Evaluación del impacto odorífero en el tratamiento de residuos orgánicos

Abstract

El aumento progresivo de la población, la industrialización y el consumismo son los factores principales por los que ha incrementado la generación de residuos en los últimos años, requiriendo de una gestión integral para proteger la salud pública y el medio ambiente. La gestión y tratamiento adecuado de los residuos sólidos urbanos constituye, actualmente, un problema clave en materia de sostenibilidad, ya que es necesario dar solución a un problema ambiental, económico, social y sanitario, evitando la clásica deposición en vertederos. Sin embargo, el tratamiento de residuos orgánicos incrementa la contaminación por olores desagradables. Dichas emisiones han de ser evaluadas, cualitativa y cuantitativamente, con el propósito de minimizarlas. Actualmente se utilizan diversas herramientas y dispositivos de muestreo que permiten, según las normativas aplicables en el seguimiento de olores (EN 13725 y VDI 3880), llevar a cabo la evaluación de los procesos que generan malos olores y cuantificar las emisiones para dar una magnitud real de cuánto olor emite un foco emisor. Para analizar los compuestos olorosos, en focos emisores, la olfatometría dinámica se ha establecido como una técnica sensorial adecuada que cuantifica la concentración de olor de una muestra olorosa (ouE/m3). Sin embargo, los materiales utilizados en el almacenamiento de las muestras gaseosas pueden no ser estancos para ciertos compuestos olorosos. En este sentido, y en colaboración con el Laboratory of Industrial Environment Engineering (Ecole des Mines d'Alès, Francia), se ha realizado un estudio de los efectos de permeabilidad y adsorción de diversos compuestos de azufre volátiles a través de las bolsas de muestreo de Nalophan®. El sulfuro de hidrógeno (H2S), metilmercaptano (metil-SH) y disulfuro de carbono (CS2) son los que presentan una menor retención en el interior de las bolsas debido a su tamaño y estructura molecular, lo cual ha derivado en una pérdida global del 10% a las 30 h de almacenamiento y del 25% a las 95 h. Además, las válvulas necesarias para la recolección de muestras han dado lugar a pequeñas pérdidas de compuestos por adsorción. Con objeto de profundizar en las emisiones de olor generadas durante el tratamiento de residuos orgánicos, se han llevado a cabo estudios a escala de laboratorio, piloto e industrial de distintas materias residuales. A escala de laboratorio se ha realizado el seguimiento del proceso de co-compostaje en vasos Dewar de lodo de depuradora de aguas residuales municipales con distintas proporciones de residuo del cultivo de la planta de berenjena, insertando como novedad unas conducciones verticales de PVC perforadas para favorecer las condiciones aerobias del proceso. El pico de olor generado durante la etapa hidrolítica del proceso de compostaje se ha minimizado con una mayor proporción de residuos de berenjena en la mezcla con los lodos. Asimismo, la estabilidad del compost obtenido al final del proceso, demuestra la viabilidad de la tecnología para valorizar ambas materias residuales, al igual que la concentración de fósforo arroja mejores resultados, en cuanto a calidad del producto final, que el lodo compostado individualmente. Se ha demostrado que la reducción de la concentración de sólidos volátiles ha sido la principal causa en la emisión de compuestos olorosos durante el proceso, de forma más significativa que la eliminación de compuestos nitrogenados. A escala piloto se ha evaluado el proceso de compostaje en un respirómetro dinámico y, dado que las condiciones operacionales están más controladas que en una instalación industrial, se han realizado estudios con diversas materias residuales (lodo de depuradora, cáscara de naranja, residuo de la manufactura del pescado, residuo del extrusionado de fresa y fracción orgánica de residuos sólidos urbanos) evaluando, mediante la aplicación de herramientas estadísticas avanzadas, la importancia de las variables del proceso sobre el impacto oloroso. En este sentido, un análisis de componentes principales de la matriz de datos obtenida ha permitido clasificar los sustratos por su origen, siendo el índice respirométrico dinámico (proporcional a la velocidad de consumo de oxígeno en la biodegradación) y la tasa de emisión de olor las variables más influyentes. Otra de las herramientas estadísticas aplicada es la regresión multivariante, demostrando ser una técnica adecuada en la predicción de concentración y/o tasa de emisión de olores. La regresión multivariante ha sido una herramienta a partir de la cual se han evaluado las variables operacionales más influyentes en la generación de olores. Además, se han determinado los grupos funcionales, asociados a los compuestos presentes en las materias residuales mediante la aplicación de la novedosa tecnología NIR, encontrándose una clara relación entre estas y las emisiones de olor generadas durante el tratamiento. A escala industrial, se ha elaborado un mapa global de olor de una planta de tratamiento de residuos sólidos urbanos de Córdoba capital, en el que se han identificado los puntos críticos de emisión de olor y las variables más influyentes en su generación. En este sentido, la recepción de basura orgánica y de lodos de depuradora (procedentes de la planta de tratamiento de aguas residuales “La Golondrina”) son los puntos críticos más olorosos, con tasas de emisión de 14,57 y 2,41 ouE/s·m2, respectivamente. Además, considerando la variabilidad de puntos críticos en la planta, y tras realizar un estudio global de ellas, las variables respirométricas, la concentración de nitrógeno y el tiempo de residencia de los materiales residuales han destacado como las más influyentes en el impacto oloroso. Finalmente, también se ha estimado dicho impacto oloroso en una planta de compostaje que gestiona lodos de depuradora (pretratado y sin pretratar) y residuos de mercado mediante compostaje en pilas, en términos de concentración de inmisión, con el propósito de evaluar la generación y posterior dispersión de las emisiones olorosas en las zonas colindantes. A partir de un modelo de dispersión Gaussiano de pluma se han obtenido los perfiles de inmisión en función de la distancia de la planta considerando la orografía, condiciones meteorológicas y atmosféricas más desfavorables. La concentración de inmisión máxima observada no ha superado en ningún caso los límites establecidos en el borrador del Anteproyecto de ley contra la contaminación odorífera de Cataluña de 3 ou/m3, con una estabilidad atmosférica neutra y una velocidad del viento de 2,6 m/s. Además, el seguimiento del proceso de compostaje a partir de las variables tradicionales ha demostrado que las emisiones olorosas derivadas de la planta de tratamiento y gestión de residuos sólidos orgánicos mediante compostaje están nuevamente relacionadas con la volatilización de nitrógeno y la eliminación de los sólidos volátiles. Los novedosos resultados obtenidos en los trabajos de investigación que componen esta Tesis Doctoral suponen un avance científico significativo en términos de cuantificación y determinación de emisiones olorosas derivadas del tratamiento de residuos. La aplicación de las nuevas herramientas utilizadas en este trabajo podrían contribuir a mitigar el impacto oloroso que genera la gestión y tratamiento de residuos, un proceso que a día de hoy se considera indispensable y que trata de dar una nueva vida a los millones de toneladas de materia orgánica que cada día genera el ser humano.

The progressive increase in population, industrialization and consumerism are the main factors leading to the enhancement of waste generation during the last years, which requires integrated management to protect public health and environment. The adequate management and treatment of urban solid waste is nowadays a major issue in terms of sustainability, leading to the necessity of solving an environmental, economic, social and sanitary problem by avoiding classical landfilling. Nevertheless, the treatment of organic waste promotes pollution by the generation of unpleasant odor. The emission of odor should be evaluated qualitative and quantitatively with the aim of achieving its minimization. Several sampling tools and devices are currently being used in accordance with the legislation on odor monitoring (EN 13725 and VDI 3880) to evaluate those processes that generate unpleasant odor and to quantify their emission by providing a real magnitude on how much odor an emission source generates. Dynamic olfactometry has been stablished as an adequate sensorial technique to analyze the odor concentration in an odorous sample (ouE/m3). However, the materials used for storing gaseous samples might not be watertight for certain odorous compounds. In this context, and in collaboration with the Laboratory of Industrial Environment Engineering (Ecole des Mines d'Alès, France), a study of the permeability and sorption effects of several volatile sulfur compounds stored in sampling Nalophan® bags was carried out. Hydrogen sulfide (H2S), methyl mercaptan (methyl- SH) and carbon disulfide (CS2) showed the lowest retention inside the sampling bags due to their molecular size and structure, which led to global loss of 10% after 30 h of storage time and 25% at 95 h. Furthermore, the valves necessary to store gaseous samples led to small loss due to sorption processes. With the aim of deepening in odorous emissions derived from the treatment of organic waste, several research studies of different residual substrates were carried out at laboratory, pilot plant and industrial scales. The monitoring process of co-composting sewage sludge from wastewater treatment at different mixing proportions with eggplant waste was carried out in Dewar vessels at laboratory scale. As a novel aspect, vertical and perforated PVC pipes were inserted in the vessels to favor aerobic conditions inside the substrates being composted. The odor peak generated during the hydrolytic stage of composting was minimized by increasing the proportion of eggplant waste in the mixture with sewage sludge. Likewise, the stability of the final product demonstrates the feasibility of cocomposting to valorize both residual substrates simultaneously. Furthermore, the concentration of phosphorus was higher in the final compost than the value obtained when sewage sludge was composted individually. The reduction of the concentration of volatile solids was found to be the main cause of odor emission, being more influential than the removal of nitrogenous compounds. On the other hand, the composting process was also evaluated in a dynamic respirometer at pilot plant scale. As the operational conditions were more controlled than at industrial scale, several studies were carried out with several residual substrates (sewage sludge, orange peel, fish waste, strawberry extrudate and organic fraction of municipal solid waste) to evaluate the importance of the process variables on the odorous impact through advanced statistical tools. In this sense, a principal components analysis applied to the data matrix obtained allowed classifying residual substrates by origin, with the dynamic respirometric index (proportional to the oxygen consumption rate during biodegradation) and the odor emission rate being the most influential variables. Another statistical tool used was multivariate regression, which has been demonstrated to be an adequate technique to predict odor concentration and/or emission rate. Multivariate regression was used to evaluate the most influential operational variables in odor generation. In addition, the functional groups associated to the compounds contained in the residual substrates were determined by the innovative NIR technology. A relationship between functional groups and odor emission generated during waste treatment was identified. At industrial scale, a global odor map of a solid waste plant that treats residues generated in the city of Cordoba was elaborated. Such a map identified the critical odor emission points and the most influential variables in its generation. Reception of organic waste and sewage sludge derived from the wastewater treatment plant “La Golondrina” were found to be the most critical points in terms of odor generation, with odor emission rates up to 14.57 and 2.41 ouE/s·m2, respectively. Furthermore, after considering the variability of critical points inside the plant and having carried out a global analysis, respirometric variables, nitrogen concentration and residence time of residual substrates were identified as the most influential variables on the odorous impact. Finally, the odorous impact derived from a plant that manages sewage sludge (raw and pretreated) and market waste through composting in piles was estimated in terms of immision concentration, with the aim of evaluating the generation and subsequent dispersion of odorous emissions in neighboring areas. By applying a plume Gaussian dispersion model, the immision profiles as a function of distance were obtained considering orography and the most unfavorable weather and atmospheric conditions. The maximal immision concentration did not exceed the threshold stablished by the draft law against odorous pollution in Cataluña (3 ou/m3), at neutral atmospheric stability and wind speed of 2.6 m/s. In addition, monitoring composing process through traditional variables demonstrated again that odorous emissions derived from the treatment and management of organic solid waste are related to nitrogen volatilization and volatile solids removal. The innovative results reported in the research studies included in this Doctoral Thesis have led to an important scientific advance in terms of quantification and determination of odorous emissions derived from waste treatment. The application of new tools developed in this Thesis might contribute to mitigate the odorous impact derived from waste management and treatment, which is considered essential in current societies and tries to take the advantage of millions of tons of organic waste generated by human beings every day.