Tecnología de digestión anaeróbica de residuos orgánicos sólidos
por Witold Roman Kopytyński* extraído del Dossier Técnico Civilidad
En la presente nota se hace la descripción de una opción tecnológica especialmente diseñada para el tratamiento de residuos agroindustriales así como la fracción orgánica de los RSU, con vistas a la generación de energía eléctrica o energía térmica.1
Es de especial interés en el contexto de la Ley 27.191 que establece metas bienales de generación de electricidad en base a fuentes renovables, para llegar al 20% de sustitución en el año 2025.
La tecnología es especialmente apropiada para las agroindustrias que con sus residuos puedan proponerse la autogeneración que indica el marco regulatorio, así como acogerse a diversos beneficios.
Es también de interés para su integración con plantas MBT, logrando una revalorización más exhaustiva de los residuos sólidos urbanos.2
Degradación anaeróbica en un relleno sanitario
La tecnología de digestión anaeróbica ha sido desarrollada estudiando y optimizando la que ocurre por “vía seca” espontáneamente en un relleno sanitario.
Los residuos sólidos urbanos son depositados en el relleno conteniendo una importante fracción orgánica, normalmente estimada en un 50%.
Durante un corto período hay oxígeno presente de modo que la degradación se lleva a cabo por medio de bacterias aeróbicas. ésta puede causar la acumulación de ácidos y un incremento de la temperatura. Después de algunas semanas o meses, dependiendo de la tasa de deposición y la profundidad del residuo, el oxígeno se consume y la descomposición de la materia orgánica tiene lugar en condiciones anaeróbicas, y en condiciones más bien secas o de baja humedad.
Las bacterias anaeróbicas reemplazan a las aeróbicas cuando la concentración de sólidos totales es del 50% o más en el residuo que ha sido depositado en el relleno. Durante esta etapa se produce el gas de relleno (landfill gas) o biogás. La descomposición anaeróbica es descontrolada y muy lenta. La producción de biogás en el relleno puede tener lugar durante 20 a 50 años, y aún más tiempo dependiendo de la humedad presente en el residuo.3
La tecnología ha sido desarrollada optimizando los parámetros de la digestión anaeróbica “seca y estática”. Al inicio de este desarrollo los experimentos batch que fueron llevados a cabo permitieron que el proceso se completara en 2 a 5 años.4
Las mejoras subsiguientes condujeron a tiempos de digestión de seis meses, luego tres, hasta que se alcanzó un tiempo de dos a tres semanas, lo que se hizo posible utilizando un proceso continuo. Una vez que esto se logró, fue necesario diseñar un concepto completamente nuevo para el digestor tal que pudiera manejarse una alimentación de residuos con una concentración de sólidos mayor al 40%, lo que constituía una “vía seca” para el nuevo proceso.
Esquema básico de digestión
El esquema básico de un digestor anaeróbico vertical es como sigue:
º La fracción orgánica debe ser reducida a un tamaño menor a 40 mm. Para el tratamiento de residuos sólidos urbanos, esto implica que los constituyentes voluminosos como plásticos o
textiles tienen que ser separados mediante cribas, o reducidos en tamaño mediante trituración. Los metales ferrosos y no ferrosos pueden ser recuperados para ser reciclados. Arenas, áridos, vidrio y plásticos duros deben ser separados tanto como sea posible, aunque una eficiencia de un 50 a 80% es suficiente en la mayoría de los casos. La presencia de estos componentes en el residuo alimentado incrementa el consumo de energía y la abrasión. Cuanto más “limpia” la alimentación orgánica, tanto más fácil el pretratamiento del material.
º La fracción orgánica ya pretratada a menos de 40 mm es mezclada a continuación con una gran cantidad de residuo digerido proveniente del digestor. La tasa de mezclado es normalmente alrededor de una tonelada de residuo crudo alimentado con 6 a 8 toneladas de residuo digerido. Esto tiene lugar en la zona de mezclado de la bomba de alimentación. Una pequeña cantidad de vapor es agregada a la mezcla para elevar la temperatura a 35-40 º C, a fin de promover una operación mesófila, y a 50-55 º C para condición termófila.
º La mezcla precalentada de residuo orgánico fresco y residuo digerido se bombea hacia la parte superior del digestor a través de tubos de alimentación. Estos tubos atraviesan el cono inferior del digestor y llegan hasta un metro de distancia del techo. El material es desplazado fuera de los tubos y fluye hacia la parte superior de la masa que está siendo digerida.
º Los tubos internos de alimentación en el digestor tienen un diámetro de un metro para minimizar la fricción y el consumo de energía durante el bombeo hacia arriba. La distancia y la altura a la que hay que elevar el material es minimizado por la alimentación interior, así como el peso sobre el techo del digestor es también minimizado en comparación con una alimentación mediante tubos externos y desde la parte superior.
º Una vez que el material ingresa en el cuerpo principal del digestor se tarda entre dos a cuatro días, dependiendo del flujo de alimentación, en llegar a la zona inferior. La masa en digestión desciende solamente por gravedad. El biogás asciende y sale del reactor por el techo y fluye hacia el tanque de almacenamiento y tratamiento para su posterior utilización.
º El residuo digerido – digestato – se extrae por el fondo cónico mediante tornillos. La mayor parte del material extraído es reciclado en el proceso y direccionado al mixer de la bomba para su incorporación al material crudo que ingresa. El resto del digestato es derivado para tratamiento ulterior. El tiempo de residencia promedio en el digestor es de veinte días con una recirculación cada 2 a 4 días.
Ventajas de la digestión anaeróbica vertical5
El proceso tiene varias ventajas sobre la digestión “húmeda” así como otros sistemas:
º Alta tasa de digestión.
El proceso puede operar a una concentración total de sólidos de hasta 45 a 50%, y con una concentración de hasta 40% de sólidos en el digestato. Estas condiciones de alta concentración son posibles porque la masa se mueve en sentido vertical dentro del digestor, de arriba hacia abajo.
En los sistemas de digestión en los que la masa se mueve horizontalmente se requiere un grado mayor de fluidez. Operan a una concentración total de sólidos que es un 10% menor a las
que se pueden utilizar en el sistema vertical. Típicamente están equipados con mixers o inyectores a gas para mover el material hacia delante. Esto no es necesario en el sistema vertical.
La alta concentración de sólidos permite una alta tasa de producción de biogás. En plantas a plena escala se pueden mantener tasas de hasta 10 m³ de biogás por m³ de digestor por día, como promedio anual para residuos orgánicos crudos.
Esto minimiza el volumen requerido de digestor, y como consecuencia el número de digestores requeridos para la misma masa total de orgánicos a tratar. Un digestor de 3.150 m³ puede tratar 50.000 Tn por año de residuo orgánico, rindiendo 7,4 millones de m³ de biogás que contiene un 55% de metano. La conversión de todo el biogás en motores de combustióninterna rinde 9 a 10 millones de Kwh por año.
º No se forman sedimentos o escorias en el tanque
Operando con material suficientemente seco no se forman escorias o sedimentos pesados en el fondo del digestor. Partículas pesadas de menos de 40 mm, tales como arenas, así como restos de vidrios son admisibles y no afectan la operación.
Concentraciones de hasta 22% de vidrio han sido halladas en el digestato de residuos mixtos. Los componentes pesados presentes en el residuo no pueden decantar a través de la masa concentrada en el digestor, como así tampoco materiales livianos tales como madera o telgopor.
º Mínimo requerimiento de calor.
La temperatura del digestor es mantenida mediante la inyección de vapor en la zona de mezclado de la bomba impulsora. Los requerimientos de calor son mantenidos a un mínimo debido que solamente el material crudo que ingresa necesita ser calentado hasta la temperatura de operación. Las pérdidas de calor son mínimas debido a la alta concentración de sólidos que disminuyen considerablemente las pérdidas por convección.
El digestor por tanto sólo necesita una aislación para mantener la temperatura en el interior del digestor sin que disminuya la cinética del proceso biológico. En digestores de alta concentración de sólidos y que operen a altos caudales de alimentación puede observarse una elevación de la temperatura debido a la exotermia de la descomposición anaeróbica, aunque este aumento es de unos pocos grados y no hay peligro de sobrecalentamiento como es el caso de la descomposición aeróbica.
º Operación termófila
Como es el caso en la mayoría de los procesos de fermentación el proceso puede ser operado fácilmente en condición termófila. La operación termófila típicamente rinde una mayor producción por tonelada de residuo tratado, y puede alcanzar un caudal de alimentación significativamente mayor. Una ventaja adicional para operar en el rango de los 50º C es el hecho de que los agentes patógenos son destruidos.
Energía a partir de sólidos orgánicos
Esta tecnología ha sido aplicada a una gran variedad de sustratos. Estos van desde residuos más bien húmedos tales como residuos de comida y restaurantes, hasta barros deshidratados, residuos orgánicos separados en origen, y agroindustriales, con o sin el agregado de papel y cartón no reciclables, así como la fracción orgánica de residuos urbanos pretratados (después que se han removido los reciclables, y también frecuentemente después de la colecta segregada de la fracción compostable limpia).
Planta de Brecht, Bélgica, a base de fracción orgánica separada en la fuente
Un ejemplo de una instalación en funcionamiento es la de Brecht, que está en funcionamiento desde hace más de diez años. La planta fue diseñada para una capacidad de 42.500 Tn/año, y ha sido capaz de llegar a más de 50.000 después del tercer año.
El residuo que ingresa está compuesto de orgánicos separados en la fuente, tales como poda, cocina, comida, a lo que se agrega papeles y cartones no reciclables.
Los residuos son inicialmente ingresados a unos tambores homogeneizadores que rotan a baja velocidad, con un tiempo de residencia de 4 a 6 horas. El material es cribado y los orgánicos que pasan la malla de 40 mm son enviados al digestor después que los metales son separados mediante una banda magnética.
Los orgánicos son digeridos en un digestor de 3150 m³ que tiene 25 m de altura y un diámetro de 15 m. Durante el año 2006 se produjeron 7 millones de m³ de biogás que fueron consumidos en tres motores a gas con una salida de energía eléctrica de 625 Kw cada uno. La producción de energía eléctrica neta llegó a 9,1 millones de Kwh, suficiente para proveer energía a 2.500 hogares. Los motores a gas operaron durante el 97% del tiempo durante el año.
El digestato es deshidratado por medio de una prensa a tornillo, para llegar a una concentración de materia seca del 45%, y es compostado aeróbicamente durante 2 a 3 semanas. Durante la primera semana de aireación se llega a temperaturas de más de 60º de modo que cualquier remanente patógeno es destruido.
La torta deshidratada es convertida en un compostato bien estabilizado que puede ser utilizado en agricultura. La planta produce 20.000 Tn/año de compost de alta calidad, que cumplen con las normas flamencas para la enmienda de suelos. El exceso de efluente líquido es centrifugado y enviado a la planta de tratamiento de efluentes del sitio.
Potencial de generación y costos estimados
En cuanto al potencial de generación a base de biomasa, biosólidos de agroindustrias, fracción orgánica de RSU, sirvan unas breves referencias para dimensionarlo.
Nuestro país genera diariamente unas 40.000 Tn de RSU, de las cuales la fracción orgánica representaría 20.000 Tn, si fuese posible segregar debidamente en origen. Una estimación más ajustada indicaría que para los grandes conglomerados urbanos podría llegarse a unas 3.000.000 Tn/año (AMBA, Santa Fe, Córdoba, Mendoza, Tucumán). Esto indica una posibilidad de instalar unas 30 plantas de generación, solamente a base de los orgánicos urbanos.
De éstos del AMBA son 14.000 Tn/día de RSU. De las 14.000 Tn/día que ingresan al CEAMSE diariamente cerca del 50%, es decir 7.000 Tn/día, es la fracción orgánica, lo que anualmente significa 2,5 millones de Tn para aprovechar mediante esta tecnología.
A estas estimaciones hay que agregar los residuos agroindustriales, lo que requiere de un estudio más pormenorizado y que excede el propósito de esta nota.
En este contexto, y solamente para dar un orden de magnitud del potencial en términos económicos, valga el siguiente cuadro:
Marco regulatorio
La Ley 27.191 establece en su Artículo 1° como objetivo lograr una contribución de las fuentes de energía renovables hasta alcanzar el ocho por ciento (8%) del consumo de energía eléctrica nacional, al 31 de diciembre de 2017.
En el Artículo 8º fija el cronograma que cada sujeto obligado deberá alcanzar incorporando del total del consumo propio de energía eléctrica, con energía proveniente de las fuentes renovables. El cumplimiento de estas obligaciones deberá hacerse en forma gradual, de acuerdo con un cronograma bienal que partiendo del 8% en 2017, y mediante incrementos del 4%, llega el 2025 al 20%:
En el Art 2º define las Fuentes Renovables de Energía. Son las fuentes renovables de energía no fósiles idóneas para ser aprovechadas de forma sustentable en el corto, mediano y largo plazo: energía eólica, solar térmica, solar fotovoltaica, geotérmica, mareomotriz, undimotriz, de las corrientes marinas, hidráulica, biomasa, gases de vertedero, gases de plantas de depuración, biogás y biocombustibles, con excepción de los usos previstos en la ley 26.093.
En el Art. 4º se establecen los diversos beneficios promocionales fiscales para quienes realicen las inversiones en nuevos proyectos, así como en el Art. 7º se establecen las condiciones para ser beneficiarios de los fondos regulados por medio de FODER (Fondo para el Desarrollo de Energías Renovables).
Aquellos proyectos de autogeneración y que tengan un excedente para ser incorporado al MEM, pueden recibir financiación por medio de este fondo.
En el Art 9º se establece el precio máximo de comercialización como sigue: “Los contratos suscriptos por los sujetos indicados en el párrafo anterior no podrán fijar un precio promedio mayor a ciento trece dólares estadounidenses o su equivalente en moneda nacional, por cada megavatio-hora comercializado entre las partes (U$S 113/MWh).”
* Witold Roman Kopytyński: Fundador de SIM – Servicio Integral de Medioambiente-, se desempeña hace más de veinticinco años como consultor de empresas en materia ambiental. Egresado de la Universidad de Buenos Aires como Licenciado en Química Industrial. Posteriormente ha realizado sendos posgrados de especialización ambiental en la Universidad Católica Argentina y en la Universidad de Ciencias Empresariales y Sociales. Integrante y contribuyente del Comité Científico de INTERSOL, convención anual sobre Suelos y Sitios Contaminados con sede en Francia, acerca de desarrollos y tecnologías ambientales de remediación. Integrante de la Comisión Directiva de la Cámara Empresaria de Medio Ambiente (CEMA).
Referencias:
1 De Baere, L.: Anaerobic digestion of solid waste: state-of-the-art. Water Science and Technology vol 41 No 3, 2000, pp. 283-290
2 De Baere, L.: Integration of anaerobic digestion in MBT facilities. Proceedings 1st UK Conference and Exhibition on Biodegradable and Residual Waste Management, February 18-19, 2004, Harrogate, 2004, pp. 59-65
3 Integrated Solid Waste Management: Engineering Principles and Management Issues (9780070632370): George Tchobanoglous,et al.: 978 pages; Publisher: McGraw-Hill (January 1, 1993)
4 De Baere, L.: Anaerobic digestion of solid waste: state-of-the-art. Water Science and Technology vol 41 No 3, 2000, pp. 283-290
5 De Baere, L.: DRANCO process: a dry continuous digestion system for solid organic waste and energy crops. Presented at the IBBK Symposium on Anaerobic Dry Fermentation. 2008