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8/19/2019 Tecnologías Para El Tratamiento de Los Residuos Sólidos Orgánicos Del Sector Residencial y Su Aprovechamiento …

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Hacia la sustentabilidad: Los residuos sólidos como fuente de energía y materia prima© 2011 pp 535-542 ISBN 978-607-607-015-4

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Tecnologías para el tratamiento de los residuos sólidos orgánicosdel sector residencial y su aprovechamiento como fuente de

energía

Mydory Oyuky Nakasima López, Nicolás Velázquez Limón, Sara Ojeda Bení[email protected]

Resumen

En este artículo se presenta el estado del arte de la tecnología de digestión anaeróbica para eltratamiento de los residuos sólidos orgánicos. Se realizó un estudio comparativo considerando lascaracterísticas principales, ventajas, desventajas y aplicaciones más comunes de las tecnologías,seleccionando lo mejor de cada una de ellas para la generación de una propuesta tecnológica de procesamiento de los residuos sólidos orgánicos del sector residencial, a nivel vivienda o conjuntohabitacional. Finalmente, se realiza una descripción de las diferentes etapas del sistema propuesto,

acoplando el proceso de digestión anaeróbica con un motor stirling para la generación de energíaeléctrica, proponiendo un sistema de captación solar tipo fresnel para la generación de vapor queserá utilizado en la etapa de pre-tratamiento térmico de los residuos sólidos orgánicos.

Palabras Clave: biogás, digestión anaeróbica, residuos sólidos orgánicos domiciliarios, pre-tratamiento

1. Introducción

En la sociedad moderna, el consumismo está fuertemente relacionado con el sistema básico denecesidades, una de las necesidades básicas de cualquier familia es la de comer, la actividad que serealiza para satisfacer esta necesidad implica que diariamente se acumulan desechos orgánicos que podrían ser aprovechados para no producir contaminación [1]. Actualmente, y sobre todo en los

países desarrollados, es donde existe el mayor índice de consumo y por tanto el de mayor producción de residuos, debido al rápido crecimiento de población.

Mexicali, Baja California, no es la excepción, ya que cuenta con 936,826 habitantes registrados enel año 2010, lo que corresponde aproximadamente al 30% del total de la población del estado deBaja California [2]. Se han realizado estudios acerca de la generación, composición y cuantificaciónde los residuos sólidos del sector residencial de la ciudad de Mexicali, donde se ha registrado que el41.4% corresponden a residuos orgánicos que comprenden los desechos de comida y residuos de jardines principalmente, equivalentes a 300 toneladas diarias de residuos orgánicos, que a su vezcorresponde a 0.8565 kilogramos por habitante por día [3], los cuales contienen un gran potencial para ser utilizados como fuente de energía. El gran inconveniente es que este tipo de residuos seestán convirtiendo en un serio problema ambiental debido a la disposición final en los rellenossanitarios, incrementando la carga de residuos orgánicos y por consiguiente la generación excesivade metano principalmente, el cual tiene alrededor de 25 veces más efecto invernadero que eldióxido de carbono, así como la generación de otros gases liberándose directamente a la atmósfera,lo que contribuye negativamente al llamado efecto invernadero y a su vez al cambio climático.

Actualmente, existen opciones tecnológicas que pueden ser aplicadas para reducir los efectosnegativos que ocasionan este tipo de residuos [4]. Entre los tratamientos biológicos, la digestiónanaeróbica es usualmente considerada el proceso más rentable, debido a la alta recuperación deenergía relacionado con el proceso y sobre todo por su limitado impacto ambiental [5]. Por lo tanto,la digestión anaeróbica para la obtención de biogás, constituye una alternativa energética muy


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importante, en esta época en donde es indiscutible la disminución de las reservas de combustiblesfósiles y el incremento de su precio, así como el deterioro ambiental que estamos provocando al planeta con la desmedida generación de residuos.

2. Digestión anaeróbica

La digestión anaeróbica es un proceso biológico en el que la materia orgánica, en ausencia deoxígeno y mediante la acción de un grupo de bacterias específicas, se descomponen en productosgaseosos o biogás CH 4 , CO2 , H 2 , H 2S, etc., y en digestato, que es una mezcla de productos minerales

N, P, K, Ca, etc., y compuestos de difícil degradación [6]. Las ventajas principales del pr oceso dedigestión anaeróbica son: minimización de emisiones de gases de efecto invernadero, elaprovechamiento energético de los residuos orgánicos y a su vez la obtención de un abono orgánicorico en nutrientes y libre de patógenos para el uso directo en la tierra.

2.1 Fases de la digestión anaeróbica

La digestión anaeróbica está caracterizada por la existencia de varias fases consecutivasdiferenciadas en el proceso de degradación del sustrato término genérico para designar, en general,el alimento de los microorganismos [6], interviniendo cuatro grandes poblaciones demicroorganismos como se muestra en la figura 1:

Fi gura. 1 . Etapas del proceso de digestión anaeróbica

2.2. Parámetros ambientales y operacionales del proceso

Siendo la digestión anaerobia un proceso bioquímico complejo, es necesario mantener lascondiciones óptimas que permitan la realización tanto de las reacciones químicas dentro de lamatriz líquida del reactor, como las reacciones bioquímicas intracelulares que dan vida a losorganismos en juego [7]. La tabla 1 muestra las condiciones óptimas de operación para que se llevea cabo correctamente el proceso de digestión anaeróbica.

ProductosIntermedios

Ej.Propiónico,

Butírico.

Amino-ácidos,

Azucares

ÁcidosGrasos

Metano,

dióxido de carbono

Hidrólisis Acidogénesis Acetogénesis Metanogénesis

Hidrógeno,dióxido decarbono

Ácidoacético

Grasas

Carbohidratos

Proteínas

Materia OrgánicaCompleja


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Tabla. 1 . Condiciones y parámetros de operación del proceso de digestión anaeróbica

Condición Parámetro

pH neutro 6.8 – 7.2

Temperatura mesofílica 30 – 37 °CTiempo de Retención Hidráulica (TRH) 15 -25 días

% de Sólidos Volátiles (SV) 7-12Relación C/N 20:1 – 30:1

3. Estudio comparativo de las tecnologías para el tratamiento de residuos orgánicosEl estudio comparativo de las tecnologías utilizadas en el proceso de digestión anaeróbica para eltratamiento de residuos orgánicos, fue clasificado de acuerdo a su proceso evolutivo: digestores de primera, segunda y tercera generación, tal como se muestra en la tablas 2, 3 y 4. Los criterios parael análisis comparativo y selección de la tecnología de digestión anaeróbica más idónea, están basados en sus principales características, ventajas y desventajas, considerando especialmente eltipo de residuo que puede procesar, tiempo de retención hidráulico y rendimiento de producción de biogás.

Tabla.2 . Estudio comparativo de digestores anaeróbicos de primera generación Digestor

AnaerobioCaracterísticas Ventajas Desventajas Aplicaciones

LagunaAnaeróbica

Está diseñada para laremoción de materia orgánicasuspendida y parte de lafracción soluble de materiaorgánica. Funcionan demanera similar a los tanquessépticos abiertos. Operan enserie con lagunas facultativasy de maduración.

- Relativamente barato- Proceso simple- Efluente de buena calidad- Espacio reducido- Buen rendimiento para eltratamiento de aguasresiduales con altasconcentraciones de materiaorgánica

-Supervisión constantea la mezcla y cantidadde desechos, con el finde mantener una

biomasa de buenacalidad para eltratamiento- No hay acceso a losmezcladores para sumantenimiento-Operación a baja

temperatura y largos períodos de retención-Se deben construir adistancias considerablesde los límites urbanos

-Tratamiento deaguas residualesde la industria yagrícola

TanquesSépticos

Contenedor hermético cerradoen donde se acumulan lasaguas negras y donde se lesda un tratamiento primario.Elimina los sólidos alacumular las aguas negras enel tanque y al permitir que

parte de los sólidos, seasienten en el fondo del

tanque mientras que lossólidos que flotan (aceites ygrasas) suben a la partesuperior. Cuenta con un

período de retención mínimode 6días.

-Apropiado paracomunidades rurales,edificaciones ycondominios, etc.-Su limpieza no esfrecuente.-Bajo costo de construcción

y operación.-Mínimo grado de

dificultad en operación ymantenimiento si se cuentacon infraestructura deremoción de lodos.

-Uso limitado a lacapacidad deinfiltración del terrenoque permita disponeradecuadamente de losefluentes en el suelo.- Requiere de equipo

para la remoción delodos (bombas,

camiones con bombasde vacío, etc.)

-Tratamiento deaguas residualesdomésticas(urbanas, urbanomarginales yrurales)

ModeloHindú

Consiste en una fosa o en untanque pequeño que opera deforma semi-continua. Estetipo de reactor es enterradoverticalmente y se cargan por

-Tiempo de retención de 10-30 días relativamentecortos.-Fácil manejo.-Trabaja a una presión

-Poco eficiente en la biodegradación deresiduos.-Costos elevadosdebido al gasómetro

-Tratamiento deresiduosdomiciliarios y/oagropecuarios.


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gravedad una vez al día. Elgasómetro esta integrado alsistema, en la parte superiordel pozo se tiene unacampana flotante donde sealmacena el gas, balanceada

por contrapesos de ahí sale el

gas para su uso.

constante. móvil.

ModeloChino

Consiste tanque redondo yachatado con el techo y el

piso en forma de domo. Seencuentran enterrados ycuentan con un gasómetrofijo. En este caso, a medidaque aumenta la producción degas, aumenta la presión en eldomo o cúpula fija, forzandoal líquido en los tubos deentrada y salida a subir.Trabaja a una presiónvariable, ya que su objetivono es producir biogás sino

abono orgánico ya procesado.

- Bajo costo.-Fácil manejo.

-Elevado tiempo deretención de 30-60 días-Cantidad elevada deformación de espuma

-Tratamiento deresiduosagrícolas/estiércol.-Excretas

humanas.

MezclaCompleta sinRecirculació

n (RMC)

Reactor relativamente simple.Distribución uniforme deconcentraciones, tanto delsubstrato como demicroorganismos. El tiempode retención hidráulico es de10-30 días. Tiempo dearranque de 30-90 días.

-Buena descomposición dela materia suspendida

-Alta demanda deenergía y espacio-No hay buenasedimentación de la

biomasa-Carga volumétrica y

producción de gas baja-Largo tiempo deretención

-Tratamiento deaguas residualesurbanas.-Actividadesagrícolas yagroindustriales

MezclaCompleta

conRecirculació

n(Contacto

Anaerobio)

La retención de la biomasa serealiza por sedimentaciónexterna y recirculación. Elreactor se mantiene agitado.

Adecuado para tratar aguasresiduales con sólidos de lentadigestión. Tiempos deretención hidráulica de 1-5días. Tiempo de arranque de20-60 días.

-Buena sedimentación-Sin problemas detaponamiento en tuberías-Recirculación necesaria

-Tanque adicional parasedimentación lo queimplica el incrementode costos de inversión

-Tratamiento deaguas residualesde alta cargaorgánica (aguas

residuales deazucareras,cerveceras, etc.)

Tabla. 3 . Estudio comparativo de digestores anaeróbicos de segunda generación

DigestorAnaerobio

Características Ventajas Desventajas Aplicaciones

FiltroAnaerobio

Consiste de un lecho porosodonde la flora anaeróbica se

puede adherir.Se opera sin recirculación. El

exceso de barro se elimina delreactor junto con el efluentetratado. Es ideal para aguasresiduales con carga orgánicasoluble o que se degradefácilmente.

-Proceso robusto-Buena retención demicroorganismos-Bajo costo

-No requiere agitador-Tiempos de retenciónhidráulica de 1-5 días.

-Precipitación desustancias inorgánicas-Posible obstrucción delfiltro

-Alta demanda deconstrucción-No es apropiado paraaltas concentraciones delodos-Tiempo de arranque de20-60 días.

-Tratamiento deaguas residualesde la industriaagroalimentaria

Manto deLodo

Granular

Reactor tubular que operan enrégimen continuo y flujoascendente. Reactor anaerobioen el cuál los

-Tiempo de residencia bajo(48 h)-Sin problemas detaponamiento en tuberías

-Recirculación necesaria-Problemas cuando no

aparecen gránulos-Sensible con elevadas

-Tratamiento deaguas residualesde la industriaagroalimentaria


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(UASB) microorganismos se agrupanformando biogránulos(generalmente en el rango de0.5 a 2 mm de diámetro), porel tipo de flujo que maneja.La composición del gránuloestá estratificada.

-Mezclado natural-Buena sedimentación de

los lodos-Convierte del 70-95% de

la materia orgánica biodegradable en unacorriente de biogás

valorizable

concentraciones dematerial orgánicoinsoluble

-Tratamiento deaguas residualesdomésticas

CirculaciónInterna (IC)

Está basado en la tecnologíadel UASB con dos etapas deseparadores trifásicos, dondeel inferior es altamentecargado de materia orgánica adiferencia del superior,recuperando el biogás en doszonas. En la primer zona seutiliza el biogás recogido paragenerar una agitación de gasque hace circular el agua y ellodo a través del reactormanteniendo mezclado elsustrato. En la segunda zona

presenta una carga hidráulica baja, lo que separa coneficiencia el biogás, gránulosde biomasa y efluentestratados.

- Espacio reducido-Poca propensión a

atascarse con sólidos debidoal sistema de distribuciónde afluentes-No hay piezas móviles

internas; menos costes demantenimiento.-El volumen pequeño del

sistema, simplifica lagestión del inventario delodos.-El biogás se elimina del

reactor mucho antes del

punto en el que se descargael efluente, lo que proporciona una zona dereposo y mantiene la

biomasa en el reactor-Tiempo de residencia =

4hrs.

- Dificulta la formaciónde gránulos.

-Tratamiento deaguas residualesde altocontenidoorgánico.- Fábrica decerveza y de

bebidas NOalcohólicas.-Industria del

papel.- Industriaalimenticia.

Híbrido(AHR)

Consiste en una manto de barros, que permite tener una buena densidad de biomasa enla parte inferior . En la partesuperior, la concentración de

biomasa ―granulada‖ se puedecolocar una cierta altura derelleno permitiendo el

desarrollo de biomasaadicional, adherida al mismo,aumentando las posibilidadesde depuración. Cuenta con untiempo de residencia de 10 a13 hrs aprox.

-Alta eficiencia debido alflujo ascendente del lechofijo-Alta concentración de

biomasa

-Posibles daños ytaponamiento de lascapas inferiores-Bajo rendimiento-La actividad de

microorganismosmetanogénicos es mayoren la parte inferior que

en los niveles superiores

-Tratamiento deaguas residualesde la industriaagroalimentaria-Tratamiento deaguas residualesdomésticas

Flujo dePistón

Horizontal

Este tipo de reactor tiene unaorientación horizontal y estáconstruido fijamente dentrode un tubo de concreto, queen escala y geometría, essimilar a los diseños de losrecipientes de compostajeaeróbico.

-Alta producción de biogás-Espacio reducido-Consumo de agua bajo o

nulo dependiendo de lascaracterísticas del material-Baja demanda de energía

en el manejo de materiales,transporte y fermentaciónmediante el uso de unidadesde baja velocidad y tiemposde operación alternados-Alta degradación de SSV a

través del flujo de pistóncasi continua.

-Las temperaturas sondifíciles de controlar y

puede dar lugar agradientes detemperaturasindeseables- Altos costos demantenimiento

-Tratamiento deresiduosorgánicosmunicipales.-Tratamiento

de residuos porcino, vacunoy bovino.-Tratamiento

de residuosorgánicosindustriales

Geomembrana

El biodigestor tiene unageometría ―alargada‖ donde la

mezcla de materia orgánica yagua circula en ―flujo pistón‖.Este tipo de flujo permite que

-Excelente resistenciaquímica a la mayoría de losefluentes industriales.-Útil para grandesvolúmenes de biomasa.

-Requiere de muchoespacio.-Requiere de agitadoresmecánicos.

-Tratamiento deresiduosagropecuarios yde laagroindustria.


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Tabla. 4. Estudio comparativo de digestores anaeróbicos de tercera generación

4. Propuesta de las etapas del proceso de tratamiento de los residuos sólidos orgánicosdel sector residencial

En la figura 2 se muestra el sistema propuesto de las etapas por las que pasan los residuos sólidosorgánicos del sector residencial, desde su almacenamiento por el usuario, pre-tratamiento,tratamiento mediante la digestión anaeróbica hasta la obtención del biogás acoplando un motorstirling para su utilización como energía eléctrica en la vivienda, así como el uso de los residuossólidos orgánicos digeridos, ya sea en forma líquida o sólida que pueden ser utilizadosdirectamente en la tierra de los jardines de las viviendas y/o en los parques comunitarios.

cada porción del residuo queingresa por un extremocumpla el tiempo deresidencia necesario dentrodel biodigestor antes de salir

por el otro extremo, bienalejado del inicio. La cubierta

superior tiene el objetivo derecuperar todo el biogás producido, como tambiéncumplir de función degasómetro.

-Tratamiento delos residuosorgánicosdomiciliarios.

DigestorAnaerobio

Características Ventajas Desventajas Aplicaciones

LechoFluidizado

Sistema en el que las bacterias se encuentransuspendidas. Cuenta conrecirculación para mantener elcaudal adecuado que permita

la expansión y fluidizacióndel lecho. En la parte superiorde la unidad, se encuentra unsedimentador que evita lasalida de partículas de lodocon el efluente.

-Excelente contacto entre la biomasa y los residuos deagua-Fácil arranque y tiemposcortos de retención

hidráulica de 1-10 horas-Insensible a las variacionesde carga-Velocidad desedimentación ajustable

-Inversión y gastos deoperación muy altos-Mantenimientocomplicado-Sensible con alimentos

tóxicos

-Aguasresidualesespecialmentede la industriaagroalimentaria

-Fraccioneslíquidas osobrenadantesde residuosganaderos(experienciaslimitadas)

Manto deLodo

GranularExpandido

(EGSB)

En la medida que se dispongade biomasa granular de buenacalidad, puede utilizarse paraexpandir el lecho conmayores velocidadesascendentes. Debido al caudalde recirculación que se aplica,mejora la actividad de la

biomasa. Aplicación deelevadas cargas orgánicas.

-Mezclado efectivo, debidoa la alta velocidad de lacorriente ascendente-Elevada concentración de

biomasa activa sobre las partículas de soporte-Tiempo de residencia bajo(10 h)

-Altos costos de energíadebido a larecirculación

- Tratamiento deaguas residualesindustriales dediversos tipos.


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Fi gura. 2 . Etapas del proceso de tratamiento de los residuos sólidos orgánicos domiciliarios

5. Resultados y discusiones

Como puede apreciarse en las tablas 2, 3 y 4, la evolución de los digestores ha venido siendosustentada con nuevas geometrías, etapas de pre-tratamiento, separación de fases, cambios en elmodo de operación, fijación y suspensión de bacterias, altas velocidades de flujo, entre otros.

Los digestores de primera generación se caracterizan por tener una parte de los microorganismos ensuspensión y la otra parte se encuentran acumulados como sedimento logrando un adecuadocontacto de los mismos con el sustrato, son de fácil operación, debido a su baja capacidad de procesamiento de residuos cuenta con largos períodos de retención hidráulico lo cual requiere deequipos más grandes; estos digestores son utilizados para tratar aguas residuales domésticas,industriales y agrícolas, así como residuos sólidos orgánicos domiciliarios y agrícolas. Losdigestores de segunda generación se identifican por tener a los microorganismos retenidos en eltanque por medio de una bio-película adherida a un soporte (empaque), o bien, por susedimentación en forma de agregados (flóculos o granos) densos. En estos sistemas se ha separadoel tiempo de retención hidráulico celular reduciendo el tiempo de retención hidráulico así como eltamaño de los digestores, también se ha mejorado considerablemente el dispositivo de distribucióndel sustrato en su interior, la mayoría de los digestores clasificados en esta generación no requierende mezcladores; las aplicaciones de este tipo de digestores son tanto para tratamiento de aguasresiduales como de residuos sólidos orgánicos industriales, domiciliarios y agrícolas. Por último, losdigestores de tercera generación también retienen los microorganismos en bio-película o granocompacto y denso, con la particularidad de que el soporte se expande o fluidifica con altasvelocidades de flujo debido a que cuenta con recirculación de materia orgánica. Sin embargo, estolos vuelve más costosos, tiene tiempos cortos de retención hidráulico lo que disminuye el tamañodel digestor, permite elevadas cargas orgánicas obteniendo un mayor rendimiento de biogás y susaplicaciones más comunes son para tratamientos de agua residuales industriales y agrícolas. Laevolución de la tecnología de digestión anaeróbica, incorporando procesos de pre-tratamiento y

recirculación de la biomasa, ha permitido disminuir los tiempos de retención hidráulico de días ahoras, obteniendo digestores más pequeños, haciéndola más eficiente y económicamente viable.

De acuerdo a la figura 2, dentro del sistema propuesto de las etapas del proceso del tratamiento, seconsidera que se realicen la separación de fases. Esto implica realizar un pre-tratamiento mecánicoy térmico del residuo para ayudar a favorecer la primer fase del proceso de digestión anaeróbica, la

fase hidrolítica, ya que los residuos orgánicos domiciliarios están compuestos por moléculasorgánicas complejas, como proteínas, grasas y almidones principalmente, donde estas bacteriasrequieren de una gran cantidad de energía para desdoblar los polímeros en fragmentos más


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pequeños, lo cual sin el pre-tratamiento antes mencionado, llevaría mucho más tiempo en realizarseeste fenómeno, es por eso que se propone la separación de fases para acelerar el proceso de producción de biogás.

4. Conclusiones

Los digestores (circulación interna, lecho fluidizado y manto de lodo granular expandido) son losque tienen mayor potencial para ser utilizados en el procesamiento de los residuos sólidos orgánicosdel sector residencial, dado que son los que presentan altas cargas orgánicas (10-35 kg/m ³.día), elmenor tiempo de retención hidráulico (1-10 horas) y un alto rendimiento de producción de biogás.

Referencias Bibliográficas

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