biometanizacion de rsu...
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DEPARTAMETO DE
ESCUELA TÉCICA
UIVERSIDAD DE SEVILLA
DISEÑO
BIOMETAIZACIÓ
RESIDUOS SÓLIDOS
PROYECTO FI
DEPARTAMETO DE IGEIERÍA QUÍMICA Y AMBIETAL
TÉCICA SUPERIOR DE IGEIEROS
UIVERSIDAD DE SEVILLA
DISEÑO DE UA LÍEA DE
BIOMETAIZACIÓ PARA EL TRATAMIETO DE
RESIDUOS SÓLIDOS URBAOS (RSU)
PROYECTO FI DE CARRERA
TUTOR: Antonio Morales Carrasco
Juan Martín Gómez
Sevilla, Diciembre 2013
QUÍMICA Y AMBIETAL
SUPERIOR DE IGEIEROS
EL TRATAMIETO DE
URBAOS (RSU)
ÍDICE GEERAL
1. ITRODUCCIÓ Y OBJETIVOS ...................................................................................................... 5
2. CARACTERIZACIÓ Y PROBLEMÁTICA DE LOS RU .............................................................. 7
2.1 ITRODUCCIÓ ........................................................................................................................... 7
2.2 COCEPTO DE RESIDUO SÓLIDO URBAO (RSU) ............................................................. 8
2.3 EVOLUCIÓ DE LA PRODUCCIÓ DE RSU (ESPAÑA, CCAA Y UE) ............................. 11
2.4 COMPOSICIÓ DE LOS RU Y PROPIEDADES ..................................................................... 16
2.4.1. COMPOSICIÓ DE LOS RU ............................................................................................. 16
2.4.2 PROPIEDADES DE LOS RU ............................................................................................... 19
2.5 GESTIÓ DE LOS RU ................................................................................................................. 24
2.5.1 ITRODUCCIÓ.................................................................................................................. 24
2.5.2 PLAES DE GESTIÓ DE RESIDUOS Y COMPETECIAS ....................................... 26
2.5.3 TECICAS DE VALORIZACIÓ. EXISTETES Y TEDECIAS ............................ 28
2.5.3.1 PROCESOS BIOLÓGICOS ......................................................................................... 29
2.5.3.2 PROCESOS TÉRMICOS .............................................................................................. 30
3. BIOMETAIZACIÓ COMO PROCESO DE VALORIZACIÓ DE LOS RESIDUOS
URBAOS (RU) ................................................................................................................................... 34
3.1 ITRODUCCIÓ ......................................................................................................................... 34
3.2 PRICIPALES ETAPAS PRESETES E EL PROCESO ..................................................... 36
3.2.1 ITRODUCCIÓ.................................................................................................................. 36
3.2.2 TRATAMIETOS DE LA LÍEA DE ETRADA AL PROCESO ................................ 36
3.2.3 ACODICIOAMIETO DE LA ALIMETACIÓ ..................................................... 44
3.2.4 DIGESTORES AAEROBIOS ............................................................................................ 47
3.2.5 DIFERETES ALTERATIVAS ........................................................................................ 48
3.2.6 EL PROCESO BIOLÓGICO ............................................................................................... 56
3.2.6.1. HIDRÓLISIS ................................................................................................................. 58
3.2.6.2. ACIDOGÉESIS .......................................................................................................... 59
3.2.6.3. ACETOGÉESIS ......................................................................................................... 60
3.2.6.4. METAOGÉESIS ..................................................................................................... 60
3.3 VARIABLES DE OPERACIÓ Y CIÉTICA DEL PROCESO............................................. 61
3.3.1 VARIABLES DE OPERACIÓ ........................................................................................... 61
3.3.2. CIÉTICA DEL PROCESO ............................................................................................... 68
3.3.2.1 ITRODUCCIÓ .......................................................................................................... 68
3.3.2.2 CIÉTICA EZIMÁTICA .......................................................................................... 70
3.3.2.3 CIÉTICA MICROBIAA .......................................................................................... 73
3.4 PRODUCTOS OBTEIDOS DE LA BIOMETAIZACIÓ .................................................. 79
3.5 LIMITACIOES OPERACIOALES Y COTROL DEL PROCESO ................................. 84
4. DISEÑO BÁSICO DE UA LÍEA DE TRATAMIETO ............................................................. 89
4.1 ITRODUCCIÓ ......................................................................................................................... 89
4.2 DEFIICIÓ Y JUSTIFICACIÓ DEL PROCESO ................................................................ 90
4.3 DISEÑO DE LOS PRICIPALES EQUIPOS IVOLUCRADOS .......................................... 94
4.3.1 ITRODUCCIÓ.................................................................................................................. 94
4.3.2 RECEPCIÓ ALMACEAMIETO Y PRETRATAMIETO SECO .......................... 95
4.3.3 PRETRATAMIETO HÚMEDO ........................................................................................ 97
4.3.4 DIGESTOR AAEROBIO ................................................................................................. 101
4.3.5 SISTEMAS DE ALMACEAMIETO Y DEPURACIÓ ............................................ 107
4.4 ESQUEMA Y BALACE GEERAL DEL PROCESO ......................................................... 112
ÍDICE DE FIGURAS, GRÁFICOS Y TABLAS .............................................................................. 120
BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................................... 124
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Universidad de Sevilla
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Juan Martín Gómez
1. ITRODUCCIÓ Y OBJETIVOS
El objetivo principal de este proyecto es el diseño de una línea de valorización
de residuos orgánicos, enmarcada dentro de una planta de gestión integral de sólidos
urbanos (RSU), o eco parque, para la obtención de biogás y posterior transformación en
energía eléctrica.
El proyecto plantea una nueva línea de tratamiento, que recibirá la fracción
orgánica de los residuos recogida de manera selectiva mas la fracción orgánica presente
en la recogida de residuos mezclados, procedente de la línea principal de tratamiento,
separación y recuperación de residuos de la planta original.
Este diseño de ampliación de la planta ya existente con una nueva línea de
tratamiento de la fracción orgánica, tiene por objeto último la mejora de la gestión de
dicha fracción, o lo que es lo mismo: el aprovechamiento energético transformando el
biogás obtenido en energía; la producción de un fertilizante de mayor calidad; y la
reducción del contenido de materia orgánica de la fracción de restos que se envía
finalmente a vertedero para su eliminación.
En la actualidad se dan dos soluciones viables para la gestión de los residuos
sólidos urbanos (RSU), la valorización mediante métodos térmicos o biológicos. Los
tratamientos biológicos tiene la ventaja de optimizar el aprovechamiento de la fracción
orgánica, consiguiendo una considerable reducción de volúmenes, dentro de un correcto
equilibrio medioambiental. Ello hace que la elección de la biometanización, sea a día de
hoy el método que más se está expandiendo en cuanto al tratamiento de la fracción
orgánica, por ser el que mejor la aprovecha.
La línea de tratamiento se ha diseñado para gestionar los residuos orgánicos de
una población de unos 650000 habitantes, los cuales tendrán una producción per cápita
de 1,52 �� ℎ�� ∗ �í�⁄ . En total, teniendo en cuenta que el 44% de los residuos
generados son orgánicos, la nueva línea de tratamiento tendrá que ser capaz de gestionar
unas 158673 � �ñ ⁄ de residuos orgánicos, de las cuales el 20% le llega directamente
de la recogida selectiva de residuos orgánicos, y el resto proviene de de la planta de
clasificación y reciclaje actual.
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Juan Martín Gómez
Con todo ello, se ha estimado que la línea tendrá una capacidad de producción
de biogás anual de 13,5 ���� ��� �� ���, con un contenido en metano (���) del 60%.
En el proyecto se ha realizado el balance de masas y energía de toda la planta de
biometanización, además de realizar el diseño básico de los principales equipos.
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Juan Martín Gómez
2. CARACTERIZACIÓ Y PROBLEMÁTICA DE LOS RU
2.1 ITRODUCCIÓ
Hoy en día, las ciudades pueden compararse a seres vivos que necesitan
alimentar un complejo metabolismo para poder sostener las elevadas cargas de
población y actividad: alimentación, movilidad, agua…. Es imprescindible pues, poder
disponer de recursos tanto materiales como energéticos. Como cualquier ser vivo, las
ciudades al consumir dichos recursos, generan una cantidad de residuos proporcional a
los recursos que consumen. Es por ello por lo que existe una estrecha relación entre el
crecimiento económico de un país o región, y la producción de residuos por parte del
mismo.
Toda actividad humana es fuente potencial de residuos. Desde la antigüedad, el
ser humano ha estado explotando los diferentes recursos que la naturaleza ha puesto a su
alcance. Pero la huella que dichas actividades dejaron en la naturaleza fue muy
superficial debido al carácter orgánico-degradable de los residuos generados y a su
escasa cantidad, con lo que no presentaban mayores problemas y se integraban
perfectamente en el ciclo de la naturaleza.
Desde aquellos tiempos, la producción de los residuos ha aumentado en todo el
mundo como consecuencia del progreso y el desarrollo de la actividad humana tanto en
la cantidad como en la naturaleza. Pero este proceso se ha acelerado de tal manera, que
los residuos se han convertido a día de hoy en una amenaza para el equilibrio de la
biosfera.
Debido a ese significativo aumento de la cantidad de residuos, se ha creado
alrededor de los mismos un mercado de ámbito europeo en cuanto al transporte, gestión,
valorización y eliminación de dichos residuos.
Este conjunto de medidas y políticas medioambientales por parte de la Unión
Europea, pretenden fomentar la reducción, reciclaje y reutilización de los residuos así
como su valorización tanto material como energética, para poder asegurar una gestión
integral de los residuos adecuada, y que el hecho de crecer económicamente hablando,
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Juan Martín Gómez
no suponga ningún tipo de riesgo a nivel medioambiental, ni tampoco para la salud
humana.
2.2 COCEPTO DE RESIDUO SÓLIDO URBAO (RSU)
Hasta el año 2011, la legislación que regía la prevención de la producción de
residuos, establecía su régimen jurídico de producción y gestión de los mismos, era la
Ley 10/1998, que definía el término residuo como:
“Cualquier sustancia u objeto perteneciente a alguna de las
categorías que figuran en el anexo de esta Ley, del cual su poseedor se
desprenda o del que tenga la intención u obligación de desprenderse. En
todo caso, tendrán esta consideración los que figuren en el Catálogo
Europeo de Residuos (CER), aprobado por las Instituciones Comunitarias”.
Según dicha Ley 10/1998, se recogía otra definición de residuos urbanos o
residuos municipales, que eran:
“Los generados en los domicilios particulares, comercios,
oficinas y servicios, así como todos aquellos que no tengan la calificación
de peligrosos y que por su naturaleza o composición puedan asimilarse a los
producidos en los anteriores lugares o actividades. Tendrán también la
consideración de residuos urbanos los siguientes:
Residuos procedentes de la limpieza de vías públicas, zonas
verdes, áreas recreativas y playas.
Animales domésticos muertos, así como muebles, enseres y
vehículos abandonados.
Residuos y escombros procedentes de obras menores de
construcción y reparación domiciliaria”.
Ya en 2011, y en un contexto europeo en el que la producción de residuos se
encuentra en continuo aumento y en el que la actividad económica de los residuos
alcanza cada vez una mayor importancia, tanto por su volumen como por su repercusión
directa en la sostenibilidad del modelo económico europeo, el Sexto Programa de
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9
Juan Martín Gómez
Acción Comunitario de Materia de Medio Ambiente instaba a la revisión de la
legislación sobre residuos, a la distinción clara entre residuos y no residuos, y al
desarrollo de medidas relativas a la prevención y gestión de residuos. En ese mismo
sentido, la Comunicación de la Comisión de 27 de mayo de 2003, animaba a una
revisión de la ley vigente para avanzar hacia una estrategia temática para la prevención
y el reciclado de residuos.
Es por todo ello, por lo que en España, el 28 de julio de 2011 en las Cortes
Generales, se aprueba la nueva Ley 22/2011 de Residuos y Suelos contaminados. Esta
nueva ley tiene por objeto regular la gestión de los residuos impulsando medidas que
prevengan su generación y mitiguen los impactos adversos sobre la salud humana y el
medio ambiente asociados a su generación y gestión, mejorando la eficiencia en el uso
de los recursos naturales.
En la nueva Ley 22/2011 (Artículo3), el término residuo es definido como:
“cualquier sustancia u objeto que su poseedor deseche o tenga la
intención o la obligación de desechar”.
A diferencia de la anterior normativa, la nueva Ley 22/2011, no tiene recogida la
definición de residuo urbano como tal, sino que hace una distinción entre diferentes
tipologías de residuos, para de ese modo poder favorecer su clasificación en origen. Así
nos encontramos con varias clases de residuos:
Residuos domésticos: Son residuos generados en los hogares como
consecuencia de las actividades domesticas. Se consideran también residuos
domésticos los similares a los anteriores generados en servicios e industrias.
Se incluyen también en esta categoría los residuos que se generan en los
hogares de aparatos eléctricos y electrónicos, ropa, pilas, acumuladores,
muebles y enseres, así como los residuos de escombros procedentes de
obras menores de construcción y reparación domiciliaria. Tendrán la
consideración de residuos domésticos los residuos procedentes de la
limpieza de vías públicas, zonas verdes, áreas recreativas y playas. Los
animales muertos y los vehículos abandonados.
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Juan Martín Gómez
Residuos comerciales: Residuos generados por la actividad propia
del comercio, al por mayor y al por menor, de los servicios de restauración y
bares, de oficinas y mercados, así como del resto de sector servicios.
Residuos industriales: Residuos resultantes de los procesos de
fabricación, de transformación, de utilización, de consumo, de limpieza o de
mantenimiento generados por la actividad industrial, excluidas las emisiones
reguladas en la Ley 34/2007.
Residuo peligroso: Residuo que presenta una o varias de las
características peligrosas enumeradas en el anexo III, y aquél que pueda
aprobar el Gobierno de conformidad con lo establecido en la normativa
europea o en los convenios internacionales de los que España sea parte, así
como los recipientes y envases que los hayan contenido.
Aceites usados: Todos los aceites minerales o sintéticos, industriales
o de lubricación, que hayan dejado de ser aptos para el uso originalmente
previsto, como los aceites usados de motores de combustión y los aceites de
cajas de cambio, los aceites lubricantes, los aceites para turbinas y los
aceites hidráulicos.
Biorresiduos: Residuo biodegradable de jardines y parques, residuos
alimenticios y de cocina procedentes de hogares, restaurantes, servicios de
restauración colectiva y establecimientos de venta al por menor; así como,
residuos comparables procedentes de plantas de procesado de alimentos.
Ha de aclararse, que el termino residuo sólido se suele aplicar a materiales
residuales que no son líquidos (vertidos) o gaseosos (emisiones), sino sólidos o
semisólidos, y que se destinan al abandono porque no tienen ningún valor para su
propietario.
De esta manera, podríamos asemejar la antigua terminología de Residuo Solido
Urbano (RSU) como la mezcla de los residuos domésticos, comerciales, así como los
biorresiduos, todo ellos sólidos y producidos en el ámbito de una localidad o ciudad.
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2.3 EVOLUCIÓ DE LA
Desde finales de los 80´s, la producción de los residuos ha aumentado de manera
significativa en todo el mundo como consecuencia del progreso y el desarrollo que se ha
experimentando, y que a aún continua. Es por ello que muchos estudios confirman que
existe una estrecha relación entre el crecimiento económico de un país o región, y la
producción de residuos por parte del mismo.
Hoy en día uno de los principales retos de la sociedad en materia de residuos es
la desvinculación de esa estrecha relación, es decir, el
crecimiento económico y la generación de residuos, y este puede ser relativo si se da el
caso que los residuos crecen aunque menos que el PIB, o puede ser absoluto si estos se
reducen a pesar de que crezca el PIB.
En la siguiente tabla, se muestra una evolución de la generación de residuos per
cápita y de cómo ha ido variando el PIB en España desde el año 1995 hasta el 2010,
último año del que se tienen datos.
Gráfico 1. Generación de Residuos vs PIB en ESPAÑA. Eurostat
Como se observa en la grafica, desde el año 2004 se ha producido un cambio de
tendencia en la evolución de la generación anual de residuos urbanos en España.
Después de una tendencia ascendente durante el periodo 1995
2004 se produjo una disminución
tendencia de altibajos hasta iniciar en 2006 una tendencia descendente.
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2.3 EVOLUCIÓ DE LA PRODUCCIÓ DE RSU (ESPAÑA, CCAA Y UE
nales de los 80´s, la producción de los residuos ha aumentado de manera
significativa en todo el mundo como consecuencia del progreso y el desarrollo que se ha
experimentando, y que a aún continua. Es por ello que muchos estudios confirman que
strecha relación entre el crecimiento económico de un país o región, y la
producción de residuos por parte del mismo.
Hoy en día uno de los principales retos de la sociedad en materia de residuos es
la desvinculación de esa estrecha relación, es decir, el desacoplamiento entre el
crecimiento económico y la generación de residuos, y este puede ser relativo si se da el
caso que los residuos crecen aunque menos que el PIB, o puede ser absoluto si estos se
reducen a pesar de que crezca el PIB.
abla, se muestra una evolución de la generación de residuos per
y de cómo ha ido variando el PIB en España desde el año 1995 hasta el 2010,
último año del que se tienen datos.
Gráfico 1. Generación de Residuos vs PIB en ESPAÑA. Eurostat
serva en la grafica, desde el año 2004 se ha producido un cambio de
tendencia en la evolución de la generación anual de residuos urbanos en España.
Después de una tendencia ascendente durante el periodo 1995-
2004 se produjo una disminución importante continuada en años posteriores con una
tendencia de altibajos hasta iniciar en 2006 una tendencia descendente.
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DE RSU (ESPAÑA, CCAA Y UE)
nales de los 80´s, la producción de los residuos ha aumentado de manera
significativa en todo el mundo como consecuencia del progreso y el desarrollo que se ha
experimentando, y que a aún continua. Es por ello que muchos estudios confirman que
strecha relación entre el crecimiento económico de un país o región, y la
Hoy en día uno de los principales retos de la sociedad en materia de residuos es
desacoplamiento entre el
crecimiento económico y la generación de residuos, y este puede ser relativo si se da el
caso que los residuos crecen aunque menos que el PIB, o puede ser absoluto si estos se
abla, se muestra una evolución de la generación de residuos per
y de cómo ha ido variando el PIB en España desde el año 1995 hasta el 2010,
Gráfico 1. Generación de Residuos vs PIB en ESPAÑA. Eurostat
serva en la grafica, desde el año 2004 se ha producido un cambio de
tendencia en la evolución de la generación anual de residuos urbanos en España.
-2003, en el año
importante continuada en años posteriores con una
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Juan Martín Gómez
En el año 2010, último año del que se conocen datos
europea Eurostat, la generación de residuos urbanos en E
decir, 535 �� ℎ��⁄ , lo que significó un descenso del 2.19
En cuanto a la evolución del PIB frente a la generación de residuos per cápita, se
observo un crecimiento del 129
hicieron los residuos. Esto indica que aunque se aumentaron las cantidades de residuos
generados per cápita, existe un desacoplamiento relativo entre el crecimiento económico
expresado en términos de PIB, y la generación de residuos.
En la siguiente gráfica podemos
producción de residuos de España y de la Unión Europea.
Gráfico 2. Generación de Residuos
A partir de la información recogida en el grafico, observamos que la tendencia
en la generación de residuos urbanos por habitante en España presenta un fuerte
descenso generalizado desde el año 2003, convergiendo hacia valores similares a los de
generación en la Unión Europea.
Si comparamos el total de residuos sólidos urbanos recogidos en
una de las Comunidades Autónomas, con datos facilitados por el INE (Instituto
Nacional de Estadística), observamos que las comunidades autónomas que mas generan
son Andalucía, Cataluña, Comunidad de Madrid y Comunidad Valenciana en ese orden,
produciendo respectivamente: 4.974.948Tn, 3.998.833Tn, 2.705.211Tn y 2.304.815Tn.
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último año del que se conocen datos de la fuente estadística
europea Eurostat, la generación de residuos urbanos en España fue de 24.380.000Tn, es
ue significó un descenso del 2.19% respecto al año anterior.
En cuanto a la evolución del PIB frente a la generación de residuos per cápita, se
el 129,7% en el periodo 1995-2010, frente al
os residuos. Esto indica que aunque se aumentaron las cantidades de residuos
generados per cápita, existe un desacoplamiento relativo entre el crecimiento económico
expresado en términos de PIB, y la generación de residuos.
En la siguiente gráfica podemos observar una comparación de la evolución en la
producción de residuos de España y de la Unión Europea.
. Generación de Residuos Urbanos ESPAÑA vs UE
A partir de la información recogida en el grafico, observamos que la tendencia
eneración de residuos urbanos por habitante en España presenta un fuerte
descenso generalizado desde el año 2003, convergiendo hacia valores similares a los de
generación en la Unión Europea.
Si comparamos el total de residuos sólidos urbanos recogidos en
una de las Comunidades Autónomas, con datos facilitados por el INE (Instituto
Nacional de Estadística), observamos que las comunidades autónomas que mas generan
son Andalucía, Cataluña, Comunidad de Madrid y Comunidad Valenciana en ese orden,
produciendo respectivamente: 4.974.948Tn, 3.998.833Tn, 2.705.211Tn y 2.304.815Tn.
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de la fuente estadística
fue de 24.380.000Tn, es
% respecto al año anterior.
En cuanto a la evolución del PIB frente a la generación de residuos per cápita, se
, frente al 4,9% en que lo
os residuos. Esto indica que aunque se aumentaron las cantidades de residuos
generados per cápita, existe un desacoplamiento relativo entre el crecimiento económico
observar una comparación de la evolución en la
Urbanos ESPAÑA vs UE. Eurostat
A partir de la información recogida en el grafico, observamos que la tendencia
eneración de residuos urbanos por habitante en España presenta un fuerte
descenso generalizado desde el año 2003, convergiendo hacia valores similares a los de
Si comparamos el total de residuos sólidos urbanos recogidos en todas y cada
una de las Comunidades Autónomas, con datos facilitados por el INE (Instituto
Nacional de Estadística), observamos que las comunidades autónomas que mas generan
son Andalucía, Cataluña, Comunidad de Madrid y Comunidad Valenciana en ese orden,
produciendo respectivamente: 4.974.948Tn, 3.998.833Tn, 2.705.211Tn y 2.304.815Tn.
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Grafico 3. Total de RU Recogidos por CCAA
Gráfico 4. Residuos Recogidos per cápita Andalucía vs. España. IE
Si observamos la comparativa de los resultados d
recogidos tanto en España como en Andalucía podemos ver como la evolución per
cápita ha sido bastante homogénea y han ido sufriendo las mismas variaciones.
Dicha homogeneidad se rompe el último año (2010), en el que Andalucía ha
incrementado respecto al año anterior la reco
un valor de 563,8�� ℎ��⁄ , mientras que en España se ha producido una
la recogida de 6,4% quedándose en un total de 474,
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Grafico 3. Total de RU Recogidos por CCAA (2010). IE
Gráfico 4. Residuos Recogidos per cápita Andalucía vs. España. IE
Si observamos la comparativa de los resultados de la totalidad de residuos
recogidos tanto en España como en Andalucía podemos ver como la evolución per
cápita ha sido bastante homogénea y han ido sufriendo las mismas variaciones.
Dicha homogeneidad se rompe el último año (2010), en el que Andalucía ha
incrementado respecto al año anterior la recogida de residuos en un 9,9% alcanzándose
, mientras que en España se ha producido una
% quedándose en un total de 474,4�� ℎ��⁄ .
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. IE
Gráfico 4. Residuos Recogidos per cápita Andalucía vs. España. IE
e la totalidad de residuos
recogidos tanto en España como en Andalucía podemos ver como la evolución per
cápita ha sido bastante homogénea y han ido sufriendo las mismas variaciones.
Dicha homogeneidad se rompe el último año (2010), en el que Andalucía ha
9% alcanzándose
, mientras que en España se ha producido una disminución en
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Como recoge la Ley 22/2011
de las Entidades locales y está orientada por las Comunidades Autónomas, y ya que uno
de los retos europeos en cuanto a la gestión de residuos es la de reducir, reciclar y
reutilizar, vemos en los siguientes gráficos cuales han sido los porcentajes de los
residuos recogidos selectivamente y cuales mezclados, tanto a nivel Nacional como en
la Comunidad Autónoma de Andalucía en el año 2010.
Gráfico 5. RU Andalucía. IE
A nivel Nacional, se recogen más resi
frente al 12,18% que se recoge a nivel de Andalucía.
A continuación, se desglosan en porcentajes las fracciones de residuos que son
recogidos de forma selectiva:
Gráfico 7. Residuos Recogidos Selectivamente España (2010). IE
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Ley 22/2011, la gestión de los residuos urbanos es competencia
de las Entidades locales y está orientada por las Comunidades Autónomas, y ya que uno
de los retos europeos en cuanto a la gestión de residuos es la de reducir, reciclar y
los siguientes gráficos cuales han sido los porcentajes de los
residuos recogidos selectivamente y cuales mezclados, tanto a nivel Nacional como en
la Comunidad Autónoma de Andalucía en el año 2010.
. RU Andalucía. IE Gráfico 6. RU Españ
A nivel Nacional, se recogen más residuos de manera selectiva, un 20,45%
18% que se recoge a nivel de Andalucía.
A continuación, se desglosan en porcentajes las fracciones de residuos que son
lectiva:
. Residuos Recogidos Selectivamente España (2010). IE
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, la gestión de los residuos urbanos es competencia
de las Entidades locales y está orientada por las Comunidades Autónomas, y ya que uno
de los retos europeos en cuanto a la gestión de residuos es la de reducir, reciclar y
los siguientes gráficos cuales han sido los porcentajes de los
residuos recogidos selectivamente y cuales mezclados, tanto a nivel Nacional como en
Gráfico 6. RU España. IE
duos de manera selectiva, un 20,45%
A continuación, se desglosan en porcentajes las fracciones de residuos que son
. Residuos Recogidos Selectivamente España (2010). IE
Escuela Técnica Superior de Ingenieros
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Gráfico 8. Residuos Recogidos Selectivamente Andalucía (2010). IE
Las fracciones más importantes (%) que se recogen de manera selectiva, tanto a
nivel Nacional como en Andalucí
vegetales, envases mixtos y vidrios. En definitiva, son aquellas fracciones que a lo largo
de la historia, se han visto sometidas a campañas publicitarias para potenciar la
concienciación social y favorecer
La generación de residuos de un país o población no es constante a lo largo de su
extensión territorial ni tampoco a lo largo de todo el año, sino que está sujeta a cierta
variación depende de numerosos factores como por ejemplo:
$ivel socioeconómico
económico que ostente la sociedad que se estudie, influye notablemente en
la cantidad de residuos generados por habitante.
Tamaño de la población
una ciudad es directamente proporcional al número de habitantes que en ella
residan. Las grandes ciudades generaran una mayor cantidad de residuos
que las pequeñas poblaciones, debido a que en ellas se concentraran un
mayor número de actividades comerciales, industria
inevitablemente generaran un mayor volumen de residuos; y del mismo
modo, los hábitos de consumo de dichas ciudades serán diferentes a los de
las pequeñas poblaciones.
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. Residuos Recogidos Selectivamente Andalucía (2010). IE
Las fracciones más importantes (%) que se recogen de manera selectiva, tanto a
nivel Nacional como en Andalucía, son las de papel y cartón, residuos animales y
vegetales, envases mixtos y vidrios. En definitiva, son aquellas fracciones que a lo largo
de la historia, se han visto sometidas a campañas publicitarias para potenciar la
concienciación social y favorecer así su reciclaje.
La generación de residuos de un país o población no es constante a lo largo de su
extensión territorial ni tampoco a lo largo de todo el año, sino que está sujeta a cierta
variación depende de numerosos factores como por ejemplo:
socioeconómico: el nivel social y sobre todo el nivel
económico que ostente la sociedad que se estudie, influye notablemente en
la cantidad de residuos generados por habitante.
Tamaño de la población: la cantidad de residuos que se generan en
s directamente proporcional al número de habitantes que en ella
residan. Las grandes ciudades generaran una mayor cantidad de residuos
que las pequeñas poblaciones, debido a que en ellas se concentraran un
mayor número de actividades comerciales, industriales y de servicio que
inevitablemente generaran un mayor volumen de residuos; y del mismo
modo, los hábitos de consumo de dichas ciudades serán diferentes a los de
las pequeñas poblaciones.
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. Residuos Recogidos Selectivamente Andalucía (2010). IE
Las fracciones más importantes (%) que se recogen de manera selectiva, tanto a
a, son las de papel y cartón, residuos animales y
vegetales, envases mixtos y vidrios. En definitiva, son aquellas fracciones que a lo largo
de la historia, se han visto sometidas a campañas publicitarias para potenciar la
La generación de residuos de un país o población no es constante a lo largo de su
extensión territorial ni tampoco a lo largo de todo el año, sino que está sujeta a cierta
: el nivel social y sobre todo el nivel
económico que ostente la sociedad que se estudie, influye notablemente en
la cantidad de residuos que se generan en
s directamente proporcional al número de habitantes que en ella
residan. Las grandes ciudades generaran una mayor cantidad de residuos
que las pequeñas poblaciones, debido a que en ellas se concentraran un
les y de servicio que
inevitablemente generaran un mayor volumen de residuos; y del mismo
modo, los hábitos de consumo de dichas ciudades serán diferentes a los de
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Universidad de Sevilla
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Estacionalidad: La estacionalidad se refiere a la época del año en
que nos encontremos. Este factor, influye sobre dos tipos de población. La
primera los núcleos costeros o turísticos, que se caracterizan por recibir
grandes picos de población durante los meses estivales. Las variaciones de
población oscilan entre el 20% y el 300%, aunque podemos aproximar una
media del 50% durante el periodo estival. El segundo tipo de población que
sufre esta estacionalidad, son las grandes ciudades, que ven reducida su
población entre un 5 % y un 10% en la época vacacional.
2.4 COMPOSICIÓ DE LOS RU Y PROPIEDADES
2.4.1. COMPOSICIÓ DE LOS RU
La composición de los residuos urbanos es otra de las características que se
deben tener en cuenta a la hora de determinar su tratamiento de valorización y posterior
eliminación. En España, según el Plan Nacional Integrado de Residuos (2007-2015), los
residuos urbanos que se generan tienen la siguiente composición media:
COMPONENTE COMPOSICIÓN MEDIA (%) Materia orgánica 44 Papel-cartón 21 Plástico 10,6 Vidrio 7 Metales férricos 3.4 Metales no férricos 0,7 Maderas 1 Otros 12,3 TOTAL 100
Tabla 1. Composición media residuos urbanos en España. PIR (2007-2015)
Dicha composición puede verse influida por multitud de factores, al igual que
ocurría con la generación de residuos. En este caso podemos destacar las variaciones
producidas por:
Poder adquisitivo: Cuanto mayor es el nivel de ingresos de la
sociedad, menor se espera el porcentaje de materia orgánica, ya que
podemos esperar que se alimenten en bares y restaurantes, y al mismo
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tiempo aumenta considerablemen
respecto a poblaciones con bajos ingresos.
Desarrollo económico, social y cultural
residuos urbanos está íntimamente ligada al nivel económico, social y
cultural, ya que dependiendo de sus hábitos se obtendrán composiciones
diferentes.
Localización
zona que se esté est
composición de los residuos de las grandes ciudades
poblaciones. En las grandes ciudades se consumen productos más
elaborados, reduciendo la fracción orgánica y aumentando la de vidrio,
plástico y papel y cartón.
Estacionalidad
consumen un mayor número de frutas y verduras, aumentando de esta forma
la fracción orgánica de los residuos.
Como hemos visto, no todas las sociedades gener
proporciones, ni tampoco con la misma composición.
Gráfico 9. Composición media RU en Europa. (Fuente: Gestión de los RSU. Josep Mª
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tiempo aumenta considerablemente la presencia de envases y embalajes con
respecto a poblaciones con bajos ingresos.
Desarrollo económico, social y cultural: La composición de los
residuos urbanos está íntimamente ligada al nivel económico, social y
cultural, ya que dependiendo de sus hábitos se obtendrán composiciones
Localización: La producción de residuos varía dependiendo de la
zona que se esté estudiando, es decir, existen grandes diferencias entre la
composición de los residuos de las grandes ciudades
poblaciones. En las grandes ciudades se consumen productos más
elaborados, reduciendo la fracción orgánica y aumentando la de vidrio,
plástico y papel y cartón.
Estacionalidad: En los meses vacacionales de verano por ejemplo, se
consumen un mayor número de frutas y verduras, aumentando de esta forma
la fracción orgánica de los residuos.
Como hemos visto, no todas las sociedades generan los residuos en las mismas
proporciones, ni tampoco con la misma composición.
Gráfico 9. Composición media RU en Europa. (Fuente: Gestión de los RSU. Josep Mª
Casas Sabata.2005)
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ases y embalajes con
omposición de los
residuos urbanos está íntimamente ligada al nivel económico, social y
cultural, ya que dependiendo de sus hábitos se obtendrán composiciones
La producción de residuos varía dependiendo de la
udiando, es decir, existen grandes diferencias entre la
y las pequeñas
poblaciones. En las grandes ciudades se consumen productos más
elaborados, reduciendo la fracción orgánica y aumentando la de vidrio,
En los meses vacacionales de verano por ejemplo, se
consumen un mayor número de frutas y verduras, aumentando de esta forma
an los residuos en las mismas
Gráfico 9. Composición media RU en Europa. (Fuente: Gestión de los RSU. Josep Mª
Escuela Técnica Superior de Ingenieros
Juan Martín Gómez
Gráfico 10. Composición media RU en
Para poder llevar a cabo una buena planificación de la gestión de los residuos
urbanos, es aconsejable a parte de conocer las composiciones, saber hacia dónde se
encaminan las tendencias en los hábitos de consumo de la socie
podemos esperar que:
→ Por lo respecta a la fracción orgánica de los residuos urbanos, se prevé que
continúe disminuyendo, debido a que los hábitos alimenticios de la población
van cambiando y se tiende hacia un consumo de alimentos mucho m
preparados y manipulados.
→ La fracción de papel y cartón se viene incrementando de manera significativa en
las últimas décadas y se estima que siga aumentando cada vez más, debido al
distanciamiento entre los centros de producción y de consumo, lo cual o
embalaje de muchos productos que la sociedad de hoy día ya demanda.
→ Con la fracción de plásticos ocurre lo mismo que con la de papel y cartón, o
incluso mayor. Es decir, el uso de los materiales plásticos ha aumentado
enormemente en los últimos añ
nuevas aplicaciones, tanto a nivel domestico, como a nivel industrial. Por todo
ello, se espera que la fracción de plásticos en los residuos urbanos vaya
adquiriendo casa vez mayor peso. No obstante, la mayoría
termoplásticos son reciclables, por lo que con la ayuda y la puesta en marcha de
sistemas de recogida selectiva de los mismos, no supondrían graves
inconvenientes para el medio ambiente.
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Universidad de Sevilla
. Composición media RU en EEUU. (Fuente: Gestión de los RS
Mª Casas Sabata.2005)
Para poder llevar a cabo una buena planificación de la gestión de los residuos
urbanos, es aconsejable a parte de conocer las composiciones, saber hacia dónde se
encaminan las tendencias en los hábitos de consumo de la sociedad. De ese modo,
Por lo respecta a la fracción orgánica de los residuos urbanos, se prevé que
disminuyendo, debido a que los hábitos alimenticios de la población
van cambiando y se tiende hacia un consumo de alimentos mucho m
preparados y manipulados.
La fracción de papel y cartón se viene incrementando de manera significativa en
las últimas décadas y se estima que siga aumentando cada vez más, debido al
distanciamiento entre los centros de producción y de consumo, lo cual o
embalaje de muchos productos que la sociedad de hoy día ya demanda.
Con la fracción de plásticos ocurre lo mismo que con la de papel y cartón, o
incluso mayor. Es decir, el uso de los materiales plásticos ha aumentado
enormemente en los últimos años debido al desarrollo de nuevos productos y
nuevas aplicaciones, tanto a nivel domestico, como a nivel industrial. Por todo
ello, se espera que la fracción de plásticos en los residuos urbanos vaya
adquiriendo casa vez mayor peso. No obstante, la mayoría
termoplásticos son reciclables, por lo que con la ayuda y la puesta en marcha de
sistemas de recogida selectiva de los mismos, no supondrían graves
inconvenientes para el medio ambiente.
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. (Fuente: Gestión de los RSU. Josep
Para poder llevar a cabo una buena planificación de la gestión de los residuos
urbanos, es aconsejable a parte de conocer las composiciones, saber hacia dónde se
dad. De ese modo,
Por lo respecta a la fracción orgánica de los residuos urbanos, se prevé que
disminuyendo, debido a que los hábitos alimenticios de la población
van cambiando y se tiende hacia un consumo de alimentos mucho más
La fracción de papel y cartón se viene incrementando de manera significativa en
las últimas décadas y se estima que siga aumentando cada vez más, debido al
distanciamiento entre los centros de producción y de consumo, lo cual obliga al
embalaje de muchos productos que la sociedad de hoy día ya demanda.
Con la fracción de plásticos ocurre lo mismo que con la de papel y cartón, o
incluso mayor. Es decir, el uso de los materiales plásticos ha aumentado
os debido al desarrollo de nuevos productos y
nuevas aplicaciones, tanto a nivel domestico, como a nivel industrial. Por todo
ello, se espera que la fracción de plásticos en los residuos urbanos vaya
adquiriendo casa vez mayor peso. No obstante, la mayoría de estos
termoplásticos son reciclables, por lo que con la ayuda y la puesta en marcha de
sistemas de recogida selectiva de los mismos, no supondrían graves
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Juan Martín Gómez
2.4.2 PROPIEDADES DE LOS RU
Para poder llevar a cabo una buena gestión integral de los residuos urbanos sin
que ello no conlleve ningún tipo de riesgo ni para el medio ambiente ni para la salud
humana, aparte de conocer la composición, también es necesario conocer alguna de las
principales propiedades físicas, químicas así como biológicas de los residuos.
Propiedades Físicas
Las propiedades físicas de los residuos son necesarias, para poder prever y
organizar los sistemas pre-recogida, recogida y posterior gestión de estos de una manera
segura, sin necesidad de generar riesgos ambientales innecesarios. De entre las
propiedades físicas más importantes de los residuos podemos destacar: el peso
específico y la humedad.
Peso específico: Este es un valor fundamental ya que determina el
dimensionamiento y capacidad de los equipos de recogida y
almacenamiento de los residuos tanto en hogares como en vías públicas.
En España los residuos tienen un peso especifico medio que oscila
entre 150 y 250 �� ��⁄ . Este valor depende del % de la fracción de envases
mixtos y embalajes que se produzca respecto del total. Por lo general, los
residuos ocupan un gran volumen, y para optimizar su manejo y gestión se
somete a una reducción de volumen mediante compactación, y el
consecuente aumento de densidad. Los camiones recolectores suelen estar
dotados de sistemas de compactación mediante prensado, y pueden llegar a
alcanzar índices de compactación de 1:3 e incluso 1:4.
El peso específico de los residuos no es por tanto un valor constante,
ya que depende de las operaciones de manipulación a las que sean
sometidos, y dicho valor también está sujeto a variaciones importantes de
acuerdo a la composición concreta de los residuos en cada región o
localidad.
Humedad: La humada de los residuos son, a fin de cuenta la cantidad
o proporción de agua que contienen. El valor de humedad es muy
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importante, ya que se debe tener en cuenta en los procesos de compresión,
transporte y procesos de valorización.
Por norma general, el porcentaje de humedad presente en los
residuos urbanos ronda 40% en peso, aunque este valor puede oscilar entre
35-65% en peso. La fracción orgánica de los sólidos es la que mas humedad
aporta al conjunto, y la mínima los plásticos, aunque luego el valor de
humedad tiende a unificarse en su conjunto. En la siguiente tabla se dan
algunos valores típicos de humedad de las diferentes fracciones:
HUMEDAD RESIDUOS SÓLIDOS URBANOS
Componentes HUMEDAD %
Sin Mezclar Mezclados
Orgánicos 68 60
Papel y cartón 12 24
Plásticos 1 2
Madera 20 24
Textiles 12 19
Vidrio 2 3
Metales 2 2
Tabla 2. Valores típicos de Humedad % RSU
Estos valores son muy variables existan o no líquidos en el interior
de los recipientes, pudiendo dispararse estos valores en dicho caso.
Relacionado con la humedad, se define la capacidad de campo, que
es la cantidad total de humedad que puede ser retenida por una muestra de
residuos sometida a la acción de la gravedad. Este parámetro es de gran
importancia para determinar la formacion de lixiviados en los vertederos, ya
que el exceso de agua/huemdad sobre el valor de la capacidad de campo se
emmitirá en forma de lixiviado.
Propiedades Químicas
De la misma forma, las propiedades químicas de los residuos nos darán una
información muy valiosa, que muchas veces nos condicionará el posible proceso de
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valorización o el proceso más adecuado de eliminación para poder garantizar la
inexistencia de riesgos.
Poder calorífico: el poder calorífico se define como la cantidad de
energía que la unidad de masa de materia puede desprender al producirse
una reacción química de oxidación.
El poder calorífico de los residuos urbanos es un valor que nos
ayudará con el diseño las instalaciones de valorización energética, es decir,
nos indica la cantidad de energía que seremos capaces de recuperar de ellos.
A continuación vemos una tabla donde se recogen los valores de poder
calorífico de las principales fracciones:
CONTENIDO ENERGÉTICO DE LOS RSU
Componentes Poder Calorífico �� �� ��⁄ )
Rango Valor Típico Fracción orgánica 600-800 700
Madera 4.000-5.000 4.500 Papel y cartón 2.400-4.000 2.500
Plásticos 6.200-7.200 6.600 Textiles 3.000-4.000 3.400
Tabla 3. Contenido energético de los RSU
De manera general, podemos decir que en su totalidad, los residuos
urbanos en nuestro país oscilan entre 1.500 y 2.500 � �� ��⁄ .
El poder calorífico de los residuos se puede conocer de dos maneras
posibles: o mediante ensayos experimentales empleando una bomba
calorimétrica; o bien de manera teórica aplicando fórmulas empíricas como
son las de Dulong, Chang o Boie, a partir del análisis por componentes.
Composición química o elemental: este valor, nos dará información
acerca de los elementos constituyentes de cada fracción de las que se
componen los residuos urbanos. A continuación se muestra una tabla con las
composiciones típicas de cada fracción después de un análisis elemental de
los residuos:
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Componentes C% H% O% N% S% Inertes% Papel 44.00 6.15 41.65 0.42 0.12 7.65 Cartón 45.52 6.08 44.52 0.16 0.14 3.76
Orgánicos 49.06 6.62 37.55 1.68 0.20 1.06 Cuero 42.01 5.32 22.83 5.98 1.00 31.15 Goma 53.22 7.09 7.76 0.50 1.34 29.74 Plástico 78.00 9.00 13.00 - - - Madera 49.00 6.00 42.00 - - 2.28 Textil 46.19 6.41 41.85 2.18 0.20 3.17 Vidrio - - - - - 100.00
Envases Metálicos 4.54 0.63 4.28 0.05 0.01 90.94
Tabla 4. Análisis elemental de los RSU
De igual forma que pasaba con el poder calorífico, la composición
elemental de los residuos nos ayudara a determinar sus características de
recuperación energética y en definitiva el potencial de los residuos urbanos.
Por otra parte, es importante tener conocimiento de la composición
elemental de los residuos, para saber si existen o no sustancias tóxicas y
peligrosas y en que concentración, y de ese modo poder evaluar el riesgo
que supone para el medio ambiente y la salud humana su transporte,
tratamiento y eliminación. Elementos como el arsénico, cadmio, mercurio,
antimonio, disolventes clorados, o elementos de carácter inflamable,
corrosivo, cancerígeno, mutagénico o teratogénicos, suelen estar presentes
en los residuos urbanos aunque no en excesivas concentraciones.
Relación C/$: Relacionado con el análisis elemental, es importante
destacar para todos aquellos procesos de valoración en que se van
involucradas transformaciones biológicas, la relación Carbono/Nitrógeno de
los residuos.
Prácticamente la totalidad del nitrógeno orgánico se presenta en los
residuos orgánicos es biodegradable, y por tanto disponible. Con el carbono
orgánico ocurre lo contrario ya que una gran parte se engloba en
compuestos no biodegradables que impiden su disponibilidad.
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23
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Propiedades Biológicas
Como ocurre con las propiedades físicas y químicas, las propiedades biológicas
de los residuos nos dan una información que en muchos casos puede llegar a ser muy
relevante. Entre dichas propiedades destacan la demanda química de oxígeno (DQO) y
la demanda biológica de oxígeno (DBO), pero la propiedad biológica de los residuos
por excelencia y la más importante es la biodegradabilidad.
DQO: La demanda química de oxígeno, se define como la cantidad
de oxígeno requerido para la oxidación en su totalidad de la materia
orgánica presente.
DBO: La demanda biológica de oxígeno por su parte, es la cantidad
de oxigeno necesario por lo microorganismos para degradar la materia
orgánica presente. La materia orgánica, puede ser biodegradable o no. En el
caso de la DBO, el oxígeno que se consume es para degradar únicamente la
materia orgánica biodegradable. Por el contrario, cuando hablamos de DQO,
estamos teniendo en cuenta para degradar la totalidad de la materia orgánica
(biodegradable y no biodegradable), con lo que los valores de DQO serán
siempre mayores a los de DBO.
Biodegradabilidad: La biodegradabilidad de las fracciones orgánicas
de los residuos urbanos, se basa en su transformación, en presencia de
microorganismos, en otras sustancias ya sean orgánicas o inorgánicas,
asimilables por el medio.
El grado de biodegradabilidad nos lo da la relación DBO/DQO, es
decir, la proporción de material biodegradable sobre materia orgánica total.
Cuanto menor sea dicho valor, más difícilmente biodegradable será la
materia orgánica, mientras que si dicha relación se acerca o iguala a la
unidad, significará que la gran mayoría o la totalidad de la materia orgánica
es biodegradable y aprovechable energéticamente por los microorganismos.
Las fracciones más biodegradables dentro de los residuos urbanos,
son los restos de comida y de jardinería, a los que siguen el papel y el
cartón, con una degradación más lenta.
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24
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Distintos microorganismos producen transformaciones diferentes,
con una dinámica de tiempo, olores y otros parámetros muy variados. Las
transformaciones biológicas precisan de unas determinadas condiciones y
materia orgánica con los suficientes nutrientes para que se desarrollen las
bacterias y microorganismos.
2.5 GESTIÓ DE LOS RU
2.5.1 ITRODUCCIÓ
Los residuos constituyen uno de los problemas ambientales más graves de las
sociedades modernas. Es por ello que la inexistencia o la mala gestión de los residuos es
fuente de importantes impactos, y puede dar lugar a la contaminación del aire, del agua
y del suelo, así como afectar a los ecosistemas e incluso a la salud humana. Sin
embargo, cuando los residuos se gestionan adecuadamente de forma sostenible, se
convierten en recursos que contribuyen al ahorro de materias primas y de energía,
ayudando de este modo a la conservación de los recursos naturales y del clima.
Hace no mucho, el termino gestión de residuos se refería únicamente al depósito
en tierra o al vertido a los cursos de agua, realizados con escaso o nulo control. Según se
refleja dentro del Artículo 3 de la Ley 22/2011 de residuos y suelos contaminados, la
gestión de residuos se define como:
“la recogida, el transporte y el tratamiento de los residuos,
incluida la vigilancia de estas operaciones, así como el mantenimiento
posterior al cierre de los vertederos, incluidas las actuaciones realizadas en
la calidad del negociante o agente”.
En España, la Ley 22/2011 adjudica a los Ayuntamientos las competencias y la
responsabilidad en la gestión de los residuos sólidos urbanos, desde que se produce el
abandono por parte de los productores (recogida y transporte) hasta su gestión y
eliminación. Esto implica un conjunto de operaciones encaminadas a dar a los residuos
producidos en la zona de influencia, el destino más adecuado desde el punto de vista
ambiental y sanitario, teniendo en cuenta sus características, volumen, procedencia,
costes de tratamiento, posibilidades de recuperación y directrices administrativas
existentes.
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25
Juan Martín Gómez
Dentro del marco europeo y para una mejor gestión de los residuos, los países
comunitarios, han adoptado unos principios claves para una estrategia común. Dichos
principios son: Principio de reducción (se tomaran medidas en origen para limitar la
producción de residuos); Principio de responsabilidad, o el que contamina paga;
Principio de precaución, anticipándose a problemas potenciales; Principio de
proximidad, ya que los residuos deben tratarse lo más cerca posible de la fuente donde
se generan; y Principio de autosuficiencia, siendo cada comunidad capaz de gestionar
los residuos que genera.
Por todo ello, las administraciones europeas competentes, han desarrollado una
lista jerárquica de actuación, para conseguir el mejor resultado ambiental global en
materia de prevención y gestión de residuos:
1. Prevención / Reducción en origen
2. Preparación para la reutilización
3. Reciclado / Tratamiento
4. Valorización, incluida la valorización energética
5. Eliminación / Deposito
En este sentido se desarrolla en el ámbito europeo la conocida como estrategia
de las 3R´s: Reducción, Reutilización y Reciclaje.
La reducción es el primer procedimiento de prevención de la contaminación. No
producir residuos o reducir su producción es claramente una acción con sentido común
para resolver el problema.
La reutilización implica cualquier operación mediante la cual, los productos o
componentes de productos que no sean residuos, se vuelven a utilizar de nuevo con la
misma finalidad para la que fueron concebidos. La preparación para la reutilización,
consiste en una operación de valorización de comprobación, limpieza o reparación,
mediante la cual los productos o componentes de productos que se han convertido en
residuos, se preparan pata que puedan reutilizarse sin ninguna otra transformación
previa.
El reciclaje es toda aquella operación de valoración mediante la cual los
materiales de residuos son transformados de nuevo en productos. Esta es una muy
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26
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buena alternativa a la gestión de los residuos que puede incidir en los costes de
operación, eliminando los debidos a la deposición de los residuos, disminuyendo los
gastos de adquisición de materia prima y además, proporcionar algún ingreso por la
venta de materiales residuales.
2.5.2 PLAES DE GESTIÓ DE RESIDUOS Y COMPETECIAS
Los planes de gestión y planes de prevención de residuos, siguiendo las líneas
marcadas por la Directiva marco europea, se recogen como instrumentos de
planificación en materia de residuos.
El Ministerio competente en materia de Medio Ambiente, previa consulta a las
Comunidades Autónomas, a las Entidades Locales, a otros Ministerios afectados y
cuando proceda en colaboración con otros Estados miembros, elaborará, conforme se
recoge en la Ley 22/2011, el Plan estatal marco de gestión de residuos.
El Plan Nacional contendrá la estrategia general de la política de residuos, las
orientaciones y la estructura a la que deberán ajustarse los planes autonómicos, así como
los objetivos mínimos a cumplir en prevención, preparación para la reutilización,
reciclado, valoración y eliminación. La determinación de dichos objetivos será
coherente con la estrategia de reducción de gases de efecto invernadero y los
compromisos internacionales asumidos en materia de cambio climático.
Del mismo modo, se insta a las Comunidades Autónomas a elaborar Planes
Autonómicos de gestión de residuos, previa consulta con las Entidades Locales cuando
sea necesario. Dichos Planes Autonómicos de gestión contendrán un análisis
actualizado de la situación de la gestión de los residuos en ámbito territorial de la
Comunidad Autonómica, así como una exposición de las medidas para facilitar la
reutilización, el reciclado, la valorización y la eliminación de los residuos.
También se les da la posibilidad a las Entidades Locales, dentro del marco de sus
competencias, a elaborar programas de gestión de residuos de conformidad y en
coordinación con el Plan Nacional marco y con los Planes Autonómicos de gestión de
residuos. Todos estos Planes y programas de gestión de residuos, se evalúan y se
revisan, al menos, cada seis años.
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Juan Martín Gómez
En España, a nivel estatal, actualmente se encuentra en vigencia el Plan
Nacional Integrado de Residuos (PNIR) 2007-2015, por el cual se marcan ciertas líneas
maestras a seguir en cuanto a la gestión integral de los residuos en nuestro país, como
son:
→ Detener el crecimiento en la generación de residuos.
→ Eliminar por completo el vertido ilegal.
→ Reducir el vertido y fomentar la prevención, la reutilización, el reciclado y así
mismo otros mecanismos de valorización de aquellas fracciones que no sean
susceptibles de ser recicladas.
→ Dotar al país de nuevas infraestructuras y mejorar las instalaciones ya
existentes.
→ Evitar cualquier tipo de contaminación en cualquier punto de la gestión de
residuos, evitando así que contribuyan con el cambio climático.
La finalidad última del Plan Nacional Integrado de Residuos (2007-2015), pasa
por promover una política adecuada en la gestión de los residuos, disminuyendo su
generación e impulsando un correcto tratamiento de los mismos. También se pretende
que las Administraciones del Estado, los consumidores y los usuarios se involucren de
manera que cada una de las partes asuma su respectiva cuota de responsabilidad para un
mayor beneficio y concienciación del total de la sociedad en cuanto a gestión de
residuos se refiere.
Alternativamente, y en el ámbito de Comunidad Autónoma, en Andalucía está
desarrollándose a día de hoy el Plan Director Territorial de Gestión de Residuos no
Peligrosos de Andalucía 2010-2019.
Este documento propone la estrategia que Andalucía debe seguir en materia de
gestión de residuos no peligrosos, adaptándola a las tendencias más actualizadas con la
prevención de su producción y dirigiéndola hacia una gestión más sostenible y con los
máximos niveles de protección ambiental.
En este sentido, el Plan constituye el marco en el que se establecen las bases que
deberán regir la política de gestión en materia de residuos no peligrosos en Andalucía a
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Juan Martín Gómez
la que se ha de orientar hasta el año 2019, y además debe ser lo suficientemente flexible
como para que los Planes Municipales y Autonómicos sean coherentes con él.
2.5.3 TÉCICAS DE VALORIZACIÓ. EXISTETES Y TEDECIAS
Una vez los residuos han sido recogidos, el siguiente paso de su gestión es el
tratamiento de los mismos, que engloba todas las operaciones precisas para la
recuperación o la eliminación de dichos residuos. Dentro de esta etapa de tratamiento,
se encuentran los procesos de transformación ya sean mecánicos, biológicos o térmicos,
así como aquellos que se emplean para la eliminación o vertido final de los restos que
no han podido ser recuperados y de los rechazos de los procesos anteriores.
Tal y como se recoge en la Ley 22/2011, el término tratamiento se define como:
“las operaciones de valorización o eliminación, incluida la
preparación anterior a la valorización o eliminación”.
La razón del tratamiento de los residuos no es siempre la misma y, en cierta
medida, depende del tipo de residuos y de la naturaleza de los mismos. Algunos de los
tratamientos e instalaciones tienen varias finalidades. Alguna de las principales razones
por las que se lleva a cabo el tratamiento de residuos son:
→ Reducir la posible naturaleza peligrosa de los mismos.
→ Separar los residuos en sus componentes individuales para que puedan
asignarse, total o parcialmente, para su uso o tratamiento posterior.
→ Reducir la cantidad de residuos que deberían enviarse finalmente para su
eliminación.
→ Transformar los residuos en materiales útiles (Fin de la condición de residuo).
Otro término que también es importante y que también nos apunta en la legislación
es el de valorización, que se define como:
“cualquier operación cuyo resultado principal sea que el residuo
sirva para una finalidad útil al sustituir a otros materiales, que de otro modo
se habrían utilizado para cumplir una función particular, o que el residuo sea
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29
Juan Martín Gómez
preparado para cumplir esa función en la instalación o en la economía en
general”.
Podemos decir pues, que la valorización se engloba dentro de los posibles
tratamientos a los que pueden ser sometidos los residuos. La valorización permite la
recuperación de materias primas y la producción de energía. De igual forma, con ello se
busca una reducción progresiva de la cantidad de residuos destinada a vertederos para
su eliminación.
En la actualidad existen principalmente dos vías de tratamiento para poder
valorizar los residuos: los procesos biológicos y los procesos térmicos.
2.5.3.1 PROCESOS BIOLÓGICOS
Los procesos biológicos reciben este nombre porque la base del proceso es la
actividad llevada a cabo por parte de microorganismos. Para que un organismo pueda
vivir y reproducirse, es necesario que disponga de una fuente de alimentación,
principalmente carbono, para la síntesis de nuevo tejido celular y acceso a nutrientes
inorgánicos como son el nitrógeno, fosforo, potasio, calcio y magnesio. Es por esta
razón por la que se utilizan microorganismos para tratar los residuos, porque los
aprovechan como fuente de alimentación y energía.
De entre las formas más comunes de tratar biológicamente los residuos,
podemos destacar la digestión aerobia, o compostaje, y la digestión anaerobia, o
biometanización.
Compostaje: también conocido como “composting”, es el proceso
biológico aerobio, mediante el cual los microorganismos actúan sobre la
materia biodegradable de los residuos, obteniéndose como producto final un
material de humus, comúnmente conocido como compost.
El compost es un nutriente para el suelo que mejora la estructura y
ayuda a reducir la erosión, y al mismo tiempo también ayuda a la absorción
de agua y nutrientes por parte de las plantas. De esta manera se cierra el
ciclo de los nutrientes, devolviéndolos a la tierra.
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30
Juan Martín Gómez
Como principales desventajas de esta técnica, podemos mencionar el
gasto energético para la aportación de oxígeno, también reduce menos el
volumen de la materia orgánica y requiere de grandes superficies.
Biometanización: la digestión anaerobia es un proceso biológico por el
que la materia orgánica, en ausencia de oxigeno y mediante la acción de un
grupo de bacterias orgánicas especificas, se descompone en biogás y
digesto.
CARACTERÍSTICAS PROCESO AEROBIO PROCESO ANAEROBIO
USO ENERGÉTICO Consumidor neto Productor neto
PRODUCTOS FINALES Humus, �!",�"! Fangos, �!",��� REDUCCIÓN DE VOLUMEN Hasta del 50% Hasta del 50%
TEMPOS DE PROCESADO Desde 20 a 30 días Desde 20 a 40 días
OBJETIVO PRIMARIO Reducción de Volumen Producción de Energía
OBJETIVO SECUNDARIO Producción de Compost Reducción de Volumen y Estabilización de Residuos
Tabla 5. Diferencias entre procesos Aerobios y Anaerobios. Biometanización en Plantas
Industriales Avanzadas
2.5.3.2 PROCESOS TÉRMICOS
Los tratamientos térmicos se basan en la utilización de altas temperaturas para
eliminar los residuos o en defecto, transformarlos en otro tipo de sustancias no
peligrosas, con la correspondiente emisión de energía en forma de calor y su posterior
transformación en energía eléctrica para su aprovechamiento.
Los sistemas de procesamiento térmico pueden clasificarse en tres grupos:
pirolisis, gasificación e incineración (o combustión).
Incineración (o combustión): este es un proceso de combustión total
y controlada de un residuo combustible en presencia de un exceso de
oxígeno (comburente) y alcanzando temperaturas superiores a los 850ºC.
Es una alternativa que ha ido adquiriendo importancia en numerosos
países a la hora de gestionar y tratar los residuos. Además, permite la
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31
Juan Martín Gómez
reconversión en materia inerte y el aprovechamiento de la energía generada,
y permite reducir el volumen de sólidos entre un 80 y un 90%.
Pirolisis: es la ruptura térmica de las moléculas orgánicas por la
acción del calor en ausencia de oxígeno u otros reactivos en una atmósfera
inerte. Los productos que se obtienen al final, son fruto de la
descomposición por la acción del calor, y son compuestos orgánicos
reutilizables, tales como alcoholes, aldehídos, cetonas, y ácidos orgánicos
entre otros.
Gasificación: es un proceso de oxidación parcial de la materia, en
presencia de cantidades de oxigeno inferiores a las requeridas
estequiométricamente. Como productos fundamentales se obtiene un gas de
síntesis, de bajo poder calorífico y una lava fundida que al enfriarse se
convierte en un material vítreo e inerte.
Dicho gas de síntesis es posteriormente utilizado para su
aprovechamiento en turbinas de gas, ciclos combinados y motores de
combustión interna alternativos.
CARACTERÍSTICAS PIROLISIS GASIFICACIÓN INCINERACIÓN
Tª REACCIÓN (ºC) 250-700 800-1600 850-1400
PRESIÓN (bar) 1 1-45 1
ATMÓSFERA Inerte (�") Agente Gasificación
Aire
RELACIÓN ESTEQUIOMÉTRICA
0 <1 >1
GASES �",�",�!,
Hidrocarburos �",�",�!, ��� �!",�", �"!, !"
LÍQUIDOS Sí No No
SÓLIDOS Cenizas, Coque Escorias Cenizas, Escorias
Tabla 6. Diferencias entre procesos Térmicos. Gestión y Tratamiento de Residuos. Dpto.
de Ing. Química y Ambiental
Teniendo en cuenta las diferentes modalidades de tratamiento, cabe destacar que
las más extendidas en la sociedad son: la incineración como tratamiento térmico de
residuos; y el compostaje como tratamiento biológico de los mismos.
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Observando el gráfico que a continuación se muestra, en el que se recoge la
cantidad de residuos (Kg per cápita) que se destinó en la Unión Europea y en España a
incineración, vemos como la tendencia de este tratamiento no ha parado de aumentar
desde el año 1995. Así, en el periodo de 1995
en Europa este tratamiento ha sufrido un aumento del 66,
dicho aumento ha sido mayor si cabe, siendo del 104,
Gráfico 11. Residuos destinados a Incineración. Eurostat
Del mismo modo, si comparamos la evolución del compostaje y
vemos como en Europa ha aumentado un 63,
España, el aumento se ha situado en 146,
Gráfico 12. Residuos destinados a
De todo ello, podemos decir que las técnicas de tra
residuos están aún en expansión, tanto los procesos térmicos como los biológicos. Pero
si nos fijamos en España en particular, vemos como aun aumentando el volumen de
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Observando el gráfico que a continuación se muestra, en el que se recoge la
de residuos (Kg per cápita) que se destinó en la Unión Europea y en España a
incineración, vemos como la tendencia de este tratamiento no ha parado de aumentar
desde el año 1995. Así, en el periodo de 1995-2010 (último año del que se tienen datos),
to ha sufrido un aumento del 66,15%, mientras que en España,
o mayor si cabe, siendo del 104,16%.
. Residuos destinados a Incineración. Eurostat
Del mismo modo, si comparamos la evolución del compostaje y
mo en Europa ha aumentado un 63,63% desde el año 1999, mientras que en
el aumento se ha situado en 146,15%.
Residuos destinados a Compostaje y Digestión. Eurostat
De todo ello, podemos decir que las técnicas de tratamiento y valorización de
residuos están aún en expansión, tanto los procesos térmicos como los biológicos. Pero
si nos fijamos en España en particular, vemos como aun aumentando el volumen de
Universidad de Sevilla
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Observando el gráfico que a continuación se muestra, en el que se recoge la
de residuos (Kg per cápita) que se destinó en la Unión Europea y en España a
incineración, vemos como la tendencia de este tratamiento no ha parado de aumentar
2010 (último año del que se tienen datos),
15%, mientras que en España,
. Residuos destinados a Incineración. Eurostat
Del mismo modo, si comparamos la evolución del compostaje y digestión,
63% desde el año 1999, mientras que en
. Eurostat
tamiento y valorización de
residuos están aún en expansión, tanto los procesos térmicos como los biológicos. Pero
si nos fijamos en España en particular, vemos como aun aumentando el volumen de
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residuos para ambos tipos de tratamientos, los tratamientos biológicos de compostaje y
digestión, aumentan de manera más significativa que los térmicos (un 42% más).
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3. BIOMETAIZACIÓ COMO PROCESO DE VALORIZACIÓ
DE LOS RESIDUOS URBAOS (RU)
3.1 ITRODUCCIÓ
El proceso de biometanización se engloba dentro de las técnicas de valorización
de residuos basados en procesos biológicos. Esta técnica de valorización es una de las
que más se vienen desarrollando e implantando en los últimos años en Europa, y que
tendrá una mayor expansión en los años venideros en cuanto al tratamiento de los
residuos, ya que es una de las más idóneas para el aprovechamiento energético de los
residuos orgánicos, puesto que no es consumidor sino productor de energía, y al mismo
tiempo, se trata de una forma de generar energía limpia, ya que contribuye a la
disminución de la producción de gases de efecto invernadero.
La biometanización, o digestión anaerobia, es un proceso en el que la materia
orgánica, gracias a la acción de un grupo especifico de bacterias y en ausencia de
oxígeno, se descompone en una mezcla de sustancias gaseosas, que es lo que se conoce
como biogás (50-70% ���; 30-40% �!"; ≤5% �", �"#, y otros gases), y un fango mezcla de productos minerales (N, K, P, Ca, etc.) y compuestos de difícil degradación,
más comúnmente llamado digesto.
Figura 1. Esquema básico del proceso de Biometanización
Este tipo de descomposición no es más que una fermentación realizada por
bacterias especificas, que sucede espontáneamente en la naturaleza, y de la cual se
tienen las primeras noticias gracias a Volta (1776). Dicho proceso de digestión
anaerobia es el origen del gas de los pantanos, del gas natural de los yacimientos
subterráneos e incluso del gas que se produce en los estómagos de los rumiantes. Todos
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35
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estos casos de digestión anaerobia, son llevados a cabo de manera natural, y a diferencia
del caso que nos ocupa.
En las plantas industrializadas, lo que se hace es forzar dicho proceso
favoreciendo las condiciones para que se desarrolle de una manera controlada,
maximizando la eficiencia y en el menor tiempo posible. En estas plantas, el proceso de
formación del biogás se desarrolla en una secuencia de reacciones bioquímicas que se
encuadran en 4 etapas o fases: hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis.
Dichas reacciones se llevan a cabo dentro del equipo principal de la planta, los
digestores anaerobios.
El proceso de biometanización, no es solo exclusivo de las fracciones orgánicas
de los residuos urbanos, sino que se puede aplicarse a cualquier otro tipo de residuos
que contenga cierta fracción de material orgánico susceptible de ser separada e
introducida al proceso de degradación anaerobia.
Entre esos residuos destacan, los residuos orgánicos de la recogida selectiva en
origen, los biorresiduos (compuestos en su gran mayoría por material biodegradable),
así como residuos procedentes de las industrias agroalimentaria y ganadera como son:
purines, estiércol, excedentes de cosechas… Del mismo modo, también trata los fangos
o lodos procedentes de los tratamientos de aguas residuales, y en algunos casos incluso
las propias aguas residuales son tratadas mediante digestión anaerobia debida a su alta
carga orgánica, como las que se producen en muchas industrias alimentarias.
Esto es lo que se conoce como co-digestión anaerobia, es decir, el tratamiento
conjunto de dos o más tipos de residuos. De esta manera se permite aprovechar la
complementariedad de la composición de los diferentes residuos, es decir, solucionar
problemas o carencias en la composición de los residuos, para hacer el proceso más
eficiente. Además, unifica su gestión al compartir instalaciones de tratamiento,
reduciendo los costes de inversión y operación.
Las plantas de biometanización de residuos deben estar constituidas por una
serie de instalaciones básicas: línea pre-tratamiento, donde se seleccionan solo los
residuos orgánicos que se van a introducir al proceso de digestión anaerobia; línea de
acondicionamiento de la alimentación, donde se termina de perfilar las condiciones de
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entrada a los digestores; y tras los digestores, las diferentes líneas de tratamiento de los
diferentes efluentes que se generan: línea de depuración y afino del digesto, y línea de
depuración del biogás generado.
3.2 PRICIPALES ETAPAS PRESETES E EL PROCESO
3.2.1 ITRODUCCIÓ
Una planta industrializada de valorización de residuos mediante digestión
anaerobia o biometanización, no solo ha de producir biogás, sino que además debe
gestionar correctamente la totalidad de residuos que le llegan.
A este tipo de plantas, se alimentan los diferentes tipos de residuos que genere la
ciudad o la región en la que se sitúe, y su origen puede ser muy variado: los residuos
orgánicos que provengan de la recogida selectiva en origen, directamente de las
unidades de transferencia, los lodos procedentes de las depuradoras municipales…
Debido a la gran variedad de residuos que entran en la planta, ésta debe contar
con una primera línea de pretratamiento para seleccionar únicamente la fracción
orgánica de los residuos, evitando que entren luego al digestor posibles materiales que
interfieran o paralicen el proceso de obtención del biogás (plásticos, vidrios, metales,
etc.). El resto de materiales que contengan los residuos, se procesaran y clasificaran,
bien para su posterior reciclado y, si no es posible su reutilización, para su deposición
final en vertedero.
Es importante señalar a su vez, que en los digestores, la materia orgánica debe
introducirse en unas condiciones óptimas para que el proceso de biometanización se
lleve a cabo, es decir, a una cierta temperatura, con una distribución granulometría
adecuada, así como con el menor número de materiales indeseados posibles (vidrio,
piedras, etc.), que pueden interferir en el conjunto de reacciones bioquímicas.
3.2.2 TRATAMIETOS DE LA LÍEA DE ETRADA AL PROCESO
Como ya ha sido comentado, a una planta de biometanización, llega una gran
variedad de residuos, de los cuales sólo las fracciones orgánicas podrán ser introducidas
en el digestor para su aprovechamiento energético. En esta fase de pretratamiento de los
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residuos, lo que se hace es adecuar las condiciones iniciales de los residuos entrantes a
las condiciones requeridas por el proceso.
A continuación, se muestra un pequeño esquema de los diferentes tratamientos a
los que se somete a los residuos:
Figura 2. Diagrama general del tratamiento de residuos previos
Los residuos llegan a la planta mediante camiones que los transportan, los cuales
se encuentran en primer lugar con la báscula de pesaje. Es muy importante controlar la
ENTRADA RSU PESAJE Y REGISTRO
DE CAMIONES DESCARGA RSU EN FOSO GENERAL
TOLVAS DE ALIMENTACIÓN
ZONA TRIAJE MANUAL DE VOLUMINOSOS
ABREBOLSAS
TRÓMEL PRIMARIO
TRÓMEL SECUNDARIO SEPARADOR BALÍSTICO
TRIAJE MANUAL
ELECTROIMÁN
SEPARADOR DE FOUCAULT
1º SEPARADOR ÓPTICO
ELECTROIMÁN
SEPARADOR DE FOUCAULT
BIOMETANIZACIÓN
2º SEPARADOR ÓPTICO 3º SEPARADOR ÓPTICO
4º SEPARADOR ÓPTICO PET
PEAD
VIDRIO RECHAZO FINAL
MIX
MADERA
VIDRIO
PAPEL/CARTÓN
FÉRRICOS
NO FÉRRICOS
PLÁSTICOS
BRIKS
PAPEL/CARTÓN
ASPIRADOR NEUMÁTICO PLÁSTICO FILM
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llegada de los vehículos, la cantidad de residuos que entran con cada uno de ellos en la
planta y la procedencia de ellos. Una vez identificados, los camiones se dirigen hacia la
zona de descarga, que suele ser una nave cerrada y dotada de un sistema de aspiración
de aire (para evitar los malos olores), y que se compone principalmente de: un foso de
descarga, donde los camiones vierten los residuos y que tiene una capacidad para
albergar la producción de residuos de 2 o 3 días; una grúa puente dotada de un brazo o
pulpo de garras, que será el encargado de homogeneizar los residuos y alimentarlos al
proceso; y las tolvas de alimentación a la planta.
Figura 3. Foso de descarga con pulpo de garras y alimentación
Una vez han sido homogeneizados la totalidad de los residuos, con la ayuda del
pulpo de garras son introducidos a las tolvas, las cuales alimentan una serie de cintas
transportadoras que dirigen los residuos hacia una primera zona de triaje manual
primario, donde los operarios retiran todos aquellos residuos voluminosos que puedan
llegar a dañar alguno de los equipos o elementos de la línea de tratamiento, así como
materiales reciclables (cartón, vidrios…). Los elementos que son clasificados
manualmente se recogen en unas tolvas que descargan sobre unos contenedores
dispuestos debajo de la cabina de triaje, donde se almacenan para su posterior embalaje
y gestión.
Figura 4. Cabina de triaje manual
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Una vez eliminados los residuos voluminosos, el resto entra en un equipo
denominado abrebolsas, que rompe las bolsas cerradas, desgarrándolas mediante
cuchillas o pinchos, y permitiendo de esta forma que los residuos contenidos en ellas se
vacíen y queden libres. De esta manera se optimizan las operaciones posteriores de
selección y clasificación de los residuos.
Figura 5. Equipo “abrebolsas”
El siguiente equipo con el que se encuentran los residuos siguiendo la línea de
tratamiento son los tromels. Un tromel es una criba giratoria que clasifica o separa los
residuos en función de la granulometría de los mismos. Físicamente, el equipo es un
tambor perforado giratorio de forma cilíndrica de gran tamaño (de hasta 3.5 m de Ø),
dispuesto en una posición casi horizontal con un ligero desnivel de aproximadamente 5º
entre la entrada y la salida para favorecer el avance de los residuos en el interior.
A medida que los residuos se alimentan por el lado de la entrada, el movimiento
giratorio del tambor, unido a la pendiente descendente del mismo, provoca que los
residuos vayan avanzando hacia la salida mientras que son volteados. Aquellos residuos
cuya granulometría es inferior a las perforaciones del tambor, que oscilan entre 40-100
mm, se cuelan por estas perforaciones y salen fuera, mientras que los de mayor tamaño
permanecen en el interior hasta ser expulsados por la salida.
En las plantas de tratamiento de residuos, generalmente no existe un solo tromel
con un tamaño único de orificio. Para aumentar la eficiencia de la criba, lo que se hace
es diseñar un tromel con dos o más secciones de diferentes aberturas de orificios, o
montar varios tromels en serie los cuales poseen diferentes tamaños de orificios, donde
el rechazo de uno se convierte en la alimentación del siguiente.
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Figura 6. Tromel
De esta manera, los residuos que se cuelen por los orificios, que en su mayoría
es la materia orgánica que se busca para la obtención del biogás, serán recolectados
gracias a unas tolvas, y conformarán la corriente de finos o hundido, que serán enviados
mediante cintas transportadoras al siguiente equipo de tratamiento. Por su parte, los
residuos de mayor tamaño que no sean capaz de atravesar las aberturas de los tromels,
conformarán la fracción de gruesos o rechazo.
Una vez que la fracción de rechazo sale del último tromel, la fracción de
gruesos se dirige hacia un separador balístico. En este tipo de equipos, se producen tres
fracciones:
→ La fracción ligera o plana (FLP) (cartones, papeles, textiles, plástico…)
→ La fracción pesada o rodante (FPR) (botellas, latas, piedras, maderas…)
→ La fracción fina (vidrios, arenas, restos orgánicos…)
Los residuos a la entrada en el equipo, caen en una cinta vibrante inclinada
agitada por un doble movimiento alternativo en dirección horizontal y vertical. Estos
movimientos hacen que los residuos rodantes se desplacen cayendo hacia atrás
pendiente abajo, y que los materiales planos suban impulsados hacia la parte delantera y
elevada de la maquina. Al mismo tiempo, la fracción fina cae a través de los orificios
del tapiz, uniéndose a la fracción proveniente del hundido del tromel. Dichas aberturas
en el tapiz no deben superar la luz de malla mínima de los tromels, y suele oscilar entre
35-40 mm.
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Figura 7. Separador balístico
La fracción ligera o plana (FLP) a la salida del separador balístico se encuentra
con un dispositivo automático de aspiración de plástico film. Estos films, son
conducidos neumáticamente hasta un ciclón, donde se recogen y son prensados para su
posterior gestión. Posterior a este dispositivo, los residuos avanzan en la cinta
transportadora hacia una unidad de triaje manual secundario donde se clasificarán los
residuos para su reciclaje en: plásticos (PET y PEAD), cartón y briks; quedando una
corriente final de rechazo que será almacenada, compactada y enviada a vertedero.
La fracción pesada o rodante (FPR), es dirigida hacia un electroimán que
separará de la corriente aquellos materiales férricos aprovechando sus propiedades
magnéticas. Este equipo es una cinta magnética colgante u overband (como
comúnmente se le conoce). Se trata de una cinta transportadora en cuya parte central se
encuentra alojado un imán fijo. Estas cintas magnéticas se montan paralelamente por
encima de las cintas transportadoras que conducen el flujo de residuos a tratar, y se
suelen colocar de forma transversal al avance de los residuos.
Los residuos férricos, al pasar por debajo de la cinta magnética colgante, se
pegarán a esta, gracias al efecto del imán alojado en su interior, eliminándose de la línea
principal de residuos. Los residuos férricos recuperados por el imán, caen a un
contenedor cuando llegan a uno de los extremos de la cinta magnética colgante, en el
que ya no actúa la fuerza de atracción, quedando almacenados y listos para su gestión de
manera adecuada para su posterior reutilización.
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Figura 8. Electroimán
Tras el electroimán, el resto de residuos son dirigidos hacia un separador
de Foucault, donde se separan los residuos que contengan materiales metálicos no
férricos (como el aluminio, latón o cobre entre otros) de la corriente de residuos.
La separación se produce gracias a la acción de un campo magnético que genera
un rotor que gira a alta velocidad en el interior de un tambor. Ello da lugar a que sobre
la cinta transportadora que conduce el flujo de residuos, los metales no férricos, tengan
tendencia a flotar ligeramente sobre la superficie de la cinta, para salir despedidos de
esta misma cinta al llegar al extremo final.
Figura 9. Separador de Foucault
Una vez se ha eliminado de la línea de tratamiento los residuos férreos y no
férreos, la línea de residuos llega a un conjunto de separadores ópticos, que terminaran
de clasificar/recuperar los residuos.
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Un separador óptico basa su funcionamiento en las diferencias de las
propiedades ópticas de los diferentes materiales: reflexión de la luz, opacidad,
fluorescencia excitada por rayos X o ultravioletas...
Los residuos son analizados desde diferentes ángulos por toda su superficie por
medio de un sofisticado sistema emisores y posteriormente, un procesador se encarga de
analizar la información recogida, y la compara con los parámetros preestablecidos por el
usuario de la máquina, son identificados y mediante una señal de rechazo, son separadas
de la corriente de residuos por medio de chorros o impulsos de aire comprimido de alta
precisión. Así, los residuos clasificados son derivados por una salida, y el resto se
expulsan por una salida diferente.
De esta manera, el primero de los separadores ópticos con los que se encuentra
la línea de residuos a tratar, es el que separa la totalidad de los plásticos presentes en la
línea, del tipo o clase que sean. La línea de rechazo, se conducirá hasta un segundo
separador óptico, cuya misión esta vez será la de separar la totalidad de los vidrios
presentes en la línea de residuos. Los vidrios clasificados serán almacenados para su
posterior gestión y reciclaje.
Los plásticos seleccionados por el primer separador óptico, son enviados a una
tolva que alimenta a otra cinta transportadora, que los conducirá hacia el tercer
separador óptico, que este ya hará la primera clasificación de plásticos, ya que
seleccionará de la línea exclusivamente los PET, que caerán a una tolva de
almacenamiento, para su embalaje y posterior gestión. La línea de rechazo entrará en el
cuarto y último separados óptico, que seleccionará los PEAD, que serán almacenados y
embalados para su posterior gestión, al igual que la línea saliente de este cuarto
separador óptico que estará formada por un MIX de plásticos.
Figura 10. Separador óptico
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La línea de restos de residuos, procedente de salida del segundo separador
óptico, serán considerados rechazo de la planta de tratamiento, que se almacenaran y
compactarán para reducir su volumen de manera previa a su vertido controlado.
A la línea de finos, que aglutinaba los que atravesaron los orificios en los
tromels y a la fracción fina del separador balístico, compuesta en su mayoría por
material orgánico, sufre un tratamiento similar al resto de residuos para eliminar
impurezas no orgánicas.
Lo primero es conducir la línea de finos hacia un electroimán de cinta magnética
colgante para eliminar los posibles residuos férricos y los materiales férricos separados,
serán enviados con los anteriormente eliminados para su gestión conjunta.
Una vez eliminados los residuos férricos, la línea de finos se dirige a un
separador de Foucault, eliminando de este modo los residuos metálicos no férricos.
Estos una vez seleccionados, se mandan a almacenar y se adjuntaran a la línea de
residuos no férricos separados en el otro separador de Foucault, para que de manera
conjunta se gestionen todos.
Al final del tratamiento, la línea de finos ya estará “limpia” o con el menor
número de impurezas posibles, y es entonces cuando se lleva a cabo su
acondicionamiento para que pueda ser introducida como alimentación de los digestores.
3.2.3 ACODICIOAMIETO DE LA ALIMETACIÓ
Llegados a este punto, ya están la totalidad de los residuos clasificados y
prensados para su reutilización en plantas destinadas a este fin, o para su disposición
final en vertedero controlado, salvo por la corriente de finos.
La primera actuación a la que se somete la corriente de finos, compuesta en su
mayoría por material orgánico, es a la reducción de su granulometría mediante
trituración, hasta que quede por debajo de los 30-35mm. Esto favorecerá la actuación de
los microorganismos en el interior de los digestores y con ello se conseguirá un mayor
rendimiento en la obtención del biogás.
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La línea de material orgánico procedente de la trituradora, se conduce hacia un
depósito de almacenamiento temporal, el cual tendrá capacidad para albergar el material
que se produzca durante 2 o 3 días de trabajo. Este depósito, alimentará a una cinta
trasportadora que llevará el material hacia los pulpers.
Los pulpers o tanques homogeneizadores, es donde se mezclan los residuos con
agua, quedando de esta manera ajustada la cantidad de sólidos totales para la
alimentación a los digestores, y, opcionalmente, también es donde se produce la
elevación de temperatura necesaria mediante aporte de calor para que el proceso de
digestión anaerobia tenga lugar.
La cantidad de agua que se introduce en el equipo será determinada según las
condiciones de operación (sólidos totales) de la planta. Parte de dicha agua procede
generalmente del depósito de agua de proceso, que es el agua resultante tras la
centrifugación del digesto una vez finalizada la biometanización y que vuelve a ser
reintroducida al proceso.
El aporte de calor a la mezcla se puede conseguir haciendo pasar previamente
por un intercambiador de calor el agua que se reintroduce al pulper proveniente del
tanque de agua de proceso; o bien, introduciendo vapor procedente de una caldera
auxiliar. Ambos mecanismos de elevación de la temperatura pueden también
combinarse, y hasta donde se aumente la temperatura, también será otro factor de
operación que dependerá del diseño de cada planta.
Figura 11. Pulper
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Un pulper es básicamente un recipiente de acero, especialmente diseñado para el
tratamiento de residuos orgánicos y equipados normalmente con agitadores helicoidales,
para favorecer la buena homogeneización de la mezcla. Los inertes que pueden
depositarse en el fondo de estos equipos son eliminados mediante una rasqueta de fondo
y una purga.
Una vez los residuos están bien homogeneizados, salen del pulper y pasan un
sedimentador. En él las piedras y material inertes presentes aun en la línea, decantan y
son eliminados mediante un sinfín en la parte inferior, mientras que el material flotante
(plásticos principalmente) es también eliminado mediante un sistema de palas en la
superficie. Todas estas impurezas restiradas y enviadas junto con el rechazo de la planta
para su reducción de volumen y traslado a vertedero para su vertido controlado.
Figura 12. Separación por decantación (inertes pesados) y flotabilidad (ligeros)
La suspensión o papilla orgánica ya depurada por completo, pasa a un deposito
pulmón donde se almacena, y cuya misión es la de asegurar la alimentación y el
rendimiento del digestor. Antes de ser introducida al digestor, si no se ha elevado la
temperatura en el pulper, la mezcla pasa por un intercambiador de calor, que en este tipo
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de plantas por lo general, es un intercambiador de carcasa y tubos, que terminará de
ajustar la temperatura de operación.
De esta manera la papilla de residuos bien homogeneizada, en ausencia de
impurezas que pudieran alterar las reacciones bioquímicas o pudieran dañar los equipos
y una vez que la mezcla a alcanzado la temperatura apropiada, se puede considerar que
los residuos ya están listos para ser introducidos en los digestores anaerobios para
comenzar el proceso de biometanización.
3.2.4 DIGESTORES AAEROBIOS
El digestor anaerobio es el equipo principal de la planta de biometanización, ya
que es donde se llevan a cabo las reacciones bioquímicas de degradación del material
orgánico, con la consecuente producción de biogás y el material digesto restante.
Este tipo de equipos, generalmente, son de grandes dimensiones y se sitúan en
los exteriores de las naves de tratamiento. Su fabricación suele ser de acero inoxidable u
hormigón armado, con aislamiento externo para evitar posibles fugas y revestimiento
interior para evitar su corrosión. Al mismo tiempo, se construyen con aislamiento
exterior para reducir la trasmisión de calor con el ambiente y poder mantener de este
modo la temperatura en el interior necesaria para que se desarrolle el proceso.
En el diseño de los digestores intervienen una serie de parámetros como pueden
ser: porcentaje de residuos salidos que contenga la papilla, tiempo de retención
hidráulico, tasa de carga de sólidos volátiles, temperatura, producción de biogás
esperada… Pero generalmente, suelen tener capacidades entre 3000 y 6000 ��, llegando a soportar presiones máximas de 80 mbar.
Figura 13. Digestor Anaerobio
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48
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El tiempo de retención hidráulico se define como el Volumen del digestor
dividido por el caudal diario de papilla alimentado. Por norma general, el proceso de
biometanización se diseña para un tiempo de retención de entre 14 y 28 días.
3.2.5 DIFERETES ALTERATIVAS
Si analizamos el modo de llevar a cabo el proceso de biometanización, nos
encontramos con numerosas posibilidades o alternativas, según los criterios que se
tengan en cuenta. La clasificación de los diferentes procesos anaerobios puede
efectuarse atendiendo a diferentes criterios, los más significativos se recogen en la
siguiente tabla:
CRITERIO PROCESO
Concentración de sustrato Seco - Húmedo
Temperatura de operación Mesófilo - Termófilo
Número de etapas Una etapa - Varias etapas
Régimen de alimentación Discontinuo - Continuo
Modelo de flujo dentro del digestor Mezcla perfecta - Flujo-pistón
Configuración espacial Mezcla Perfecta- Flujo Pistón
Tabla 7. Alternativas dentro de la biometanización
→ Modelo de flujo
En cuanto a la tipología de los digestores anaerobios, estos se pueden llegar a
clasificar de numerosas maneras, pero si atendemos a su modelo de flujo, se encuentran
principalmente dos tipos de reactores: los reactores de mezcla perfecta o los reactores
de flujo-pistón.
Reactores de mezcla perfecta: Este tipo de reactores son equipos simples y
ampliamente implantados en la industria de la biometanización. Suelen ser reactores
cilíndricos verticales, que no superan los 6000 �� de capacidad, para favorecer la homogeneidad de la mezcla así como de la temperatura.
La característica principal de este tipo de digestores es que la concentración de
cualquier sustancia en todos los puntos del volumen de control del reactor es idealmente
la misma. Esta distribución uniforme de concentraciones, tanto de sustrato como de
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49
Juan Martín Gómez
microorganismos, se logra mediante un sistema de agitación, el cual puede llevarse a
cabo mediante algún tipo de agitación mecánica (hélices o palas), o bien mediante un
sistema de inyección a presión de parte del biogás ya producido mediante una corriente
de reflujo. Dentro de los reactores de mezcla perfecta cabe distinguir entre los reactores
de mezcla perfecta discontinuos o tipo batch, y los que operan de manera continua.
Figura 14. Reactor de mezcla perfecta
Este tipo de reactores suele emplearse en los procesos de digestión por vía
húmeda (menos del 15% de sólidos totales), y permite elegir el tipo de alimentación al
digestor, que puede ser: continua, semicontiua o discontinua. En este tipo de digestores
no hay retención alguna de biomasa, pero sí que puede operar con recirculación.
Reactores de flujo-pistón: En este tipo de reactores, a diferencia de los
anteriores, la concentración de cualquier sustancia varía en cada sección transversal del
digestor. Del mismo modo, la alimentación a este tipo de digestores se realiza de
manera continua y suelen estar dotados de una agitación lenta mediante mezcladores de
palas, que además tienen la función de favorecer el desplazamiento del material hacia la
salida (en el caso de los digestores horizontales).
Figura 15. Reactor de flujo-pistón
Los reactores de flujo-pistón suele ser reactores cilíndricos o paralelepípedos, de
una capacidad aproximada de 2000-3000 ��, y estos se usan en procesos de digestión por vía seca, ya que admiten mayores concentraciones de sólidos totales (20-40% ST).
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50
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→ Temperatura de operación
En función de la temperatura de operación que se adopte para llevar a cabo el
proceso de digestión anaerobia, se pueden encontrar tecnologías psicrofílicas (< 25ºC)
mesofílicas (35-45ºC) y termofílicas (45-65ºC).
Aunque tradicionalmente, la tecnología más implantada a nivel industrial ha sido
la mesofílica, por sus menores requerimientos energéticos y su mayor estabilidad, a raíz
de los años 90, las tecnologías termofílicas han venido incrementándose, ya que se ha
demostrado que incrementa la eliminación de patógenos, la cinética del proceso y el
rendimiento de producción de metano.
El rango psicrofílico se plantea poco viable, debido al gran tamaño del reactor
que se necesitaría, sin embargo presenta menores problemas de estabilidad que en los
otros rangos de operación.
→ �úmero de Etapas
El proceso de biometanización, aun habiendo hecho anteriormente la distinción
en 4 fases, podemos agruparlo de forma general en dos pasos: el primero donde se
forman el acetato, el hidrógeno y el dióxido de carbono; y un segundo paso donde se
transforman en metano.
Según el número de etapas en que se plantee el desarrollo de la digestión
anaerobia, se puede hablar de un sistema de una sola etapa, en la que tienen lugar
simultáneamente la totalidad de las reacciones en un único digestor, y de sistema de
varias etapas, en la que las reacciones tienen lugar secuencialmente en al menos dos
digestores en los que la papilla de residuos orgánicos van pasando de uno a otro, y van
degradándose progresivamente.
Aunque se han llevado a cabo un gran número de investigaciones sobre la
operación en fases separadas, en el 90% de las instalaciones industriales que procesan
biorresiduos y la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos en Europa, lo hacen
con sistemas de una sola etapa.
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La justificación de los sistemas de depuración anaerobia en varias etapas, radica
en que el proceso de digestión anaerobia de los residuos orgánicos se produce en una
secuencia de reacciones bioquímicas que no comparten necesariamente las mismas
condiciones óptimas de funcionamiento, optimizando las etapas sucesivas, ha de
esperarse un mayor rendimiento global del proceso.
Lo que se hace generalmente, es operar en régimen termófilo en el primer
reactor para favorecer las reacciones de formación de compuestos intermedios
(hidrólisis, acidogénesis y acetogénesis), para posteriormente reducir la temperatura al
régimen mesófilo en el segundo de los reactores donde se producen las reacciones de
metanización.
En realidad, la complejidad de los procesos de dos etapas no siempre se traduce
en un mayor rendimiento comparado con los sistemas de una etapa. De hecho, los
sistemas de dos etapas no se utilizan con ese fin, sino que lo que se trata con las etapas
sucesivas es obtener un funcionamiento más estable para los residuos que puedan
provocar inestabilidades dentro de los sistemas de una única etapa.
A escala industrial, se prefiere trabajar con sistemas de una única etapa, ya que
son mucho más baratos y sencillos, por lo que la cuota de mercado de los sistemas de
dos etapas es de sólo el 10%.
→ Concentración de sustrato
El contenido de sólidos totales en la alimentación es uno de los criterios que
tradicionalmente han diferenciado los sistemas de digestión anaerobia. Por un lado están
los sistemas de vía húmeda o de baja concentración, y por otro los sistemas de vía seca
o de alta concentración.
En los sistemas de vía húmeda el intervalo de concentración de sólidos varía
entre 5 y 15%, lo que implica importantes diferencias en cuanto a requerimiento de agua
de dilución y de calefacción de la alimentación, así como reactores de grandes
volúmenes. Casi la totalidad de los sistemas comerciales, responden al modelo de
tanque agitado y su diferencia fundamental reside en la forma de agitación. El sistema
de agitación más utilizado es la agitación por recirculación de biogás. El digesto se
deshidrata por centrifugación y tornillos compactadores produciéndose un caudal de
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agua considerable, del cual una parte se recircula de nuevo al proceso, y la otra se
depura para eliminar materia orgánica y nitrógeno.
Por el contrario, en los sistemas de vía seca, la concentración de sólidos totales
es superior al 20%, lo que hace que se modifiquen notablemente las características
hidrodinámicas del sistema. Se pasa de trabajar con masas fluidas de viscosidad
próxima a la del agua (vía húmeda), a trabajar con pastas de alta viscosidad. Los
modelos de flujo y forma de conseguir la mezcla dependen de las diferentes tecnologías
comerciales existentes.
Como comparación final los procesos de vía húmeda son semejantes a los
sistemas utilizados en estabilización anaerobia de fangos aerobios y en consecuencia
puede hablarse de una tecnología robusta, sencilla y bien establecida. Tradicionalmente
se ha trabajado con sistemas de vía húmeda, pero actualmente la digestión anaerobia de
vía seca a escala industrial representa el 60% del total.
Del mismo modo, a continuación, se hace una breve descripción de algunos de
los procesos de digestión anaerobia y tecnologías para el tratamiento de la fracción
orgánica de los residuos sólidos urbanos a nivel industrial más extendidas en Europa:
Valorga: El proceso está formado por una unidad de selección, una unidad de
producción de metano y una unidad de refinado. El fermentador anaerobio opera por vía
seca. En el digestor la mezcla se produce con la inyección de biogás a alta presión en el
fondo del reactor. Este sistema funciona satisfactoriamente sin necesidad de
recirculación de los residuos digeridos. El principal inconveniente es el mantenimiento
de los inyectores, cuyos orificios se obstruyen con relativa frecuencia.
Figura 16. Esquema del proceso Valorga
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CODICIOES DE OPERACIÓ VALORGA
% ST 20-35%
CONFIGURACIÓN REACTOR Reactor tubular horizontal con trayectoria circular
TEMPERATURA Mesofílico y termofílico
THR 21 días
HOMOGENEIZACIÓN Por inyección de biogás desde el fondo
PRODUCCIÓN DE METANO 80-120 ��� D E����F ⁄
Tabla 8. Características del proceso Valorga
Kompogas: Es un proceso nuevo de digestión anaerobia para tratar residuos de
frutas, vegetales y de jardín. El digestor es cilíndrico, dispuesto horizontalmente y con
agitador hidráulico, que favorece la homogeneización, desgasificación y re-suspensión
de los materiales más pesados. También opera con altas concentraciones de sólidos (vía
seca).
Figura 17. Esquema del proceso Kompogas
CODICIOES DE OPERACIÓ KOMPOGAS
% ST > 23%
CONFIGURACIÓN REACTOR Flujo-pistón
TEMPERATURA Termofílico
THR 15-20 días
HOMOGENEIZACIÓN Rotores
PRODUCCIÓN DE METANO 130 ��� D E����F ⁄
Tabla 9. Características del proceso Kompogas
Dranco: Este proceso se desarrolla para producir energía y un producto húmico,
llamado humutex, mediante conversión de la fracción orgánica de los residuos sólidos
urbanos, así como los residuos orgánicos de la industria papelera, ganadera y los lodos
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de depuración. El proceso de digestión se lleva a cabo en un reactor vertical sin mezcla
mecánica. Este digestor también opera por vía seca.
Figura 18. Esquema del proceso Dranco
CODICIOES DE OPERACIÓ DRACO
% ST 15-40%
CONFIGURACIÓN REACTOR Flujo-pistón
TEMPERATURA Termofílico
THR 20 días
HOMOGENEIZACIÓN No existe
PRODUCCIÓN DE METANO 100-150 ��� D E����F ⁄
Tabla 10. Características del proceso Dranco
BAT: Este proceso se ha desarrollado para tratar la fracción orgánica de los residuos
sólidos urbanos. En el proceso se incluye: pretratamiento de los residuos entrantes;
separación de sólidos biológicos disueltos y no disueltos; hidrólisis anaerobia de sólidos
biodegradables; y metanización. Después de la deshidratación, los sólidos no
degradados, con una concentración del 35%, se utilizan como material de compost.
Figura 19. Esquema del proceso BAT
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CODICIOES DE OPERACIÓ BAT
% ST 30%
CONFIGURACIÓN REACTOR Separación de fases, hidrolítico de tanque agitado
TEMPERATURA Mesofílico
THR 7 días
HOMOGENEIZACIÓN Solo en el hidrolítico
PRODUCCIÓN DE METANO 80-100 ��� D E����F ⁄
Tabla 11. Características del proceso BAT
Linde-BRV: Esta es una tecnología que puede presentar diferentes configuraciones
de diseño. Así en Europa, se han implantado procesos de digestión húmeda en una sola
etapa y en fases separadas, y que pueden operar en los rangos mesofílico y termofílico.
Este tipo de reactores utilizan una serie de rotores para mejorar su avance y
homogenización.
Figura 20. Esquema del proceso BRV
CODICIOES DE OPERACIÓ BRV
% ST 15-45%
CONFIGURACIÓN REACTOR Flujo-pistón
TEMPERATURA Mesofílico y termofílico
THR 18-25 días
HOMOGENEIZACIÓN Rotores
PRODUCCIÓN DE METANO 100 ��� D E����F ⁄
Tabla 12. Características del proceso Linde-BRV
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BIOSTAB: Es uno de los procesos por vía húmeda más extendido para el
tratamiento de la fracción orgánica de los RSU. A la línea de alimentación ya triturada,
se la somete a una última etapa de limpieza antes de ser introducida a los digestores.
Con el biogás producido se genera electricidad así como la agitación dentro de los
tanques. El digesto, se seca mediante centrífugas y los sólidos pasan a la etapa de
compostaje.
Figura 21. Esquema del proceso BIOSTAB
CODICIOES DE OPERACIÓ BIOSTAB
% ST 9-11%
CONFIGURACIÓN REACTOR Mezcla perfecta
TEMPERATURA Mesofílica
THR 14-21 días
HOMOGENEIZACIÓN Por inyección de biogás desde el fondo
PRODUCCIÓN DE METANO 70-100 ��� D E����F ⁄
Tabla 13. Características del proceso BIOSTAB
3.2.6 EL PROCESO BIOLÓGICO
La biometanización es un proceso biológico complejo, tanto por el número de
reacciones bioquímicas que tienen lugar, como por la cantidad de microorganismos
involucrados, en el que la materia orgánica es degradada anaeróbicamente para dar
lugar al biogás. De hecho, muchas de estas reacciones ocurren de forma simultánea.
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El proceso global de degradación anaerobia se puede dividir en 4 fases o etapas:
hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis.
La mayoría de los microorganismos utilizan determinados compuestos orgánicos
a fin de obtener energía para su crecimiento, y usan compuestos carbonados específicos
para sintetizar sus componentes celulares. Los productos finales de un grupo
microbiano suelen ser el alimento del grupo siguiente, de forma que a lo largo del
proceso existe un delicado balance que es necesario mantener para que la reacción se
desarrolle correctamente.
En la siguiente figura, queda representado el esquema general de las etapas de la
digestión anaerobia para la obtención del metano:
Figura 22. Esquema de la degradación anaerobia de la materia orgánica
HIDRÓLISISHIDRÓLISISHIDRÓLISISHIDRÓLISIS
ACIDOGÉNESISACIDOGÉNESISACIDOGÉNESISACIDOGÉNESIS
ACETOGÉNESISACETOGÉNESISACETOGÉNESISACETOGÉNESIS
HOMOACETOGÉNESIHOMOACETOGÉNESIHOMOACETOGÉNESIHOMOACETOGÉNESISSSS
METANOGÉNESISMETANOGÉNESISMETANOGÉNESISMETANOGÉNESIS
MATERIA ORGÁNICAMATERIA ORGÁNICAMATERIA ORGÁNICAMATERIA ORGÁNICA PROTEÍNAS CARBOHIDRATOS LÍPIDOS
AMINOÁCIDOS Y AZÚCARES ÁCIDOS GRASOS Y ALCOHOLES
PRODUCTOS INTERMEDIOS �AGV) �AC. PROPIÓNICO, AC. BUTÍRICO, AC.
VALÉRICO…)
AC. ACÉTICO �" + �!"
��� + �!"
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3.2.6.1. HIDRÓLISIS
La hidrólisis es la etapa inicial de la degradación anaerobia. En ella, se produce
la ruptura de las macromoléculas orgánicas (polímeros) como son las proteínas,
carbohidratos y grasas, en subunidades más pequeñas (monómeros), para que puedan
atravesar la pared de las bacterias y estas puedan digerirlas. Así las proteínas son
degradadas a aminoácidos, los polisacáridos o carbohidratos a monómeros de azúcares,
y las grasas o lípidos a ácidos grasos de cadena larga y alcoholes. La hidrólisis se
produce por la acción de enzimas extracelulares producidas por los microorganismos
hidrolíticos.
Las reacciones de hidrólisis pueden ser limitantes de la velocidad del proceso,
especialmente, si el residuo posee materia particulada, como es el caso de los RU. Para
los RU, la granulometría y grado de trituración de los residuos son determinantes de la
velocidad del proceso.
Las proteínas constituyen un sustrato muy importante en el proceso de digestión
anaerobia ya que además de ser fuente de carbono y energía, los aminoácidos derivados
de su hidrólisis tienen un elevado valor nutricional. Las proteínas son hidrolizadas en
péptidos y aminoácidos por la acción de la enzima llamada proteasa. Parte de estos
aminoácidos son utilizados directamente en la síntesis de nuevo material celular y el
resto son degradados en etapas posteriores.
La degradación de los lípidos en ambientes anaerobios comienza con la ruptura
de las grasas por la acción de la enzima denominada lipasa, produciendo ácidos grasos
de cadena larga y glicerol.
Para la fracción orgánica de los RU, la etapa de hidrólisis es limitante de la
biodegradabilidad del residuo, ya que también existen los denominados materiales
lignocelulósicos. Estos son compuestos principalmente de lignina, celulosa y
hemicelulosa, que proceden de los restos vegetales y papel que acompañan a los RU, y
muy resistentes a la degradación por parte de los microorganismos anaerobios.
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3.2.6.2. ACIDOGÉESIS
En la segunda etapa denominada acidogénesis o fase fermentativa, los productos
procedentes de la hidrólisis de los polímeros son metabolizados en el interior de las
células de los microorganismos siguiendo diferentes rutas según sea la naturaleza de los
mismos.
De este modo se obtienen ciertos ácidos orgánicos de cadena corta, también
llamados ácidos grasos volátiles, tales como: el acético, butírico, propiónico y valérico;
y alcoholes, además de otros subproductos importantes para etapas posteriores como
pueden ser: amoniaco (���), hidrógeno (�") o dióxido de carbono (�!").
�K�L"!K → 2�����"!� + 2�!" �K�L"!K + 2�" → 2�����"�!!� + 2�"!
Las bacterias acidogénicas producen principalmente ácidos grasos volátiles
cuando la presión de hidrógeno es alta, y dióxido de carbono cuando la presión de
hidrógeno es baja. Algunas vías metabólicas solo son posibles a bajas presiones de
hidrogeno y a concentraciones entre 5 y 50 ppm de hidrógeno existe una preferencia en
la formación de acético. Sin embargo, altas presiones de hidrógeno pueden dar lugar a
que sean el propiónico y el butírico los que predominen (Mosey, 1986). Incluso si la
presión de hidrógeno llega a ser excesiva, puede dar lugar a la inhibición del sistema
(Sparling, 1997).
Entre las bacterias acidogénicas más comúnmente utilizadas en los digestores, se
incluyen especies como Butyrivibrio, Propionibacterium, Clostridium spp, Bacteroides,
Ruminococos, Bifidobacterium spp, Lactobacillus, Streptococos y Enterobacterias.
En el caso de los RU, se producen grandes cantidades de hidrógeno durante las
etapas de hidrólisis y acidogénesis, alcanzándose proporciones de hasta un 20-50%
respecto al volumen de biogás generado. Esta producción de hidrógeno puede llegar a
ser tan alta, que incluso se han llevado a cabo estudios para forzar la degradación
incompleta de los residuos y obtener como producto final el hidrógeno.
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3.2.6.3. ACETOGÉESIS
Mientras que algunos productos de la fermentación pueden ser metabolizados
directamente por los organismos metanogénicos (hidrógeno y ácido acético), otros
como es el caso de los ácidos grasos volátiles, deben ser transformados en productos
más sencillos. Son las bacterias acetogénicas las encargadas de transformar los
productos intermedios, produciendo principalmente acético, hidrógeno y dióxido de
carbono.
Como ejemplos de bacterias acetogénicas, cabe resaltar la Syntrophobacter
wolinii que descompone el ácido propiónico, o la Syntrophomonas wolfei, que
descompone el butírico. En el grupo de bacterias acetogénicas se incluyen las
homoacetogénicas, capaces de producir ácido acético a partir de hidrógeno y dióxido de
carbono, como son: Acetobacterium, Acetoanaerobium, Acetogenium, Clostridium o
Eubacterium.
3.2.6.4. METAOGÉESIS
La metanogénesis constituye la etapa final del proceso de descomposición
anaerobia de la materia orgánica, en el que compuestos como el ácido acético, el
hidrógeno y el dióxido de carbono, son trasformados a metano y dióxido de carbono. En
esta etapa, la mayor parte de la energía química contenida en el sustrato es convertida a
metano por la actuación de una familia de bacterias conocidas como Archea
metanogénicas.
2������!� + �!" → 2����!!� + ���
����!!� → ��� + �!"
���!� + �" → ��� + �!"
�!" + 4�" → ��� + 2�!"
Existe una delicada relación entre las bacterias metanogénicas y el resto de
microorganismos implicados en el proceso. Se establecen sinergias de crecimiento entre
Archea metanogénicas y las bacterias no metanogénicas, a través de delicados
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equilibrios relacionados con los niveles de ácidos e hidrógeno. Algunas Archea
metanogénicas pueden consumir hidrógeno generado en etapas anteriores consiguiendo
mantenerlo en un nivel bajo de modo que se puedan desarrollar algunos grupos
acidogénicos que solo crecen en esas condiciones.
Dentro de esta familia de bacterias podemos distinguir entre dos subgrupos de
microorganismos:
→ Archaea metanogénicas acetoclásticas: que son las encargadas de generar
metano a partir de la degradación del ácido acético.
→ Archaea metanogénicas hidrogenófilas: que generan metano a partir del
hidrógeno y el dióxido de carbono.
La principal vía de formación del metano es a través de la degradación del
acético por parte de la Archea metanogénicas acetoclásticas, con alrededor del 70% del
metano producido. A pesar de ser esa vía la más importante, solo dos microorganismos
son capaces de llevar a cabo la reacción acetoclástica, es decir, producir metano y
dióxido de carbono a partir del ácido acético, y son: Methanosarcina y Methanothrix.
Existen también microorganismos metanogénicos, en este caso hidrogenófilos como son
entre otros: Methanobacterium, Methanococos, Methanobrevibacter o Methanogenium.
3.3 VARIABLES DE OPERACIÓ Y CIÉTICA DEL PROCESO
3.3.1 VARIABLES DE OPERACIÓ
Las variables de operación que condicionan el proceso de biometanización, son
aquellas que afectan a los microorganismos que llevan a cabo el proceso y son muy
variadas. Entre las más influyen en el correcto desarrollo de la digestión destacan:
nutrientes, temperatura, pH, carga orgánica, tiempo de retención, presencia de
sustancias tóxicas e inhibidores del proceso y agitación.
→ Temperatura: La velocidad de reacción de los procesos biológicos depende de
la velocidad de crecimiento de los microorganismos involucrados que a su vez
dependen de la temperatura. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la velocidad de
crecimiento de los microorganismos, y se acelera de este modo el proceso de digestión
dando lugar a mayores producciones de biogás.
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A la hora de diseñar el digestor, la temperatura se considerada uno de los
principales parámetros de diseño, debido a la gran influencia de este factor en la
velocidad de digestión anaerobia. Variaciones bruscas de temperatura en el digestor
pueden provocar la desestabilización del proceso. Por ello, para garantizar una
temperatura homogénea en el digestor, es imprescindible un sistema adecuado de
agitación y de controlador de temperatura.
Gráfico 13. Relación entre la velocidad específica máxima de crecimiento y la temperatura en los
distintos rangos de temperatura (Romero y cols. 2002)
Existen tres rangos de temperatura en los que pueden trabajar los
microorganismos anaerobios: psicrofílico (inferior a 25ºC), mesofílico (25-45ºC) y
termofílico (45-65ºC), siendo la velocidad máxima especifica de crecimiento (NOPQ) mayor conforme aumenta el rango de temperaturas. Dentro de cada rango de
temperaturas, existe un intervalo para el cual dicho parámetro se hace máximo,
determinando así la temperatura de trabajo óptima en cada uno de los rangos posibles.
El régimen mesófilo de operación es el más utilizado a pesar de que en la
actualidad se está implantando cada vez más el rango termofílico para conseguir una
mayor velocidad del proceso (lo que significa un aumento en la eliminación de la
materia orgánica y en la producción de biogás) y una mejor eliminación de organismos
patógenos. Sin embargo, el régimen termofílico suele ser más inestable a cualquier
cambio de condiciones de operación y presenta además mayores problemas de
inhibición del proceso por la mayor toxicidad de determinados compuestos a elevadas
temperaturas, como el nitrógeno amoniacal. Del mismo modo, el régimen termofílico,
también requiere de un mayor aporte de calor.
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Una técnica interesante es la combinación de dos fases de digestión: una primera
termofílica de elevada carga orgánica y una segunda mesofílica con menor carga. Con
este sistema se aprovechan las ventajas del sistema termofílico pero se reducen los
problemas de inestabilidad.
La temperatura del proceso actúa también sobre aspectos físico-químicos del
mismo. La solubilidad de los gases generados desciende al aumentar la temperatura,
favoreciéndose la transferencia líquido-gas. Esto supone un efecto positivo para el caso
de gases tales como ���, �" y �"#, dada su toxicidad sobre el crecimiento de los
microorganismos anaerobios. Una posible desventaja de este fenómeno es que el
descenso de la solubilidad del �!" provocaría un aumento del pH, lo que generaría, en
fangos de elevada concentración de amonio, posibles situaciones de inhibición por ���. Por otra parte, la solubilidad de la mayoría de la sales aumenta con la temperatura de
manera que la materia orgánica es más accesible para los microorganismos aumentando
así la velocidad del proceso. Por último, la viscosidad de sólidos y semisólidos
disminuye al aumentar la temperatura, lo que implicaría menores requerimientos de
agitación.
→ utrientes: Para el correcto desarrollo del proceso de degradación anaerobia de
la materia orgánica, los microorganismos también requieren, además de una fuente de
carbono, que es el elemento constituyente básico del material celular y la principal
fuente de energía, y que se encuentra presente en abundancia en los sustratos orgánicos,
la presencia de una serie de nutrientes minerales tales como nitrógeno, fósforo, potasio,
calcio, magnesio… Es por ello que en el medio a digerir debe haber una relación
adecuada entre nutrientes para el correcto desarrollo de la flora bacteriana.
Hay que destacar que el exceso de alguno de estos nutrientes, puede llegar a
provocar interferencias en el proceso o incluso su inhibición total, como por ejemplo
ocurre con el nitrógeno. El nitrógeno es necesario ya que los microorganismos lo
utilizan en su forma amino para la síntesis de proteínas, y si la relación C/N es
demasiado baja, estos no podrán metabolizar la materia orgánica, mientras que si es
demasiado alta, el exceso de nitrógeno se acumula en forma amoniacal y provoca
problemas de inhibición en las bacterias metanogénicas.
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La mezcla de sustratos diferentes, que poseen distintas relaciones C/N, se
plantea como solución al problema, ya que la relación C/N óptima se sitúa entre 20:1 y
40:1. En la siguiente tabla se exponen algunos ratios C/N nominales establecidos para
algunos materiales susceptibles de ser digeridos anaeróbicamente:
Figura 23. Relación C/ en algunos materiales (Tchobanoglous, 1994)
→ pH y Alcalinidad: Así como existen rangos determinados de temperatura en los
cuales el crecimmiento de los microorganismos es óptimo, tambien existen rangos de
pH a los cules los organismos se desarrollan con mayor facilidad. De esta manera, los
diferentes grupos de microorganismos presentes en el proceso de degradación anaerobia
presentan unos niveles óptimos en torno a la neutralidad entre los valores siguientes:
→ Fermentativos: entre 7.2 y 7.4 → Acetogénicos: entre 7.0 y 7.2 → Metanogénicos: entre 6.5 y 7.5
Para que el proceso de biometanización se desarrolla satisfactoriamente si el pH
está próximo a la neutralidad, y es por ello por lo que no debe de subir de 8.0 ni bajar de
6.0. El valor del pH en el digestor no sólo determina la producción de biogás, sino
también su composición.
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Muchos fenómenos tienen influencia sobre el pH. Un ejemplo frecuente es la
acumulación de ácidos grasos volátiles por un desequilibrio entre la producción y su
consumo, y la consecuente adificación del reactor. Por otra parte, el pH afecta a los
diferentes equilibrios químicos existentes en el medio, pudiendo desplazarlos hacia la
formación de un determinado componente que tenga influencia en el proceso.
La alcalinidad es una medida de capacidad tampón del medio. En el rango de pH
del proceso (6.0-8.0), el principal equilibrio que controla la alcalinidad es el del dioxido
de carbono/bicarbonato. La alcalinidad aparece principalmente como bicarbonatos, en
equilibrio con el �!" en el biogás a un pH determinado. Cuando los compuestos
orgánicos son degradados, el �!" y el amonio aumentan, se produce ácido carbónico,
alcalinidad de bicarbonato y alcalinidad de carbonato, generandose tambien iones de
amonio.
�!" + �"! ↔ �"�!� ↔ �S + ��!�T ↔ �S + �!�"T
��� + �S ↔ ���S
La caída del pH y el aumento de la cantidad de CO2 del biogás es un indicador
de alteraciones en el proceso de digestión.
→ Sustancias toxicas e inhibidores: Existen una gran cantidad de sustancias que
pueden inhibir el proceso de digestión anaerobia, y estas pueden ser inhibidores o
comportarse como simple elementos inertes, dependiendo de la concentración de las
mismas dentro del digestor. Estas sustancias pueden entrar al proceso con la
alimentación o pueden ser producidas por alguna de las reacciones del propio proceso
de degradación de la materia orgánica.
Al ser el proceso de biometanización, un proceso anaerobio, entre los
inhibidores del proceso, cabe destacar el oxígeno, aunque su efecto inhibidor no es
permanente, ya que existen microorganismos que van consumiendo el oxígeno que
entre con la alimentación.
Para que la digestión anaerobia se lleve a cabo de manera adecuada, es necesario
que las etapas que conforman el proceso se desarrollen de manera encadenada y a
velocidades similares, ya que la acumulación dentro del reactor de muchos de los
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productos intermedios pueden llegar a inhibir el proceso, como es el caso de los ácidos
grasos volátiles. Un aumento de la concentración de éstos en el digestor, siempre
implica una desestabilización del proceso, pudiendo llegar a inhibir parcialmente la fase
de metanización, y en consecuencia, una disminución de la producción de biogás.
El hidrógeno es también un compuesto intermedio importante del proceso y su
acumulación en el medio, puede provocar la inhibición de la acetogénesis, y como
consecuencia de esto, la acumulación de ácidos grasos volátiles.
Otro de los inhibidores del proceso es el nitrógeno amoniacal. El amonio es un
nutriente importante para el crecimiento de los microorganismos, y puede llegar a ser
beneficioso hasta concentraciones de 200 �� �⁄ , pero a concentraciones superiores en el
medio dentro del digestor, puede llegar a inhibir el metabolismo de las bacterias
metanogénicas ralentizando su crecimiento.
Así mismo, también existen inhibidores que entran con la alimentación y que
pueden llegar a afectar al correcto funcionamiento de digestión anaerobia, como por
ejemplo: metales pesados (Ni, Cu, Cd, Cr, Pb…); sustancias orgánicas como
antibióticos, detergentes, pesticidas, disolventes…
→ Agitación: La agitación dentro del digestor mejora el proceso de producción de
biogás, ya que se consigue una mezcla homogénea y se facilita un contacto continuo
entre los microorganismos y el sustrato, con un mejor aprovechamiento de este al estar
distribuido uniformemente y no aparecer gradientes de concentración o temperatura.
Otros de los beneficios de la agitación son los de evitar la formación de posibles
capas o de espumas en la superficie y la sedimentación de los residuos más pesados en
el fondo del digestor, favorecer la salida de los gases que se producen y prevenir la
formación de espacios muertos que reducirían el volumen efectivo del digestor, y la
formación de caminos preferenciales dentro del mismo.
La velocidad de agitación ha resultado ser un factor que influye en la producción
de biogás. Se ha comprobado que altas velocidades resultan ser perjudiciales ya que
rompen los agregados bacterianos. En la actualidad, existen dos formas o tipos de
agitación: la agitación mecánica o la agitación neumática.
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La agitación mecánica consiste en la aplicación de un dispositivo de paletas o
hélices dentro del digestor.
La agitación neumática, consiste en recircular e inyectar de nuevo parte del
biogás producido, por la parte inferior de digestor, con lo que se consigue la creación de
un flujo turbulento en el interior. Este método de agitación proporciona una mayor
producción de gas y una más rápida estabilización de la materia orgánica.
→ Carga Orgánica y Tiempo de Retención: La carga orgánica alimentada al
digestor determina la cantidad de sustrato disponible para los microorganismos. La
carga orgánica suministrada se puede expresar en términos de DQO o de sólidos
volátiles. Cuando la concentración de sustrato es escasa, estos la utilizan para el
mantenimiento de la población existente (metabolismo basal) y, en consecuencia, no se
produce generación neta de microorganismos. Por el contrario, cuando se proporciona
una gran cantidad de carga orgánica al digestor, la población no es suficiente para
asumir la degradación del sustrato, originando periodos de latencia y suponiendo la
inhibición del sistema.
El tiempo de retención (TR) se define como el tiempo necesario para renovar
todo el contenido del digestor, en un proceso continuo. El tiempo de retención afecta a
la velocidad de producción de biogás. A igualdad de condiciones, la eficiencia del
proceso de producción de biogás, aumenta con el tiempo de retención hasta un valor
asintótico. La fracción orgánica degradada aumenta al aumentar el tiempo de retención,
sin embargo la producción volumétrica (producción por unidad de reacción) de biogás
disminuye una vez superado el óptimo. Es por tanto necesario determinar para cada tipo
de alimentación y de digestor, el tiempo de retención que optimice el proceso.
El tiempo de retención de sólidos (TRS) se define como el tiempo medio que el
sustrato alimentado permanece en el interior del digestor en contacto con los
microorganismos, antes de ser eliminado como digesto. Y el tiempo hidráulico de
retención (THR), se calcula como el cociente entre el volumen del digestor y el caudal
que se alimenta.
En un reactor de ideal de mezcla completa TR, TRS y THR, son iguales.
Mientras que si existe recirculación de sólidos en el digestor, el TRS es siempre mayor
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al THR. Estos parámetros tienen unidades de tiempo, expresándose normalmente en
días.
El tiempo de retención está íntimamente ligado al tipo de sustrato que se
alimente y a la temperatura de operación con la que se diseñe el sistema, y deberá ser lo
suficientemente largo para permitir el completo desarrollo de la población de
microorganismos. Generalmente los tiempos de retención oscilan entre los 10 y los 30
días. La selección de un rango mayor de temperatura implicará una disminución de los
tiempos de retención requeridos y consecuentemente, será menor el volumen del reactor
necesario para un mismo volumen de alimentación.
Relacionando estas dos variables y para los sistemas continuos o semicontinuos,
se define el término de velocidad de carga orgánica, que se define como la relación
entre la carga orgánica y el tiempo hidráulico de retención. Se expresa como la ratio
entre ambos conceptos, por lo que posee unidades de cantidad de materia orgánica por
unidad de volumen y tiempo.
Valores bajos implican baja concentración en el influente y/o elevado tiempo de
retención. El incremento en la velocidad de carga orgánica implica una reducción en la
producción de gas por unidad de materia orgánica introducida, debiendo encontrar un
valor óptimo técnico/económico para cada instalación y residuo a tratar.
3.3.2. CIÉTICA DEL PROCESO
3.3.2.1 ITRODUCCIÓ
Como se ha señalado anteriormente, el proceso de biometanización, no es más
que una fermentación o digestión anaerobia de la materia orgánica, en la que las
bacterias por medio de reacciones catalíticas degradan la materia orgánica para producir
el biogás, es decir:
Suponiendo que dentro del reactor, existe un solo tipo de células y que exista
también una alimentación homogénea en su composición, aparecerán diferentes etapas
+ MICROBIOS (C) UTRIETES (A) MÁS MICROBIOS (C) + PRODUCTOS METABÓLICOS (B)
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69
Juan Martín Gómez
en la variación de los parámetros con el tiempo, tal y como se muestra en la siguiente
figura.
Gráfico 14. Etapas o fases de los microorganismos a lo largo del proceso de
Biometanización (Xavier Elías Castells, 2005)
Atendiendo a la actividad de los microorganismos, podemos distinguir cuatro fases o
etapas principales:
a) Periodo de inducción (fase de retardo): hasta que los microorganismos que se
introducen al reactor se adecuan a las nuevas condiciones, transcurre un tiempo
necesario para que las células generen nuevas enzimas para llevar a cabo sus
procesos internos. Normalmente, el volumen de inoculo supone entre el 5 y 10%
del volumen total.
b) Periodo de crecimiento exponencial (fase logarítmica): esta etapa se produce
mientras no disminuya sensiblemente la concentración de nutrientes ni otros
factores limiten el crecimiento de las células.
c) Periodo estacionario: Tras el periodo anterior, la velocidad de multiplicación de
los microorganismos se va reduciendo, hasta que su concentración no varía. La
asimilación de nutrientes, se hace igual a su consumo en los procesos
metabólicos. La disminución de la velocidad de crecimiento se puede deber al
agotamiento de los nutrientes o a la aparición de productos metabólicos que
inhiban el crecimiento.
d) Periodo de muerte (fase endógena): Ante la falta de nutrientes, las células
consumen sus propias reservas, y poco a poco van muriendo.
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70
Juan Martín Gómez
Se puede decir que a diferencia de la evolución de los microorganismos o
biomasa, el sustrato o cantidad de materia orgánica, sufre también una evolución con
respecto al tiempo. Esta se da de manera opuesta, ya que a mayor numero de
microorganismos, el sustrato ira decayendo en su concentración.
Gráfico 15. Evolución de concentraciones dentro del digestor (Xavier Elías Castells, 2005)
3.3.2.2 CIÉTICA EZIMÁTICA
La degradación de la materia orgánica como ya se ha mencionado, tiene lugar en
diferentes etapas, y consecuentemente son también diversas reacciones bioquímicas las
que se originan, cada una de ellas con su propia velocidad, por lo que se dan tanto
reacciones rápidas como lentas, y algunas se efectúan dentro de las células bacterianas y
otras fuera de ellas. Todas las reacciones que involucran son realizadas por la acción
directa de las enzimas, por lo que la velocidad con la que desarrolla la reacción es
dependiente de la concentración de este producto, así como de la del sustrato.
El cálculo de las velocidades de las reacciones enzimáticas, se hace con base en
la hipótesis de Michaelis-Menten. Dicho modelo, es válido cuando la concentración del
sustrato es mucho mayor que la concentración de enzimas, y para condiciones de estado
estacionario, es decir, cuando la concentración del complejo enzima-sustrato es
constante.
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71
Juan Martín Gómez
En el modelo se establecen dos reacciones sucesivas; en la primera existe la
formación de un complejo enzima-sustrato, la cual tiene cierto grado de reversibilidad, y
a partir de este complejo se forman los productos de la reacción. Por lo tanto, la
constante de velocidad de la degradación del sustrato es una combinación de las
constantes de velocidad de las tres reacciones implicadas.
U + # VWXVYZ U# V[\ U + ]
Según el equilibrio anterior, y distinguiendo entre las diferentes constantes de
cada una de las reacciones involucradas (�L, �" ^ ��), podemos decir que:
_L = �LaUba#b _" = �"aU#b _� = ��aU#b De igual manera, la concentración total de enzimas, será:
aUcb = aUb + aU#b Y como aUb = aUcb − aU#b, resulta que: _L = �LaUcba#b − �LaU#ba#b
Este modelo cinético adopta la hipótesis del estado estacionario, según la cual la
concentración del complejo enzima-sustrato es pequeña y constante a lo largo de la
reacción, tal y como podemos observar en la grafica.
Gráfico 16. Evolución de las concentraciones de las diferentes especies.
Por lo tanto, la velocidad de formación enzima-sustrato, será igual a la de su
disociación:
_L = _" + _�
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72
Juan Martín Gómez
�LaUcba#b − �LaU#ba#b = �"aU#b + ��aU#b
Despejando aU#b, queda que: aU#b = aefbagbhiSagb , siendo �j = �V[SVW)
VY
La constante �O, es conocida como la constante de Michaelis-Menten. Por lo
tanto, en el estado estacionario la velocidad de formación del producto es:
_ = _" = �"aU#b = �"aUcba#b�j + a#b
Para cualquier reacción enzimática, aUcb, �" y �O son constantes. Considerando
ahora dos casos extremos:
• A concentraciones de sustratos muy pequeñas �a#b ≪ �j), la expresión anterior quedaría como:
_ = l�"aUcb�j m a#b
Dado que los términos entre paréntesis son constantes, se pueden
englobar en una nueva constante, �nop, de forma que la expresión
quedaría reducida a: _ = �nopa#b; con lo cual la reacción es un proceso cinético de primer orden.
• A concentraciones de sustrato elevadas �a#b ≫ �j), la velocidad de formación de producto quedaría:
_ = �"aUcb La velocidad de reacción es independiente de la concentración de
sustrato, y por tanto, la reacción es un proceso cinético de orden cero.
Además, tanto �" como aUcb son constantes, y nos permiten definir un
nuevo parámetro, la velocidad máxima de la reacción �rOPQ), que se define como la velocidad que se alcanzaría cuando todo el enzima
disponible se encuentra unido al sustrato:
rOPQ = �"aUcb Si introducimos el parámetro rOPQ en la ecuación general de la velocidad, obtendremos
la expresión que se conoce como la ecuación de Michaelis-Menten:
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Para determinar la velocidad máxima de una reacción enzimática, la
concentración de sustrato,
formación de producto. Esa es la velocidad máxima de la enzima. En ese caso, los sitios
activos de la enzima estarán saturados con sustrato.
Gráfico 17. Diagrama de velocidad de reacción y constante de Michaelis
La velocidad, _, indica el número de moléculas
producto por segundo. Con concentraciones crecientes de sustrato
acercándose asintóticamente a su velocidad máxima
esta razón, no hay un valor de
definir un parámetro característico de la enzima empleando la concentración de sustrato
para la cual se alcanza la mitad de la velocidad máxima
Las enzimas pueden también sufrir inhibicion
sustratos para conducir a dos o más productos. Un caso particular de este segundo hecho
es el de las enzimas que usan cofactores, los cuales hacen el papel de segundo sustrato.
Para todo ello, existen los correspondientes
3.3.2.3 CIÉTICA MICROBIAA
La mayoría de las reacciones de la digestión anaerobia están catalizadas por
microorganismos, que en su conjunto componen la biomasa
reacciones dependerá de manera directa de la actividad
intento de modelar ó cuantificar el proceso de biometa
estableciéndolo en términos estequiométricos y cinéticos.
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_ = rOPQa#b�j + a#b
Para determinar la velocidad máxima de una reacción enzimática, la
concentración de sustrato,a#b, aumenta hasta alcanzar una velocidad constante de
roducto. Esa es la velocidad máxima de la enzima. En ese caso, los sitios
activos de la enzima estarán saturados con sustrato.
. Diagrama de velocidad de reacción y constante de Michaelis
, indica el número de moléculas del sustrato que se convierten en
producto por segundo. Con concentraciones crecientes de sustrato a#acercándose asintóticamente a su velocidad máxima rOPQ, pero nunca la alcanza. Por esta razón, no hay un valor de a#b determinado para la rOPQ. De todas formas, se puede
definir un parámetro característico de la enzima empleando la concentración de sustrato
para la cual se alcanza la mitad de la velocidad máxima �rOPQ 2⁄ �.
Las enzimas pueden también sufrir inhibiciones, y a veces catalizar dos o más
sustratos para conducir a dos o más productos. Un caso particular de este segundo hecho
es el de las enzimas que usan cofactores, los cuales hacen el papel de segundo sustrato.
Para todo ello, existen los correspondientes modelos cinéticos.
CIÉTICA MICROBIAA
La mayoría de las reacciones de la digestión anaerobia están catalizadas por
, que en su conjunto componen la biomasa, por lo que la cinética de las
acciones dependerá de manera directa de la actividad de los mismos
intento de modelar ó cuantificar el proceso de biometanización, hemos de hacerlo
estableciéndolo en términos estequiométricos y cinéticos.
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73
Para determinar la velocidad máxima de una reacción enzimática, la
, aumenta hasta alcanzar una velocidad constante de
roducto. Esa es la velocidad máxima de la enzima. En ese caso, los sitios
. Diagrama de velocidad de reacción y constante de Michaelis-Menten
del sustrato que se convierten en
a#b, la enzima va
, pero nunca la alcanza. Por
. De todas formas, se puede
definir un parámetro característico de la enzima empleando la concentración de sustrato
es, y a veces catalizar dos o más
sustratos para conducir a dos o más productos. Un caso particular de este segundo hecho
es el de las enzimas que usan cofactores, los cuales hacen el papel de segundo sustrato.
La mayoría de las reacciones de la digestión anaerobia están catalizadas por
, por lo que la cinética de las
de los mismos. Cualquier
ización, hemos de hacerlo
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74
Juan Martín Gómez
Desde un punto de vista teórico, fue Monod (1949), quien describió
matemáticamente la cinética del crecimiento bacteriano utilizando una ecuación
hiperbólica parecida a la adoptada por Michaelis-Menten para describir la velocidad de
las reacciones enzima-sustrato. Se trataba de un punto de partida lógico, ya que los
enzimas intracelulares toman parte en la mayoría de las reacciones que tienen lugar en
el interior de las células.
Grafico 18. Efecto de la concentración de sustrato sobre la velocidad especifica de
crecimiento propuesto por Monod (1949)
→ VELOCIDAD DE CRECIMIENTO DE BIOMASA
Cuando los requerimientos de energía y fuentes de carbono necesarios para el
crecimiento de los microorganismos se cumplen dentro de los digestores, la ecuación
_ = V[aefbagbhiSagb , describe la velocidad específica de crecimiento celular como una función
de sustrato limitante en el medio de fermentación. Esta ecuación se conoce como el
Modelo de Monod:
N = Easbasb = NOPQasb�p + a#b ≡ _�� ���� ��u� ív� � �� E� �����D �ℎTL)
Easb = �asb�D = NOPQ
a#basb�p + a#b ≡ _�� ���� �� E� �����D �� ��� é�F��� x�� ��F���
y ℎ z
NOPQ ≡ _�� ���� ��u� ív� � �á|��� �� E� �����D �ℎTL) a#b ≡ � ��DE� �ó� �� �FDE���D�� ����D��D�� �� � y⁄ )
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�p ≡ ��D��D� �� ~ � � �� � y⁄ ) asb ≡ � ��DE� �ó� �� ���� ��F��E ��� ��F��� y⁄ )
La ecuación de Monod, lo que nos proporciona es la velocidad específica de
crecimiento celular, una variable intensiva que es independiente de la concentración
total de células presentes.
El aumento de la concentración de la biomasa con respecto al tiempo, será por
tanto proporcional a la concentración de biomasa asb:
Ea�b = l�asb�D m
��e��j�e�c�= N asb
Esta fórmula expresa el crecimiento microbiano de la fase exponencial. Cuando
existe un exceso de sustrato en el medio, N, es un valor constante. → VELOCIDAD DE UTILIZACIÓN DEL SUSTRATO
La utilización del sustrato se lleva a cabo por parte de los microorganismos para
que estos obtengan energía y puedan desarrollarse. La velocidad de utilización de
sustrato por parte de los microorganismos, es a su vez, proporcional a la velocidad de
crecimiento de dichos microorganismos:
l�asb�D m
��e��j�e�c�= −�� g⁄ l�a#b
�D m�c���������
Easb = −�s #⁄ Ea#b
Para relacionar la velocidad de consumo de sustrato con la velocidad de
crecimiento celular, se introduce un parámetro de proporcionalidad conocido como el
factor de rendimiento �� g⁄ , que no es más que la relación entre la masa de células
formadas por unidad de masa de sustrato consumido.
El valor de dicho parámetro depende del tipo de microorganismo utilizado en el
proceso, y puede tener cierta dependencia compleja de otros factores que afectan al
proceso como son la temperatura o el pH. El factor de rendimiento puede ser
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76
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determinado para un conjunto específico de condiciones. Está aceptado que el valor de
este parámetro se tome constante durante la fermentación, aunque solo es cierto si existe
mezcla perfecta o se está en un periodo de crecimiento exponencial.
Bajo esta hipótesis, se puede relacionar la disminución de la concentración del
sustrato y el aumento de la concentración celular de la siguiente manera:
asb − asnb = �� g⁄ �a#nb − a#b) También se acepta que el consumo de sustrato para suministrar la energía
necesaria para el crecimiento y mantenimiento celular, venga representado por una
cinética de primer orden respecto a la concentración de masa celular:
Eagb� = �g�asb ��� �� �F�DE�D y ℎ⁄ ) �g� ≡ ��D��D� ��éD� � �� ���D�������D ��� �� �F�DE�D �� é�F��� ℎ⁄ )
Dicha constante de velocidad, �g� , está fundamentalmente influida por las
condiciones del medio de cultivo, pero esta dependencia aun está poco estudiada.
Con lo que si ahora sustituimos en la ecuación anterior, la velocidad de
utilización de sustrato quedaría:
Eagb = NOPQa#basb
−�� g⁄ ��p + a#b)
En esta ecuación, podemos agrupar términos y definir "�", como la tasa máxima
de utilización de sustrato por parte de los microorganismos. En aquellos casos, en que
se dé la condición de que la cantidad de sustrato se encuentre en exceso, dicha tasa
máxima de utilización será un valor constante.
� = NOPQ�� g⁄
Eagb = −� a#basb��p + a#b)
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→ VELOCIDAD DE DECAIMIENTO DE BIOMASA
El sustrato es usado por los microorganismos para la síntesis de enzimas y
nuevos microorganismos, así como fuente de energía para el crecimiento y
mantenimiento de los mismos. El rol de este último se hace evidente cuando el sustrato
es escaso o la población bacteriana prolonga demasiado su tiempo de vida.
Existen tres puntos de vista distintos:
“Herber propuso que la energía para el mantenimiento celular de los
microorganismos, era mediante metabolismo endógeno. McCarty introduce el
concepto de un decremento bacteriano, donde las bacterias mueren como
consecuencia de las condiciones ambientales, o debido a que terminan su ciclo de
vida. Mantenía que no era necesario tener en cuenta la energía de mantenimiento
bacteriano. Pirt sugirió que la energía necesaria para el mantenimiento de los
microorganismos, se obtenía de la oxidación del propio sustrato. Esta discusión fue
concentrada principalmente en torno al proceso anaerobio”.
Las teorías de Herbert, McCarty y Prit condujeron a una aceptación común del
concepto de descomposición de la biomasa desde un punto ingenieril. La vida de las
bacterias tiene un tiempo determinado, después del cual, mueren. La muerte de las
mismas, o lisis, producen a su vez subproductos que se introducen en el ciclo de
biodegradación. Normalmente, la cinética de este proceso de desaparición de
microorganismos, se expresa de manera proporcional a la concentración de biomasa y a
un coeficiente de desaparición, o decaimiento endógeno, “��”:
l�asb
�D m��gj�������
= −��asb
→ VARIACIÓN NETA DE BIOMASA
La variación neta de la concentración de biomasa en el proceso, puede ser
expresada, en base al desarrollo anterior, como la suma de la velocidad de crecimiento
de los microorganismos menos la velocidad de disminución o decaimiento de los
mismos:
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Juan Martín Gómez
x�s�D z�ec� = x�s
�D z��e��j�e�c� + x�s�D z
��gj�������
x�s�D z�ec� = N��|
a#basb�� + a#b − ��asb
→ VELOCIDAD DE FORMACIÓN DE LOS PRODUCTOS
Las reacciones cinéticas que describen la formación de producto vía reacciones
bioquímicas son frecuentemente complejas. No obstante, para las fermentaciones en que
hay una relación entre la formación de producto y la utilización de sustrato, se puede
utilizar una expresión algo más simple. La cinética de formación del producto se asocia
a la de la biomasa del siguiente modo:
Ea�b = �� �⁄ Ea�b ��� �� uE �F D �� ℎ⁄ ) �� �⁄ ≡ v� D E �� E��������D �� �� �� ������� �� uE �F D v E��� �� é�F��� v E�����⁄ )
Si el coeficiente de rendimiento se considera constante en un determinado
intervalo de concentraciones, entonces, para dicho intervalo se cumplirá que:
a]b − a]nb = �� �⁄ �asb − asnb) En los casos en que no exista una relacion clara entre la formacion de productos
y de células, frecuentemente, es suficiente con expresar la velocidad de formacion del
producto mediante un modelo cinético de primer orden con respecto a la concentracion
de masa celular:
Ea�b = ���asb ��� �� uE �F D �� ℎ⁄ ) ��� ≡ _�� ���� �� v E�� � � �� uE �F D � �� ��� �� E� �����D �ℎTL)
En aquellos casos en que el producto se forma tanto en la fase de crecimiento
celular como en la fase estacionaria, la ecuación que rige la velocidad de formación de
producto presentará ambos términos anteriores:
Ea�b = �� j⁄ Ea�b + ���asb ��� �� uE �F D �� ℎ⁄ )
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Juan Martín Gómez
Como se puede observar, una vez realizado todo el desarrollo cinético del
proceso de biometanización llevado a cabo por parte de los microorganismos en el
interior de los digestores, resulta extremadamente complicado el diseño de los
digestores en base a la cinética de dichos microorganismos, a causa de la dependencia
del sustrato, el cual no es homogéneo en su composición a lo largo del tiempo.
Es por ello que en la práctica, y basándose en experiencias anteriores, hoy en día
resulta mucho más práctico diseñar los digestores en base a parámetros mucho más
sencillos como pueden ser la tasa de carga orgánica en el interior del digestor o el
tiempo de residencia hidráulico.
3.4 PRODUCTOS OBTEIDOS DE LA BIOMETAIZACIÓ
En el proceso de digestión anaerobia en el interior del digestor, se obtienen
principalmente dos productos finales: el biogás y el digesto.
→ Biogás: El biogás se considera como el producto principal por el cual se lleva a
cabo el proceso. Es una mezcla de gas producido por las bacterias metanogénicas y está
compuesto en su mayoría por metano (���), dióxido de carbono (�!") y trazas de otros gases como el nitrógeno (�"), ácido sulfhídrico (�"#), monóxido de carbono (�!) e
hidrógeno (�"). El biogás es incoloro, inflamable y quema con una llama azul.
Una composición típica de un biogás producido en una planta de
biometanización sería:
COMPOETES PORCETAJE (%)
METANO (���) 50-70%
DIÓXIDO DE CARBONO (�!") 30-50%
ÁCIDO SULFHÍDRICO (�"#) 0-8%
HIDRÓGENO (�") 0-2%
NITRÓGENO (�") 0-1%
MONÓXIDO DE CARBONO (�!) 0-1%
VAPOR DE AGUA (�"!) SATURADO
Tabla 14. Composición media del biogás producido a partir de RSU
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No todas las plantas de biometanización producen el biogás con la misma
composición, ya que esta dependerá de la materia prima que se alimente a los
digestores, y la configuración y condiciones de operación en las que se diseñe la planta.
El biogás contiene un alto porcentaje de metano (50-70%), por lo que es
susceptible de ser aprovechado energéticamente mediante su combustión en motores, en
turbinas o en calderas, o bien enriquecido en su componente principal, entre el 80-95%,
para su introducción en la red de gas natural.
Un metro cúbico de metano en condiciones normales tiene un poder calorífico
neto de 35800 �� ��⁄ , con lo que el biogás (60% ��� ) que se produzca tendrá un poder calorífico de aproximadamente 21480 �� ��⁄ . Para poder sacarle el rendimiento
deseado al biogás, debemos tratarlo previamente para que se enriquezca en metano y
eliminar el dióxido de carbono, así como otros gases y posibles partículas suspendidas
presentes en la mezcla.
El biogás extraído del digestor es llevado mediante compresores por una red de
tuberías hasta el interior de un gasómetro. Este es un depósito, donde el biogás
producido queda almacenado bajo una doble membrana presurizada a la presión de
diseño del mismo.
Gracias a la aportación de aire a través de una soplante situada fuera del
gasómetro, se consigue mantener el biogás del interior a una presión uniforme en la
membrana interior, entre el biogás proveniente de los digestores, y el que se demanda
por las instalaciones de reutilización o aprovechamiento de biogás.
El aire de apoyo aportado por la soplante es enviado a través de conducciones
(manguera) flexibles adosada a la membrana exterior, hacia la parte superior de esta
membrana, donde se encuentra situado el medidor de nivel de carga. La membrana
exterior, es una membrana de protección contra la intemperie y sus condiciones
meteorológicas desfavorables, así como de cámara de presurización.
Las membranas interior y exterior, así como la inferior, que es la que asienta
sobre el suero de hormigón, están fabricadas con tejidos protegidos contra los rayos
ultravioleta, anti fungicida y no inflamable. Son tejidos con unos elevados valores de
resistencia, que además están protegidos contra el ataque químico del biogás.
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Figura 24. Gasómetro esférico de membrana marca SATTLER
El anclaje perimetral, abrocha las tres membranas a la solera de hormigón, sobre
la que se asienta el gasómetro. Es bajo esta misma solera, donde se encuentran las
tuberías de entrada y salida de biogás.
Los gasómetros de doble membrana, suelen diseñarse con unas capacidades de
almacenamiento que varía entre los 100-2150 ��, con un diámetro esférico que ronda
los 6-17m, y se diseñan para presiones inferiores a 0,1 �� �"⁄ .
Cuando en la planta de biometanización se produce un exceso en la producción
de biogás y los sistemas de almacenamiento ya están completos, para que no se
produzca algún tipo de emisiones indeseadas, ni se corra ningún tipo de riesgo para la
salud o riesgo medioambiental, en la instalación se coloca una antorcha.
De manera general, las antorchas se diseñan para trabajar en condiciones
adversas, como pueden ser la lluvia o el viento. El diseño, funcionamiento, y
mantenimiento apropiados de los sistemas de emergencia de las antorchas, son
extremadamente importantes, ya que son un elemento de seguridad para el personal de
la planta y la comunidad circundante.
Figura 25. Antorcha vertical de Seguridad
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82
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Existen multitud de modelos, pero las más comunes son las antorchar verticales,
en las que el cuerpo principal de la antorcha se fabrica de acero inoxidable. Entre otras
de las partes principales de las que se componen las antorchas, cabe destacar son: el
quemador, un separador de condensados, dispositivos de parada y emergencia…
El proceso de depuración/tratamiento al que se someta al biogás generado,
dependerá del uso que se le vaya a dar a este. A continuación se muestra un esquema
con los tratamientos necesarios dependiendo de su uso:
Figura 26. Depuración del biogás en función de su uso (Xavier Elías Castells, 2005)
La eliminación de partículas, se consigue mediante trampas de agua o filtros.
Una vez eliminadas las posibles partículas, se hace pasar al biogás por una serie de
condensadores para eliminar el vapor de agua que contenga. Posteriormente se procede
a la desulfuración del biogás, para evitar el deterioro de motores e instalaciones. Alguno
de los métodos de desulfuración son: desulfuración biológica, columnas de adsorción,
adición de compuestos férricos (cloruro de hierro u oxido de hierro)…
Y si lo que se quiere es vender el biogás o introducirlo a la red de gas natural, se
ha de enriquecer el gas en metano, eliminando el dióxido de carbono. Ello se puede
conseguir mediante filtros moleculares, filtros de membrana o adición yeso, que fija el
�!", dando lugar a la formación de carbonato cálcico.
BIOGÁS
CALDERA DE GAS TURBINA DE GAS
MOTOR DE GAS
RED DE GAS NATURAL TRANSPORTE EXTERIOR
FILTRADO ELIMINACIÓN DE PARTÍCULAS DESHIDRATACIÓN
LIMPIEZA ELIMINACIÓN DE �"#
CONCENTRACIÓN ELIMINACIÓN DE �!"
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→ Digesto: El digesto o fangos extraidos tras la digestion anaerobia, es un
subproducto residual del proceso, resultado de la fermentación que en ellos tienen lugar.
Está compuesto por una mezcla de agua, productos minerales (N, K, P, Ca, etc.) y
compuestos sólidos de difícil degradación.
Es un subproducto de composición homogénea, en el que los malos olores se
han reducido prácticamente en su totalidad tras el proceso de digestión anaerobia, y que
contiene casi todos los nutrientes que contenía la materia orgánica inicial, pero con una
concentración de sólidos volátiles de entre un 40-60% inferior a la de la alimentación.
La composición del digesto varía en función de la materia prima que se
alimente al proceso de biometanización, pero en promedio, un análisis en base seca del
mismo, arroja los siguientes resultados:
PARÁMETRO VALOR
pH 7,5
MATERIA ORGÁNICA 85%
NITRÓGENO 2,6%
FÓSFORO 1,5%
POTASIO 1,0%
Tabla 15. Composición media del digesto
El digesto es extraído de los digestores mediante bombas y conducciones, y
transportados a un tanque intermedio, con un agitador incorporado para evitar la
sedimentación de los sólidos, donde se almacenan para ser posteriormente procesados
para su aprovechamiento. Dependiendo del tipo de sistema de digestión anaerobia con
el que se trabaje, partes del digesto, podrán ser recirculados al digestor o almacenados
para su tratamiento.
El tipo de tratamiento al que se somete es una separación sólido-líquido,
mediante una centrífuga, que separará por un lado una torta de sólidos con un contenido
mínimo de humedad y que serán destinados a compostaje, y por otro lado se obtiene una
corriente de agua de proceso sin sólidos, que parte se reintroduce al proceso en los
pulpers para diluir la materia orgánica, y la otra parte, tendrá que ser enviada a la
estación de aguas residuales (EDAR) de la planta para ser tratada y poder ser reutilizada
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84
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(inodoros, torres de refrigeración…) o para que cumpla con las especificaciones legales
oportunas para ser vertida.
Debido a su riqueza orgánica y a sus componentes de alto valor nutritivo, el
abono resultante del compostaje será otra fuente más de ingresos de la planta. Dicho
fertilizante será rico en nitrógeno, y que requerirá según la tipología del mismo y las
necesidades del consumidor, de la adición de otros elementos como fósforo y/o potasio.
3.5 LIMITACIOES OPERACIOALES Y COTROL DEL PROCESO
El proceso de digestión anaerobia de los residuos orgánicos que la sociedad
genera, produce multitud de beneficios con respecto a otras técnicas de valorización
como pueden ser la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero al utilizar
el biogás como combustible alternativo, el residuo que se genera es casi inodoro y sale
totalmente estabilizado, el subproducto conserva los nutrientes necesarios para ser
comercializado como abono natural, etc.
Pero a su vez, el proceso también lleva asociado una serie de inconvenientes o
dificultades tales como que los equipos necesarios son grandes y algo caros, que ciertos
diseños están aún en fase experimental, que es un proceso que necesita del aporte de
energía calorífica ya que no genera calor, y el más importante de todos, que la
biometanización es un proceso muy sensible a los cambios de temperatura, pH,
velocidad de carga y variación en la composición del sustrato alimentado.
Tal y como se ha venido desarrollando hasta este punto, la digestión anaerobia
depende de las interacciones de varios tipos de microorganismos que coexisten dentro
del digestor manteniendo cierto equilibrio, aspecto importante para prevenir fallos en el
proceso.
Es por todo ello, por lo que el control sobre los procesos de biometanización es
totalmente necesario, tanto para poder asegurar el correcto funcionamiento del proceso,
como para asegurar la máxima producción de biogás.
Para que el proceso de digestión se desarrolle de manera correcta y se obtenga el
resultado esperado, hay que llevar a cabo un control y análisis de manera regular de
determinados parámetros, los cuales pueden ser monitoreados midiendo la conversión
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del sustrato a la entrada y a la salida del digestor, analizando periódicamente la
evolución del sustrato del interior del digestor, la producción de biogás, así como la
actividad de los microorganismos en el interior del digestor.
Entre los parámetros a controlar, destacan:
→ Sustrato a la entrada: cantidad y composición.
→ Sustrato del interior del digestor:
→ pH y Alcalinidad (Relación FOS/TAC)
→ Sólidos Totales y Sólidos Orgánicos Totales
→ Ácidos Grasos Volátiles (AGV)
→ Actividad metanogénica específica (AME)
→ Temperatura
→ Producción de biogás: cantidad y composición
La opción más eficiente aunque no la más económica, es la de monitorización
“online” de todos los parámetros, aunque la inversión y mantenimiento de los equipos
es algo costoso. Por ello, también existe la posibilidad de realizar periódicamente
análisis de laboratorio del sustrato del digestor.
→ Sustrato a la Entrada
El sustrato que introducimos al digestor, junto con el biogás que se produce, nos
permite medir el rendimiento del proceso, expresado en metros cúbicos de gas por
tonelada de material utilizado��� D⁄ ). Como se ha comentado, cada sustrato tiene un potencial máximo de producción
de biogás. En el caso de los residuos sólidos urbanos, dicho potencial no suele
mantenerse constante, ya que la composición de los mismos varía. Es por ello, que las
etapas previas de pretratamiento y homogenización, se lleven a cabo de manera
minuciosa.
→ pH y Alcalinidad (Relación FOS/TAC)
El pH es un parámetro normalmente fácil de medir, ya sea en el laboratorio o en
tiempo real mediante electrodos, los cuales registrarán los datos y los enviarán a una
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base de datos, para su posterior visualización. La frecuencia con la que se debe realizar
la toma de muestra de pH del interior del digestor es al menos dos o tres veces al día.
Si nuestro sistema tiene una alta capacidad tampón, el pH será un parámetro
relativamente poco fiable, debido a que las variaciones del mismo se producirán días
después de que tanto la alcalinidad como los AGV hayan cambiado. Por el contrario, en
digestores donde la capacidad tampón es baja, será un indicador del proceso muy
efectivo.
La alcalinidad es una medida de la capacidad tampón del medio, y en relación
con el pH, supone una alternativa más favorable para detectar la posible acumulación de
AGV en el digestor. Puede determinarse mediante análisis en el laboratorio, y para
poder asegurar un correcto funcionamiento del digestor debe mantenerse por encima de
2.500 �� y⁄ .
La alcalinidad parcial o alcalinidad del bicarbonato, guarda una correlación
empírica con los AGV. Para poder determinar dicha relación, se desarrolló el
denominado análisis de FOS/TAC, es decir la relación entre los ácidos orgánicos
volátiles medidos en �� á . � éD� y⁄ , y el carbonato orgánico total medido en
�� ���!� y⁄ . La frecuencia con que dicho análisis debe realizarse, es de al menos una
vez por semana.
El análisis en sí, nos determina el cociente entre la concentración acida y la
capacidad compensadora del sustrato de fermentación. Una relación inaceptable de
FOS/TAC es normalmente la primera alerta de un fallo en el proceso. Los valores
óptimos para dicho valor son entre 0.1 y 0.2, aunque se acepta hasta 0.5, corriendo el
riesgo de que se produzca la acidificación y consecuente fallo del sistema.
Una empresa alemana, proporciona unos valores empíricos, así como una serie
de reglas para la evaluación de las relaciones FOS/TAC:
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Relación FOS/TAC Antecedentes Medidas
>0.6 Excesiva sobrealimentación de biomasa Interrumpir la entrada de biomasa
0.5-0.6 Excesiva entrada de biomasa Agregar menos biomasa
0.4-0.5 La planta está cargada Precaución
0.3-0.4 Producción máxima de biogás Mantener la entrada constate
0.2-0.3 La entrada de biomasa es baja Aumentar lentamente la entrada
< 0.2 Apenas está entrando biomasa Aumentar la rápidamente la entrada
Tabla 16. Valores empíricos y reglas para la evaluación de las relaciones
FOS/TAC (Deula-ienburg)
→ Ácidos Grasos Volátiles (AGV)
Los ácidos grasos volátiles, productos intermedios mayoritarios del proceso
anaerobio, siendo el acetato el mayor precursor de la producción del metano en el
proceso. Este es uno de los parámetros que más eficazmente pueden indicar la evolución
del proceso, y es uno de los más utilizados en los sistemas de control debido a su rápida
respuesta ante variaciones del sistema.
Un ejemplo de ello, es la acumulación de ácidos grasos volátiles que tiene lugar
en el sistema cuando la velocidad de degradación de estos, por parte de las bacterias
responsables, disminuye por alguna causa adversa. Por tanto, un aumento en la
concentración de ácidos volátiles en el sistema, siempre significa una desestabilización
del proceso y, en consecuencia, una disminución de la producción de biogás.
Los AGV pueden ser determinados en su conjunto mediante valorización o
componente a componente mediante cromatografía de gas o cromatografía liquida de
alta presión (cuyas siglas en inglés son HPLC). Dicho análisis de los AGV se debe
llevar a cabo diariamente debido a su gran importancia.
El rango de valores aceptables para los AGV puede medirse como la relación de
ácido acético y ácido propiónico, siendo esta 2:1, o como acumulación de ácido acético,
con un valor máximo aceptable de 1.600 �� y⁄ (Hölker, 2010).
→ Actividad metanogénica específica (AME)
En el tratamiento biológico anaerobio, la actividad metanogénica específica (AME)
es una herramienta que se utiliza para determinar la capacidad de asimilación que tienen
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las bacterias metanogénicas para producir biogás, permitiendo clasificar el potencial de
la biomasa para convertir el sustrato en metano.
El conocimiento de la AME de un sustrato, permite establecer la capacidad de
asimilación de la DQO, con lo que podemos estimar la carga orgánica máxima que se
puede alimentar a un digestor, sin que este se desestabilice. Del mismo modo, también
permite determinar la concentración mínima de biomasa requerida en el digestor para
garantizar la reducción de la carga orgánica alimentada.
→ Temperatura
La temperatura es un parámetro que se debe medir en continuo, ya que sus
variaciones afectan significativamente a la actividad microbiana y la calidad del biogás
que se obtiene. Para poder medir la temperatura, simplemente se instalan en los pulpers
y en el digestor sensores cuyas medidas se almacenarán y visualizarán mediante
software informáticos.
→ Cantidad y Calidad del Biogás
La calidad y cantidad de biogás debe ser medida, al igual que la temperatura, de
manera continua mediante analizadores de biogás por infrarrojos que determinan la
composición de metano ����) y de dióxido de carbono ��!"). Los valores aceptables de metano en el biogás son habitualmente superiores al
50%, ya que este valor garantiza un funcionamiento continuo y eficiente de las unidades
de cogeneración (Wolf et al., 2009). La cantidad de biogás producido es una medida
inmediata de cambios en el proceso biológico y puede ser medido mediante medidores
de gas.
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4. DISEÑO BÁSICO DE UA LÍEA DE TRATAMIETO
4.1 ITRODUCCIÓ
En este apartado del proyecto, se tratará de definir la ingeniería básica de una
línea de tratamiento de residuos orgánicos para poder llevar a cabo el proceso de
biometanización de manera satisfactoria. Es decir, se hará la elección de una
configuración dentro de las diferentes alternativas que existen en cuanto a la digestión
anaerobia, se realizará un balance de materia y energía de la planta, y por último se
abordara el diseño de alguno de los principales equipos presentes en el proceso.
Lo primero que ha de hacerse, es definir el tipo de residuos que la planta va a
tratar, teniendo en cuenta las diferentes propiedades y características de los mismos. En
principio la línea estará diseñada para tratar tanto la fracción orgánica de los residuos
urbanos (domiciliarios y comerciales) mezclados, como los residuos orgánicos
recogidos de manera selectiva. En ambos casos, a los residuos se les someterá a la
totalidad del proceso, es decir, un pre tratamiento mecánico con el fin de eliminar
posibles impurezas e interferencias que dificulten el proceso, el posterior
acondicionamiento previo a la entrada en los digestores, y el proceso anaeróbico de
biometanización.
La línea de tratamiento en estudio, se va a definir para tratar la fracción orgánica
procedente de la recogida de residuos orgánicos, así como la fracción orgánica de la
recogida de residuos mezclados, que una vez clasificada en la planta, se unirá a la
anterior en el foso de recepción de residuos orgánicos.
Los residuos urbanos y comerciales recogidos selectivamente, procedentes de
restos de poda y jardinería, se trataran de forma separada, ya que aún siendo materiales
orgánicos, poseen un alto contenido de lignina, componente que es perjudicial para el
proceso de digestión anaerobia ya que ralentiza mucho la operación, y no permite
obtener buenos rendimientos. Es por ello, que tras un paso previo de trituración, se
usaran estos residuos en la etapa de compostaje, o fermentación aerobia.
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4.2 DEFIICIÓ Y JUSTIFICACIÓ DEL PROCESO
En base a todo el desarrollo teórico expuesto con anterioridad, y una vez
definidos los residuos que se van a tratar, la planta se diseñará para tratar dichos
residuos orgánicos en un esquema de una sola etapa, en régimen de operación mesófilo
y en reactores tipo batch de mezcla perfecta que trabajen de forma continua y por vía
húmeda.
CRITERIO PROCESO
Concentración de sustrato Vía Húmeda
Temperatura de operación Mesófilo
Número de etapas Una etapa
Régimen de alimentación Continuo
Método de agitación Reinyección de biogás
Configuración espacial Mezcla Perfecta
Tabla 17. Definición de criterios para el diseño del proceso
→ Proceso en una sola etapa:
La biometanización pone en juego varias reacciones microbianas sucesivas que
requieren un medio exento de oxígeno para poder obtener un rendimiento óptimo. Es
por ello, y para favorecer que dichas condiciones anaerobias se mantengan, que la
totalidad del proceso se desarrolle en un único reactor.
Las ventajas sobre los procesos de etapas múltiples, serian:
• En los procesos de múltiples etapas, una parte de la materia orgánica se consume
necesariamente durante la fermentación previa, antes de la biometanzación.
Existe por tanto una pérdida de parte del potencial de producción de biogás.
• Esta fermentación previa genera ácidos orgánicos, responsables de los malos
olores, que se producirían fuera del digestor. En el caso de los sistemas de una
única etapa, la materia orgánica se alimenta directamente al digestor,
perfectamente estanco.
• La mayor de las ventajas frente a los sistemas que cuentan con varias etapas
(digestores), es la sencillez del proceso, reduciéndose al mínimo las
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transferencias mecánicas, y sin verse alterada la cantidad o calidad del biogás
producido.
→ Por vía húmeda:
Los procesos por vía húmeda, se caracterizan por que el contenido en materia
orgánica seca de la línea de alimentación al digestor es del orden del 5-20%. En este
caso, la planta se diseñará para que trabaje por vía húmeda con una concentración de
sólidos del 15%.
Aunque es verdad que utilizando este tipo de vía, se requerirá un mayor caudal
de agua para poder diluir la línea de alimentación, con los posteriores costes de
depuración, pero la técnica es más conocida, y los equipos que en ella se emplean son
más simples y más baratos que en los procesos por vía seca.
Al final del proceso, ya sea por vía húmeda o vía seca, los rendimientos en la
obtención de biogás, así como los tiempos de retención en los digestores, no difieren
demasiado de una técnica a otra.
→ Régimen de alimentación continuo:
El sistema de operación más idóneo, será el que opera en de manera continua, es
decir, una vez que se finalice la puesta en marcha, el digestor trabajará 24h al día
durante varios años, tras los cuales se hará una parada para proceder con las operaciones
de mantenimiento oportunas.
La gran ventaja frente a los sistemas que operan en discontinuo, es decir, por
lotes (se carga el digestor, se produce el proceso bioquímico y se descarga para poder
comenzar un nuevo proceso), es que solo ha de pasar una vez por la etapa más crítica
del proceso, que es la puesta en marcha del mismo, a parte que operando de manera
continua, nos aseguramos la producción constante de biogás con un único digestor,
mientras que de la otra manera, harían falta más de uno para cuando uno estuviera
parado otro estuviera en funcionamiento.
Cabe señalar que con este tipo de operación, toma una mayor importancia el
control sobre la alimentación y parámetros operacionales del sistema, ya que
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constantemente estará entrando material al digestor, produciéndose biogás, y saliendo
material orgánico ya digerido.
Se contará también con un depósito pulmón de almacenamiento de material
orgánico ya diluido y listo para ser digerido (papilla orgánica ya acondicionada), para
que los días en que la planta no esté en funcionamiento, la alimentación al digestor esté
asegurada.
→ Digestores mezcla perfecta:
El tipo de digestor elegido, serán digestores cilíndricos de mezcla perfecta o tipo
batch, en los que gracias a los mecanismos de agitación elegidos, el material en el
interior, se encontrará en todo momento correctamente homogenizado.
Los digestores serán cilíndricos, con una pequeña inclinación en la base para que
puedan extraerse, mediante un sistema de válvulas estancas, los posibles materiales
inertes (piedras, arenas, elementos pesados…) que no hayan sido eliminados
previamente y puedan sedimentar en el interior del digestor. De la misma manera,
contarán con una entrada de material, y dos salidas de digesto (para prever posibles
obstrucciones) en la base de los digestores, así como conducciones para la extracción
del biogás y reinyección del mismo, en la parte superior de estos.
→ Régimen de temperaturas mesófilo:
Otro de los factores importantes a la hora de definir o diseñar el proceso de
biometanización, es el de la temperatura de operación. Como ya se ha mencionado en
apartados anteriores, existen varios tipos de sistemas en función de la temperatura,
aunque los más implantados hoy en día industrialmente son el mesófilo (25-45ºC) y el
termófilo (45-65ºC).
Dado que la planta va a operar por vía húmeda y de manera continuada sin
ningún tipo de parada, y teniendo que tener mucha precaución con los parámetros
operacionales para evitar inhibiciones en el digestor o paradas innecesarias, el sistema
trabajará en régimen mesófilo, con una temperatura de operación de 37ºC.
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A diferencia del régimen mesófilo, los sistemas que operan en el rango de
temperaturas termófilo, a pesar de proporcionar una mayor velocidad del proceso,
suelen ser sistemas más inestables a cualquier cambio de condiciones de operación y a
su vez, suelen presentar con mayor frecuencia, problemas de inhibición del proceso por
la mayor toxicidad de determinados compuestos a temperaturas elevadas.
La temperatura se aporta a la alimentación justo antes de su entrada en los
digestores mediante un intercambiador de calor tipo carcasa/tubo, quedando fijada en
los 37ºC. Dicho calor, es suministrado por el circuito de refrigeración de los
transformadores de biogás en energía eléctrica (motogeneradores), o en caso de que no
esté en funcionamiento, se dispondrá de una caldera auxiliar que trabaja con
combustible fósil tradicional.
→ Sistema de agitación neumática (reintroducción de biogás producido):
Para asegurar un rendimiento optimo de la degradación durante su estancia en el
interior del digestor, la materia orgánica dentro del mismo debe ser homogeneizada
cuasi constantemente. El medio en el interior del digestor resulta particularmente
abrasivo debido a su contenido en elementos inertes finos y por tanto un sistema
mecánico de mezcla en estas condiciones estría sometido a exigencias de desgastes
importantes.
El sistema de agitación neumática, consiste en reintroducir nuevamente en el
digestor parte del biogás producido, inyectándolo a presión. Los inyectores estarán
repartidos de manera homogénea, para que la masa del interior del digestor este perfecta
y regularmente homogeneizada, evitando posibles sedimentaciones en el interior del
digestor. El biogás utilizado en la agitación se recircula en circuito cerrado, y las
inyectores funcionan con secuencias de agitación que se realizan cada 5 minutos.
La gran ventaja de la inyección de biogás frente a cualquier sistema de mezcla
mecánica, es la de que evitamos tener que abrir el reactor para cualquier tipo de
mantenimiento del mecanismo.
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4.3 DISEÑO DE LOS PRICIPALES EQUIPOS IVOLUCRADOS
4.3.1 ITRODUCCIÓ
La línea será diseñada para poder asumir la gestión de los residuos de una
población dada, en este caso, se propone como población a tratar un total de 650000
habitantes. Según los últimos datos proporcionados por el Instituto Nacional de
Estadística (INE), recogidos en la encuesta sobre la recogida y tratamiento de residuos,
en Andalucía en el año 2011, se generaron 554 kg por habitante y año, lo que nos arroja
que la generación fue de 1.52 �� ℎ�� ∗ �í�⁄ .
En función de los datos facilitados por el INE, dicha población generará un total
de 360600 � �ñ ⁄ . Teniendo en cuenta que el 44% de los residuos que se generan son
compuestos de material orgánico, estos sumarán 158700 � �ñ ⁄ que la población en
estudio generará.
Se supone que dicha población, contribuye con el reciclaje y practica la filosofía
de separación en origen de la fracción orgánica y que se disponen de los métodos de
recogida apropiados, con lo que se puede estimar que del total de los residuos orgánicos
que se generan, aproximadamente el 20% ( según “Decreto 73/2012 Reglamento de
Residuos de Andalucía”) de los mismos, serán separados en origen y recogidos de
manera selectiva, con lo que nos queda que la cantidad de residuos orgánicos recogidos
selectivamente en dicha población serían 31735 � �ñ ⁄ . Suponiendo un 15 % de
impropios, a la planta llegarán un total de 36500 � �ñ ⁄ procedentes de la recogida
selectiva de orgánicos.
Número de Habitantes 650000 hab
Total de Residuos Orgánicos Generados 158700 � �ñ ⁄
Residuos Orgánicos Mezclados 126965 � �ñ ⁄
Residuos Orgánicos Recogida Selectiva 31735 � �ñ ⁄
Tabla 18. Cifras de generación y recogida de residuos orgánicos
Como se puede observar en la tabla anterior y quitando los que son recogidos de
manera selectiva, queda otro 80% de los residuos orgánicos generados que suman un
total de 126935 � �ñ ⁄ . Dichos residuos serán recogidos de manera tradicional y
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mezclados con el resto de residuos serán enviados a las plantas de selección y
clasificación. Una vez que los residuos sean procesados en dicha planta,
aproximadamente el 70% de los residuos orgánicos serán recuperados y pasaran a la
línea de tratamiento de residuos orgánicos por digestión anaerobia, resultando unas
88850 � �ñ ⁄ . Se ha considerado que los residuos orgánicos procedentes de la planta
de selección tienen un 25 % de impropios, por lo que procedentes de la planta de
selección entrarán 111080 � �ñ ⁄ .
Al final, la línea de digestión anaerobia se encargará de gestionar la suma de las
dos corrientes, un total de 147550 � �ñ ⁄ . El diseño se realizará para que la línea
funcione en 2 turnos al día de 7 horas cada uno, sumando 14 horas/día (7:00-14:00h y
14:00-21:00h), durante 365 días/año. Con ello, la línea diseñada tendrá una capacidad
de tratamiento 404 � �í� ⁄ , o lo que es lo mismo 28.9 � ℎ ⁄ . Se optará por un
caudal nominal de línea de 30 � ℎ ⁄ .
4.3.2 RECEPCIÓ ALMACEAMIETO Y PRETRATAMIETO SECO
Una vez los camiones lleguen a la planta con los residuos orgánicos recogidos
selectivamente, serán pesados en básculas, para controlar la cantidad de residuos
entrantes en la misma, y pasaran al foso de descarga de residuos orgánicos. El foso de
descarga debe tener una capacidad tal, para almacenar los residuos que lleguen de la
recogida selectiva más los que vengan de la planta de clasificación y reciclado. El foso
se diseña para que tenga una capacidad de almacenamiento de 2 días de trabajo, y
teniendo en cuenta que la densidad de los residuos de materia orgánica es
0,6 � �� ⁄ (según datos facilitados por el MAGRAMA):
r��g� = 404 ���� ∗ 2����0,6 ���
= 1350��
Se dispondrá pues de un foso rectangular de dimensiones 20 x 12 x 6 m, o lo que
es lo mismo, un volumen de almacenamiento útil de 1440 ��, equivalente a un periodo total de almacenamiento de 2,15 días. El foso tiene una capacidad para que en el
momento de mayor actividad, sean capaces de descargar 5 camiones al mismo tiempo.
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También situado en el recinto del foso de descarga, se ubica un puente grúa con
una longitud de 12 m, equipado con un pulpo electrohidráulico, que será el responsable
de alimentar los residuos a la línea de tratamiento. En cada palada, el pulpo tiene una
capacidad de 6 ��.
El primer equipo de pretratamiento seco con el que cuenta la línea es un tromel
con una luz de malla ∅ = 50 ��, cuya función es cribar el residuo, separando y
eliminando de este los posibles inertes o restos de otros materiales que hayan podido
venir acompañando a los residuos recogidos.
La entrada de los residuos al tromel se lleva a cabo desde el foso de descarga
mediante el alimentador de palas, el cual se diseña de manera que el flujo de residuos
alimentados al tromel sea de 30 � ℎ ⁄ , o teniendo en cuenta la densidad de los mismos:
��F��� = 30 � ℎ ⁄0,60 � ��⁄ = 50 �� ℎ⁄
El tromel elegido para la operación de cribado es el modelo TR 2,1/7/9 del
fabricante MASIAS RECYCLING, el cual tiene las siguientes características:
Capacidad Hasta 70 �� ℎ⁄
Potencia 15 kW
Diámetro 2.100 mm
Longitud Criba 7.000 mm
Longitud Total 9.000 mm
Tabla 19. TR 2,1/7/9 MASIAS RECYCLIG
Los residuos que atraviesen la luz de malla de ∅ = 50 �� impuesta en el
tromel, caen sobre tolva que alimenta a una cinta situada bajo el mismo. Estos
representan un 70% de los alimentados (21 � ℎ ⁄ ), mientras que el resto de residuos
que salen del tromel (9 � ℎ ⁄ ), serán conducidos mediante un sistema de cintas
transportadoras a la planta de separación y reciclaje anexa, para su correspondiente
gestión.
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En el recorrido de esa cinta hacia la etapa de pretratamiento húmedo, se lleva a
cabo la eliminación de los elementos magnéticos de manera automática gracias a un
electroimán u overband electromagnético. Este equipo se sitúa sobre la cinta
transportadora de manera cruzada a una distancia de unos 40 cm.
Los elementos férricos recuperados (aproximadamente el 2%, dando un caudal
de 10,08 � �í�⁄ ) serán dirigidos mediante otra cinta transportadora hacia el respectivo
contenedor para que sean almacenados y procesados de manera adecuada.
4.3.3 PRETRATAMIETO HÚMEDO
Una vez se ha cribado la línea de material orgánico en el tromel, exenta de
materiales metálicos tras su paso por el overband electromagnético y con una
granulometría inferior a 50 mm, la línea pasa a lo que se denomina pretratamiento
húmedo. Su principal objetivo es el de terminar de adecuar los residuos orgánicos para
su degradación anaerobia, y está compuesto por los pulpers, una trampa de arena y un
intercambiador de calor para aumentar la temperatura de la línea hasta la temperatura de
operación del digestor.
Una vez la línea de fracción orgánica ha pasado el overband, esta es conducida
mediante cinta transportadora hasta la etapa de pretratamiento húmedo, encontrándose
en primer lugar con un depósitos pulmón de almacenamiento previo a los pulpers, cuya
función es la de asegurar la alimentación continua de material al proceso.
Teniendo en cuenta que por dicha línea llegan aproximadamente 21 � ℎ ⁄ de
residuos, el depósito tendrá capacidad para almacenar 3 horas de trabajo, o lo que es lo
mismo 63 � ℎ ⁄ . En la parte inferior del depósito, hay una tolva equipada con un
sistema de pesaje automático para tener controlada la cantidad de residuos, que por
gravedad, se introducen en los pulpers para su dilución y posterior digestión.
Los residuos, son cargados en los pulpers mediante un alimentador y un sistema
de distribución situado en la parte superior que lo destina al pulper correspondiente.
Teniendo en cuenta que la línea que llega es de exactamente 20,58 � ℎ ⁄ , con una
concentración de MS del 40%, para conseguir obtener la línea de alimentación con la
concentración de MS deseada del 15%, se ha calculado que la corriente de agua a
introducir será de 37,83 � ℎ ⁄ , con un contenido de MS del 1,4%, procedente del
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tanque de agua a recircular (mezcla de agua de proceso “semi-tratada” y agua limpia
introducida de la red de agua).
Figura 27. Esquema Pulpers
Con todo ello, el sistema de pulpers debe de ser capaz de gestionar un total de
58,41 �� ℎ ⁄ (t/h) de residuos diluidos. De este modo y atendiendo a los números
obtenidos, la línea de tratamiento dispondrá de dos pulpers de 15 �� cada uno y que trabajaran de manera alterna.
Los pulpers trabajan por ciclos de manera discontinua o lotes. Desde que
comienza a cargarse con residuos y agua, transcurren 5 minutos hasta que termina de
llenarse y comienza la homogeneización de la mezcla la cual también dura unos 5
minutos. Una vez transcurrido ese tiempo, comienza la descarga, la cual tarda lo mismo
que las dos etapas anteriores, 5 minutos. Una vez la descarga ha finalizado, el quipo se
somete a una limpieza interior para evitar que queden restos que puedan haberse
depositado, y se realiza con agua de proceso que se recircula llenando los equipos al
80% de su capacidad total, consumiendo 12 �� de agua de recirculación en cada lavado. Contando con el tiempo de limpieza, que dura 5 minutos, el total del ciclo
completo de cada uno de los pulpers es de 20 minutos.
Resumiendo, se dispone de dos pulpers, de 15 �� de capacidad útil cada uno, y que trabajan de forma alterna en ciclos de 20 minutos. En el momento en que el primer
pulper comienza a descargar la solución ya homogeneizada, el segundo comienza a
llenarse. De esta manera, en una hora entre los dos equipos se llevan a cabo 5 ciclos
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completos, diluyendo un total de 20,58 � ℎ ⁄ de residuos y 37,83 �� ℎ ⁄ de agua
procedente del tanque de recirculación.
MIUTOS ALTERACIA DE LOS PULPERS 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Tabla 20. Alternancia de trabajo de los pulpers
En cada ciclo, cada pulper introducirá 4,11 � procedentes del depósito de pulmón de almacenamiento de residuos orgánicos y 7,56 � del tanque de agua de proceso, evacuando en cada caso 11,67 �� de solución ya homogeneizada y con una
concentración de MS del 15%.
Estos equipos están provistos de un agitador especial en forma de hélice, que
provoca la ruptura de la materia orgánica de fácil degradación y a la misma vez separa
por el fondo los posibles impropios que hayan podido llegas hasta esta fase del proceso
como pudieran ser: huesos, plásticos, textiles, etc.; facilitando de este modo la
accesibilidad de los microorganismos durante el proceso de digestión anaerobia.
En los pulpers es donde se produce la dilución de los residuos para alcanzar el
grado de mezcla residuo-agua deseado. Una vez el sistema de alimentación pesa y vierte
los residuos en el interior del pulper, un sistema de control centralizado calcula
automáticamente la cantidad de agua que debe introducir mediante un sistema de
bombas desde el tanque de almacenamiento de agua para recircular, para que pueda
alcanzarse la concentración de materia orgánica deseada. El sistema de alimentación de
agua, también se encuentra en la parte superior del equipo.
Esta agua es agua de proceso que se reintroduce nuevamente, aunque no se
puede utilizar en su totalidad, ya que el agua que se recircula no está totalmente
depurada y en ella están presentes ciertos compuestos que pueden resultar inhibidores
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para el proceso de biometanización, como pueden ser los nitratos. Es por ello parte del
agua debe ser “agua nueva”, es decir, procedente de la red de abastecimiento de aguas.
Contabilizando los caudales de aguas, en la práctica, del total de agua que se
recircula (529,5 �� �í� ⁄ ), casi un 35% (184,5 �� �í� ⁄ ) es agua limpia que procede de
la red abastecimiento de agua y el 65% restante (345 �� �í� ⁄ ) del agua que se
almacena en el tanque de agua de proceso procedente de la centrifugadora de final de
línea.
En la parte inferior de cada pulper, se sitúa un sistema de extracción de los
posibles residuos pesados que puedan decantar y acumularse por gravedad en el fondo
de los de estos equipos. Este sistema está integrado por un tornillo de extracción que
vierte los pesados sobre una cinta transportadora que traslada esos residuos pesados
extraídos a un contenedor de rechazos.
Cuando la mezcla ha completado el ciclo de homogeneización en el interior de
los pulpers, se descarga por la parte inferior de los mismos, y por gravedad sin
necesidad de bombas de impulsión y mediante un sistema de conducciones van a parar
al siguiente equipo del pretratamiento húmedo, una trampa de arenas.
Dicho equipo es el encargado de la eliminación de impropios que puedan seguir
aún en la papilla orgánica ya homogeneizada. Este equipo comúnmente llamado trampa
de arenas, se compone en realidad de dos equipos: un tambor de filtración y un
sedimentador. En el primero quedaran retenidos los posibles residuos sólidos de un
tamaño mayor a los 30 mm, cuenta con un tornillo sin fin, encargado de eliminar dichos
residuos y enviarlos al contenedor de rechazos.
Figura 28. Esquema Trampa de Arenas
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Por otro lado, el sedimentador, se encarga de eliminar aquellas partículas
pesadas, que también son eliminadas por un sinfín situado en el fondo del sedimentador,
y las posibles espumas o grasas que se acumulan en la superficie, así como las
partículas flotantes, que también son eliminadas mediante un sistema de palas y
enviadas al contenedor de rechazos.
Este equipo se diseña para tratar el caudal de salida de los pulpers, es decir, se
alimenta con un caudal de 58,41 �� ℎ ⁄ . Se calcula que entre los residuos en el fondo de
los pulpers y los de la trampa de arena, se elimina un 8 % de sólidos de la línea, que a lo
largo de un día de trabajo suman unas 9,81 � �í� ⁄ , que se reúnen en el contenedor de
rechazos todos juntos para su correcta gestión. Dicha papilla, ya solución líquida, tiene
una densidad del orden de 1050 kg/m3, por lo que por simplicidad tomaremos su
densidad igual a la del agua líquida (1000 �� ��⁄ ) con lo que el caudal que pasará a la fase de digestión anaerobia será de 57,7 �� ℎ ⁄ .
Una vez, se da por concluido el proceso de pretratamiento húmedo, la solución o
“papilla orgánica”, es conducida hacia un depósito pulmón de almacenamiento antes de
su entrada en los digestores.
Dicho depósito hace posible la alimentación continua a los digestores (puesto
que los pulpers trabajan por ciclos), y de esta manera las condiciones de funcionamiento
son lo más estables posibles, las variaciones de carga orgánica son menores, se reducen
las oscilaciones de nivel en el interior del digestor por una posible falta de alimentación
y además, la calidad y producción del biogás se homogeneíza.
Este depósito pulmón se diseña para que sea capaz de almacenar el equivalente
a 10 horas de trabajo, que es el tiempo que deja la planta de funcionar por la noche.
Teniendo en cuenta que durante las 14 horas de funcionamiento de la línea de
pretratamiento, el tanque recibe 57,7 �� ℎ ⁄ , y que de él salen 33,64 �� ℎ ⁄ para
alimentar los digestores (8,41 �� ℎ ⁄ cada uno), cada hora de trabajo de la línea se
acumulan 24,05 �� ℎ ⁄ . Al final del día, el total acumulado será de 336,4 �� ℎ ⁄ , lo
suficiente como para que el digestor se siga alimentando durante las 10h del día en que
la línea no trabaja.
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102
Juan Martín Gómez
Con todo ello, el depósito pulmón de almacenamiento de la alimentación al
digestor se calcula con un margen del 20%, por lo que el volumen de dicho depósito
será de exactamente 404 ��, y con unas dimensiones de 7 m de diámetro y 10,5 m de
altura. Este depósito de almacenamiento previo a la entrada de la solución en el
digestor, cuenta con un agitador de palas, para evitar que las suspensión se estanque y
puedan llegar a decantar los posibles sólidos en suspensión.
Una vez se encuentra la solución a digerir en el depósito pulmón, esta pasa al
equipo principal de línea de valorización de residuos orgánicos, y donde se produce el
proceso de biometanización propiamente dicho, el digestor.
4.3.4 DIGESTOR AAEROBIO
El proceso de digestión de la línea de valorización de residuos orgánicos, está
diseñado para que trabaje en régimen de temperatura mesófilo (36-38ºC), de una única
etapa con un régimen continuo de alimentación, que consta de 4 digestores de tipo
mezcla completa, combinando en el interior de cada uno de ellos, las funciones o
reacciones de hidrólisis y metanogénesis.
Los digestores están formados por un cuerpo principal cilíndrico y una cúpula
semi-esférica. El material del que están construidos los digestores es hormigón
pretensado HA-40 y cimentada la obra sobre una solera general de hormigón.
La parte superior interna, expuesta a la atmosfera gaseosa, está protegida del
ácido susceptible de formarse a partir del �"# y vapor de agua (presentes en la composición del biogás), mediante un revestimiento Epoxy. En la parte baja del tanque,
en contacto con la solución liquida que se encuentra en el proceso de degradación
anaerobia, no es necesario dicho revestimiento por el poder tampón que se genera, que
neutraliza los ácidos y mantiene un pH constante y aproximadamente neutro (≈7).
Por otra parte, los digestores están aislados térmicamente mediante un sistema
de aislamiento de 7.5 cm de espesor protegidos por una envoltura externa. La perdida
característica para estos sistemas suele ser de 0.5 � �"⁄ K.
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103
Juan Martín Gómez
Figura 29. Esquema Digestor Anaerobio
Una vez la mezcla está lista se introduce en el digestor por medio de bombas de
impulsión robustas, desde el depósito pulmón donde se almacena la “papilla orgánica”.
El digestor es un tanque cilíndrico, que cuenta con una alimentación de la solución de
residuos a valorizar, dos salidas de digesto ya valorizado (una de las salidas es solo por
seguridad). Además, el digestor cuenta con un acceso en su parte inferior para los
periodos en que se encuentre vacio para su mantenimiento o por si hiciese falta algún
tipo de reparación en el interior del mismo.
Para que el proceso se lleve a cabo de manera satisfactoria, es necesario tomar
una serie de medidas de control y análisis, como pueden ser:
• Caudalímetros situados en la entrada y salida del propio digestor para saber en
todo momento la totalidad de su contenido.
• La producción de biogás en la zona de extracción del digestor medida de forma
continua por un caudalímetro de presión diferencial, así como un analizador
infrarrojo que arroje la composición de este (%��� ^ %�!") en cada momento.
• Control mediante termopares de la temperatura a la entrada del digestor como en
el interior del mismo.
• Varios medidores de pH en el interior del tanque digestor para tener controlado
dicho valor.
En su interior no existen elementos mecánicos o tipo alguno de compartimentos,
a excepción de las tuberías de inyección de biogás y vaciado. Esta simplicidad en el
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104
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diseño facilita su mantenimiento, evita averías mecánicas, minimiza la formación de
incrustaciones y permite el movimiento de la suspensión con un consumo energético
mínimo en un entorno uniforme.
En este caso, dado que la corriente a tratar en total es de 33,64 �� ℎ ⁄ , se va a
disponer de 4 digestores idénticos entre sí e independientes. Cada digestor se diseña
para que sea capaz de tratar un caudal de 8,41 �� ℎ ⁄ (201,98 �� �í� ��� F� ) ⁄ , cuyo
contenido en materia orgánica seca es del 13,99 % (1,18 � ℎ ⁄ ), que al día se trata un
total de 28257,98 kg. Teniendo en cuenta las corrientes de entrada a los distintos digestores, y que en
cada en los digestores, el rango de �� ��D�E�� E�á�� � �� � �� �� �����D E⁄ ∗ �í� típico oscila entre los 5 y 8, estos digestores se diseñaran para un valor de carga
orgánica de 7 �� ��D�E�� E�á�� � �� � �� �� �����D E ∗ �í�⁄ .
Fijando ese valor, se procede al cálculo del volumen de cada uno de los
digestores que será:
rÚc�� = 28257,98 �� �í�⁄7 �� ��D�E�� E�á�� � �� � �� �� �����D E ∗ �í�⁄ = 4036,81 ��
Ese volumen será el volumen útil de cada uno de los digestores, pero a la hora de
su diseño se les da un 20% más de capacidad por temas de seguridad, con lo que el
volumen de los digestores es de 4880 �� , y unas dimensiones de 17 m de diámetro y
una altura de 21 m. En el interior de los digestores, la solución llegará a alcanzar los 18
m de altura. Una vez tenemos el volumen de los digestores, calculamos el tiempo de
residencia:
�� = 4036,81 �� 201,98 �� �í� ⁄ = 19,98 �í��
Es decir, el tiempo que permanecerá degradándose la solución en el interior de
los digestores y produciendo biogás es de 19,98 �í��. Lo normal en este tipo de
instalaciones es que el tiempo de residencia oscile entre los 10 y 20 días. Cuanto mayor
sea el tiempo de residencia en el interior del digestor, mayor aprovechamiento se hará
de los residuos, y obtendremos una mayor conversión de biogás.
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105
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En el interior de los digestores, es donde se lleva a cabo propiamente dicho, el
proceso de digestión en ausencia de oxígeno para la producción de biogás. Al conjunto
de los cuatro digestores conjuntos, entran al día un total de 807,93 �� de solución para ser digerida, en los que el contenido en sólidos es de 13,99 %, que resultan
113,03 � �í�⁄ de material seco. Este residuo orgánico contiene materia orgánica
volátil biodegradable en un 70%, lo que resulta un total de 79,1 � �í�⁄ de M.S.V. o lo
que es lo mismo, material orgánico solido volátil biodegradable susceptible de ser
transformada en biogás.
Si atendemos que solamente el 70% de dicha materia orgánica susceptible se
transforma en biogás, y que el rendimiento de producción del biogás, para una
concentración de metano del 60% es de 0,4 ��� �� ��� ��⁄ �� ~. #. r., obtenemos
una producción de biogás de:
��!�Á# = 79100 �� ~. #. r.�í� ∗ 0,4 ��� ����� ~. #. r ∗ 0,7 ∗ 1���
0,6 ��� ��� = 36910 ��� �í�
Sabiendo que el digestor trabaja en continuo las 24 horas del día los 365 días del
año, nos sale una producción de biogás anual de 13.475.000 ���, con una riqueza en metano del 60%, con lo que se obtiene una producción especifica de biogás de
0,46 ��� �� �� ~. #. r.⁄
El diseño del digestor se completa con los sistemas de agitación, calefacción y
seguridad del mismo, que son del todo necesarios para que el proceso de digestión
anaerobia se complete de manera satisfactoria en el interior del mismo.
→ Sistema de agitación
El sistema de agitación consiste en la inyección de parte del biogás producido
mediante dos compresores de paletas refrigerados por aire (uno por cada digestor) que
introduce el biogás a presión. Esto evita la sedimentación de sólidos y garantiza las
mejores condiciones de proceso respecto a pH, temperatura y concentración de
nutrientes.
El sistema de mezcla se basa en un conjunto de 16 tuberías de acero inoxidable,
comúnmente denominadas lanzas, instaladas en el eje central del digestor, que
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106
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distribuye el biogás a presión en el interior de este. Dichas lanzas están estratégicamente
diseñadas y distribuidas sobre el digestor para conseguir una agitación homogénea de
todo el volumen del interior del digestor, provocando que las burbujas de biogás suban a
través de la solución orgánica, provocando un movimiento de convección. De esta
forma, el material es arrastrado hacia la parte superior del digestor y a la vez el material
de la parte superior, al ir aumentando su densidad, desciende. La usencia de elementos
mecánicos dentro del digestor facilita este movimiento y dificulta la creación de “zonas
muertas” o incrustaciones en el interior de los digestores.
Figura 30. Lanzas de inyección de biogás para agitación
Aproximadamente para la agitación de los digestores se emplea el 30% del
biogás que se produce los digestores, es decir, alrededor de unos 2770 ��� �í�⁄ para
cada uno de los cuatro digestores.
→ Sistema de calefacción
En el conjunto de reacciones que componen el proceso de biometanización
tienen se entremezclan reacciones endotérmicas y exotérmicas, y el balance general
resulta casi nulo. Pero para que los microorganismos que llevan a cabo el proceso
puedan trabajar de forma correcta, tienen que tener unas condiciones óptimas, y es por
ello que el proceso requiere alcanzar y mantener cierta temperatura constante, en este
caso temperatura de régimen mesófilo a 37ºC. Es por ello, que se dispone de un sistema
de calentamiento de la suspensión mediante 4 intercambiadores de calor (uno por cada
digestor).
Para calcular el calor necesario que debe aportar cada uno de los
intercambiadores, para elevar la temperatura de la solución de materia orgánica desde
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107
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la temperatura ambiente más desfavorable que se fijará en 15ºC, hasta la temperatura
mesófila de diseño de 37ºC y para compensar las pérdidas por convección al aire (T aire
más desfavorable 5º C), se tiene que:
� = ¡� ∗ �) ∗ ∆P£¤P + �¥ ∗ ¦§ ∗ ∆P¨©ª
• H (� �� ℎ⁄ ): Calor necesario aportar a la solución alimentada compensado por las
pérdidas.
• W: caudal que se alimenta al digestor. En este caso, como un intercambiador
presta servicio a dos digestores, el caudal será: 16832 �� ℎ⁄ .
• ∆P£¤P: Es el incremento de temperatura que sufre la alimentación, desde la
temperatura ambiente (15ºC) hasta la de diseño (37ºC).
• ∆P¨©ª: Es la diferencia de temperatura entre el interior del digestor (37 º C) y el
aire ambiente (5 º C).
• ¦: Área superficial lateral del digestor, propensa a que se den pérdidas de calor. • C: Capacidad térmica específica media de la solución orgánica a alimentada, que
se puede asemejar a la del agua, 1 � �� ��º�⁄ .
• U: Coeficiente de transferencia de calor 0.43 � �� �"ℎº�⁄ .
Finalmente, queda que debemos aportar un calor para calentar la solución de
alimentación a cada uno de los digestores de 383177,94 � �� ℎ⁄ , y entre los cuatro
intercambiadores suman un total de ≈ 1530000 � �� ℎ⁄ para poder calentar la totalidad de la alimentación de los cuatro digestores que componen la línea de valorización.
Existen dos maneras de poder aportar dicho calor, o con una caldera o con el
circuito de recirculación de los moto generadores de la unidad de cogeneración de
energía eléctrica.
La suspensión, una vez calentada, entra al digestor por su parte inferior, a la
altura del sistema de inyección de biogás y es arrastrada inmediatamente hacia arriba y
mezclada con el material que ya está en el digestor. Los digestores llevan instalados
equipos de control con el fin de monitorizar la temperatura (mediante termopares) antes
y después del paso de la suspensión por los intercambiadores de calor, y para controlar
también el flujo de agua caliente circulando en los mismos.
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108
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→ Sistema de seguridad
Los digestores están equipados tanto con sondas de nivel de llenado para el
material a digerir, como con sondas medidoras de presión del biogás que se genera.
Dichas sondas se encargan de registrar los datos regularmente y enviarlos a la sala de
control, donde el proceso se encuentra monitorizado en cada instante y los datos van
quedando almacenados.
El sistema de seguridad para prevenir un exceso de presión, se compone de una
antorcha de seguridad. En el momento en que el gasómetro este completo y no se
consuma biogás para la producción de electricidad, automáticamente se desviará el
biogás que se produzca a la antorcha directamente para su correcta eliminación.
4.3.5 SISTEMAS DE ALMACEAMIETO Y DEPURACIÓ
El sistema se diseña para que continuamente esté entrando alimentación fresca al
digestor rica en material orgánico, saliendo digesto ya digerido (transcurrido el tiempo
de retención hidráulico pertinente), y produciéndose biogás.
→ Extracción, higienización y deshidratación del digesto
Posteriormente a la digestión anaerobia en el interior de los biodigestores, la
línea de tratamiento dispone de un sistema de higienización de la “papilla” o solución
orgánica ya digerida para la eliminación de los patógenos.
El sistema se compone de un depósito de 100 ��, equipado con un agitador de paletas e intercambiadores de calor, que hace elevar la temperatura de la solución hasta
los 70ºC. Este depósito se ha diseñado para que el tiempo de residencia de la papilla en
su interior sea de al menos 1 hora, para poder de este modo asegurar la eliminación de
todo contaminante biológico (patógenos). A dicho depósito va a parar la totalidad del
digesto producido por los cuatro digestores.
Teniendo en cuenta que alrededor del 40% de MS que entra en el digestor es
consumida para la producción del biogás, el caudal de digesto que se extrae entre los
cuatro digestores, es de 31,78 �� ℎ ⁄ .
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Juan Martín Gómez
La suspensión digerida una vez ha sido ya higienizada, es extraída mediante
bombas directamente a los 2 centrífugas, una de ellas en stand-by para ir alternándolas y
poder tenerlas siempre a punto. Estas centrifugas, se encargaran de deshidratar el
digesto separándolo en dos fracciones: un agua de proceso que se enviará a depuración
y recirculación, y una línea de fangos. Para facilitar la función de la centrífuga y
mejorar por tanto su eficacia, se añade poli-electrolito floculantes antes de la entrada del
digesto en dicho equipo.
Se dispone por tanto de dos centrifugas para la separación de la línea de digesto
de la marca FLOTTWEG modelo C4E-4, cuyas características se detallan a
continuación:
Material de fabricación Acero Inoxidable
Dimensiones
L 3520
W 1140
H 1030
Peso 2550 kg
Potencia 22 - 37 kW
Capacidad 20 - 40 �� ℎ⁄
Tabla 21. C4E-4 DECATER FLOTTWEG
El sistema de centrifugas, trata el digesto que se evacua diariamente de los
digestores, o lo que es lo mismo 762,79 m� día⁄ , con un contenido en sólidos del
8,87%, lo que hace un total de 67,70 � ~# �í�⁄ . Dicho sistema nos frece un
rendimiento del 80% en la separación de los sólidos contenidos en el digesto.
La primera de las corrientes es de 135,42 � �í� ⁄ de lodos, con un contenido en
humedad del 60%. Mediante un colector instalado en la propia centrífuga, los lodos
caen a un sistema de cintas transportadoras, mediante el cual serán enviados hacia la
nave de compostaje y afino, donde terminaran de ser procesados en hileras, y
madurados para su posterior comercialización como fertilizante.
La otra corriente, es la corriente liquida que sale de la centrífuga. En su mayoría,
la corriente es agua de proceso con un contenido de material seco del 2,15 % y que
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110
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alcanza a un caudal de 627,37 �� �í� ⁄ , que se envía a un tanque de almacenamiento
de agua de proceso. Dicho tanque tendrá una capacidad de almacenamiento de 800 ��, y desde él, parte del agua de proceso puede ser enviada hacia la EDAR para su
depuración, o bien hacia un tanque de agua a recircular en el proceso.
En total, un 55% de dicha agua (345,05 �� �í� ⁄ ) se envía al tanque de agua a
recircular, donde se mezcla gracias a la acción de un agitador, con 184,57 �� �í� ⁄ de
agua proveniente directamente de la red de abastecimiento para conseguir que la mezcla
de agua a reintroducir nuevamente en la línea de tratamiento tenga una concentración de
MS de 1.4%. Al día se reintroducen al proceso para la dilución de los residuos en los
pulpers 529,63 �� �í� ⁄ , de los cuales aproximadamente el 35% es agua nueva limpia
introducida de la red de aguas y el 65% restante es agua de proceso recirculada.
El depósito de almacenamiento de agua a recircular se diseña para que tenga una
capacidad de 1500 ��, ya que de este mismo tanque también se tomará el agua que
servirá para la limpieza de los pulpers después de cada ciclo de trabajo, en total
840 �� �í� ⁄ .
El resto del agua de proceso que no se vuelve a reintroducir, un 45% del total de
agua de proceso (282,32 �� �í� ⁄ ), se enviará a la estación depuradora de aguas
residuales (EDAR) de la planta, donde se le someterá a los tratamientos adecuados para
que cumpliendo con la normativa vigente (Real Decreto 60/2011, de 21 de enero, sobre
las normas de calidad ambiental en el ámbito de la política de aguas) puedan ser
evacuadas de la planta hacia cualquier medio receptor, sin ningún problema
medioambiental.
→ Línea de Biogás y Cogeneración
El biogás en el interior de los digestores se va generando de manera continua. Al
ser extraído del interior de estos por la parte superior de los mismos, lo primero que
atraviesa el biogás antes de su almacenamiento es un condensador donde se le elimina
los posibles condensados que pueda arrastrar.
Una vez la línea de gas esta “limpia”, se procede a su almacenamiento. El lugar
de almacenamiento del biogás es un gasómetro, que no es más que un equipo de
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111
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almacenamiento de biogás a baja presión, con forma esférica y que reposa sobre la
correspondiente cimentación.
Constructivamente, el gasómetro está compuesto por un sencillo sistema de
doble membrana de material sintético (PVC Poliéster-Textil). Entre ambas membranas,
se genera una cámara de aire cuya misión es proteger la membrana interna de las
variaciones e inclemencias meteorológicas. Las conducciones de entrada y salida de
biogás se encuentran en la parte inferior del mismo (soterradas), y a demás, consta de
una entrada lateral de aire a través de una soplante exterior que consigue mantener
presurizado el interior.
Figura 31. Esquema Gasómetro
El gasómetro elegido para el almacenamiento del biogás, tiene una capacidad de
almacenamiento de 3000 ��, con un diámetro esférico de unos 18 m. Para la línea de
tratamiento que se está diseñando, se ha previsto una producción de biogás de
36910 ��� �í�⁄ . Se establece, que alrededor del 25-30% de la producción se destinará
a reinyectarlo en los digestores y poder mantener una correcta agitación en el interior de
los mismos, y el resto se destina a la producción de energía en los moto generadores,
salvo si existiese algún tipo de incidencia, para lo cual se enviaría el biogás a la
antorcha de seguridad.
Si eliminamos la parte de biogás que se recircula para la agitación de los
digestores, la producción de biogás que se destina a la producción de energía eléctrica,
se ha estimado en 9,43 millones de ��� �ñ ⁄ , con un contenido medio en metano del
60%.
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112
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Para el aprovechamiento del biogás, y su transformación en energía eléctrica, se
dispone de una unidad de cogeneración compuesta por dos moto generadores, con un
rendimiento del 35%. Con todo ello, se estima que la producción de energía eléctrica
anual por medio del biogás generado en la línea de tratamiento es de:
9433919,95 ����ñ ∗ 4700 � ��
��� ∗ 0,35 ∗ 1~�ℎ860420 � �� = 18036,6 ~�ℎ
Cuando en la línea de biometanización se produce un exceso en la producción de
biogás y los sistemas de almacenamiento ya están completos, para evitar riesgo para la
salud o riesgo medioambiental, en la instalación se coloca una antorcha. Este es un
dispositivo está conectado directamente con el gasómetro y se encarga de quemar el
biogás eliminándolo en caso de que fuese necesario, evitando que se vierta a la
atmosfera de manera incontrolada.
Este tipo de antorchas de seguridad, se diseñan para cubrir la totalidad de la
producción instantánea de biogás de la línea. Considerando un coeficiente de seguridad
de 2 para poder cubrir las posibles fluctuaciones de producción del biogás, se tiene que:
13500000 ��� �ñ 365 �í�� �ñ ∗ 24 ℎ �í� ∗ 2 = 3080 ��� ℎ
En consecuencia, se ha previsto una antorcha de seguridad del tipo llama oculta
vertical, de 3500 ��� ℎ⁄ .
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4.4 ESQUEMA Y BALACE GEERAL DEL PROCESO
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� DATOS GEERALES DEL PROCESO
Generación de RSU
1,52 kg RSU/hab x día
Población
650000 habitantes
Total de RSU generados
360600 Tn/año
Porcentaje de fracción orgánica
44 %
Total de residuos orgánicos generados 158700 Tn/año
Recogidos de manera selectiva 31735
Tn/año
Recogidos de manera tradicional 126965
Tn/año
Características de la Materia Orgánica
Total de residuos que llegan al foso de recepción de la línea 147550
Tn/año
Recogidos de manera selectiva 36470
Tn/año
Procedentes de la planta de tratamiento anexa
111080 Tn/año
Dimensiones de partículas
70
mm
Densidad de la masa de residuos
0,6 Tn/m3
Sólidos totales
40 %
Fracción orgánica biodegradable
70 % S.V. sobre S.T.
BALACE GEERAL DE AGUA
Entrada de agua en las instalaciones
357,4
m3/día
Agua limpia de la red al tanque de recirculación 184,57
m3/día
Agua (humedad) que entra con los residuos 172,87
m3/día
Salida de agua de las instalaciones
357,4
m3/día
Agua que se destina a depuración EDAR 276,22
m3/día
Agua (humedad) que sale con la línea de lodos 81,25
m3/día
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� ACODICIOAMIETO DE LA LÍEA
PRETRATAMIETO SECO
FOSO DE RECEPCIÓ
Residuos entrantes
404 Tn/día
Dimensiones
20 x 12 x 6 m
Volumen de Diseño
1440 m3
Capacidad de almacenamiento
2,15 días
Capacidad Pulpo Electrohidráulico
6 m3
TROMEL
Entrada de residuos
30 Tn/h
50 m3/h
Pasantes orgánicos (D < 50mm)
21 Tn/h
Rechazo
9 Tn/h
Datos de Diseño
Capacidad
70 m3/h
Potencia
15 kW
Diámetro
2,1 m
Longitud Criba
7 m
Longitud Total
9 m
OVERBAD
Total residuos tratados
21 Tn/h
Eliminación de impropios metálicos (2%) 0,42 Tn/h
Residuos que pasan al Pretratamiento húmedo 20,58 Tn/h
Montaje de la cinta
CRUZADO
Distancia de trabajo
40 cm
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PRETRATAMIETO HÚMEDO
PULPERS
Entrada de residuos
288,12 Tn/día
MS (40%)
152,25 Tn/día
Entrada de agua de Proceso 529,63 m3/día
MS (1,4%)
7,41 Tn/día
Salida de pulpers
817,75 m3/día
MS (15%)
122,6 Tn/día
Número de equipos
2
Capacidad de cada uno de los equipos 15 m3
Forma de trabajo
ALTERNANCIA DE EQUIPOS
Duración de cada ciclo
20 min
Número de ciclos
5 ciclos/h
TRAMPA DE AREA
Caudal de tratamiento
817,75 m3/día
Impropios eliminados (3%) 9,81 Tn/día
DEPÓSITO PULMÓ ALMACEAMIETO
Entrada
Alimentación 14 h/día
Caudal
57,7 m3/h
Salida
Alimentación 24 h/día
Caudal
33,66 m3/h
Volumen
404 m3
Diámetro
7 m
Altura
10,5 m
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� DIGESTORES AAEROBIOS Y PRODUCCIÓ DE BIOGÁS
Número de Digestores 4 Unidades
Caudal de entrada
Por cada digestor 201,98 m3/día
En total 807,93 m3/día
Concentración de Sólidos 13,99 %
M.S.V.
Por cada digestor 2,76 Tn/día
En total 11,07 Tn/día
Carga Orgánica 7 kg M.O.S./ m3 digestor
Volumen
4880 m3
Dimensiones
Diámetro 17 m
Altura 21,5 m
Altura de la solución en el interior 17,78 m
TRH
19,98 días
Rendimiento de Gasificación 70 %
Rendimiento Producción de Biogás 0,4 Nm3 CH4/ kg M.S.V.
Concentración de CH4 60 %
Producción de CH4 8086217,1 Nm3/año
Producción Biogás 13477028,5 Nm3/año
Producción Específica 0,46 Nm3 Biogás/kg de M.S.V.
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ITERCAMBIADORES DE CALOR
Número de Intercambiadores 4
Caudal de mezcla a calentar 16832,07 kg/h
Temperatura ambiente agua
15 ºC
Temperatura ambiente aire
5 ºC
Temperatura del proceso
37 ºC
∆T agua
22 ºC
∆T aire
32 ºC
Área superficial lateral 934,62 m2
Coeficiente de transferencia de calor 0,43 Kcal/m2hºC
Capacidad térmica especifica de la mezcla 1 Kcal/kgºC
Calor necesario a aportar por cada intercambiador 383177,94 Kcal/h
Aporte de calor necesario total 1532711,76 Kcal/h
GASÓMETRO
Producción de Biogás
36923,36 Nm3/día
Capacidad de almacenamiento 3000 Nm3
Diámetro esférico
19 m
Distribución
Reinyección en Digestor 25-30 %
Moto generadores 70-75 %
UIDAD DE COGEERACIÓ
Cantidad de Biogás a Producción de electricidad 9433919,95 Nm3/año
Podre calorífico Biogás
4700 Kcal/Nm3
Rendimiento unidad de cogeneración 0,35
Producción de Electricidad 18036,3 MWh/año
ATORCHA
Producción Biogás 3076,94 Nm3/h
Caudal de diseño 600 Nm3/h
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� TRATAMIETO DE DIGESTO Y RECIRCULACIÓ
CETRIFUGA
Número de equipos
2 Unidades
Caudal nominal
20 - 40 m3/h
Rendimiento
80 %
Tiempo de trabajo
24 h/día
Total caudal tratado
762,79 m3/día
%MS
8,87 %
Salidas
Corriente de Fangos
135,41 m3/día
Humedad media de los Fangos 60 %
Corriente Líquidos
627,37 m3/día
%MS
2,15 %
TAQUE DE AGUA DE PROCESO
Caudal proveniente de Centrifuga 627,37 m3/día
Salida a tanque para recirculación (55%) 345,05 m3/día
Salida a depuración (45%) 282,32 m3/día
Volumen del tanque 800 m3
TAQUE DE RECIRCULACIÓ
Caudal de agua a recircular a pulpers 529,63 m3/día
% MS 1,4 %
Agua limpia de la red (35%) 184,57 m3/día
Agua de proceso recirculada (65%) 345,05 m3/día
Agua para limpieza de pulpers 840 m3/día
Volumen del tanque 1500 m3
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ÍDICE DE FIGURAS, GRÁFICOS Y TABLAS
Figura 1. Esquema básico del proceso de Biometanización
Figura 2. Diagrama general del tratamiento de residuos previos
Figura 3. Foso de descarga con pulpo de garras y alimentación
Figura 4. Cabina de triaje manual
Figura 5. Equipo de abrebolsas
Figura 6. Tromel
Figura 7. Separador balístico
Figura 8. Electroimán
Figura 9. Separador de Foucault
Figura 10. Separador óptico
Figura 11. Pulper
Figura 12. Separación por decantación (inertes pesados) y flotabilidad (ligeros)
Figura 13. Digestor Anaerobio
Figura 14. Reactor de mezcla perfecta
Figura 15. Reactor de flujo-pistón
Figura 16. Esquema del proceso Valorga
Figura 17. Esquema del proceso Kompogas
Figura 18. Esquema del proceso Dranco
Figura 19. Esquema del proceso BAT
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Figura 20. Esquema del proceso BRV
Figura 21. Esquema del proceso BIOSTAB
Figura 22. Esquema de la degradación anaerobia de la materia orgánica
Figura 23. Relación C/N en algunos materiales (Tchobanoglous, 1994)
Figura 24. Gasómetro esférico de membrana marca SATTLER
Figura 25. Antorcha vertical de Seguridad
Figura 26. Depuración del biogás en función de su uso (Xavier Elías Castells,
2005)
Figura 27. Esquema Pulpers
Figura 28. Esquema Trampa de Arenas
Figura 29. Esquema Digestor Anaerobio
Figura 30. Lanzas de inyección de biogás para agitación
Figura 31. Esquema Gasómetro
Gráfico 1. Generación de Residuos vs PIB en ESPAÑA. Eurostat
Gráfico 2. Generación de Residuos Urbanos ESPAÑA vs UE. Eurostat
Grafico 3. Total de RU Recogidos por CCAA. INE
Gráfico 4. Residuos Recogidos per cápita Andalucía vs. España. INE
Gráfico 5. RU Andalucía. INE
Gráfico 6. RU España. INE
Gráfico 7. Residuos Recogidos Selectivamente España (2010). INE
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Gráfico 8. Residuos Recogidos Selectivamente Andalucía (2010). INE
Gráfico 9. Composición media RU en Europa. (Fuente: Gestión de los RSU.
Josep Mª Casas Sabata.2005)
Gráfico 10. Composición media RU en EEUU. (Fuente: Gestión de los RSU.
Josep Mª Casas Sabata.2005)
Gráfico 11. Residuos destinados a Incineración. Eurostat
Gráfico 12. Residuos destinados a Compostaje y Digestión. Eurostat
Gráfico 13. Relación entre la velocidad específica máxima de crecimiento y la
temperatura en los distintos rangos de temperatura (Romero y cols. 2002)
Gráfico 14. Etapas o fases de los microorganismos a lo largo del proceso de
Biometanización (Xavier Elías Castells, 2005)
Gráfico 15. Evolución de concentraciones dentro del digestor (Xavier Elías Castells, 2005)
Gráfico 16. Evolución de las concentraciones de las diferentes especies.
Gráfico 17. Diagrama de velocidad de reacción y constante de Michaelis-Menten
Grafico 18. Efecto de la concentración de sustrato sobre la velocidad especifica
de crecimiento propuesto por Monod (1949)
Tabla 1. Composición media residuos urbanos en España. PNIR (2007-2015)
Tabla 2. Valores típicos de Humedad % RSU (FUENTE: LA ENCICLOPEDIA
DEL MEDIO AMBIENTE URBANO)
Tabla 3. Contenido energético de los RSU (FUENTE: GESTIÓN INTEGRAL
SOBRE LOS RESIDUOS)
Tabla 4. Análisis elemental de los RSU (LIBRO DE RESIDUOS)
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Tabla 5. Diferencias entre procesos Aerobios y Anaerobios. Biometanización en
Plantas Industriales Avanzadas
Tabla 6. Diferencias entre procesos Térmicos. Gestión y Tratamiento de
Residuos. Dpto. de Ing. Química y Ambiental
Tabla 7. Alternativas dentro de la biometanización
Tabla 8. Características del proceso Valorga
Tabla 9. Características del proceso Kompogas
Tabla 10. Características del proceso Dranco
Tabla 11. Características del proceso BAT
Tabla 12. Características del proceso BRV
Tabla 13. Características del proceso BIOSTAB
Tabla 14. Composición media del biogás producido a partir de RSU
Tabla 15. Composición media del digesto
Tabla 16. Valores empíricos y reglas para la evaluación de las relaciones
FOS/TAC (Deula-Nienburg)
Tabla 17. Definición de criterios para el diseño del proceso
Tabla 18. Cifras de generación y recogida de residuos orgánicos
Tabla 19. TR 2,1/5/7 MASIAS RECYCLING
Tabla 20. Alternancia de trabajo de los pulpers
Tabla 21. C4E-4 DECANTER FLOTTWEG
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BIBLIOGRAFÍA
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→ Ley 22/2011
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nº 849/2010 de 27 de septiembre) APARTADO 2.3
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biometanizacion-de-valdemingomez-ejemplo-de-instacion-innovadora-
sostenible-y-moderna/
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