico. Los tanques iniciales de hidrólisis o acidogénesis antes del reactor metanogénico pueden proporcionar un amortiguador de la velocidad a la que se agrega la materia prima. Algunos países europeos requieren un grado de tratamiento térmico elevado para matar las bacterias dañinas en los desechos de entrada. En este caso, puede existir una etapa de pasteurización o esterilización previa a la digestión o entre los dos digestores. En particular, no es posible aislar completamente las diferentes fases de la reacción y, a menudo, se produce algo de biogás en los tanques de hidrólisis o acidogénesis.

Tiempo de residencia

El tiempo de residencia en un digestor varía con la cantidad y el tipo de material de alimentación y con la configuración del sistema de digestión. En una digestión mesófila típica de dos etapas, el tiempo de residencia varía entre 15 y 40 días, mientras que para una digestión termófila de una sola etapa, los tiempos de residencia son normalmente más rápidos y tardan alrededor de 14 días. La naturaleza de flujo pistón de algunos de estos sistemas significará que es posible que la degradación total del material no se haya logrado en esta escala de tiempo. En este caso, el digestato que sale del sistema tendrá un color más oscuro y, por lo general, tendrá más olor.

En el caso de una digestión anaeróbica de manto de lodos (UASB) de flujo ascendente, los tiempos de residencia hidráulica pueden ser tan cortos como de 1 hora a 1 día, y los tiempos de retención de sólidos pueden ser de hasta 90 días. De esta manera, un sistema UASB es capaz de separar sólidos y tiempos de retención hidráulica con el uso de un manto de lodos. Los digestores continuos cuentan con dispositivos mecánicos o hidráulicos, según el nivel de sólidos del material, para mezclar el contenido, permitiendo que las bacterias y el alimento estén en contacto. También permiten extraer continuamente el exceso de material para mantener un volumen razonablemente constante dentro de los tanques de digestión.

Inhibición

El proceso de digestión anaeróbica puede ser inhibido por varios compuestos, afectando uno o más de los grupos bacterianos responsables de los diferentes pasos de degradación de la materia orgánica. El grado de inhibición depende, entre otros factores, de la concentración del inhibidor en el digestor. Los inhibidores potenciales son amoníaco, sulfuro, iones de metales ligeros (Na, K, Mg, Ca, Al), metales pesados, algunos compuestos orgánicos (clorofenoles, alifáticos halogenados, aromáticos N-sustituidos, ácidos grasos de cadena larga), etc.

Materias primas

La cuestión inicial más importante al considerar la aplicación de sistemas de digestión anaeróbica es la materia prima del proceso. Casi cualquier material orgánico puede procesarse con digestión anaerobia; sin embargo, si el objetivo es la producción de biogás, el nivel de putrescibilidad es el factor clave en su aplicación exitosa. Cuanto más putrescible (digestible) sea el material, mayor será la producción de gas posible del sistema.

Las materias primas pueden incluir materiales de desecho biodegradables, como papel de desecho, recortes de césped, restos de comida, aguas residuales y desechos animales. Los desechos leñosos son la excepción, porque en gran medida no se ven afectados por la digestión, ya que la mayoría de los anaerobios no pueden degradar la lignina. Los anaerobios xilófagos (consumidores de lignina) o el uso de pretratamiento a alta temperatura, como la pirólisis, se pueden usar para descomponer la lignina. Los digestores anaeróbicos también se pueden alimentar con cultivos energéticos especialmente cultivados, como ensilaje, para la producción de biogás dedicada. En Alemania y Europa continental, estas instalaciones se denominan plantas de "biogás". Una planta de codigestión o cofermentación suele ser un digestor anaeróbico agrícola que acepta dos o más materiales de entrada para la digestión simultánea.

El tiempo requerido para la digestión anaeróbica depende de la complejidad química del material. El material rico en azúcares fácilmente digeribles se descompone rápidamente, mientras que el material lignocelulósico intacto rico en celulosa y polímeros de hemicelulosa puede tardar mucho más en descomponerse. Los microorganismos anaeróbicos generalmente no pueden descomponer la lignina, el componente aromático recalcitrante de la biomasa.

Los digestores anaerobios se diseñaron originalmente para funcionar con lodos de depuradora y estiércol. Sin embargo, las aguas residuales y el estiércol no son el material con mayor potencial para la digestión anaeróbica, ya que el material biodegradable ya ha extraído gran parte del contenido energético de los animales que lo produjeron. Por lo tanto, muchos digestores operan con codigestión de dos o más tipos de materias primas. Por ejemplo, en un digestor basado en una granja que utiliza estiércol de lechería como materia prima principal, la producción de gas puede aumentar significativamente agregando una segunda materia prima, por ejemplo, pasto y maíz (materia prima típica en la granja), o varios subproductos orgánicos, tales como como residuos de matadero, grasas, aceites y grasas de restaurantes, residuos domésticos orgánicos, etc. (materia prima típica fuera del sitio).

Los digestores que procesan cultivos energéticos dedicados pueden lograr altos niveles de degradación y producción de biogás. Los sistemas de estiércol líquido por lo general son más baratos, pero generan mucha menos energía que los que utilizan cultivos, como el maíz y el ensilaje de pasto; al utilizar una cantidad modesta de material de cultivo (30 %), una planta de digestión anaeróbica puede aumentar diez veces la producción de energía por solo tres veces el costo de capital, en relación con un sistema de solo purines.

Contenido de humedad

Una segunda consideración relacionada con la materia prima es el contenido de humedad. Los sustratos más secos y apilables, como los alimentos y los desechos del jardín, son adecuados para la digestión en cámaras tipo túnel. Los sistemas estilo túnel también suelen tener una descarga de aguas residuales casi nula, por lo que este estilo de sistema tiene ventajas donde la descarga de líquidos del digestor es una desventaja. Cuanto más húmedo esté el material, más adecuado será para su manipulación con bombas estándar en lugar de bombas de hormigón de alto consumo energético y medios físicos de movimiento. Además, cuanto más húmedo es el material, más volumen y área ocupa en relación con los niveles de gas producido. El contenido de humedad de la materia prima objetivo también afectará qué tipo de sistema se aplica a su tratamiento. Para usar un digestor anaeróbico alto en sólidos para materias primas diluidas, agentes de carga, como compost,Otra consideración clave es la relación carbono:nitrógeno del material de entrada. Esta proporción es el equilibrio de alimentos que requiere un microbio para crecer; la relación C:N óptima es de 20 a 30:1. El exceso de N puede conducir a la inhibición de la digestión por amoníaco.

Contaminación

El nivel de contaminación del material de alimentación es una consideración clave cuando se utiliza la digestión húmeda o la digestión de flujo pistón.

Si la materia prima para los digestores tiene niveles significativos de contaminantes físicos, como plástico, vidrio o metales, entonces se requerirá el procesamiento para eliminar los contaminantes para el material que se utilizará. Si no se elimina, los digestores se pueden bloquear y no funcionarán de manera eficiente. Este problema de contaminación no ocurre con las plantas de digestión seca o digestión anaeróbica en estado sólido (SSAD), ya que SSAD maneja biomasa seca y apilable con un alto porcentaje de sólidos (40-60%) en cámaras herméticas a los gases llamadas cajas de fermentación. Es con este entendimiento que se diseñan las plantas de tratamiento biológico mecánico. Cuanto mayor sea el nivel de pretratamiento que requiere una materia prima, más maquinaria de procesamiento se requerirá y, por lo tanto, el proyecto tendrá mayores costos de capital. Centro Nacional de Cultivos No Alimenticios.

Después de clasificar o tamizar para eliminar cualquier contaminante físico de la materia prima, el material a menudo se tritura, tritura y tritura mecánica o hidráulicamente para aumentar el área de superficie disponible para los microbios en los digestores y, por lo tanto, aumentar la velocidad de la digestión. La maceración de sólidos se puede lograr mediante el uso de una bomba trituradora para transferir el material de alimentación al digestor hermético, donde se lleva a cabo el tratamiento anaeróbico.

Composición del sustrato

La composición del sustrato es un factor importante para determinar el rendimiento de metano y las tasas de producción de metano a partir de la digestión de la biomasa. Las técnicas para determinar las características de composición de la materia prima están disponibles, mientras que los parámetros como los análisis de sólidos, elementales y orgánicos son importantes para el diseño y la operación del digestor. El rendimiento de metano se puede estimar a partir de la composición elemental del sustrato junto con una estimación de su degradabilidad (la fracción del sustrato que se convierte en biogás en un reactor).Para predecir la composición del biogás (las fracciones relativas de metano y dióxido de carbono) es necesario estimar la partición del dióxido de carbono entre las fases acuosa y gaseosa, lo que requiere información adicional (temperatura del reactor, pH y composición del sustrato) y un modelo de especiación química.. También se realizan mediciones directas del potencial de biometanización utilizando evolución de gas o ensayos gravimétricos más recientes.

Aplicaciones

El uso de tecnologías de digestión anaeróbica puede ayudar a reducir la emisión de gases de efecto invernadero de varias maneras clave:

• Sustitución de combustibles fósiles
• Reducir o eliminar la huella energética de las plantas de tratamiento de residuos
• Reducción de las emisiones de metano de los vertederos
• Desplazamiento de fertilizantes químicos producidos industrialmente
• Reducción de movimientos de vehículos.
• Reducción de las pérdidas de transporte de la red eléctrica
• Reducción del uso de Gas LP para cocinar
• Un componente importante de las iniciativas Zero Waste.

Tratamiento de residuos y aguas residuales

La digestión anaeróbica es particularmente adecuada para el material orgánico y se usa comúnmente para el tratamiento de efluentes industriales, aguas residuales y lodos de depuradora. La digestión anaerobia, un proceso simple, puede reducir en gran medida la cantidad de materia orgánica que, de otro modo, podría estar destinada a ser vertida en el mar, en vertederos o quemada en incineradores.

La presión de la legislación relacionada con el medio ambiente sobre los métodos de eliminación de desechos sólidos en los países desarrollados ha aumentado la aplicación de la digestión anaeróbica como un proceso para reducir los volúmenes de desechos y generar subproductos útiles. Puede usarse para procesar la fracción separada en origen de los desechos municipales o, alternativamente, combinarse con sistemas de clasificación mecánica para procesar los desechos municipales mixtos residuales. Estas instalaciones se denominan plantas de tratamiento mecánico biológico.

Si los desechos putrescibles procesados ​​en digestores anaeróbicos se desecharan en un vertedero, se descompondrían de forma natural y, a menudo, de forma anaeróbica. En este caso, el gas eventualmente escapará a la atmósfera. Como el metano es unas 20 veces más potente como gas de efecto invernadero que el dióxido de carbono, esto tiene efectos ambientales negativos significativos.

En países que recolectan desechos domésticos, el uso de instalaciones locales de digestión anaeróbica puede ayudar a reducir la cantidad de desechos que requieren transporte a vertederos centralizados o instalaciones de incineración. Esta carga reducida en el transporte reduce las emisiones de carbono de los vehículos de recolección. Si las instalaciones de digestión anaeróbica localizadas están integradas dentro de una red de distribución eléctrica, pueden ayudar a reducir las pérdidas eléctricas asociadas con el transporte de electricidad a través de una red nacional.

Generación de energía

En los países en desarrollo, los sistemas sencillos de digestión anaeróbica en el hogar y en la granja ofrecen el potencial de energía de bajo costo para cocinar e iluminar. Desde 1975, China e India han tenido grandes esquemas respaldados por el gobierno para la adaptación de pequeñas plantas de biogás para uso doméstico para cocinar e iluminar. En la actualidad, los proyectos de digestión anaeróbica en el mundo en desarrollo pueden obtener apoyo financiero a través del Mecanismo de Desarrollo Limpio de las Naciones Unidas si pueden demostrar que reducen las emisiones de carbono.

El metano y la energía producida en las instalaciones de digestión anaeróbica se pueden usar para reemplazar la energía derivada de los combustibles fósiles y, por lo tanto, reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, porque el carbono en el material biodegradable es parte de un ciclo de carbono. El carbono liberado a la atmósfera por la combustión de biogás ha sido eliminado por las plantas para que crezcan en el pasado reciente, generalmente en la última década, pero más típicamente en la última temporada de crecimiento. Si las plantas vuelven a crecer, eliminando el carbono de la atmósfera una vez más, el sistema será neutro en carbono. Por el contrario, el carbono de los combustibles fósiles ha sido secuestrado en la tierra durante muchos millones de años, cuya combustión aumenta los niveles generales de dióxido de carbono en la atmósfera.

El biogás del tratamiento de lodos de depuradora se usa a veces para hacer funcionar un motor de gas para producir energía eléctrica, parte o la totalidad de la cual puede usarse para hacer funcionar las plantas de alcantarillado. Luego, parte del calor residual del motor se utiliza para calentar el digestor. El calor residual es, en general, suficiente para calentar el digestor a las temperaturas requeridas. El potencial de energía de las obras de alcantarillado es limitado: en el Reino Unido, hay alrededor de 80 MW en total de dicha generación, con el potencial de aumentar a 150 MW, lo cual es insignificante en comparación con la demanda de energía promedio en el Reino Unido de aproximadamente 35,000 MW. El alcance de la generación de biogás a partir de materia biológica de desechos no cloacales (cultivos energéticos, desechos de alimentos, desechos de mataderos, etc.) es mucho mayor, y se estima que tiene una capacidad de alrededor de 3.000 MW.Se espera que las plantas agrícolas de biogás que utilizan desechos animales y cultivos energéticos contribuyan a reducir las emisiones _de CO2 y fortalezcan la red, al mismo tiempo que proporcionan ingresos adicionales a los agricultores del Reino Unido.

Algunos países ofrecen incentivos en forma de, por ejemplo, tarifas de alimentación para suministrar electricidad a la red eléctrica para subsidiar la producción de energía verde.

En Oakland, California, en la planta principal de tratamiento de aguas residuales (EBMUD, por sus siglas en inglés) del Distrito de Servicios Públicos Municipales de East Bay, los desechos de alimentos se codigieren actualmente con sólidos primarios y secundarios de aguas residuales municipales y otros desechos de alta concentración. En comparación con la digestión de sólidos de aguas residuales municipales por sí sola, la codigestión de desechos de alimentos tiene muchos beneficios. La digestión anaeróbica de la pulpa de desperdicios de alimentos del proceso de desperdicios de alimentos EBMUD proporciona un mayor beneficio energético normalizado, en comparación con los sólidos de aguas residuales municipales: 730 a 1,300 kWh por tonelada seca de desperdicios de alimentos aplicados en comparación con 560 a 940 kWh por tonelada seca de sólidos de aguas residuales municipales aplicados.

Inyección a red

La inyección de biogás en la red es la inyección de biogás en la red de gas natural. El biogás crudo tiene que ser previamente actualizado a biometano. Esta mejora implica la eliminación de contaminantes como el sulfuro de hidrógeno o los siloxanos, así como el dióxido de carbono. Varias tecnologías están disponibles para este propósito, siendo las más implementadas la adsorción por oscilación de presión (PSA), el lavado con agua o amina (procesos de absorción) y, en los últimos años, la separación por membrana. Como alternativa, la electricidad y el calor se pueden utilizar para la generación in situ, lo que se traduce en una reducción de las pérdidas en el transporte de energía. Las pérdidas de energía típicas en los sistemas de transmisión de gas natural oscilan entre el 1 y el 2 %, mientras que las pérdidas de energía actuales en un sistema eléctrico grande oscilan entre el 5 y el 8 %.

En octubre de 2010, Didcot Sewage Works se convirtió en la primera en el Reino Unido en producir gas biometano suministrado a la red nacional, para uso en hasta 200 hogares en Oxfordshire. Para 2017, la empresa de electricidad del Reino Unido, Ecotricity, planea tener un digestor alimentado con pasto de origen local para alimentar 6000 hogares.

Combustible para vehículos

Después de actualizar con las tecnologías mencionadas anteriormente, el biogás (transformado en biometano) se puede utilizar como combustible para vehículos en vehículos adaptados. Este uso es muy extenso en Suecia, donde existen más de 38.600 vehículos a gas, y el 60% del gas vehicular es biometano generado en plantas de digestión anaeróbica.

Fertilizante y acondicionador de suelo

El componente sólido y fibroso del material digerido se puede usar como acondicionador del suelo para aumentar el contenido orgánico de los suelos. El licor del digestor se puede utilizar como fertilizante para suministrar nutrientes vitales a los suelos en lugar de fertilizantes químicos que requieren grandes cantidades de energía para producir y transportar. El uso de fertilizantes fabricados es, por lo tanto, más intensivo en carbono que el uso de fertilizantes de licor de digestor anaeróbico. En países como España, donde muchos suelos están agotados orgánicamente, los mercados para los sólidos digeridos pueden ser tan importantes como el biogás.

Gas para cocinar

Mediante el uso de un biodigestor, que produce las bacterias necesarias para la descomposición, se genera gas para cocinar. Los desechos orgánicos, como hojas caídas, desechos de cocina, desechos de alimentos, etc., se introducen en una unidad trituradora, donde se mezclan con una pequeña cantidad de agua. Luego, la mezcla se alimenta al biodigestor, donde las arqueas la descomponen para producir gas para cocinar. Este gas se canaliza a la estufa de la cocina. Un biodigestor de 2 metros cúbicos puede producir 2 metros cúbicos de gas para cocinar. Esto equivale a 1 kg de GLP. La ventaja notable de usar un biodigestor es el lodo que es un rico abono orgánico.

Productos

Los tres productos principales de la digestión anaeróbica son el biogás, el digestato y el agua.

Biogás

Compuesto	Fórmula	%
Metano	CH4	50–75
Dióxido de carbono	CO2	25–50
Nitrógeno	norte2	0–10
Hidrógeno	H2	0-1
Sulfuro de hidrógeno	H2S	0-3
Oxígeno	O2	0-0
Fuente: www.kolumbus.fi, 2007

El biogás es el último producto de desecho de las bacterias que se alimentan de la materia prima biodegradable de entrada (la etapa de metanogénesis de la digestión anaeróbica es realizada por arqueas, un microorganismo en una rama claramente diferente del árbol filogenético de la vida a las bacterias), y es principalmente metano y dióxido de carbono, con una pequeña cantidad de hidrógeno y trazas de sulfuro de hidrógeno. (Tal como se produce, el biogás también contiene vapor de agua, siendo el volumen fraccional de vapor de agua una función de la temperatura del biogás). La mayor parte del biogás se produce durante la mitad de la digestión, después de que la población bacteriana ha crecido, y disminuye a medida que se agota el material putrescible.El gas normalmente se almacena en la parte superior del digestor en una burbuja de gas inflable o se extrae y almacena junto a la instalación en un depósito de gas.

El metano en el biogás se puede quemar para producir calor y electricidad, generalmente con un motor alternativo o una microturbina, a menudo en un arreglo de cogeneración donde la electricidad y el calor residual generado se utilizan para calentar los digestores o calentar los edificios. El exceso de electricidad se puede vender a los proveedores o poner en la red local. La electricidad producida por digestores anaeróbicos se considera energía renovable y puede atraer subsidios. El biogás no contribuye a aumentar las concentraciones de dióxido de carbono atmosférico porque el gas no se libera directamente a la atmósfera y el dióxido de carbono proviene de una fuente orgánica con un ciclo de carbono corto.

El biogás puede requerir tratamiento o 'lavado' para refinarlo y usarlo como combustible. El sulfuro de hidrógeno, un producto tóxico formado a partir de sulfatos en la materia prima, se libera como un componente traza del biogás. Las agencias ambientales nacionales, como la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. o la Agencia Ambiental de Inglaterra y Gales, imponen límites estrictos a los niveles de gases que contienen sulfuro de hidrógeno y, si los niveles de sulfuro de hidrógeno en el gas son altos, la depuración y limpieza de gases Se necesitará equipo (como el tratamiento de gas de amina) para procesar el biogás dentro de los niveles aceptados regionalmente. Alternativamente, la adición de cloruro ferroso FeCl ₂ a los tanques de digestión inhibe la producción de sulfuro de hidrógeno.

Los siloxanos volátiles también pueden contaminar el biogás; estos compuestos se encuentran con frecuencia en los desechos domésticos y en las aguas residuales. En las instalaciones de digestión que aceptan estos materiales como componente de la materia prima, los siloxanos de bajo peso molecular se volatilizan en biogás. Cuando este gas se quema en un motor, turbina o caldera de gas, los siloxanos se convierten en dióxido de silicio (SiO ₂), que se deposita internamente en la máquina, aumentando el desgaste. Actualmente se dispone de tecnologías prácticas y rentables para eliminar los siloxanos y otros contaminantes del biogás. En ciertas aplicaciones, se puede usar el tratamiento in situ para aumentar la pureza del metano al reducir el contenido de dióxido de carbono del gas de escape, purgando la mayor parte en un reactor secundario.

En países como Suiza, Alemania y Suecia, el metano del biogás se puede comprimir para que se utilice como combustible para el transporte de vehículos o se introduzca directamente en la red de gas. En los países donde el impulsor del uso de la digestión anaeróbica son los subsidios a la electricidad renovable, esta ruta de tratamiento es menos probable, ya que se requiere energía en esta etapa de procesamiento y reduce los niveles generales disponibles para la venta.

Digestato

El digestato son los remanentes sólidos del material de entrada original a los digestores que los microbios no pueden usar. También consiste en los restos mineralizados de las bacterias muertas del interior de los digestores. El digestato puede presentarse en tres formas: fibroso, licor o una combinación de las dos fracciones a base de lodo. En los sistemas de dos etapas, diferentes formas de digestato provienen de diferentes tanques de digestión. En los sistemas de digestión de una sola etapa, las dos fracciones se combinarán y, si se desea, se separarán mediante un procesamiento posterior.

El segundo subproducto (digestato acidógeno) es un material orgánico estable que consiste principalmente en lignina y celulosa, pero también en una variedad de componentes minerales en una matriz de células bacterianas muertas; algo de plástico puede estar presente. El material se parece al abono doméstico y se puede utilizar como tal o para fabricar productos de construcción de baja calidad, como los tableros de fibra. El digestato sólido también se puede utilizar como materia prima para la producción de etanol.

El tercer subproducto es un líquido (digerido metanogénico) rico en nutrientes, que puede utilizarse como fertilizante, dependiendo de la calidad del material que se digiere. Los niveles de elementos potencialmente tóxicos (PTEs) deben evaluarse químicamente. Esto dependerá de la calidad de la materia prima original. En el caso de la mayoría de los flujos de desechos biodegradables limpios y separados en origen, los niveles de PTE serán bajos. En el caso de los desechos que se originan en la industria, los niveles de PTE pueden ser más altos y deberán tenerse en cuenta al determinar un uso final adecuado para el material.

El digestato normalmente contiene elementos, como la lignina, que los microorganismos anaerobios no pueden descomponer. Además, el digestato puede contener amoníaco que es fitotóxico y puede obstaculizar el crecimiento de las plantas si se usa como material para mejorar el suelo. Por estas dos razones, se puede emplear una etapa de maduración o compostaje después de la digestión. La lignina y otros materiales están disponibles para que los microorganismos aeróbicos, como los hongos, los degraden, lo que ayuda a reducir el volumen total del material para el transporte. Durante esta maduración, el amoníaco se oxidará a nitratos, mejorando la fertilidad del material y haciéndolo más adecuado como mejorador del suelo. Las tecnologías de digestión anaeróbica seca suelen utilizar grandes etapas de compostaje.

Aguas residuales

El resultado final de los sistemas de digestión anaeróbica es el agua, que se origina tanto del contenido de humedad de los desechos originales que se trataron como del agua producida durante las reacciones microbianas en los sistemas de digestión. Esta agua puede liberarse de la deshidratación del digestato o puede estar implícitamente separada del digestato.

Las aguas residuales que salen de la instalación de digestión anaeróbica suelen tener niveles elevados de demanda bioquímica de oxígeno (DBO) y demanda química de oxígeno (DQO). Estas medidas de la reactividad del efluente indican una capacidad de contaminar. Parte de este material se denomina 'DQO duro', lo que significa que las bacterias anaerobias no pueden acceder a él para convertirlo en biogás. Si este efluente se vertiera directamente a los cursos de agua, los afectaría negativamente al causar eutrofización. Como tal, a menudo se requiere un tratamiento adicional de las aguas residuales. Este tratamiento será típicamente una etapa de oxidación en la que se pasa aire a través del agua en un reactor por lotes de secuenciación o en una unidad de ósmosis inversa.

Historia

La historia de la digestión anaeróbica es larga, ya que comenzó en el siglo X a. C. en Asiria, donde se usaba biogás para calentar el agua del baño. El interés científico informado en la fabricación de gas producido por la descomposición natural de la materia orgánica data del siglo XVII, cuando Robert Boyle (1627-1691) y Stephen Hales (1677-1761) notaron que al remover el sedimento de los arroyos y lagos se liberaba gas inflamable.. En 1778, el físico italiano Alessandro Volta (1745-1827), padre de la Electroquímica, identificó científicamente ese gas como metano.

En 1808 Sir Humphry Davy demostró la presencia de metano en los gases producidos por el estiércol del ganado. El primer digestor anaeróbico conocido se construyó en 1859 en una colonia de leprosos en Bombay, India. En 1895, la tecnología se desarrolló en Exeter, Inglaterra, donde se utilizó un tanque séptico para generar gas para la lámpara destructora de gas de alcantarillado, un tipo de iluminación de gas. También en Inglaterra, en 1904, se instaló en Hampton, Londres, el primer tanque de doble propósito tanto para sedimentación como para tratamiento de lodos.

A principios del siglo XX, los sistemas de digestión anaeróbica comenzaron a parecerse a la tecnología tal como aparece hoy. En 1906, Karl Imhoff creó el tanque Imhoff; una forma temprana de digestor anaeróbico y sistema modelo de tratamiento de aguas residuales a principios del siglo XX. Después de 1920, los sistemas de tanques cerrados comenzaron a reemplazar el uso común anterior de las lagunas anaeróbicas: estanques de tierra cubiertos que se usaban para tratar los sólidos volátiles. La investigación sobre la digestión anaeróbica comenzó en serio en la década de 1930.

Alrededor de la época de la Primera Guerra Mundial, la producción de biocombustibles se desaceleró a medida que aumentaba la producción de petróleo y se identificaban sus usos. Si bien la escasez de combustible durante la Segunda Guerra Mundial volvió a popularizar la digestión anaeróbica, el interés en la tecnología disminuyó nuevamente después de que terminó la guerra. Del mismo modo, la crisis energética de la década de 1970 despertó el interés por la digestión anaeróbica. Además de los altos precios de la energía, los factores que afectan la adopción de sistemas de digestión anaeróbica incluyen la receptividad a la innovación, sanciones por contaminación, incentivos políticos y la disponibilidad de subsidios y oportunidades de financiamiento.

Hoy en día, los digestores anaeróbicos se encuentran comúnmente junto a las granjas para reducir la escorrentía de nitrógeno del estiércol o las instalaciones de tratamiento de aguas residuales para reducir los costos de eliminación de lodos. La digestión anaeróbica agrícola para la producción de energía se ha vuelto más popular en Alemania, donde había 8625 digestores en 2014. En el Reino Unido, había 259 instalaciones en 2014 y 500 proyectos planificados para entrar en funcionamiento en 2019. En los Estados Unidos, había 191 plantas operativas en 34 estados en 2012. La política puede explicar por qué las tasas de adopción son tan diferentes en estos países.

Las tarifas de alimentación en Alemania se promulgaron en 1991, también conocidas como FIT, proporcionando contratos a largo plazo que compensan las inversiones en generación de energía renovable. En consecuencia, entre 1991 y 1998, el número de plantas digestoras anaerobias en Alemania aumentó de 20 a 517. A fines de la década de 1990, los precios de la energía en Alemania variaron y los inversionistas no estaban seguros del potencial del mercado. El gobierno alemán respondió enmendando FIT cuatro veces entre 2000 y 2011, aumentando las tarifas y mejorando la rentabilidad de la digestión anaeróbica, y dando como resultado retornos confiables para la producción de biogás y tasas de adopción altas continuas en todo el país.