PROCEDIMIENTO DE DIGESTIÓN ANAEROBIA EN FASES DE TEMPERATURA DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS URBANOS.

SECTOR DE LA TÉCNICA.

La presente invención se encuadra en el sector técnico de procesos de tratamiento de residuos sólidos urbanos, concretamente en el relativo a tratamientos biológicos de residuos sólidos orgánicos mediante la tecnología de digestión anaerobia o biometanización.

ESTADO DE LA TÉCNICA.

El incremento en la producción de Residuos Sólidos Urbanos (RSU) durante los últimos años requiere la adopción de medidas de gestión eficaces con el fin de minimizar su impacto sobre el medio ambiente. En este sentido, el Plan Nacional Integrado de Residuos para el periodo 2008-2015 (PNIR 2008-2015), aprobado por el Consejo de Ministros el 26 de febrero de 2009, tiene como finalidad promover una política adecuada en la gestión de los residuos, disminuyendo su generación e impulsando un correcto tratamiento de los mismos: prevención, reutilización, reciclaje, valorización y eliminación. Asimismo persigue la implicación de todas las Administraciones públicas, consumidores y usuarios, con objeto de que asuman sus respectivas cuotas de responsabilidad, impulsando la creación de infraestructuras que garanticen este correcto tratamiento y gestión de los residuos en los lugares más próximos a su generación. Además, incorpora la Estrategia de Reducción de Vertido de Residuos Biodegradables con el fin de disminuir su impacto sobre el entorno. En este sentido se plantea la oportunidad de tratamiento de los residuos municipales biodegradables, debido al elevado porcentaje de materia orgánica que presentan mediante las técnicas biológicas, entre las que se encuentra la digestión anaerobia o biometanización. La biometanización es una tecnología para el tratamiento de residuos orgánicos que posibilita la valorización energética ya que, como resultado del proceso global se obtiene un biogás con alto contenido en metano. Adicionalmente, el proceso anaerobio genera un residuo estabilizado biológicamente, con buenas características como mejorador del suelo y que puede ser utilizado con fines agrícolas.

El proceso de digestión anaerobia de la materia orgánica permite considerar hasta cuatro etapas sucesivas (Gujer y cois., (1983) Conversión processes in anaerobic digestión. Water Science and Technology, 15(8-9), 127-67; Breure, (1986) Hydrolisys and acidogenesis fermentation of protein and carhohydrates in anaerobic waste water treatments. Off setduikkerij. Kanters B. V., Alblasserdam.):

• Hidrólisis: es el primer paso necesario para la degradación anaerobia de substratos orgánicos complejos, ya que la materia orgánica no puede ser utilizada directamente por los microorganismos a menos que se hidrolice en compuestos solubles, que puedan atravesar la membrana celular. La hidrólisis de estas partículas orgánicas es llevada a cabo por enzimas extracelulares excretadas por las bacterias fermentativas.

• Acidogénesis: las moléculas orgánicas solubles son fermentadas por varios microorganismos formando compuestos que pueden ser utilizados directamente por las bacterias metanogénicas (acético, fórmico, hidrógeno) y otros compuestos orgánicos muy reducidos (láctico, etanol, propiónico, butírico).

• Acetogénesis: los compuestos orgánicos reducidos, formados en la anterior etapa, tienen que ser oxidados por las bacterias acetogénicas a sustratos que puedan ser utilizados por las archaeas metanogénicas.

• Metanogénesis: las archaeas metanogénicas son las responsables de la formación de metano a partir de substratos monocarbonados o con dos átomos de carbono unidos por un enlace covalente, dando nombre al proceso general de biometanización. Los organismos metanogénicos se clasifican dentro del dominio Archaea, y morfológicamente, pueden ser bacilos cortos y largos. Todas las archaeas metanogénicas que intervienen en el proceso poseen varias coenzimas especiales, siendo la coenzima M, la que participa en el paso final de la formación de metano.

La temperatura es una variable fundamental en el proceso de biometanización. Clásicamente se han utilizado procesos monoetapa en rango mesofílico (30-37°C) y procesos termofílicos (50-57°C), presentando cada uno de ellos ventajas e inconvenientes. Recientemente, con el objetivo de aunar las ventajas de ambos rangos de operación, se ha comenzado a utilizar, especialmente para el tratamiento de lodos de EDAR, la Digestión Anaerobia en Fases de Temperatura (DAFT).

La invención que se detalla en este documento se centra en la aplicación del proceso en fases de temperatura aplicada a la tecnología de biometanización de la FORSU industrial, sin que suponga la separación de etapas microbiológicas.

Actualmente se han desarrollado estudios sobre el proceso en fases de temperatura con distintos compuestos orgánicos, pero no hay estudios previos sobre dicha tecnología con este residuo debido a la dificultad en su manejo. Las principales variables de operación en este proceso son el tiempo de degradación en termofílico y la velocidad de carga orgánica alimentada al sistema.

Hasta el momento los sistemas de biometanización de residuos orgánicos con alto contenido en sólidos se han desarrollado en una sola fases de temperatura, normalmente en rango mesofílico (25-40°C) y ocasionalmente en rango termofílico (45°C-60°C). Algunos autores (Cecchi y cois. Cecchi F., Pavan P., Mata-Álvarez J, Bassetti A., Cozzolino C. (1991) Anaerobic digestión of municipal so/id ¡vaste: ther ophilic vs. mesophilic performance at high solids. Waste Management and Research 9, 305-315; Shu- Guang y cois; Shu-Guang Lu, Tsuyoshi Imai, Masao Ukita And Masahiko Sekine. (2007). Start-up performances of dry anaerobic mesophilic and thermophilic digestions of organic solid ¡pastes. Journal of Environmental Sciences Volume 19, Issue 4, 416-420 y Hedge y Pullammanappallil, (2007) Comparison of thermophilic and mesophilic one-stage, batch, high-solids anaerobic digestión. Environmental Technology, 28(4), 361-369), entre otros han dedicado estudios a comparar las ventajas de un rango frente a otro. Los sistemas en fases de temperatura desarrollados hasta ahora trataban residuos que presentan bajo contenido en sólidos (3-10%), denominados de degradación húmeda, como suero de leche o lodos activos de EDAR. Los trabajos desarrollados con estos residuos demuestran que la fase termofílica no sólo acelera la etapa limitante de la digestión anaerobia, sino que también consigue la esterilización del residuo de organismos patógenos (Aitken MD, Sobsey MD, Van Abel NA, Blauth KE, Singleton DR, Crunk PL, Nichols C, Walters GW, Schneider M. (2007). Inactivation of Escherichia coli 0157: H7 during thermophilh anaerobic digestión of manure from dairy cattle. Water Research 41 (8): 1659 ; Viau y Peccia, (2009) Survey of wastewater indicators and human pathogen genomes in biosolids produced by class A and class B stabili^ation treatments. Applied and Environmental Microbiology 75 (1), 164-174; Riau y cois., (2009); Riau y cois., (2010), lo que posibilita el uso posterior del efluente del proceso como aplicación agronómica.

Asimismo el sistema en fases de temperatura también puede mejorar la deshidratación del lodo (Bivins y Novak, (2001). Changes in dewateringproperties between the thermophilic and mesophilic stages in temperature-phased anaerobic digestión systems. Water Environment Research 73 (4), 444-449; Zhou y Mavinic, (2003) Pollution reduction at wastewater treatment facilities through thermophilic sludge digestión. Water Science & Technology Vol 48 No 3 pp 57-63.).

También existen publicaciones en las que las fases de temperatura suponen una separación de etapas microbiológicas, de forma que se opera en termofílico en el reactor hidrolítico-acidogénico y en mesofílico en el reactor metanogénico (Schmit K. H., Ellis T. G. (2001). "Comparison of temperature-phased and two-phase anaerobic co-digestion of primary sludge and municipal solid waste". Water Environment Research 73(3), 314-321). Existen también procesos en los que se propone la digestión anaerobia de lodos activos de EDAR en reactores termofüicos acidogénicos y el paso del efluente a reactores mesofflicos metanogénicos (Demirer, G., Othman, M. (2008) Two-Phase Thermophilic Acidification and Mesophilic Methanogenesis Anaerobic Digestión of Waste Activated Sludge. Environmental Engineering Science. Volume 25, Number 9. 1291-1300). No obstante, el hecho de separar etapas puede suponer problemas de inhibición en el sistema global, sobre todo trabajando a escalas industriales. Esta separación de etapas también se recoge en otros procedimientos, como la que aparece en ES2199022A1, donde se describe un procedimiento de fermentación anaerobia, con separación de dichas etapas microbiológicas, operándose en rango mesofílico, y en codigestión de residuos sólidos urbanos y lodos urbanos. En resumen, a pesar de que en el estado de la técnica existen descripciones sobre reactores en fases de temperatura para el tratamiento de residuos orgánicos, pocos de ellos son sobre residuos con alto contenido en sólidos (20-30%) y de difícil tratamiento como es la FORSU, el residuo que se ha empleado en la presente invención. La dificultad de trabajar con este tipo de residuos, así como la dificultad en la caracterización y seguimiento del proceso anaerobio, han impedido el desarrollo de este tipo de estudios. Por otra parte, la no separación de etapas microbiológicas en las distintas fases de temperatura incrementa la estabilidad del sistema, marcando una diferencia más a considerar frente a las tecnologías vigentes.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN.

La invención consiste en un procedimiento para la degradación anaeróbica en fases de temperatura (secuencial termofQico-mesofílico) de la FORSU a través del cual se consigue incrementar la estabilidad del proceso y la capacidad de tratamiento del residuo orgánico por día, presentando una mayor eficiencia en la producción de biogás referida a cantidad de materia orgánica alimentada al sistema o consumida por el mismo.

El proceso consiste en someter el residuo a un pretratamiento termofüico durante un tiempo determinado para conseguir una alta hidrólisis y solubilización del residuo orgánico de manera eficaz. La segunda etapa del proceso consiste en someter el residuo prehidrolizado durante la fase termofüica a degradación mesofílica, de forma que la materia solubilizada se consuma durante esta segunda fase.

Cabe destacar que el contenido en sólidos del residuo a tratar en el proceso está comprendido entre 20-30%, por lo que el procedimiento tiene lugar en condiciones que se denominan "secas" de degradación. El procedimiento que se detalla se realiza sin codigestión con otro residuo, únicamente se procede a degradar la FORSU como residuo orgánico.

Asimismo, en el procedimiento propuesto no se produce la separación de etapas microbiológicas, sino que en ambas fases, tanto la termofílica como la mesofílica tienen lugar todas las etapas que se han indicado con anterioridad. Esto supone eliminar o disminuir problemas de inhibición en el sistema global, ya que el segundo reactor, donde tiene lugar la fase mesofílica, asume los posibles desequilibrios originados en la fase termofílica.

Cuando el residuo sólido orgánico, como es la FORSU, se somete al proceso indicado anteriormente, se obtienen las siguientes ventajas desde el punto de vista del diseño de los reactores anaerobios y de la operación del proceso:

a) Se produce una importante solubilización de materia orgánica en el medio de reacción durante la primera de las fases, la etapa en rango termofílico.

b) A través de la solubilización de la materia orgánica que se consigue mediante la aplicación del pretratamiento, se consigue mayor la velocidad global del proceso comparada con los sistemas monoetapa.

c) Este incremento de la velocidad global de proceso lleva asociada varias ventajas: i. Las plantas de biometanización industriales actualmente operativas podrían trabajar con mayores velocidades de carga orgánica alimentadas al sistema, lo cuál conlleva beneficios económicos al incrementarse la capacidad de tratamiento y/ o gestión de las instalaciones.

ii. Se produce una mejora significativa en la producción neta de metano y en la velocidad de biometanización. Cuando la FORSU es sometida al proceso DAFT se han conseguido, mediante ensayos de laboratorio, mayores producciones de metano y mayores productividades referidas a materia orgánica consumida y alimentada al sistema que los sistemas monoetapa con una duración de tiempo similar. El incremento en la generación de metano conlleva beneficios desde el punto de vista económico en el sentido de que este vector energético, tras ser sometido a cogeneración para producir energía eléctrica, podría ser empleado para cubrir la demanda de la propia instalación e incluso podrían ser vendidos los excedentes energéticos a las grandes compañías eléctricas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA FIGURA.

Figura 1.- Diagrama de flujo y esquema de la unidades implicadas en el proceso DAFT (termofíHco-mesofílico) de la FORSU industrial. Se muestran los siguientes elementos:

• Reactor Termofílico: Lugar de reacción en el que se lleva a cabo el tratamiento termofílico del residuo. Este reactor es alimentado con la FORSU industrial. Se trata de un reactor semicontinuo tipo mezcla completa, provisto de agitación por palas y con calefacción por camisa externa.

• Reactor Mesofílico: Lugar de reacción para llevar a cabo el tratamiento mesofiOico del efluente del reactor termofílico. Se trata de un reactor semicontinuo tipo mezcla completa, provisto de agitación por palas y con calefacción por camisa externa.

• Línea verde continua: Representa la recogida de biogás generado durante el proceso DAFT en ambos reactores de manera individual, termofílico y mesofílico.

• Línea roja discontinua: Indica el tratamiento de la FORSU en el proceso DAFT.

Figura 2. Comparación entre los porcentajes de eliminación de COD en los sistemas monoetapa y en fases de temperatura.

Figura 3. Comparación entre los porcentajes de eliminación de DQOs en los sistemas monoetapa y en fases de temperatura. DESCRIPCIÓN DE UN EJEMPLO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN.

Para estudiar la degradación anaerobia seca de la FORSU en fases de temperatura se han utilizado dos reactores de tanque agitado, a escala laboratorio operando en régimen de alimentación semicontinuo. Cada reactor de dispone de sistema para la recogida del biogás, para la agitación del medio y para su termostatización. En el primero de los reactores se han impuesto condiciones de operación termofílicas (55-57°C) y en el otro mesofílicas (35-37°C). Con objeto de considerar un proceso integral, se ha elaborado un esquema representativo del mismo (Figura 1) en el que se ha considerado que las unidades del sistema DAFT deben tener diferentes volúmenes en función de los Tiempos de Retención de Sólidos (TRS) empleados. Como puede observarse en este esquema, la FORSU es alimentada al reactor termofílico y todo el efluente de esta unidad constituye la alimentación del reactor mesofílico. La producción de biogás se recoge individualmente de cada uno de los reactores, termofílico y mesofílico.

A continuación se detallan cada uno de los elementos que conforman el proceso representado en la Figura 1, así como el diagrama de flujo del residuo y de los productos generados.

• Reactor Termofílico: Lugar de reacción en el que se lleva a cabo el tratamiento termofílico del residuo. Este reactor es alimentado con la

FORSU industrial. Se trata de un reactor semicontinuo tipo mezcla completa, provisto de agitación por palas y con calefacción por camisa externa.

• Reactor Mesofílico: Lugar de reacción para llevar a cabo el tratamiento mesofílico del efluente del reactor termofílico. Se trata de un reactor semicontinuo tipo mezcla completa, provisto de agitación por palas y con calefacción por camisa externa.

• Línea verde continua: Representa la recogida de biogás generado durante el proceso DAFT en ambos reactores de manera individual, termofílico y mesofílico. • Línea roja discontinua: Indica el tratamiento de la FORSU en el proceso DAFT.

Seguidamente se representa un ejemplo operativo en el que se detalla como llevar a cabo el proceso DAFT con FORSU industrial procedente de un trómmel industrial (15 mm de luz de paso).

CONDICIONES DE OPERACIÓN

Régimen de operación Semicontinuo Semicontinuo

% Sólidos Totales 20-25% 20-25%

Temperatura de

Termofílico-Mesofílico Termofílico-Mesofílico operación

TRS en termofílico

4 3

(días)

TRS en mesofílico (días) 10 6

Presión de trabajo Presión atmosférica Presión atmosférica

Agitación (rpm) 25 25

A continuación se muestran algunos de los principales resultados obtenidos en los ensayos de laboratorio. Fundamentalmente se pretende comparar el proceso en fases de temperatura que se presenta en esta patente frente a los procesos en fases, referidos a:

a) Porcentaje de eliminación de Carbono Orgánico Disuelto (COD) (Figura 2) b) Porcentaje de eliminación de Demanda Química de Oxígeno soluble

(DQOs) (Figura3)

c) Productividad de biogás (Tabla 1) Las nomenclaturas utilizadas en cada uno de los ensayos

Nomenclatura Ensayo

TI 5 Termofílico monoetapa TRS 15 días

TIO Termofílico monoetapa TRS 10 días

T5 Termofílico monoetapa TRS 5 días

M20 Mesofílico monoetapa TRS 20 días

MI 5 Mesofílico monoetapa TRS 15 días

Fases de temperatura: Termofílico TRS 4

FT 4:10

días y Mesofílico TRS 10 días

Fases de temperatura: Termofílico TRS 3

FT 3:6

días y Mesofílico TRS 6 días

Tabla 1.- En la siguiente tabla se muestra una comparativa de la productividad de gas en las diferentes condiciones, en fases de temperatura y sus correspondientes tiempos en una sola fase.