8.1. CONCLUSIONES DEL ANÁLISIS EXPERIMENTAL
En este estudio se ha validado una metodología para determinar la biodegradabilidad anaerobia de residuos orgánicos basada en protocolos existentes. Esta metodología ha permitido cuantificar el potencial de producción de metano de cinco residuos distintos mediante test mono-digestión. De acuerdo con los resultados obtenidos, el potencial metanogénico de los mismos (expresado en mL STP (g SV)-1) aumenta en el orden que se muestra a continuación: FFD (225)<
A (270)<H (305)<FATAD (410)<AG (605).
Los resultados obtenidos son coherentes con los análisis de la composición química de los residuos. En términos cinéticos (desintegración), no se aprecian diferencias destacables para los distintos residuos, puesto que la kdis se sitúa dentro
del rango 0,14-0,21 d-1; a excepción del valor de 0,345 d-1 estimado para el fango
ATAD. Los resultados del análisis de la biodegradabilidad anaerobia de este residuo sugieren que un pre-tratamiento aerobio es beneficioso ya que permite obtener una velocidad de desintegración relativamente alta, manteniendo un elevado potencial de producción de metano.
Con respecto a los test de biodegradabilidad anaerobia de co-digestión, reflejan las ventajas de añadir un co-sustrato junto con fango fresco deshidratado en términos de rendimiento metanogénico. Se ha ha detectado un ligero sinergismo con el uso de harinas cárnicas, mientras que el mejor resultado se ha conseguido con la adición de aguas de glicerina. El inconveniente de dicho residuo en comparación con el resto de residuos empleados es la presencia de sales de sulfato a partir de las cuales se puede producir ácido sulfhídrico, que afecta negativamente tanto al proceso anaerobio como a los equipos de cogeneración. Por lo tanto, para poder tratar las aguas de glicerina en co-digestión con fango de EDAR a mayor escala se deberían emplear condiciones en las que la producción de este compuesto se viera reducida considerablemente. Los resultados del test adicional de co- digestión de fango fresco deshidratado con una proporción decreciente de residuo de biodiesel van en consonancia con esta afirmación. Este test indica que se consigue un efecto positivo en términos de producción de metano, especialmente durante la fase inicial.
Los resultados de los ensayos en planta piloto indican que es posible operar un reactor anaerobio con alta concentración de sólidos alimentándolo con una de las mezclas analizadas en la etapa previa de experimentación a escala de laboratorio. Concretamente, se ha alimentado el reactor con una mezcla 9:1 (en kg
SV) de fango fresco deshidratado y residuo de biodiesel, con una OLR de 2 kg SV (m3·d)-1. En cuanto a la etapa de mono-digestión de fango deshidratado, los
resultados sugieren que sería conveniente emplear un tiempo de retención tal que permitiera prevenir la acumulación de nitrógeno amoniacal, así como su toxicidad sobre la actividad metanogénica. Por otro lado, los resultados del experimento reflejan que la velocidad de desintegración e hidrólisis de este residuo es lenta. Por lo tanto, los componentes orgánicos del fango deshidratado se pueden considerar en su mayoría, a efectos de operación, lentamente biodegradables. Puesto que el test de biodegradabilidad se ha realizado en unas condiciones determinadas para estimar el potencial máximo de producción de metano, la cinética de estos ensayos no es directamente extrapolable a casos de digestión a mayor escala y en unas condiciones experimentales diferentes. Asimismo, de acuerdo con los resultados, una OLR de 5,5 kg SV (m3·d)-1 resulta adecuada para operar el reactor sin riesgo de
una acumulación muy pronunciada en nitrógeno amoniacal o de sobrecarga orgánica. Por último, los resultados obtenidos indican que sería interesante plantear algún tipo de pre-tratamiento con el fin de optimizar el rendimiento metanogénico durante el tratamiento de fango de EDAR deshidratado.
8.2. CONCLUSIONES DE LA HERRAMIENTA DE CARACTERIZACIÓN
La técnica del análisis de la propagación de errores empleada en la herramienta de caracterización ha puesto de manifiesto que, en la metodología seguida en este estudio para cuantificar el metano producido en ensayos de biodegradabilidad, la fiabilidad de la medida de metano es mayor que la de DQO. Por lo tanto, no parece útil verificar la calidad del método de cuantificación de metano a partir de las medidas experimentales de eliminación de DQO.
La herramienta de caracterización aplicada predice el potencial de producción de metano de procesos de co-digestión en los que se combinan residuos orgánicos de distinta naturaleza. Asimismo, se puede decir que la metodología empleada; que se ha basado en la combinación de trabajo experimental (test BMP y medidas analíticas de laboratorio) y un modelo matemático elaborado a partir del ADM1, permite optimizar parámetros cinéticos y estequiométricos clave para la calibración del mismo. En definitiva, esta metodología proporciona información importante para seleccionar una combinación de residuos que permita maximizar el rendimiento de metano en plantas en las que se lleva a cabo la co-digestión. Por todo ello, podría ser una herramienta válida para la toma de decisiones en la operación de digestores reales.
8.3. CONCLUSIONES DEL ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD
De acuerdo con los resultados de los dos casos analizados, se puede decir que el co-tratamiento es una alternativa viable tanto para fango de EDAR deshidratado, como para un fango de características similares a un fango típico. Con respecto al efecto de la adición de un co-sustrato sobre la operación del digestor, los resultados indican que depende principalmente de la naturaleza del mismo.
Con respecto a la velocidad de desintegración, se ha observado que su influencia es mayor o menor en función de la composición y de las cacterísticas de los dos residuos que alimentan el digestor. Su influencia es mayor cuanta mayor es la cantidad de materia orgánica particulada que posee el residuo.
De los resultados del análisis de sensibilidad se puede destacar que, en general, la producción de metano y biogás es menor cuanto mayor es el TRH empleado. En cuanto al pH o el porcentaje de metano, la variación descrita por el modelo no es significativa dentro del amplio rango de TRH que se ha analizado cuando se utiliza como co-sustrato residuo vegetal. Según los resultados para el caso de co-digestión de fango de EDAR y residuo de biodiesel, el proceso admite una máxima concentración de co-residuo para mantenerse en condiciones de equilibrio. A partir de un valor límite, que varía significativamente en función del TRH, el proceso se inhibe claramente. La inhibición se ve reflejada en varios parámetros, ya que se da un aumento drástico del nivel de AGV y una bajada de pH y de la producción de metano y biogás igualmente pronunciadas. Los parámetros clave apuntan a una sobrecarga orgánica y un desequilibrio entre las especies productoras de hidrógeno y las especies consumidoras de hidrógeno, con una acumulación severa de compuestos intermediarios.
8.4. CONCLUSIÓN GENERAL
Debido al potencial de la co-digestión como alternativa para optimizar la gestión de residuos orgánicos y maximizar la producción de biogás de residuos cuyo tratamiento puede resultar inviable o problemático, es importante desarrollar metodologías que permitan ampliar la experiencia en este ámbito para fomentar su aplicación a escala real. En este estudio se han combinado ensayos experimentales y herramientas matemáticas, de tal forma que se ha podido explorar el potencial de producción de metano de residuos orgánicos de distinta naturaleza y de combinaciones de los mismos a diferentes escalas. Dada la situación actual de su gestión, parte de la experimentación se ha centrado en la digestión de lodos de EDAR, y se ha comprobado que se trata de un residuo con potencial de ser tratado por digestión anaerobia en alta concentración de sólidos aisladamente y en combinación con un residuo de características complementarias. Los resultados del estudio reflejan que los ensayos experimentales permiten reunir información
necesaria para aplicar los modelos matemáticos existentes y para validar modificaciones en los mismos. Del mismo modo, se ha demostrado que la combinación de modelos y técnicas matemáticas permite desarrollar herramientas con capacidad de predecir resultados experimentales y con potencial para explorar diferentes escenarios de operación a escala real.
8.5. FUTURAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN
A continuación se detallan las futuras líneas de investigación en las que es posible continuar el trabajo al que se ha dado comienzo en este proyecto:
Desarrollo de una metodología experimental que permita estimar una kdis más
próxima a la real, en condiciones diferentes a las empleadas en los test BMP. Ampliación de la herramienta de caracterización para tener en cuenta una
mayor cantidad de medidas experimentales (NTK, NAT, AGV, etc.).
Optimización de la herramienta de caracterización mediante la inclusión de un algoritmo de detección de fallos en las medidas analíticas para que sea posible desechar automáticamente valores erróneos.
Aplicación de la herramienta de caracterización para otro tipo de residuos orgánicos y validación con nuevos ensayos BMP de co-digestión.
Planteamiento de una serie de modificaciones y/o ampliaciones al modelo existente:
o Modificación de la cinética de desintegración para casos de residuos particulados.
o Incorporación del azufre y de la cinética de formación de sulhídrico.
o Incorporación del fenómeno de inhibición por ácido sulfhídrico.
o Incorporación de compuestos solubles como el metanol o el glicerol.
Validación de la categoría de co-digestión propuesta en este proyecto a partir de datos de plantas reales.
Ampliación de la aplicabilidad de la metodología descrita con el fin de crear una herramienta de ayuda para operar plantas reales de co-digestión que permita maximizar la producción de metano, manteniendo una operación estable.
Bibliografía
AEBIOM – European Biomass Association (2009). A Biogas Road Map for Europe, Brussels.
Ağdağ, O.N., Sponza, D.T. (2007). Co-digestion of mixed industrial sludge with municipal solid wastes in anaerobic simulated landfilling bioreactors. Journal of Hazardous Materials 140(1-2), 75-85.
Ahring, B.K., Sandberg, M., Angelidaki, I. (1995). Volatile fatty acids as indicators of process imbalance in anaerobic digestors. Applied Microbiology and Biotechnology 43(3), 559-565.
Alatriste-Mondragon, F., Samar, P., Cox, H.H.J., Ahring, B.K., Iranpour, R. (2006). Anaerobic codigestion of municipal, farm, and industrial organic wastes: A survey of recent literature. Water Environment Research 78(6), 607-636.
Alvarez, R., Lidén, G. (2008). Semi-continuous co-digestion of solid slaughterhouse waste, manure, and fruit and vegetable waste. Renewable Energy 33(4), 726-734.
Alvarez, J.A., Carballa, M., Regueiro, L., Lema, J. M. (2010). Anaerobic co-digestion of agro-industrial wastes. Proceedings of the 12th World Congress on Anaerobic Digestion IWA Specialized Conference, Guadalajara, Méjico, 31 octubre-4 noviembre, 2010.
Amon, Th., Amon, B., Kryvoruchko, V., Bodiroza, V., Pötsch, E., Zollitsch, W. (2006). Optimising methane yield from anaerobic digestion of manure: effects of dairy systems and of glycerine supplementation. International Congress Series 1293, 217–220.
Angelidaki I., Ellegaard L., Ahring B.K. (1993). A mathematical model for dynamic simulation of anaerobic digestion of complex substrates, focusing on ammonia inhibition. Biotechnology and Bioenergy 42, 159-166.
Angelidaki, I., Ahring, B.K. (1997). Codigestion of olive oil mill wastewaters with manure, household waste or sewage sludge. Biodegradation 8(4), 221-226.
Angelidaki, I., Sanders, W. (2004). Assessment of the anaerobic biodegradability of macropollutans. Reviews in Environmental Science and Biotechnology 3, 117-129.
Angelidaki, I., Alves, M., Bolzonella, D., Borzacconi, L., Campos, J.L., Guwy, A.J., et al. (2009). Defining the biomethane potential (BMP) of solid organic wastes and energy crops: A proposed protocol for batch assays. Water Science and Technology 59, 927-934.
APHA (1978). Chemical Oxygen Demand (Titrimetric, Mid-Level), Report on the Method 410.1 (http://www.caslab.com/EPA-Methods/PDF/EPA-Method-4101.pdf).
APHA (1999). Report on Chemical Oxygen Demand, Method 5220. (http://site.iugaza.edu.ps/t77328/files/COD.pdf).
APHA-AWWA-WEF (2005). 21st Edition of the Standard Methods for the Examination of Water and
Wastewater. American Public Health Association - American Water Works Association - Water Environment Federation, Washington DC (USA).
Appels, L., Baeyens, J., Degrève, J., Dewil, R. (2008). Principles and potential of the anaerobic digestion of waste-activated sludge. Progress in Energy and Combustion Science 34(6), 755-781.
Astals, S., Nolla-Ardèvol, V., Mata-Alvarez, J. (2012). Anaerobic co-digestion of pig manure and crude glycerol at mesophilic conditions: Biogas and digestate. Bioresource Technology 110(0), 63-70.
Axpo Group. The Kompogas process (http://www.axpo.com/axpo/kompogas/en/axpo- kompogas/kompogassystem.html).
Aymerich, E. (2007). Alternativas de co-tratamiento biológico de residuos agroindustriales. Valorización agronómica del producto final, Tesis, Universidad de Navarra, pp. 254.
Aymerich, E., Barrena, I., Etxeberria, A., Garcia-Heras, J.L. (2010). A new methodology to calibrate the disintegration/hydrolysis step of the ADM1 for sewage sludge. 12th World Congress on Anaerobic
Digestion (IWA Specialist Conferences), Guadalajara-Jalisco, Mexico, October 31st- November 4th.
Aymerich, E., Esteban-Gutiérrez, M., Sancho, L. (2013). Analysis of the stability of high-solids anaerobic digestion of agro-industrial waste and sewage sludge. Bioresource Technology 144(0), 107-114. Baba, Y., Tada, C., Watanabe, R., Fukuda, Y., Chida, N., Nakai, Y. (2013). Anaerobic digestion of crude
glycerol from biodiesel manufacturing using a large-scale pilot plant: Methane production and application of digested sludge as fertilizer. Bioresource Technology 140(0), 342-348.
Bhattacharya, S.K., Uberoi, V., Dronamraju, M.M. (1996). Interaction between acetate fed sulfate reducers and methanogens. Water Research 30(10), 2239-2246.
Batstone, D.J., Keller, J., Angelidaki, I., Kalyuzhnyi, S.V., Pavlostathis, S.G., Rozzi, A., Sanders, W.T.M., Siegrist, H., Vavilin, V.A. (2002). Anaerobic digestion model no.1. Scientific and Technical Report No. 13. IWA Publishing, ISBN 1 900222 78 7.
Batstone, D., Keller, J. (2003). Industrial applications of the IWA anaerobic digestion model No. 1 (ADM1). Water Science and Technology 47(12), 199–206.
Batstone, D.J., Keller, J., Steyer, J.P. (2006). A review of ADM1 extensions, applications, and analysis: 2002– 2005. Water Science and Technology 54(4), 1-10.
Biernacki, P., Steinigeweg, S., Borchert, A., Uhlenhut, F. (2013). Application of Anaerobic Digestion Model No. 1 for describing anaerobic digestion of grass, maize, green weed silage, and industrial glycerine. Bioresource Technology 127(0), 188-194.
Birch, R., Biver, C., Campagna, R., Gledhill, W., Pagga, U., Steber, J., Reust, H. (1989). Bontinck W. Screening of chemicals for anaerobic biodegradability.Chemosphere 19(10–11), 1527–1550.
Björnsson, L., Murto, M., Mattiasson, B. (2000). Evaluation of parameters for monitoring an anaerobic co- digestion process. Applied Microbiology and Biotechnology 54(6), 844-849.
Blumensaat, F., Keller, J. (2005). Modelling of two-stage anaerobic digestion using the IWA Anaerobic Digestion Model No 1 (ADM1). Water Research 39(1), 171-183.
BOE (2011). Ley 22/2011, de 28 de Julio, De Residuos y Suelos Contaminados, Boletin Oficial del Estado nº 181, p. 85650-85705.
Bollon, J., Le-hyaric, R., Benbelkacem, H., Buffiere, P. (2011). Development of a kinetic model for anaerobic dry digestion processes: Focus on acetate degradation and moisture content. Biochemical Engineering Journal 56(3), 212-218.
Bolzonella, D., Pavan, P., Mace, S., Cecchi, F. (2006a). Dry anaerobic digestion of differently sorted organic municipal solid waste: A full-scale experience. Water Science and Technology 53(8), 23-32.
Bolzonella, D., Pavan, P., Battistoni, P., Cecchi, F. (2006b). Anaerobic co-digestion of sludge with other organic wastes and phosphorus reclamation in wastewater treatment plants for biological nutrient removal. Water Science and Technology 53(12), 177-186.
Bolzonella, D., Battistoni, P., Susini, C., Cecchi, F. (2006c). Anaerobic codigestion of waste activated sludge and OFMSW: The experiences of Viareggio and Treviso plants (Italy). Water Science and Technology 53, 203–211.