La digestión anaeróbica es una secuencia de procesos mediante los cuales los microorganismos descomponen 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 que se utiliza industrialmente para producir alimentos y bebidas, así como la fermentación casera, utiliza la digestión anaeróbica.
La digestión anaeróbica ocurre de forma natural en algunos suelos y en sedimentos de cuencas lacustres y oceánicas , donde generalmente se la denomina "actividad anaeróbica". [2] [3] Esta es la fuente del metano de los gases 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. Las bacterias acidogénicas luego 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 de tratamiento de 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 cultivados específicamente, como el maíz . [8]
La digestión anaeróbica se utiliza ampliamente como fuente de energía renovable . El proceso produce un biogás , que consiste en metano , dióxido de carbono y trazas de otros gases "contaminantes". [1] Este biogás se puede utilizar directamente como combustible, en motores de gas de cogeneración [9] o se puede mejorar para obtener biometano de calidad similar al gas natural. El digestato rico en nutrientes que también se produce se puede utilizar como fertilizante .
Con la reutilización de los residuos como recurso y los nuevos enfoques tecnológicos que han reducido los costos de capital , la digestión anaeróbica ha recibido en los últimos años una mayor atención entre los gobiernos de varios países, entre ellos el Reino Unido (2011), [10] Alemania, [ cita requerida ] Dinamarca (2011), [11] y los 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 en la conversión de 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 del gas oxígeno. Estos aceptores pueden ser el propio material orgánico o pueden ser suministrados por óxidos inorgánicos 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, más dióxido de carbono. En presencia de metanógenos especializados, los intermedios se convierten en los productos finales "finales" de metano, dióxido de carbono y niveles traza 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 las arqueas metanogénicas en forma de metano. [15]
Las poblaciones de microorganismos anaeróbicos suelen tardar un tiempo considerable en establecerse y ser totalmente eficaces. Por lo tanto, la práctica habitual es introducir microorganismos anaeróbicos a partir de materiales con poblaciones existentes, un proceso conocido como "siembra" de los digestores, que normalmente se lleva a cabo con la adición de lodos de depuradora o purines de ganado. [16]
Las cuatro etapas clave de la digestión anaeróbica incluyen la hidrólisis , la acidogénesis , la acetogénesis y la metanogénesis . [17] El proceso general se puede describir mediante la reacción química, donde el material orgánico como la glucosa se digiere bioquímicamente en dióxido de carbono (CO 2 ) y metano (CH 4 ) por los microorganismos anaeróbicos.
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 puedan acceder al potencial energético del material, estas cadenas deben descomponerse primero 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 solución se denomina 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, deben ser catabolizadas primero en compuestos que puedan ser utilizados directamente por los metanógenos. [19]
El proceso biológico de la acidogénesis da como resultado una mayor descomposición de los componentes restantes por parte de las 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 . En esta etapa, 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 metanogénesis . En este proceso, 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 valores de pH altos como bajos y se produce entre pH 6,5 y pH 8. [22] El material restante no digerible que los microbios no pueden utilizar y los restos bacterianos muertos constituyen el digestato.
[23]
Los digestores anaeróbicos pueden diseñarse y fabricarse para funcionar con distintas configuraciones y pueden clasificarse en modo de proceso continuo o por lotes, condiciones de temperatura mesófilas o termófilas , porcentaje alto o bajo de sólidos y procesos de una sola etapa o de varias 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 inicial para la construcción y un mayor volumen de digestores (repartidos en varios lotes) para manejar la misma cantidad de desechos que un digestor de proceso continuo. [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 salida de gas y un mayor contenido de gas metano, por lo que hay que considerar esa compensación con cuidado. [25] Para el contenido de sólidos, el bajo manejará hasta un 15% de contenido de sólidos. 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 por lotes o un proceso continuo. En un sistema por lotes, la biomasa se agrega 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 usar este hecho para determinar cuándo creen que se ha completado el proceso de digestión de la materia orgánica. Puede haber problemas graves de olores si un reactor por lotes se abre y se vacía antes de que el proceso esté bien completado. Un tipo más avanzado de enfoque por lotes ha limitado los problemas de olores al integrar la digestión anaeróbica con el compostaje en recipientes . En este enfoque, la inoculación se lleva a cabo mediante el uso de percolado desgasificado recirculado. Una vez finalizada 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 de digestión más económica. [29] El uso de más de un reactor por lotes en una planta puede garantizar una producción constante de biogás.
En los procesos de digestión continua, la materia orgánica se añade constantemente (mezcla completa continua) o se añade en etapas al reactor ( flujo continuo de tapón ; primero en entrar, primero en salir). Aquí, los productos finales se eliminan de forma constante o periódica, lo que da como resultado una producción constante de biogás. Se puede utilizar uno o varios digestores en secuencia. Los ejemplos de esta forma de digestión anaeróbica incluyen reactores continuos de tanque agitado , mantas de lodos anaeróbicos de flujo ascendente , lechos de lodos granulares expandidos 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]
En Bolivia se ha llegado a un caso límite , con digestión anaeróbica en condiciones de trabajo de temperatura 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 cosechados del "lodo de un lago congelado de Alaska" ha producido entre 200 y 300 litros de metano al 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 termófila. Por el contrario, aunque los sistemas de digestión termófila se consideran menos estables, su aporte de energía es mayor, ya que se elimina más biogás de la materia orgánica en una cantidad de tiempo igual. Las temperaturas aumentadas facilitan velocidades de reacción más rápidas y, por lo tanto, rendimientos de gas más rápidos. El funcionamiento a temperaturas más altas facilita una mayor reducción de patógenos en el digestato. En países donde la legislación, como el Reglamento sobre subproductos animales de la Unión Europea, exige que el digestato cumpla determinados 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 de patógenos en el digestato que sale del digestor anaeróbico. La pasteurización se puede lograr mediante un tratamiento térmico combinado con la 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 de alto contenido de sólidos (secos) están diseñados para procesar materiales con un contenido de sólidos entre el 25 y el 40 %. A diferencia de los digestores húmedos que procesan lodos bombeables, los digestores de alto contenido de sólidos (secos – sustrato apilable) están diseñados para procesar sustratos sólidos sin la adición de agua. Los estilos principales de digestores secos son los digestores de flujo tapón vertical continuo y los digestores horizontales de túnel por lotes. Los digestores de flujo tapón 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 por lotes, la materia prima se deposita en cámaras tipo túnel con una puerta hermética al gas. Ninguno de los enfoques tiene mezcla dentro del digestor. La cantidad de pretratamiento, como la eliminación de contaminantes, depende tanto de la naturaleza de las corrientes de desechos que se procesan como de la calidad deseada del digestato. La reducción de tamaño (molienda) es beneficiosa en los sistemas verticales continuos, ya que acelera la digestión, mientras que los sistemas por lotes evitan la molienda y, en cambio, requieren estructura (por ejemplo, desechos de jardín) para reducir la compactación de la pila apilada. Los digestores secos verticales continuos ocupan menos espacio debido al menor tiempo de retención efectivo 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) superior a ~20%, o con una concentración baja de sólidos inferior a ~15%. [36] [37]
Los digestores con alto contenido de sólidos (húmedos) procesan una suspensión espesa que requiere un mayor aporte de energía para mover y procesar la materia prima. El espesor del material también puede generar problemas asociados con la abrasión. Los digestores con alto contenido de sólidos generalmente requerirán menos tierra debido a los menores volúmenes asociados con la humedad. [38] Los digestores con alto contenido de sólidos también requieren la corrección de los cálculos de rendimiento convencionales (por ejemplo, producción de gas, tiempo de retención, cinética, etc.) originalmente basados en conceptos de digestión de aguas residuales muy diluidas, ya que fracciones más grandes de la masa de la materia prima son potencialmente convertibles en biogás. [39]
Los digestores con bajo contenido de sólidos (húmedos) pueden transportar material a través del sistema utilizando bombas estándar que requieren un consumo de energía significativamente menor. Los digestores con bajo contenido de sólidos requieren una mayor cantidad de tierra que los de alto contenido de sólidos debido al aumento de los volúmenes asociados con la mayor relación líquido-materia prima de los digestores. Existen beneficios asociados con el funcionamiento en un entorno líquido, ya que permite una circulación más completa de los materiales y el contacto entre las bacterias y su alimento. Esto permite que las bacterias accedan 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 (one-stage), todas las reacciones biológicas ocurren dentro de un único 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, a través de 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 estar en competencia directa entre sí. Otro sistema de reacción de una sola etapa es una laguna anaeróbica . Estas lagunas son cuencas de tierra similares 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 lograr 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 ocurren 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 iniciales de hidrólisis o acidogénesis antes del reactor metanogénico pueden proporcionar un amortiguador a la velocidad a la que se agrega la materia prima. Algunos países europeos requieren un grado elevado de tratamiento térmico 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. Cabe destacar que 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 son normalmente más rápidos y duran alrededor de 14 días. La naturaleza de flujo de tapón de algunos de estos sistemas significará que la degradación completa del material puede no haberse logrado en este período de tiempo. En este caso, el digestato que sale del sistema tendrá un color más oscuro y, por lo general, tendrá más olor. [46]
En el caso de una digestión anaeróbica de lodos con flujo ascendente (UASB), los tiempos de residencia hidráulica pueden ser tan cortos como 1 hora a 1 día, y los tiempos de retención de sólidos pueden ser de hasta 90 días. De esta manera, un sistema UASB puede separar los sólidos y los tiempos de retención hidráulica con el uso de una manta de lodos. [47] Los digestores continuos tienen dispositivos mecánicos o hidráulicos, dependiendo del nivel de sólidos en el material, para mezclar el contenido, lo que permite que las bacterias y los alimentos estén en contacto. También permiten que el exceso de material se extraiga continuamente 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 a alta presión (HPAD), también conocida como digestión autogenerativa a 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 lo tanto, el biogás producido es más rico en metano. La investigación en 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 conocidas son el pH, la temperatura, la salinidad, etc., pero la presión también es una de ellas. Algunas especies se han adaptado a la vida en los océanos profundos, donde la presión es mucho mayor que a nivel del mar. Esto hace posible, de manera similar a 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 anaerobia puede ser inhibido por varios compuestos, que afectan 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 amoniaco, [50] sulfuro, iones metálicos 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 amoniaco total (TAN) inhibe la producción de metano. Además, desestabiliza la comunidad microbiana, lo que afecta 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 la reacción estable. [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 altas concentraciones de TAN hacen que la reacción se vuelva ácida y conduzcan a un efecto dominó de inhibición. [52] El nitrógeno amoniaco total es la combinación de amoniaco libre y amoniaco ionizado. El TAN se produce a través de la degradación de material con alto contenido de nitrógeno, típicamente proteínas, y se acumulará 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 el TAN es consumido por bacterias heterotróficas aeróbicas. Estas bacterias liberan nitrato y nitrito que luego se convierten en gas nitrógeno a través del 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 se produce a 5500 mg/L de TAN, mientras que la inhibición de la acidogénesis se produce a 6500 mg/L de TAN. [54]
La cuestión inicial más importante al considerar la aplicación de sistemas de digestión anaeróbica es la materia prima para el proceso. [55] Casi cualquier material orgánico se puede procesar con digestión anaeróbica; [56] sin embargo, si la producción de biogás es el objetivo, el nivel de putrescibilidad es el factor clave para su aplicación exitosa. [57] Cuanto más putrescible (digerible) sea el material, mayor será el rendimiento de gas posible 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 . Se pueden utilizar anaerobios xilófagos (consumidores de lignina) o un pretratamiento a alta temperatura, como la pirólisis, para descomponer la lignina. Los digestores anaeróbicos también se pueden alimentar con cultivos energéticos especialmente cultivados , como el ensilaje , para la producción dedicada de biogás. En Alemania y Europa continental, estas instalaciones se conocen como plantas de "biogás". Una planta de codigestión o cofermentación es típicamente 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 de fácil digestión 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 no pueden 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 los materiales con mayor potencial para la digestión anaeróbica, ya que los animales que produjeron el material biodegradable ya han extraído gran parte del contenido energético. Por lo tanto, muchos digestores funcionan con codigestión de dos o más tipos de materia prima. Por ejemplo, en un digestor de granja que utiliza estiércol de vaca como materia prima principal, [61] la producción de gas puede aumentar significativamente añadiendo una segunda materia prima, por ejemplo, pasto y maíz (materia prima típica de la granja) o varios subproductos orgánicos, como desechos de mataderos, grasas, aceites y mantecas de restaurantes, desechos orgánicos domésticos, etc. (materia prima típica de fuera del sitio). [62]
Los digestores que procesan cultivos energéticos dedicados pueden alcanzar altos niveles de degradación y producción de biogás. [37] [63] [64] Los sistemas que utilizan solo purines son generalmente más baratos, pero generan mucha menos energía que los que utilizan cultivos, como el maíz y el ensilado de pasto; al utilizar una cantidad modesta de material de cultivo (30%), una planta de digestión anaeróbica puede aumentar la producción de energía diez veces por solo tres veces el costo de capital, en relación con un sistema que utiliza solo purines. [65]
Una segunda consideración relacionada con la materia prima es el contenido de humedad. Los sustratos más secos y apilables, como los desechos 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 donde la descarga de líquidos del digestor es una desventaja. Cuanto más húmedo sea el material, más adecuado será para manipularlo con bombas estándar en lugar de bombas de hormigón que consumen mucha energía y medios físicos de movimiento. Además, cuanto más húmedo sea el material, más volumen y área ocupará en relación con los niveles de gas producido. El contenido de humedad de la materia prima de destino 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 el 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 relación es el equilibrio de alimento que necesita un microbio para crecer; La relación óptima C:N es de 20 a 30:1. [67] El exceso de N puede provocar la inhibición de la digestión por amoníaco. [63]
El nivel de contaminación de la materia prima es una consideración clave cuando se utiliza la digestión húmeda o la digestión de flujo tapón.
Si la materia prima que se utiliza para los digestores contiene niveles significativos de contaminantes físicos, como plástico, vidrio o metales, será necesario procesarla para eliminar los contaminantes antes de utilizar el material. [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 en seco o digestión anaeróbica en estado sólido (SSAD), ya que la SSAD maneja biomasa seca y apilable con un alto porcentaje de sólidos (40-60%) en cámaras herméticas llamadas cajas de fermentación. [69] Es con este entendimiento que se diseñan las plantas de tratamiento biológico mecánico. Cuanto mayor sea el nivel de pretratamiento que requiere una materia prima, más maquinaria de procesamiento se requerirá y, por lo tanto, el proyecto tendrá mayores costos de capital. Centro Nacional de Cultivos No Alimentarios . [70]
Después de clasificar o cribar para eliminar cualquier contaminante físico de la materia prima, el material suele triturarse, picarse y convertirse en pulpa mecánica o hidráulica para aumentar la superficie disponible para los microbios en los digestores y, por lo tanto, aumentar la velocidad de digestión. La maceración de sólidos se puede lograr utilizando una bomba picadora 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 de metano y las tasas de producción de metano a partir de la digestión de biomasa. Existen 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 el funcionamiento 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 de dióxido de carbono entre las fases acuosa y gaseosa, lo que requiere información adicional (temperatura del reactor, pH y composición del sustrato) y un modelo de especiación química. [73] También se realizan mediciones directas del potencial de biometanización 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 utiliza 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 podría estar destinada a ser arrojada al mar, [78] arrojada a vertederos o quemada en incineradores . [79]
La presión ejercida por la legislación ambiental sobre los métodos de eliminación de residuos sólidos en los países desarrollados ha aumentado la aplicación de la digestión anaeróbica como proceso para reducir los volúmenes de residuos y generar subproductos útiles. Puede utilizarse para procesar la fracción separada en origen de los residuos municipales o, alternativamente, combinarse con sistemas de clasificación mecánica para procesar residuos municipales mixtos residuales. Estas instalaciones se denominan plantas de tratamiento biológico mecánico. [80] [81] [82]
Si los residuos putrescibles procesados en digestores anaeróbicos se eliminaran en un vertedero, se descompondrían de forma natural y, a menudo, de forma anaeróbica. En este caso, el gas acabaría escapándose a la atmósfera. Como el metano es unas 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 recogen residuos domésticos, el uso de instalaciones locales de digestión anaeróbica puede ayudar a reducir la cantidad de residuos que requieren transporte a vertederos centralizados o instalaciones de incineración. Esta menor carga para el transporte reduce las emisiones de carbono de los vehículos de recolección. Si las instalaciones de digestión anaeróbica localizadas están integradas en 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]
La digestión anaeróbica se puede utilizar para la remediación de lodos contaminados con PFAS . Un estudio de 2024 ha demostrado que la digestión anaeróbica, combinada con la adsorción en carbón activado y la aplicación de voltaje, puede eliminar hasta el 61% de PFAS de los lodos de depuradora. [85]
En los países en desarrollo, los sistemas sencillos de digestión anaeróbica en el hogar y en las granjas ofrecen la posibilidad de obtener energía a bajo costo para cocinar y alumbrar. [33] [86] [87] [88] Desde 1975, tanto China como 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 y alumbrar. 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 proporcionan emisiones de carbono reducidas. [89]
El metano y la energía producida en las instalaciones de digestión anaeróbica se pueden utilizar para reemplazar la energía derivada de combustibles fósiles y, por lo tanto, reducir las emisiones de gases de efecto invernadero , porque el carbono en el material biodegradable es parte de un ciclo del carbono . El carbono liberado a la atmósfera de la combustión del biogás ha sido eliminado por las plantas para que crezcan en el pasado reciente, generalmente dentro de la última década, pero más típicamente dentro de la última temporada de crecimiento. Si las plantas vuelven a crecer, eliminando el carbono de la atmósfera una vez más, el sistema será carbono neutral . [90] [91] En contraste, el carbono en los combustibles fósiles ha sido 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 es más adecuada para operaciones a gran escala, en lugar de pequeñas granjas, ya que las grandes operaciones tienen el volumen de estiércol que puede hacer que los sistemas sean financieramente viables. [92]
El biogás del tratamiento de lodos de depuradora se utiliza a veces para hacer funcionar un motor de gas y producir energía eléctrica, parte o toda la cual se puede utilizar para hacer funcionar la planta de tratamiento de aguas residuales. [93] Una parte del calor residual del motor se utiliza luego 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 tratamiento de aguas residuales es limitado: en el Reino Unido, hay alrededor de 80 MW en total de dicha generación, con el potencial de aumentar a 150 MW, lo que es insignificante en comparación con la demanda media de energía en el Reino Unido de unos 35.000 MW. El alcance de la generación de biogás a partir de materia biológica de residuos no cloacales (cultivos energéticos, residuos alimentarios, residuos de mataderos, etc.) es mucho mayor, y se estima que puede alcanzar unos 3.000 MW. [94] Se espera que las plantas de biogás agrícolas que utilizan desechos animales y cultivos energéticos contribuyan a reducir las emisiones de CO2 y fortalezcan la red, al tiempo que proporcionan a los agricultores del Reino Unido ingresos adicionales. [95]
Algunos países ofrecen incentivos en forma de, por ejemplo, tarifas de alimentación para suministrar electricidad a la red eléctrica con el fin de subsidiar la producción de energía verde. [1] [96]
En Oakland, California, en la principal planta de tratamiento de aguas residuales del Distrito Municipal de Servicios Públicos de East Bay (EBMUD), los desechos de alimentos se digieren actualmente con sólidos de aguas residuales municipales primarios y secundarios y otros desechos de alta resistencia. En comparación con la digestión de sólidos de aguas residuales municipales por sí sola, la codigestión de desechos de alimentos tiene muchos beneficios. La digestión anaeróbica de pulpa de desechos de alimentos del proceso de desechos de alimentos EBMUD proporciona un beneficio energético normalizado más alto, en comparación con los sólidos de aguas residuales municipales: 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 aplicados. [97] [98]
La inyección de biogás en la red es la inyección de biogás en la red de gas natural . [99] El biogás crudo debe ser previamente procesado para convertirse en biometano. Esta preparación implica la eliminación de contaminantes como el sulfuro de hidrógeno o los siloxanos, así como el dióxido de carbono. Existen varias tecnologías disponibles para este propósito, siendo las más ampliamente implementadas la adsorción por oscilación de presión (PSA) , el lavado con agua o aminas (procesos de absorción) y, en los últimos años, la separación por membranas . [100] Como alternativa, la electricidad y el calor se pueden utilizar para la generación in situ , [101] lo que resulta en una reducción de las pérdidas en el transporte de energía. Las pérdidas de energía típicas en los sistemas de transmisión de gas natural varían entre el 1 y el 2 %, mientras que las pérdidas de energía actuales en un gran sistema eléctrico varían entre el 5 y el 8 %. [102]
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 . [103] Para 2017, la empresa eléctrica británica Ecotricity planea tener un digestor alimentado con pasto de origen local [104] que abastezca a 6000 hogares [105].
Tras la modernización con las tecnologías mencionadas, el biogás (transformado en biometano) puede utilizarse como combustible para vehículos adaptados. Este uso está muy extendido en Suecia, donde existen más de 38.600 vehículos a gas y el 60% del gas para vehículos es biometano generado en plantas de digestión anaeróbica. [106]
El componente sólido y fibroso del material digerido puede utilizarse como acondicionador del suelo para aumentar el contenido orgánico de los suelos. El licor de digestión puede utilizarse como fertilizante para suministrar nutrientes vitales a los suelos en lugar de fertilizantes químicos que requieren grandes cantidades de energía para producirse y transportarse. El uso de fertilizantes manufacturados es, por lo tanto, más intensivo en carbono que el uso de fertilizantes de licor de digestión anaeróbica. En países como España , donde muchos suelos están agotados orgánicamente, los mercados para los sólidos digeridos pueden ser tan importantes como el biogás. [107]
Al utilizar un biodigestor, que produce las bacterias necesarias para la descomposición, se genera gas para cocinar. Los desechos orgánicos, como hojas caídas, desechos de cocina, desechos de alimentos, 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 para cocinar. Este gas se envía por tuberías a la cocina. Un biodigestor de 2 metros cúbicos puede producir 2 metros cúbicos de gas para cocinar, lo que equivale a 1 kg de GLP. La ventaja notable de utilizar un biodigestor es el lodo, que es un abono orgánico rico. [108]
Los tres productos principales de la digestión anaeróbica son el biogás, el digestato y el agua. [36] [109] [110]
El biogás es el producto de desecho final de las bacterias que se alimentan de la materia prima biodegradable de entrada [112] (la etapa de metanogénesis de la digestión anaeróbica la realizan 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, [113] [114] con una pequeña cantidad de hidrógeno y trazas de sulfuro de hidrógeno. (Tal como se produce, el biogás también contiene vapor de agua, con el volumen fraccional de vapor de agua en 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. [115] El gas normalmente se almacena en la parte superior del digestor en una burbuja de gas inflable o se extrae y almacena junto a la instalación en un depósito de gas.
El metano del biogás se puede quemar para producir calor y electricidad, normalmente con un motor alternativo o una microturbina [116] [ ¿ fuente poco fiable? ], a menudo en un sistema de cogeneración en el que la electricidad y el calor residual generados se utilizan para calentar los digestores o los edificios. El exceso de electricidad se puede vender a proveedores o inyectar en la red local. La electricidad producida por los digestores anaeróbicos se considera energía renovable y puede atraer subvenciones. [117] El biogás no contribuye a aumentar las concentraciones atmosféricas de dióxido de carbono porque el gas no se libera directamente a la atmósfera y el dióxido de carbono procede de una fuente orgánica con un ciclo de carbono corto.
El biogás puede requerir tratamiento o "depuración" para refinarlo para su uso como combustible. [118] 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 cumplimiento ambiental, como la Agencia de Protección Ambiental de los EE. UU. o la Agencia Ambiental Inglesa y Galesa , establecen 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, se necesitará equipo de limpieza y depuración de gases (como el tratamiento de gas de amina ) para procesar el biogás dentro de los niveles aceptados regionalmente. [119] Alternativamente, la adición de cloruro ferroso FeCl 2 a los tanques de digestión inhibe la producción de sulfuro de hidrógeno. [120]
Los siloxanos volátiles también pueden contaminar el biogás; estos compuestos se encuentran frecuentemente en los desechos domésticos y las aguas residuales. En las instalaciones de digestión que aceptan estos materiales como un componente de la materia prima, los siloxanos de bajo peso molecular se volatilizan en biogás. Cuando este gas se quema en un motor de gas, turbina o caldera, los siloxanos se convierten en dióxido de silicio (SiO2 ) , que se deposita internamente en la máquina, lo que aumenta el desgaste. [121] [122] En la actualidad, existen tecnologías prácticas y rentables para eliminar los siloxanos y otros contaminantes del biogás. [123] En ciertas aplicaciones, se puede utilizar el tratamiento in situ para aumentar la pureza del metano reduciendo el contenido de dióxido de carbono del gas de escape, purgando la mayor parte del mismo en un reactor secundario. [124]
En países como Suiza, Alemania y Suecia, el metano del biogás se puede comprimir para usarlo como combustible para el transporte de vehículos o para inyectarlo directamente a la red de gas. [125] En países donde el impulsor del uso de la digestión anaeróbica son los subsidios a la electricidad renovable, esta vía de tratamiento es menos probable, ya que se requiere energía en esta etapa de procesamiento y reduce los niveles generales disponibles para la venta. [126]
El digestato son los restos sólidos del material de entrada original a los digestores que los microbios no pueden utilizar. También consiste en los restos mineralizados de las bacterias muertas del interior de los digestores. El digestato puede presentarse en tres formas: fibroso, licor o una combinación a base de lodos de las dos fracciones. 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 posterior. [127] [128]
El segundo subproducto (digestato acidógeno) 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; puede estar presente algo de plástico. El material se parece al compost doméstico y se puede utilizar como tal o para fabricar productos de construcción de baja calidad, como tableros de fibra. [129] [130] El digestato sólido también se puede utilizar como materia prima para la producción de etanol. [131]
El tercer subproducto es un líquido (digestato metanogénico) rico en nutrientes, que puede utilizarse como fertilizante, dependiendo de la calidad del material que se esté digiriendo. [128] 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 residuos procedentes de la industria, los niveles de PTE pueden ser más altos y deberán tenerse en cuenta al determinar un uso final adecuado para el material.
El digestato contiene típicamente elementos, como la lignina, que no pueden ser degradados por los microorganismos anaeróbicos. 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 la degradación por microorganismos aeróbicos, como los hongos, lo que ayuda a reducir el volumen total del material para el transporte. Durante esta maduración, el amoníaco se oxidará en 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. [132] [133]
El resultado final de los sistemas de digestión anaeróbica es agua, que se origina tanto del contenido de humedad de los desechos originales que se trataron como del agua producida durante las reacciones microbianas en los sistemas de digestión. Esta agua puede liberarse al deshidratar el digestato o puede estar implícitamente separada del digestato.
Las aguas residuales que salen de la planta 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 para 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 vertiera directamente en los cursos de agua, los afectaría negativamente al causar eutrofización . Por lo tanto, a menudo se requiere un tratamiento adicional de las aguas residuales. Este tratamiento normalmente será una etapa de oxidación en la que se hace pasar aire a través del agua en un reactor de lotes secuenciales o una unidad de ósmosis inversa . [134] [135] [136]
El interés científico por 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 al perturbar los sedimentos de arroyos y lagos se liberaba gas inflamable. [15] En 1778, el físico italiano Alessandro Volta (1745-1827), el padre de la electroquímica , [137] identificó científicamente ese gas como metano . [138]
En 1808 Sir Humphry Davy demostró la presencia de metano en los gases producidos por el estiércol del ganado . [17] El primer digestor anaeróbico conocido se construyó en 1859 en una colonia de leprosos en Bombay en la India . [139] En 1895, la tecnología se desarrolló en Exeter , Inglaterra , donde se utilizó un tanque séptico para generar gas para la lámpara destructora de gases de alcantarillado , un tipo de iluminación a gas . También en Inglaterra, en 1904, se instaló el primer tanque de doble propósito para sedimentación y tratamiento de lodos en Hampton, Londres .
A principios del siglo XX, los sistemas de digestión anaeróbica comenzaron a parecerse a la tecnología que conocemos hoy. [140] En 1906, Karl Imhoff creó el tanque Imhoff ; [141] una forma temprana de digestor anaeróbico y un sistema modelo de tratamiento de aguas residuales a lo largo de principios del siglo XX. [142] [143] Después de 1920, los sistemas de tanque cerrado comenzaron a reemplazar el uso previamente común de lagunas anaeróbicas: cuencas de tierra cubiertas que se usaban para tratar sólidos volátiles. La investigación sobre la digestión anaeróbica comenzó en serio en la década de 1930. [144]
En la época de la Primera Guerra Mundial , la producción de biocombustibles se desaceleró a medida que aumentaba la producción de petróleo y se identificaban 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. [140] [146] De manera similar, la crisis energética de la década de 1970 despertó el interés en la digestión anaeróbica. [140] 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 de políticas y la disponibilidad de subsidios y oportunidades de financiamiento. [147] [148]
En la actualidad, los digestores anaeróbicos se encuentran comúnmente junto a las granjas para reducir la escorrentía de nitrógeno del estiércol, o instalaciones de tratamiento de aguas residuales para reducir los costos de eliminación de lodos. [140] La digestión anaeróbica agrícola para la producción de energía se ha vuelto más popular en Alemania, donde había 8.625 digestores en 2014. [149] En el Reino Unido, había 259 instalaciones en 2014, y 500 proyectos planificados para entrar en funcionamiento en 2019. [150] En los 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.
En 1991 se promulgaron en Alemania las tarifas de alimentación , también conocidas como FIT, que ofrecen contratos a largo plazo que compensan las inversiones en la 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 fines de la década de 1990, los precios de la energía en Alemania variaron y los inversores comenzaron a dudar del potencial del mercado. El gobierno alemán respondió modificando las FIT cuatro veces entre 2000 y 2011, aumentando las tarifas y mejorando la rentabilidad de la digestión anaeróbica, lo que dio como resultado retornos confiables para la producción de biogás y tasas de adopción altas y continuas en todo el país. [148] [149]
Los digestores anaeróbicos han causado la muerte de peces (por ejemplo, el río Mole, Devon , [151] el río Teifi , [152] Afon Llynfi , [153] y la pérdida de vidas humanas (por ejemplo, la explosión de Avonmouth ).
Se han producido explosiones de digestores anaeróbicos en los EE. UU. [154] ( Jay, Maine Pixelle Specialty Solutions' Androscoggin Mill; [155] Pensacola ( Cantonment ) 22 de enero de 2017 (explosión del digestor Kamyr); [156] Falla de EPDM en marzo de 2013 en Aumsville, Oregón ; [157] 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; [158] Planta de tratamiento de aguas residuales del suroeste en Springfield, Missouri ), [159] en el Reino Unido (por ejemplo, en Avonmouth y en Harper Adams College , Newport, Shropshire [160] [161] ), además de En Europa, hubo alrededor de 800 accidentes en plantas de biogás entre 2005 y 2015, por ejemplo, en Francia ( Saint-Fargeau ) [162] [163] (aunque pocos de ellos fueron "graves" con consecuencias directas para la población humana). [164] [165] Afortunadamente, según una fuente, "menos de una docena de ellos tuvieron consecuencias para los humanos", por ejemplo, el incidente en Rhadereistedt, Alemania (4 muertos). [162] [166]
Los análisis de seguridad han incluido [167] [168] [169] un estudio de 2016 compiló una base de datos de 169 accidentes que involucraron vehículos autónomos. [170] [164]
