Tratamiento de residuos orgánicos industriales y hortofrutícolas mediante biometanización

Abstract

Un problema que sufre cada vez más la sociedad es la generación de residuos de diferente naturaleza. La legislación trata, a diferentes niveles, de que se alcance una gestión más adecuada y sostenible, al menos en las sociedades menos industrializadas. Pero además de las obligaciones impuestas por las normativas existentes a este respecto, la concienciación sobre este problema está generando el cambio en los sistemas de producción, invirtiendo cada vez más para alcanzar un sistema coherente con el concepto de economía circular, una apuesta por cerrar los ciclos productivos en cuanto a flujos de materia y energía se refiere. Una alternativa para conseguir dichos objetivos es la valorización energética de los residuos derivados de la actividad productiva y de este modo utilizar la energía obtenida para el autoconsumo energético de las propias instalaciones. En este contexto, la digestión anaerobia es una tecnología ampliamente implantada para el tratamiento y valorización energética de residuos orgánicos biodegradables. Este tipo de residuos presenta diferentes características fisicoquímicas, puntos de generación y periodos de producción. En muchas ocasiones, el coste de implantación de un sistema de tratamiento de una única fuente de generación de residuos es inviable, excepto en el caso de los residuos municipales. Por ello, y partiendo de la premisa de que este estudio todos se ha centrado en posibles mejoras del proceso de digestión anaerobia, ofreciendo información sobre las mismas y así, posibilitar su implantación, en la memoria se recogen distintas vertientes o frentes de actuación: Caracterización y optimización de la concentración de nutrientes en el sustrato orgánico a biometanizar, pretratamientos que aceleren el proceso, incrementando el rendimiento energético en forma de metano, así como la optimización de posibles combinaciones o mezclas de sustancias residuales. La evaluación teórica de la viabilidad de la biometanización de residuos orgánicos es un paso fundamental para su posterior estudio experimental. Así, la creación de herramientas que combinen la caracterización físico-química con la estadística, permitirían un análisis multivariante poco aplicado a un proceso biológico con alto componente de inercia en el sistema, facilidad en cuanto a su desestabilización y requerimiento de personal más o menos cualificado para su mantenimiento y alto coste inicial en su implantación. Los balances de materia aplicados a nutrientes fundamentales (DQO, N y P) y los análisis multivariantes, Análisis de Componentes Principales (ACP) y el Análisis de Clústers (AC), basados en una primera caracterización físico-química de las materias residuales a biodegradar anaerobiamente, han permitido realizar una primera evaluación sobre las posibilidades de codigestión de diferentes residuos, ya sea por compensación del balance de dichos nutrientes, por agrupamiento entre residuos o por predominancia de alguno de ellos. La búsqueda de una mezcla más adecuada en sus proporciones para el arranque de un digestor o para su posterior mantenimiento se hace posible gracias a las herramientas presentadas en las publicaciones científicas incluidas en este documento (Gil et al., 2018. Multivariate analysis and biodegradability test to evaluate different organic wastes for biological processes. Waste Management, 78, 819-828). Tener en cuenta diferentes residuos que se produzcan en una misma área geográfica y que puedan ser susceptibles de ser tratados mediante codigestión podría resultar interesante tanto para su gestión, como su valorización. Esta alternativa aportaría sostenibilidad económica en sus tres vertientes a la zona de implantación, objetivo perseguido por todos los planes nacionales y europeos de mejora económica y ambiental (Gil et al., 2017. Optimizing the selection of organic waste for biomethanization. Environmental Technology (In press); Gil et al., 2015. Mixture optimization of anaerobic co-digestion of tomato and cucumber waste. Environmental Technology, 36, 2628-2636). Siendo el correcto balance de nutrientes una cuestión fundamental para el metabolismo microbiano y generación de productos (CO2 y CH4 preferiblemente), es conocido el efecto tóxico del nitrógeno, a elevadas concentraciones, sobre el metabolismo de los distintos grupos tróficos que intervienen en la cadena de reacciones de transformación de las macromoléculas contenidas en los sustratos residuales por la microbiota anaerobia. Sin embargo, el efecto que el aporte de P puede provocar en el proceso no es tan conocido, solo que es necesario en menor concentración que los demás nutrientes. Dado que las sustancias orgánicas residuales no suelen estar compuestas a ex profeso con las concentraciones óptimas para su valorización mediante la biometanización, se ha considerado como una cuestión de interés la evaluación del efecto que sobre el proceso (generación de metano, estabilidad y cinética) provocan diferentes opciones en el aporte de N y P simultáneamente, respecto del contenido en materia carbonosa del residuo a tratar (Gil et al., 2018. Effect of variation in the C/[N+P] ratio on anaerobic digestion. Environmental Progress & Sustainable Energy (In press)). Por otra parte, la existencia de residuos cuya biodegradabilidad es baja, pero cuyo tratamiento mediante digestión anaerobia es conveniente, pone de manifiesto la necesidad de ampliar los estudios de aplicación de pretratamiento/s que mejoren esta situación. Así, la evaluación de pretratamientos que permitan mejorar la solubilización del C y N contenidos en los residuos, puede resultar de gran interés para mejorar su posterior tratamiento mediante digestión anaerobia. La biodisponibilidad de los nutrientes conlleva la reducción del tiempo que la etapa de solubilización e hidrólisis de la materia orgánica a tratar requiere. Por ello, se ha evaluado el pretratamiento con microondas del lodo de las estaciones depuradoras de aguas residuales, ya sea el lodo flotado o lodo centrifugado, evaluando la conveniencia de su aplicación y posterior influencia sobre el test de biodegradación anaerobia. Con ello se estudia adicionalmente la posibilidad de transportar el lodo a otro punto geográfico distinto del lugar de generación, donde se encuentre implantado un sistema de tratamiento anaerobio (Gil et al. Effect of microwave pretreatment on centrifuged and floated sewage sludge derived from WWTP. Renewable Energy (Under review); Gil et al., 2018. Effect of microwave pretreatment on semi-continuous anaerobic digestion of sewage sludge. Renewable Energy, 115, 917-925). Finalmente, dado que los pretratamientos energéticos parecen ser siendo los más adecuados cuando en una etapa posterior se aplican tratamientos biológicos, se han realizado estudios adicionales sobre la combinación de un pretratamiento hidrotérmico con la digestión anaerobia de residuos vegetales con elevado contenido lignocelulósico (Gil et al. Evaluation of physicochemical pretreatment of tomato plant for anaerobic digestion. Waste Management (Under review); Hamraoui et al. Evaluation of hydrothermal pretreatment for biological treatment of lignocellulosic feedstock (pepper plant and eggplant). Waste Management (Under review)). Los resultados presentados en esta Tesis Doctoral han supuesto un avance significativo en el contexto de la gestión de los residuos biodegradables, ya que han permitiendo aportar soluciones a un problema de gran relevancia en la sociedad actual, con los consecuentes beneficios ambientales y sociales que una mejora en el tratamiento de los mismos puede conllevar.

A problem that increasingly affects society is the generation of different types of waste. The legislation deals with the achievement of more adequate and sustainable management at different levels. But, in addition to the obligations imposed by existing regulations in this regard, awareness of this problem has led to changes in the production systems, investing more resources to achieve a system consistent with the concept of circular economy. This concept is a commitment to close the productive cycles in terms of matter and energy flows. An alternative to achieve these objectives is the energy recovery from waste generated in industrial productive activities and, thus to, use the energy obtained for self-consumption in the facilities themselves. In this context, anaerobic digestion is a widely implemented technology for energy recovery and treatment of biodegradable organic waste. Such type of waste may have different physico-chemical characteristics, generation points and production periods. In many cases, the cost of implementing a treatment system from a single source of waste generation is unviable, except in the case of municipal waste. Starting from the premise that all the objetives of this PhD Thesis focus on possible improvements in the anaerobic digestion, offering relevant information about them and, thus, making possible their implementation, different fronts for action have been are considered: Characterization and optimization of the concentration of nutrients in organic substrates to be biomethanized, application of pretreatments to accelerate the biodegradation process and to increase its energy efficiency in the form of methane, and the optimization of possible combinations or mixtures . The theoretical evaluation of the viability of organic waste biomethanization is a fundamental step for further experimental studies. Thus, using of tools that combine physico-chemical characterization with statistics would allow carrying out a multivariate analysis, which has been scarcely applied to a biological process with high inertia component, can be easily destabilized, and requires qualified personnel for maintenance and high initial implementation cost. The application of mass balances to several fundamental nutrients (COD, N and P) and multivariate analysis such as Principal Component Analysis (PCA) and Cluster Analysis (CA), based on a first physical-chemical characterization of waste materials to be biodegraded anaerobically, have allowed performing a first evaluation of co-digesting different residual substrates, either by compensating the balance of such nutrients, by grouping residues or by predominance of some of them. The search for a suitable mixture in terms of waste proportions for starting a digester or for its subsequent maintenance has been possible thanks to the tools presented in the scientific publications included in this PhD Thesis (Gil et al., 2018. Multivariate analysis and biodegradability test to evaluate different organic wastes for biological processes. Waste Management, 78, 819-828). Anaerobic co-digestion of different wastes generated in the same geographical might be interesting both for waste management and valorization. Co-digestion would provide economic sustainability, in its three aspects, to the area of implementation, which is an objective pursued by all national and European plans for economic and environmental improvement (Gil et al., 2017. Optimizing the selection of organic waste for biomethanization. Environmental Technology (In press); Gil et al., 2015. Mixture optimization of anaerobic co-digestion of tomato and cucumber waste. Environmental Technology, 36, 2628-2636). Being the correct balance of nutrients a fundamental issue for microbial metabolism and generation of products (CO2 and CH4, preferably), the toxic effect of nitrogen at high concentration on the metabolism of the different trophic groups involved in the transformation reactions chain of the macromolecules contained in residual substrates by the anaerobic microbiota is well-known. However, the effect that the contribution of P might cause in the anaerobic process is not so established. The only information available is that this nutrient is required at lower concentration than other ones. Given that residual organic substances are not usually composed by nutrients at optimal concentration for their valorization through biomethanization, the evaluation of the effect caused on the process (generation of methane, stability and kinetics) by different combinations of N and P simultaneously, with respect to the content of carbonaceous matter contained in the waste to be treated, has been considered of special interest (Gil et al., 2018. Effect of variation in the C/[N+P] ratio on anaerobic digestion. Environmental Progress & Sustainable Energy ( In press)). On the other hand, the existence of low-biodegradability waste whose anaerobic treatment is required leads to the need of carrying out further pretreatment studies. Thus, the evaluation of pretreatments that allow improving the solubilization of C and N contained in waste can be of marked interest to favor the subsequent treatment through anaerobic digestion. Nutrients bioavailability entails the reduction of time required to solubilize and hydrolyse the organic substrate to be treated. In this context, the microwave pretreatment of sewage sludge derived from wastewater treatment plants (floated or centrifuged sludge) has been evaluated in terms of suitability and effect on the subsequent the anaerobic biodegradation test. Furthermore, the possibility of transporting sewage sludge to a different geographical point from the generation site where an anaerobic system is implanted has been also evaluated (Gil et al. Effect of microwave pretreatment on centrifuged and floated sewage sludge derived from WWTP. Renewable Energy, (Under review); Gil et al., 2018. Effect of microwave pretreatment on semi-continuous anaerobic digestion of sewage sludge. Renewable Energy, 115, 917-925). Finally, given that energy pretreatments seem to be the most appropriate ones when biological treatments are further applied to manage waste, additional studies on the combination of hydrothermal pretreatment with biomethanization of high-cellulose vegetable waste have been carried out lignocelulósico (Gil et al. Evaluation of physicochemical pretreatment of tomato plant for anaerobic digestion. Waste Management (Under review); Hamraoui et al. Evaluation of hydrothermal pretreatment for biological treatment of lignocellulosic feedstock (pepper plant and eggplant). Waste Management (Under review)). The results obtained represent a significant advance in the context of the management of biodegradable waste. This PhD Thesis provides a solution to a markedly relevant problem in current society, with the consequent environmental and social benefits that an improvement in organic waste treatment might lead.