La digestión anaeróbica es una secuencia de procesos mediante los cuales los microorganismos descomponen el material biodegradable en ausencia de oxígeno . [1] El proceso se utiliza con fines industriales o domésticos para gestionar residuos o producir combustibles. Gran parte de la fermentación utilizada industrialmente para producir alimentos y bebidas, así como la fermentación casera, utiliza digestión anaeróbica.
La digestión anaeróbica se produce de forma natural en algunos suelos y en sedimentos de lagos y cuencas oceánicas , donde suele denominarse "actividad anaeróbica". [2] [3] Esta es la fuente del gas metano de los pantanos descubierto por Alessandro Volta en 1776. [4] [5]
El proceso de digestión comienza con la hidrólisis bacteriana de los materiales de entrada. Los polímeros orgánicos insolubles , como los carbohidratos , se descomponen en derivados solubles que quedan disponibles para otras bacterias. Luego, las bacterias acidogénicas convierten los azúcares y aminoácidos en dióxido de carbono, hidrógeno , amoníaco y ácidos orgánicos . En la acetogénesis, las bacterias convierten estos ácidos orgánicos resultantes en ácido acético , junto con amoníaco, hidrógeno y dióxido de carbono adicionales, entre otros compuestos. Finalmente, los metanógenos convierten estos productos en metano y dióxido de carbono. [6] Las poblaciones de arqueas metanogénicas desempeñan un papel indispensable en los tratamientos anaeróbicos de aguas residuales. [7]
La digestión anaeróbica se utiliza como parte del proceso para tratar residuos biodegradables y lodos de depuradora . Como parte de un sistema integrado de gestión de residuos, la digestión anaeróbica reduce la emisión de gases de vertedero a la atmósfera. Los digestores anaeróbicos también pueden alimentarse con cultivos energéticos específicos, como el maíz . [8]
La digestión anaeróbica se utiliza ampliamente como fuente de energía renovable . El proceso produce un biogás , compuesto por metano , dióxido de carbono y trazas de otros gases "contaminantes". [1] Este biogás se puede utilizar directamente como combustible, en motores de gas combinados de calor y energía [9] o convertirse en biometano con calidad de gas natural . El digestato rico en nutrientes producido también se puede utilizar como fertilizante .
Con la reutilización de residuos como recurso y nuevos enfoques tecnológicos que han reducido los costos de capital , en los últimos años la digestión anaeróbica ha recibido una mayor atención entre los gobiernos de varios países, entre ellos el Reino Unido (2011), [10] Alemania , [ cita necesaria ] Dinamarca (2011), [11] y Estados Unidos. [12]
Muchos microorganismos afectan la digestión anaeróbica, incluidas las bacterias formadoras de ácido acético ( acetógenos ) y las arqueas formadoras de metano ( metanógenos ). Estos organismos promueven una serie de procesos químicos para convertir la biomasa en biogás . [13]
El oxígeno gaseoso se excluye de las reacciones mediante contención física. Los anaerobios utilizan aceptores de electrones de fuentes distintas al oxígeno gaseoso. Estos aceptores pueden ser el propio material orgánico o pueden ser suministrados por óxidos inorgánicos desde el interior del material de entrada. Cuando la fuente de oxígeno en un sistema anaeróbico se deriva del propio material orgánico, los productos finales "intermedios" son principalmente alcoholes , aldehídos y ácidos orgánicos, además de dióxido de carbono. En presencia de metanógenos especializados, los intermedios se convierten en productos finales "finales" de metano, dióxido de carbono y trazas de sulfuro de hidrógeno . [14] En un sistema anaeróbico, la mayor parte de la energía química contenida en el material de partida es liberada por arqueas metanogénicas como metano. [15]
Las poblaciones de microorganismos anaeróbicos suelen tardar un período de tiempo significativo en establecerse y ser completamente efectivas. Por lo tanto, una práctica común es introducir microorganismos anaeróbicos a partir de materiales con poblaciones existentes, un proceso conocido como "siembra" de los digestores, que generalmente se logra con la adición de lodos de depuradora o purines de ganado. [dieciséis]
Las cuatro etapas clave de la digestión anaeróbica implican hidrólisis , acidogénesis , acetogénesis y metanogénesis . [17] El proceso general puede describirse mediante la reacción química, en la que los microorganismos anaeróbicos digieren bioquímicamente material orgánico como la glucosa en dióxido de carbono (CO 2 ) y metano (CH 4 ).
C6H12O6 → 3CO2 + 3CH4 _ _ _ _ _
En la mayoría de los casos, la biomasa está formada por polímeros orgánicos de gran tamaño. Para que las bacterias de los digestores anaeróbicos accedan al potencial energético del material, estas cadenas deben primero descomponerse en sus partes constituyentes más pequeñas. Estas partes constituyentes, o monómeros, como los azúcares, están fácilmente disponibles para otras bacterias. El proceso de romper estas cadenas y disolver las moléculas más pequeñas en una solución se llama hidrólisis. Por lo tanto, la hidrólisis de estos componentes poliméricos de alto peso molecular es el primer paso necesario en la digestión anaeróbica. [18] A través de la hidrólisis, las moléculas orgánicas complejas se descomponen en azúcares simples , aminoácidos y ácidos grasos .
El acetato y el hidrógeno producidos en las primeras etapas pueden ser utilizados directamente por los metanógenos. Otras moléculas, como los ácidos grasos volátiles (AGV) con una longitud de cadena mayor que la del acetato, primero deben catabolizarse en compuestos que puedan ser utilizados directamente por los metanógenos. [19]
El proceso biológico de acidogénesis da como resultado una mayor descomposición de los componentes restantes por parte de bacterias acidogénicas (fermentativas). Aquí se crean AGV, junto con amoníaco, dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno , así como otros subproductos. [20] El proceso de acidogénesis es similar a la forma en que se agria la leche .
La tercera etapa de la digestión anaeróbica es la acetogénesis . Aquí, las moléculas simples creadas a través de la fase de acidogénesis son digeridas por acetógenos para producir principalmente ácido acético, así como dióxido de carbono e hidrógeno. [21]
La etapa terminal de la digestión anaeróbica es el proceso biológico de la metanogénesis . En este caso, los metanógenos utilizan los productos intermedios de las etapas anteriores y los convierten en metano, dióxido de carbono y agua. Estos componentes constituyen la mayor parte del biogás emitido por el sistema. La metanogénesis es sensible tanto a pH altos como bajos y ocurre entre pH 6,5 y pH 8. [22] El material restante no digerible que los microbios no pueden usar y los restos de bacterias muertas constituyen el digestato.
[23]
Los digestores anaeróbicos pueden diseñarse y diseñarse para funcionar utilizando varias configuraciones diferentes y pueden clasificarse en modo de proceso discontinuo versus modo de proceso continuo, condiciones de temperatura mesófilas versus termofílicas , porción de sólidos alta versus baja, y procesos de una sola etapa versus de múltiples etapas. El proceso continuo requiere un diseño más complejo, pero aun así puede ser más económico que el proceso por lotes, porque el proceso por lotes requiere más dinero de construcción inicial y un mayor volumen de digestores (repartidos en varios lotes) para manejar la misma cantidad de residuos que un proceso continuo. digestor de proceso. [24] Se requiere mayor energía térmica en un sistema termófilo en comparación con un sistema mesófilo, pero el sistema termófilo requiere mucho menos tiempo y tiene una mayor capacidad de producción de gas y un mayor contenido de gas metano, por lo que hay que considerar esa compensación cuidadosamente. [25] Para el contenido de sólidos, el nivel bajo admitirá hasta un 15 % de contenido sólido. Por encima de este nivel se considera alto contenido de sólidos y también puede conocerse como digestión seca. [26] En un proceso de una sola etapa, un reactor alberga los cuatro pasos de digestión anaeróbica. Un proceso de múltiples etapas utiliza dos o más reactores para la digestión para separar las fases de metanogénesis e hidrólisis. [27]
La digestión anaeróbica se puede realizar como un proceso discontinuo o como un proceso continuo. En un sistema discontinuo, se añade biomasa al reactor al inicio del proceso. Luego, el reactor se sella durante la duración del proceso. En su forma más simple, el procesamiento por lotes necesita la inoculación con material ya procesado para iniciar la digestión anaeróbica. En un escenario típico, la producción de biogás se formará con un patrón de distribución normal a lo largo del tiempo. Los operadores pueden utilizar este hecho para determinar cuándo creen que se ha completado el proceso de digestión de la materia orgánica. Puede haber graves problemas de olores si se abre y vacía un reactor discontinuo antes de que el proceso esté completamente completado. Un tipo más avanzado de enfoque por lotes ha limitado los problemas de olores al integrar la digestión anaeróbica con el compostaje en recipiente . En este enfoque, la inoculación se realiza mediante el uso de percolado desgasificado recirculado. Una vez completada la digestión anaeróbica, la biomasa se mantiene en el reactor que luego se utiliza para el compostaje en el recipiente antes de abrirlo [28] . Como la digestión por lotes es simple y requiere menos equipo y niveles más bajos de trabajo de diseño, generalmente es una forma más barata de digestión. [29] El uso de más de un reactor discontinuo en una planta puede garantizar una producción constante de biogás.
En los procesos de digestión continua, la materia orgánica se agrega constantemente (mezcla completa continua) o se agrega en etapas al reactor (flujo pistón continuo; primero en entrar, primero en salir). Aquí los productos finales se eliminan constante o periódicamente, lo que da como resultado una producción constante de biogás. Se puede utilizar uno o varios digestores en secuencia. Ejemplos de esta forma de digestión anaeróbica incluyen reactores continuos de tanque agitado , mantos de lodo anaeróbico de flujo ascendente , lechos de lodo granular expandido y reactores de circulación interna . [30] [31]
Los dos niveles de temperatura operativa convencionales para los digestores anaeróbicos determinan las especies de metanógenos en los digestores: [32]
Un caso límite se ha alcanzado en Bolivia , con digestión anaeróbica en condiciones de temperatura de trabajo inferiores a 10 °C. El proceso anaeróbico es muy lento y tarda más de tres veces el tiempo normal del proceso mesófilo. [33] En un trabajo experimental en la Universidad de Alaska Fairbanks , un digestor de 1.000 litros que utiliza psicrófilos recolectados del "lodo de un lago congelado en Alaska" ha producido entre 200 y 300 litros de metano por día, alrededor del 20 al 30% de la producción de digestores en climas más cálidos. [34] Las especies mesófilas superan en número a las termófilas y también son más tolerantes a los cambios en las condiciones ambientales que las termófilas. Por lo tanto, los sistemas mesófilos se consideran más estables que los sistemas de digestión termófilos. Por el contrario, si bien los sistemas de digestión termófilos se consideran menos estables, su aporte de energía es mayor y se elimina más biogás de la materia orgánica en el mismo período de tiempo. El aumento de las temperaturas facilita velocidades de reacción más rápidas y, por tanto, rendimientos de gas más rápidos. La operación a temperaturas más altas facilita una mayor reducción de patógenos en el digestato. En países donde la legislación, como las Regulaciones sobre subproductos animales de la Unión Europea, exige que el digestato cumpla con ciertos niveles de reducción de patógenos, puede resultar beneficioso utilizar temperaturas termófilas en lugar de mesófilas. [35]
Se puede utilizar un pretratamiento adicional para reducir el tiempo de retención necesario para producir biogás. Por ejemplo, ciertos procesos trituran los sustratos para aumentar la superficie o utilizan una etapa de pretratamiento térmico (como la pasteurización) para mejorar significativamente la producción de biogás. El proceso de pasteurización también se puede utilizar para reducir la concentración patógena en el digestato, saliendo del digestor anaeróbico. La pasteurización se puede lograr mediante un tratamiento térmico combinado con maceración de los sólidos.
En un escenario típico, tres parámetros operativos diferentes están asociados con el contenido de sólidos de la materia prima para los digestores:
Los digestores con alto contenido de sólidos (secos) están diseñados para procesar materiales con un contenido de sólidos entre 25 y 40%. A diferencia de los digestores húmedos que procesan lodos bombeables, los digestores con alto contenido de sólidos (sustrato seco – apilable) están diseñados para procesar sustratos sólidos sin la adición de agua. Los estilos principales de digestores secos son los de flujo pistón vertical continuo y los digestores horizontales de túnel discontinuo. Los digestores de flujo pistón vertical continuo son tanques cilíndricos verticales donde la materia prima se alimenta continuamente en la parte superior del digestor y fluye hacia abajo por gravedad durante la digestión. En los digestores de túnel discontinuos, la materia prima se deposita en cámaras tipo túnel con una puerta hermética a los gases. Ninguno de los métodos incluye mezcla dentro del digestor. La cantidad de pretratamiento, como la eliminación de contaminantes, depende tanto de la naturaleza de las corrientes residuales que se procesan como de la calidad deseada del digestato. La reducción de tamaño (trituración) es beneficiosa en los sistemas verticales continuos, ya que acelera la digestión, mientras que los sistemas por lotes evitan la trituración y en su lugar requieren estructura (por ejemplo, residuos de jardín) para reducir la compactación de la pila apilada. Los digestores secos verticales continuos ocupan menos espacio debido al tiempo de retención efectivo más corto y al diseño vertical. Los digestores húmedos pueden diseñarse para funcionar con un alto contenido de sólidos, con una concentración total de sólidos suspendidos (SST) mayor que ~20%, o una concentración baja de sólidos menor que ~15%. [36] [37]
Los digestores con alto contenido de sólidos (húmedos) procesan una suspensión espesa que requiere más entrada de energía para mover y procesar la materia prima. El espesor del material también puede provocar problemas asociados de abrasión. Los digestores con alto contenido de sólidos normalmente tendrán un menor requerimiento de tierra debido a los menores volúmenes asociados con la humedad. [38] Los digestores con alto contenido de sólidos también requieren la corrección de cálculos de rendimiento convencionales (por ejemplo, producción de gas, tiempo de retención, cinética, etc.) basados originalmente en conceptos de digestión de aguas residuales muy diluidas, ya que fracciones más grandes de la masa de materia prima son potencialmente convertibles en biogás. [39]
Los digestores bajos en sólidos (húmedos) pueden transportar material a través del sistema utilizando bombas estándar que requieren un aporte de energía significativamente menor. Los digestores bajos en sólidos requieren una mayor cantidad de tierra que los altos en sólidos debido a los mayores volúmenes asociados con la mayor proporción de líquido a materia prima de los digestores. Existen beneficios asociados con la operación en un ambiente líquido, ya que permite una circulación más completa de materiales y un contacto entre las bacterias y sus alimentos. Esto permite a las bacterias acceder más fácilmente a las sustancias de las que se alimentan y aumenta la tasa de producción de gas. [40]
Los sistemas de digestión se pueden configurar con diferentes niveles de complejidad. [36] En un sistema de digestión de una sola etapa (una etapa), todas las reacciones biológicas ocurren dentro de un solo reactor sellado o tanque de retención. El uso de una sola etapa reduce los costos de construcción, pero da como resultado un menor control de las reacciones que ocurren dentro del sistema. Las bacterias acidogénicas, mediante la producción de ácidos, reducen el pH del tanque. Las arqueas metanogénicas, como se describió anteriormente, operan en un rango de pH estrictamente definido. [41] Por lo tanto, las reacciones biológicas de las diferentes especies en un reactor de una sola etapa pueden competir directamente entre sí. Otro sistema de reacción de una etapa es una laguna anaeróbica . Estas lagunas son cuencas de tierra parecidas a estanques que se utilizan para el tratamiento y almacenamiento a largo plazo de estiércol. [42] Aquí las reacciones anaeróbicas están contenidas dentro del lodo anaeróbico natural contenido en la piscina.
En un sistema de digestión de dos etapas (multietapa), se optimizan diferentes recipientes de digestión para brindar el máximo control sobre las comunidades bacterianas que viven dentro de los digestores. Las bacterias acidogénicas producen ácidos orgánicos y crecen y se reproducen más rápidamente que las arqueas metanogénicas. Las arqueas metanogénicas requieren un pH y una temperatura estables para optimizar su rendimiento. [43]
En circunstancias típicas, la hidrólisis, la acetogénesis y la acidogénesis se producen dentro del primer recipiente de reacción. Luego, el material orgánico se calienta a la temperatura operativa requerida (ya sea mesófila o termófila) antes de ser bombeado a un reactor metanogénico. Los tanques de hidrólisis o acidogénesis iniciales antes del reactor metanogénico pueden proporcionar un amortiguador para la velocidad a la que se agrega la materia prima. Algunos países europeos requieren cierto grado de tratamiento térmico elevado para matar las bacterias dañinas en los desechos de entrada. [44] En este caso, puede haber una etapa de pasteurización o esterilización antes de la digestión o entre los dos tanques de digestión. En particular, no es posible aislar completamente las diferentes fases de reacción y, a menudo, se produce algo de biogás en los tanques de hidrólisis o acidogénesis.
El tiempo de residencia en un digestor varía con la cantidad y el tipo de material de alimentación y con la configuración del sistema de digestión. En una digestión mesófila típica de dos etapas, el tiempo de residencia varía entre 15 y 40 días, [45] mientras que para una digestión termófila de una sola etapa, los tiempos de residencia normalmente son más rápidos y demoran alrededor de 14 días. La naturaleza de flujo pistón de algunos de estos sistemas significará que es posible que la degradación total del material no se haya logrado en esta escala de tiempo. En este caso, el digestato que sale del sistema será de color más oscuro y normalmente tendrá más olor. [46]
En el caso de una digestión anaeróbica por manto de lodos de flujo ascendente (UASB), los tiempos de residencia hidráulica pueden ser tan cortos como de 1 hora a 1 día, y los tiempos de retención de sólidos pueden ser de hasta 90 días. De esta manera, un sistema UASB es capaz de separar sólidos y tiempos de retención hidráulica con el uso de un manto de lodos. [47] Los digestores continuos cuentan con dispositivos mecánicos o hidráulicos, según el nivel de sólidos del material, para mezclar el contenido, permitiendo que las bacterias y el alimento estén en contacto. También permiten extraer continuamente el exceso de material para mantener un volumen razonablemente constante dentro de los tanques de digestión. [48]
Un desarrollo reciente en el diseño de reactores anaeróbicos es la digestión anaeróbica de alta presión (HPAD), también conocida como digestión autogenerativa de alta presión (AHPD). Esta técnica produce un biogás con un elevado contenido de metano. El dióxido de carbono producido en el biogás se disuelve más en la fase acuosa bajo presión que el metano. Por tanto, el biogás producido es más rico en metano. Una investigación de la Universidad de Groningen demostró que la comunidad bacteriana cambia de composición bajo la influencia de la presión. [49] Las especies de bacterias individuales tienen sus circunstancias óptimas en las que crecen y se replican más rápido. Comúnmente se conocen el pH, la temperatura, la salinidad, etc., pero la presión también es uno de ellos. Algunas piezas se han adaptado a la vida en las profundidades de los océanos, donde la presión es mucho mayor que la del nivel del mar. Esto hace posible, al igual que otros parámetros del proceso, como la temperatura, el tiempo de retención y el pH, influir en el proceso de digestión anaeróbica.
El proceso de digestión anaeróbica puede ser inhibido por varios compuestos, afectando a uno o más de los grupos bacterianos responsables de las diferentes etapas de degradación de la materia orgánica. El grado de inhibición depende, entre otros factores, de la concentración del inhibidor en el digestor. Los inhibidores potenciales son amoníaco, [50] sulfuro, iones de metales ligeros (Na, K, Mg, Ca, Al), metales pesados, algunos compuestos orgánicos (clorofenoles, alifáticos halogenados, aromáticos N-sustituidos, ácidos grasos de cadena larga), etc. 51]
Se ha demostrado que el nitrógeno amoniacal total (TAN) inhibe la producción de metano. Además, desestabiliza la comunidad microbiana, afectando la síntesis de ácido acético. El ácido acético es una de las fuerzas impulsoras de la producción de metano. Con un exceso de 5000 mg/L de TAN, es necesario ajustar el pH para mantener estable la reacción. [52] Una concentración de TAN superior a 1700-1800 mg/L inhibe la producción de metano y el rendimiento disminuye a mayores concentraciones de TAN. Las concentraciones altas de TAN hacen que la reacción se vuelva ácida y provoque un efecto dominó de inhibición. [52] El nitrógeno amoniacal total es la combinación de amoníaco libre y amoníaco ionizado. El TAN se produce mediante la degradación de material con alto contenido de nitrógeno, típicamente proteínas, y se acumula naturalmente en la digestión anaeróbica. Esto depende de la materia prima orgánica alimentada al sistema. En las prácticas típicas de tratamiento de aguas residuales, la reducción de TAN se realiza mediante nitrificación . La nitrificación es un proceso aeróbico en el que las bacterias heterótrofas aeróbicas consumen TAN. Estas bacterias liberan nitrato y nitrito que luego se convierten en gas nitrógeno mediante el proceso de desnitrificación. [53] La hidrólisis y la acidogénesis también pueden verse afectadas por la concentración de TAN. En condiciones mesófilas, se encontró que la inhibición de la hidrólisis ocurre con 5500 mg/L de TAN, mientras que la inhibición de la acidogénesis ocurre con 6500 mg/L de TAN. [54]
La cuestión inicial más importante al considerar la aplicación de sistemas de digestión anaeróbica es la materia prima del proceso. [55] Casi cualquier material orgánico puede procesarse con digestión anaeróbica; [56] Sin embargo, si el objetivo es la producción de biogás, el nivel de putrescibilidad es el factor clave para su aplicación exitosa. [57] Cuanto más putrescible (digerible) sea el material, mayores serán los rendimientos de gas posibles del sistema.
Las materias primas pueden incluir materiales de desecho biodegradables, como papel usado, recortes de césped, restos de comida, aguas residuales y desechos animales. [1] Los desechos leñosos son la excepción, porque en gran medida no se ven afectados por la digestión, ya que la mayoría de los anaerobios no pueden degradar la lignina . Para descomponer la lignina se pueden utilizar anaerobios xilófagos (consumidores de lignina) o un pretratamiento a alta temperatura, como la pirólisis. Los digestores anaeróbicos también pueden alimentarse con cultivos energéticos especialmente cultivados , como ensilaje , para la producción específica de biogás. En Alemania y Europa continental estas instalaciones se denominan plantas de "biogás". Una planta de codigestión o cofermentación suele ser un digestor anaeróbico agrícola que acepta dos o más materiales de entrada para la digestión simultánea. [58]
El tiempo necesario para la digestión anaeróbica depende de la complejidad química del material. El material rico en azúcares fácilmente digeribles se descompone rápidamente, mientras que el material lignocelulósico intacto rico en polímeros de celulosa y hemicelulosa puede tardar mucho más en descomponerse. [59] Los microorganismos anaeróbicos generalmente son incapaces de descomponer la lignina, el componente aromático recalcitrante de la biomasa. [60]
Los digestores anaeróbicos fueron diseñados originalmente para funcionar con lodos de depuradora y estiércol. Sin embargo, las aguas residuales y el estiércol no son el material con mayor potencial de digestión anaeróbica, ya que los animales que lo produjeron ya han eliminado gran parte del contenido energético del material biodegradable. Por lo tanto, muchos digestores operan con codigestión de dos o más tipos de materia prima. Por ejemplo, en un digestor agrícola que utiliza estiércol lechero como materia prima principal, [61] la producción de gas se puede aumentar significativamente agregando una segunda materia prima, por ejemplo, pasto y maíz (materia prima típica de la granja), o varios digestores orgánicos. subproductos, como residuos de mataderos, grasas, aceites y grasas de restaurantes, residuos orgánicos domésticos, etc. (materia prima típica de fuera de sitio). [62]
Los digestores que procesan cultivos energéticos específicos pueden alcanzar altos niveles de degradación y producción de biogás. [37] [63] [64] Los sistemas que solo utilizan purines son generalmente más baratos, pero generan mucha menos energía que aquellos que utilizan cultivos, como el maíz y el ensilaje de pasto; Al utilizar una cantidad modesta de material de cultivo (30%), una planta de digestión anaeróbica puede aumentar diez veces la producción de energía por sólo tres veces el costo de capital, en comparación con un sistema que solo utiliza purines. [sesenta y cinco]
Una segunda consideración relacionada con la materia prima es el contenido de humedad. Los sustratos más secos y apilables, como los residuos de alimentos y de jardín, son adecuados para la digestión en cámaras tipo túnel. Los sistemas tipo túnel también suelen tener una descarga de aguas residuales casi nula, por lo que este estilo de sistema tiene ventajas cuando la descarga de líquidos del digestor es un inconveniente. Cuanto más húmedo esté el material, más adecuado será para su manipulación con bombas estándar en lugar de bombas de hormigón y medios de transporte físicos que consumen mucha energía. Además, cuanto más húmedo esté el material, más volumen y área ocupará en relación con los niveles de gas producido. El contenido de humedad de la materia prima objetivo también afectará el tipo de sistema que se aplique a su tratamiento. Para utilizar un digestor anaeróbico con alto contenido de sólidos para materias primas diluidas, se deben aplicar agentes de carga, como compost, para aumentar el contenido de sólidos del material de entrada. [66] Otra consideración clave es la relación carbono:nitrógeno del material de entrada. Esta proporción es el equilibrio de alimentos que un microbio necesita para crecer; la relación óptima C:N es 20–30:1. [67] El exceso de N puede provocar una inhibición de la digestión por amoníaco. [63]
El nivel de contaminación del material de materia prima es una consideración clave cuando se utiliza digestión húmeda o digestión de flujo pistón.
Si la materia prima para los digestores tiene niveles significativos de contaminantes físicos, como plástico, vidrio o metales, entonces será necesario procesar el material a utilizar para eliminar los contaminantes. [68] Si no se elimina, los digestores pueden bloquearse y no funcionarán de manera eficiente. Este problema de contaminación no ocurre con las plantas de digestión seca o digestión anaeróbica en estado sólido (SSAD), ya que SSAD maneja biomasa seca y apilable con un alto porcentaje de sólidos (40-60%) en cámaras herméticas llamadas cajas fermentadoras. [69] Es con este entendimiento que se diseñan las plantas de tratamiento biológico mecánico. Cuanto mayor sea el nivel de pretratamiento que requiera una materia prima, más maquinaria de procesamiento se necesitará y, por tanto, el proyecto tendrá mayores costos de capital. Centro Nacional de Cultivos No Alimenticios . [70]
Después de clasificar o cribar para eliminar cualquier contaminante físico de la materia prima, el material a menudo se tritura, se pica y se despulpa mecánica o hidráulicamente para aumentar el área de superficie disponible para los microbios en los digestores y, por lo tanto, aumentar la velocidad de digestión. La maceración de sólidos se puede lograr mediante el uso de una bomba trituradora para transferir la materia prima al digestor hermético, donde se lleva a cabo el tratamiento anaeróbico.
La composición del sustrato es un factor importante para determinar el rendimiento y las tasas de producción de metano a partir de la digestión de la biomasa. Se encuentran disponibles técnicas para determinar las características de composición de la materia prima, mientras que parámetros como los análisis de sólidos, elementales y orgánicos son importantes para el diseño y operación del digestor. [71] El rendimiento de metano se puede estimar a partir de la composición elemental del sustrato junto con una estimación de su degradabilidad (la fracción del sustrato que se convierte en biogás en un reactor). [72] Para predecir la composición del biogás (las fracciones relativas de metano y dióxido de carbono) es necesario estimar la partición del dióxido de carbono entre las fases acuosa y gaseosa, lo que requiere información adicional (temperatura del reactor, pH y composición del sustrato) y una modelo de especiación química. [73] También se realizan mediciones directas del potencial de biometanación utilizando la evolución de gas o ensayos gravimétricos más recientes. [74]
El uso de tecnologías de digestión anaeróbica puede ayudar a reducir la emisión de gases de efecto invernadero de varias maneras clave:
La digestión anaeróbica es particularmente adecuada para material orgánico y se usa comúnmente para el tratamiento de efluentes industriales , aguas residuales y lodos de depuradora . [77] La digestión anaeróbica, un proceso simple, puede reducir en gran medida la cantidad de materia orgánica que de otro modo estaría destinada a ser arrojada al mar, [78] arrojada a vertederos o quemada en incineradores . [79]
La presión de la legislación relacionada con el medio ambiente sobre los métodos de eliminación de desechos sólidos en los países desarrollados ha aumentado la aplicación de la digestión anaeróbica como un proceso para reducir los volúmenes de desechos y generar subproductos útiles. Puede utilizarse para procesar la fracción de residuos municipales separada en origen o, alternativamente, combinarse con sistemas de clasificación mecánica para procesar residuos municipales mixtos residuales. Estas instalaciones reciben el nombre de plantas de tratamiento biológico mecánico. [80] [81] [82]
Si los desechos putrescibles procesados en los digestores anaeróbicos se eliminaran en un vertedero, se descompondrían de forma natural y, a menudo, de forma anaeróbica. En este caso, el gas acabará escapando a la atmósfera. Como el metano es aproximadamente 20 veces más potente como gas de efecto invernadero que el dióxido de carbono, esto tiene importantes efectos ambientales negativos. [83]
En los países que recolectan desechos domésticos, el uso de instalaciones locales de digestión anaeróbica puede ayudar a reducir la cantidad de desechos que requieren transporte a vertederos centralizados o instalaciones de incineración. Esta carga reducida sobre el transporte reduce las emisiones de carbono de los vehículos de recolección. Si las instalaciones de digestión anaeróbica localizadas están integradas dentro de una red de distribución eléctrica, pueden ayudar a reducir las pérdidas eléctricas asociadas con el transporte de electricidad a través de una red nacional. [84]
En los países en desarrollo, sistemas sencillos de digestión anaeróbica en hogares y granjas ofrecen el potencial de obtener energía de bajo costo para cocinar e iluminar. [33] [85] [86] [87] Desde 1975, China y la India han tenido grandes planes respaldados por el gobierno para la adaptación de pequeñas plantas de biogás para su uso en el hogar para cocinar e iluminar. En la actualidad, los proyectos de digestión anaeróbica en el mundo en desarrollo pueden obtener apoyo financiero a través del Mecanismo de Desarrollo Limpio de las Naciones Unidas si pueden demostrar que reducen las emisiones de carbono. [88]
El metano y la energía producida en instalaciones de digestión anaeróbica se pueden utilizar para reemplazar la energía derivada de combustibles fósiles y, por tanto, reducir las emisiones de gases de efecto invernadero , porque el carbono del material biodegradable forma parte de un ciclo del carbono . El carbono liberado a la atmósfera por la combustión de biogás ha sido eliminado por las plantas para que puedan crecer en el pasado reciente, generalmente durante la última década, pero más típicamente durante la última temporada de crecimiento. Si las plantas vuelven a crecer, sacando una vez más el carbono de la atmósfera, el sistema será neutro en carbono . [89] [90] Por el contrario, el carbono de los combustibles fósiles ha estado secuestrado en la tierra durante muchos millones de años, cuya combustión aumenta los niveles generales de dióxido de carbono en la atmósfera. La generación de energía a través de digestores anaeróbicos se adapta mejor a operaciones a gran escala que a pequeñas granjas, ya que las grandes operaciones tienen el volumen de estiércol que puede hacer que los sistemas sean financieramente viables. [91]
El biogás procedente del tratamiento de lodos de depuradora se utiliza a veces para hacer funcionar un motor de gas para producir energía eléctrica, parte o la totalidad de la cual puede utilizarse para hacer funcionar las plantas de alcantarillado. [92] Luego, parte del calor residual del motor se utiliza para calentar el digestor. El calor residual es, en general, suficiente para calentar el digestor a las temperaturas requeridas. El potencial energético de las plantas de alcantarillado es limitado: en el Reino Unido, hay alrededor de 80 MW en total de dicha generación, con potencial de aumentar a 150 MW, lo cual es insignificante en comparación con la demanda de energía promedio en el Reino Unido de alrededor de 35.000 MW. El alcance para la generación de biogás a partir de materia biológica residual no residual (cultivos energéticos, desechos de alimentos, desechos de mataderos, etc.) es mucho mayor y se estima que tiene una capacidad de alrededor de 3.000 MW. [93] Se espera que las plantas agrícolas de biogás que utilizan desechos animales y cultivos energéticos contribuyan a reducir las emisiones de CO 2 y fortalezcan la red, al tiempo que proporcionan a los agricultores del Reino Unido ingresos adicionales. [94]
Algunos países ofrecen incentivos en forma de, por ejemplo, tarifas de alimentación para inyectar electricidad en la red eléctrica para subsidiar la producción de energía verde. [1] [95]
En Oakland, California, en la principal planta de tratamiento de aguas residuales (EBMUD) del Distrito Municipal de Servicios Públicos de East Bay , los desechos de alimentos se codigieren actualmente con sólidos de aguas residuales municipales primarias y secundarias y otros desechos de alta concentración. En comparación con la digestión de sólidos de aguas residuales municipales, la codigestión de residuos de alimentos tiene muchos beneficios. La digestión anaeróbica de la pulpa de desechos de alimentos del proceso de desechos de alimentos de EBMUD proporciona un mayor beneficio energético normalizado, en comparación con los sólidos de aguas residuales municipales: de 730 a 1300 kWh por tonelada seca de desechos de alimentos aplicados en comparación con 560 a 940 kWh por tonelada seca de sólidos de aguas residuales municipales aplicadas. . [96] [97]
La inyección en red de biogás es la inyección de biogás en la red de gas natural . [98] El biogás bruto debe transformarse previamente en biometano. Esta mejora implica la eliminación de contaminantes como el sulfuro de hidrógeno o los siloxanos, así como el dióxido de carbono. Hay varias tecnologías disponibles para este propósito, siendo las más implementadas la adsorción por cambio de presión (PSA) , la depuración con agua o aminas (procesos de absorción) y, en los últimos años, la separación por membranas . [99] Como alternativa, la electricidad y el calor se pueden utilizar para generación in situ , [100] lo que da como resultado una reducción de las pérdidas en el transporte de energía. Las pérdidas de energía típicas en los sistemas de transmisión de gas natural oscilan entre el 1% y el 2%, mientras que las pérdidas de energía actuales en un sistema eléctrico grande oscilan entre el 5% y el 8%. [101]
En octubre de 2010, Didcot Sewage Works se convirtió en la primera en el Reino Unido en producir gas biometano suministrado a la red nacional, para su uso en hasta 200 hogares en Oxfordshire . [102] Para 2017, la empresa de electricidad del Reino Unido Ecotricity planea tener un digestor alimentado con pasto de origen local [103] que abastecerá de combustible a 6000 hogares [104]
Tras la modernización con las tecnologías mencionadas anteriormente, el biogás (transformado en biometano) se puede utilizar como combustible para vehículos adaptados. Este uso es muy extendido en Suecia, donde existen más de 38.600 vehículos a gas, y el 60% del gas vehicular es biometano generado en plantas de digestión anaeróbica. [105]
El componente sólido y fibroso del material digerido se puede utilizar como acondicionador del suelo para aumentar el contenido orgánico de los suelos. El licor digestor se puede utilizar como fertilizante para suministrar nutrientes vitales a los suelos en lugar de fertilizantes químicos cuya producción y transporte requieren grandes cantidades de energía. Por lo tanto, el uso de fertilizantes manufacturados consume más carbono que el uso de fertilizantes de licor de digestor anaeróbico. En países como España , donde muchos suelos están agotados orgánicamente, los mercados para los sólidos digeridos pueden ser tan importantes como los del biogás. [106]
Al utilizar un biodigestor, que produce las bacterias necesarias para la descomposición, se genera gas para cocinar. Los desechos orgánicos, como hojas caídas, restos de cocina, restos de comida, etc., se introducen en una unidad trituradora, donde se mezclan con una pequeña cantidad de agua. Luego, la mezcla se introduce en el biodigestor, donde las arqueas la descomponen para producir gas de cocina. Este gas se canaliza hasta la estufa de la cocina. Un biodigestor de 2 metros cúbicos puede producir 2 metros cúbicos de gas para cocinar. Esto equivale a 1 kg de GLP. La ventaja notable de utilizar un biodigestor es el lodo, que es un rico abono orgánico. [107]
Los tres productos principales de la digestión anaeróbica son el biogás, el digestato y el agua. [36] [108] [109]
El biogás es el producto de desecho final de las bacterias que se alimentan de la materia prima biodegradable de entrada [111] (la etapa de metanogénesis de la digestión anaeróbica la realizan las arqueas , un microorganismo en una rama claramente diferente del árbol filogenético de la vida a las bacterias), y es principalmente metano y dióxido de carbono, [112] [113] con una pequeña cantidad de hidrógeno y trazas de sulfuro de hidrógeno. (Tal como se produce, el biogás también contiene vapor de agua, siendo el volumen fraccional de vapor de agua una función de la temperatura del biogás). [39] La mayor parte del biogás se produce durante la mitad de la digestión, después de que la población bacteriana ha crecido, y disminuye a medida que se agota el material putrescible. [114] El gas normalmente se almacena encima del digestor en una burbuja de gas inflable o se extrae y almacena junto a la instalación en un recipiente de gas.
El metano del biogás se puede quemar para producir calor y electricidad, generalmente con un motor alternativo o una microturbina [115] [ ¿ fuente poco confiable? ] a menudo en un sistema de cogeneración donde la electricidad y el calor residual generado se utilizan para calentar los digestores o calentar los edificios. El exceso de electricidad puede venderse a proveedores o incorporarse a la red local. La electricidad producida por digestores anaeróbicos se considera energía renovable y puede atraer subvenciones. [116] El biogás no contribuye a aumentar las concentraciones de dióxido de carbono atmosférico porque el gas no se libera directamente a la atmósfera y el dióxido de carbono proviene de una fuente orgánica con un ciclo de carbono corto.
El biogás puede requerir tratamiento o "depuración" para refinarlo y utilizarlo como combustible. [117] El sulfuro de hidrógeno , un producto tóxico formado a partir de sulfatos en la materia prima, se libera como un componente traza del biogás. Las agencias nacionales de aplicación del medio ambiente, como la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU . o la Agencia de Medio Ambiente de Inglaterra y Gales , imponen límites estrictos a los niveles de gases que contienen sulfuro de hidrógeno y, si los niveles de sulfuro de hidrógeno en el gas son altos, el lavado y la limpieza del gas. Se necesitarán equipos (como el tratamiento de gas amina ) para procesar el biogás dentro de los niveles aceptados regionalmente. [118] Alternativamente, la adición de cloruro ferroso FeCl 2 a los tanques de digestión inhibe la producción de sulfuro de hidrógeno. [119]
Los siloxanos volátiles también pueden contaminar el biogás; Estos compuestos se encuentran frecuentemente en los desechos domésticos y en las aguas residuales. En las instalaciones de digestión que aceptan estos materiales como componente de la materia prima, los siloxanos de bajo peso molecular se volatilizan formando biogás. Cuando este gas se quema en un motor de gas, turbina o caldera, los siloxanos se convierten en dióxido de silicio (SiO 2 ), que se deposita internamente en la máquina, aumentando el desgaste. [120] [121] Actualmente se dispone de tecnologías prácticas y rentables para eliminar los siloxanos y otros contaminantes del biogás. [122] En determinadas aplicaciones, el tratamiento in situ se puede utilizar para aumentar la pureza del metano reduciendo el contenido de dióxido de carbono de los gases de escape, purgando la mayor parte en un reactor secundario. [123]
En países como Suiza, Alemania y Suecia, el metano del biogás se puede comprimir para utilizarlo como combustible para el transporte de vehículos o introducirlo directamente en la red de gas. [124] En los países donde el impulsor del uso de la digestión anaeróbica son los subsidios a la electricidad renovable, esta ruta de tratamiento es menos probable, ya que se requiere energía en esta etapa de procesamiento y reduce los niveles generales disponibles para vender. [125]
El digestato son los restos sólidos del material de entrada original a los digestores que los microbios no pueden utilizar. También se compone de restos mineralizados de bacterias muertas del interior de los digestores. El digestato puede presentarse en tres formas: fibroso, licor o una combinación de las dos fracciones a base de lodos. En los sistemas de dos etapas, diferentes formas de digestato provienen de diferentes tanques de digestión. En los sistemas de digestión de una sola etapa, las dos fracciones se combinarán y, si se desea, se separarán mediante un procesamiento adicional. [126] [127]
El segundo subproducto (digestato acidogénico) es un material orgánico estable que consiste principalmente en lignina y celulosa, pero también en una variedad de componentes minerales en una matriz de células bacterianas muertas; Es posible que haya algo de plástico. El material se parece al compost doméstico y puede usarse como tal o para fabricar productos de construcción de baja calidad, como tableros de fibra. [128] [129] El digestato sólido también se puede utilizar como materia prima para la producción de etanol. [130]
El tercer subproducto es un líquido (digestado metanogénico) rico en nutrientes, que puede utilizarse como fertilizante, dependiendo de la calidad del material que se digiere. [127] Los niveles de elementos potencialmente tóxicos (PTE) deben evaluarse químicamente. Esto dependerá de la calidad de la materia prima original. En el caso de la mayoría de los flujos de residuos biodegradables limpios y separados en origen, los niveles de PTE serán bajos. En el caso de los desechos procedentes de la industria, los niveles de PTE pueden ser más elevados y deberán tenerse en cuenta a la hora de determinar el uso final adecuado del material.
El digestato normalmente contiene elementos, como la lignina, que los microorganismos anaeróbicos no pueden descomponer. Además, el digestato puede contener amoníaco que es fitotóxico y puede obstaculizar el crecimiento de las plantas si se utiliza como material para mejorar el suelo. Por estas dos razones, se puede emplear una etapa de maduración o compostaje después de la digestión. La lignina y otros materiales están disponibles para ser degradados por microorganismos aeróbicos, como hongos, lo que ayuda a reducir el volumen total del material para el transporte. Durante esta maduración, el amoníaco se oxidará a nitratos, mejorando la fertilidad del material y haciéndolo más adecuado como mejorador del suelo. Las tecnologías de digestión anaeróbica seca suelen utilizar grandes etapas de compostaje. [131] [132]
El resultado final de los sistemas de digestión anaeróbica es agua, que se origina tanto del contenido de humedad de los desechos originales que fueron tratados como del agua producida durante las reacciones microbianas en los sistemas de digestión. Esta agua puede liberarse de la deshidratación del digestato o puede estar implícitamente separada del digestato.
Las aguas residuales que salen de la instalación de digestión anaeróbica normalmente tendrán niveles elevados de demanda bioquímica de oxígeno (DBO) y demanda química de oxígeno (DQO). Estas medidas de la reactividad del efluente indican una capacidad de contaminar. Parte de este material se denomina "DQO dura", lo que significa que las bacterias anaeróbicas no pueden acceder a él para convertirlo en biogás. Si este efluente se echara directamente a los cursos de agua, los afectaría negativamente provocando eutrofización . Por ello, a menudo es necesario un tratamiento adicional de las aguas residuales. Este tratamiento será típicamente una etapa de oxidación en la que se hace pasar aire a través del agua en un reactor discontinuo de secuenciación o una unidad de ósmosis inversa . [133] [134] [135]
La historia de la digestión anaeróbica es larga y comenzó ya en el siglo X a. C. en Asiria , donde se utilizaba biogás para calentar el agua del baño. [136] [137] El interés científico informado en la fabricación de gas producido por la descomposición natural de materia orgánica data del siglo XVII, cuando Robert Boyle (1627-1691) y Stephen Hales (1677-1761) observaron que perturbar el sedimento de arroyos y lagos liberaron gases inflamables. [15] En 1778, el físico italiano Alessandro Volta (1745-1827), padre de la electroquímica , [138] identificó científicamente ese gas como metano . [139]
En 1808 Sir Humphry Davy demostró la presencia de metano en los gases producidos por el estiércol de ganado . [17] El primer digestor anaeróbico conocido se construyó en 1859 en una colonia de leprosos en Bombay , India . [140] En 1895, la tecnología se desarrolló en Exeter , Inglaterra , donde se utilizaba un tanque séptico para generar gas para la lámpara destructora de gas de alcantarillado , un tipo de iluminación de gas . También en Inglaterra, en 1904, se instaló en Hampton, Londres, el primer tanque de doble propósito tanto para sedimentación como para tratamiento de lodos .
A principios del siglo XX, los sistemas de digestión anaeróbica comenzaron a parecerse a la tecnología actual. [137] En 1906, Karl Imhoff creó el tanque Imhoff ; [141] una forma temprana de digestor anaeróbico y sistema modelo de tratamiento de aguas residuales a lo largo de principios del siglo XX. [142] [143] Después de 1920, los sistemas de tanques cerrados comenzaron a reemplazar el uso previamente común de lagunas anaeróbicas: cuencas de tierra cubiertas utilizadas para tratar sólidos volátiles. La investigación sobre la digestión anaeróbica comenzó en serio en la década de 1930. [144]
Alrededor de la época de la Primera Guerra Mundial , la producción de biocombustibles se desaceleró a medida que aumentó la producción de petróleo y se identificaron sus usos. [145] Si bien la escasez de combustible durante la Segunda Guerra Mundial volvió a popularizar la digestión anaeróbica, el interés en la tecnología disminuyó nuevamente después de que terminó la guerra. [137] [146] De manera similar, la crisis energética de la década de 1970 despertó el interés en la digestión anaeróbica. [137] Además de los altos precios de la energía, los factores que afectan la adopción de sistemas de digestión anaeróbica incluyen la receptividad a la innovación, las sanciones por contaminación, los incentivos políticos y la disponibilidad de subsidios y oportunidades de financiación. [147] [148]
Hoy en día, los digestores anaeróbicos se encuentran comúnmente junto a las granjas para reducir la escorrentía de nitrógeno del estiércol, o en instalaciones de tratamiento de aguas residuales para reducir los costos de eliminación de lodos. [137] La digestión anaeróbica agrícola para la producción de energía se ha vuelto más popular en Alemania, donde había 8.625 digestores en 2014. [136] En el Reino Unido, había 259 instalaciones en 2014 y 500 proyectos estaban previstos para entrar en funcionamiento en 2019. [ 149] En Estados Unidos, había 191 plantas operativas en 34 estados en 2012. [148] La política puede explicar por qué las tasas de adopción son tan diferentes en estos países.
Las tarifas de alimentación en Alemania se promulgaron en 1991, también conocidas como FIT, que establecen contratos a largo plazo que compensan las inversiones en generación de energía renovable. En consecuencia, entre 1991 y 1998 el número de plantas de digestión anaeróbica en Alemania aumentó de 20 a 517. A finales de los años 1990, los precios de la energía en Alemania variaron y los inversores se volvieron inseguros del potencial del mercado. El gobierno alemán respondió modificando el FIT cuatro veces entre 2000 y 2011, aumentando los aranceles y mejorando la rentabilidad de la digestión anaeróbica, lo que resultó en retornos confiables para la producción de biogás y tasas de adopción altas y continuas en todo el país. [148] [136]
Los digestores anaeróbicos han causado muertes de peces (p. ej. , río Mole, Devon , [150] río Teifi , [151] Afon Llynfi , [152] y pérdida de vidas humanas (p. ej., explosión de Avonmouth ) .
Ha habido explosiones de AD en los EE. UU. [153] ( Jay, Androscoggin Mill de Maine Pixelle Specialty Solutions; [154] Pensacola ( Cantonment ) 22 de enero de 2017 (explosión del digestor Kamyr); [155] Falla de EPDM en marzo de 2013 Aumsville, Oregon ; [156] 6 de febrero de 1987, Pensilvania , dos trabajadores de una planta de tratamiento de aguas residuales estaban volviendo a drenar un digestor de aguas residuales cuando una explosión levantó la cubierta flotante de 30 toneladas, matando a ambos trabajadores instantáneamente; [157] Planta de tratamiento de aguas residuales del suroeste en Springfield, Missouri ), [158] en el Reino Unido (por ejemplo, en Avonmouth y en Harper Adams College , Newport, Shropshire [159] [160] ), además En Europa, hubo alrededor de 800 accidentes en plantas de biogás entre 2005 y 2015, por ejemplo, en Francia ( Saint-Fargeau ) [161] [162] (aunque pocos de ellos fueron "graves" con consecuencias directas para la población humana). [163] [164] Afortunadamente, según una fuente, "menos de una docena de ellos tuvieron consecuencias en los humanos", por ejemplo, el incidente en Rhadereistedt, Alemania (4 muertos). [161] [165]
Los análisis de seguridad han incluido [166] [167] [168] un estudio de 2016 compiló una base de datos de 169 accidentes que involucraron AD. [169] [163]
