Tecnologías para el tratamiento de los residuos sólidos orgánicos del sector residencial y su aprovechamiento como fuente de energía

Resumen

En este artículo se presenta el estado del arte de la tecnología de digestión anaeróbica para el tratamiento de los residuos sólidos orgánicos. Se realizó un estudio comparativo considerando las características principales, ventajas, desventajas y aplicaciones más comunes de las tecnologías, seleccionando lo mejor de cada una de ellas para la generación de una propuesta tecnológica de procesamiento de los residuos sólidos orgánicos del sector residencial, a nivel vivienda o conjunto habitacional. Finalmente, se realiza una descripción de las diferentes etapas del sistema propuesto, acoplando el proceso de digestión anaeróbica con un motor stirling para la generación de energía eléctrica, proponiendo un sistema de captación solar tipo fresnel para la generación de vapor que será utilizado en la etapa de pre-tratamiento térmico de los residuos sólidos orgánicos.

Palabras Clave: biogás, digestión anaeróbica, residuos sólidos orgánicos domiciliarios, pre-tratamiento

1. Introducción

En la sociedad moderna, el consumismo está fuertemente relacionado con el sistema básico de necesidades, una de las necesidades básicas de cualquier familia es la de comer, la actividad que se realiza para satisfacer esta necesidad implica que diariamente se acumulan desechos orgánicos que podrían ser aprovechados para no producir contaminación [1]. Actualmente, y sobre todo en los países desarrollados, es donde existe el mayor índice de consumo y por tanto el de mayor producción de residuos, debido al rápido crecimiento de población.

Mexicali, Baja California, no es la excepción, ya que cuenta con 936,826 habitantes registrados en el año 2010, lo que corresponde aproximadamente al 30% del total de la población del estado de Baja California [2]. Se han realizado estudios acerca de la generación, composición y cuantificación de los residuos sólidos del sector residencial de la ciudad de Mexicali, donde se ha registrado que el 41.4% corresponden a residuos orgánicos que comprenden los desechos de comida y residuos de jardines principalmente, equivalentes a 300 toneladas diarias de residuos orgánicos, que a su vez
corresponde a 0.8565 kilogramos por habitante por día [3], los cuales contienen un gran potencial para ser utilizados como fuente de energía. El gran inconveniente es que este tipo de residuos se están convirtiendo en un serio problema ambiental debido a la disposición final en los rellenos sanitarios, incrementando la carga de residuos orgánicos y por consiguiente la generación excesiva de metano principalmente, el cual tiene alrededor de 25 veces más efecto invernadero que el dióxido de carbono, así como la generación de otros gases liberándose directamente a la atmósfera, lo que contribuye negativamente al llamado efecto invernadero y a su vez al cambio climático.

Actualmente, existen opciones tecnológicas que pueden ser aplicadas para reducir los efectos negativos que ocasionan este tipo de residuos [4]. Entre los tratamientos biológicos, la digestión anaeróbica es usualmente considerada el proceso más rentable, debido a la alta recuperación de energía relacionado con el proceso y sobre todo por su limitado impacto ambiental [5]. Por lo tanto, la digestión anaeróbica para la obtención de biogás, constituye una alternativa energética muy importante, en esta época en donde es indiscutible la disminución de las reservas de combustibles fósiles y el incremento de su precio, así como el deterioro ambiental que estamos provocando al planeta con la desmedida generación de residuos.

2. Digestión anaeróbica

La digestión anaeróbica es un proceso biológico en el que la materia orgánica, en ausencia de oxígeno y mediante la acción de un grupo de bacterias específicas, se descomponen en productos gaseosos o biogás CH4, CO2, H2, H2S, etc., y en digestato, que es una mezcla de productos minerales N, P, K, Ca, etc., y compuestos de difícil degradación [6]. Las ventajas principales del proceso de digestión anaeróbica son: minimización de emisiones de gases de efecto invernadero, el aprovechamiento energético de los residuos orgánicos y a su vez la obtención de un abono orgánico rico en nutrientes y libre de patógenos para el uso directo en la tierra.

2.1 Fases de la digestión anaeróbica

La digestión anaeróbica está caracterizada por la existencia de varias fases consecutivas diferenciadas en el proceso de degradación del sustrato término genérico para designar, en general, el alimento de los microorganismos [6], interviniendo cuatro grandes poblaciones de microorganismos como se muestra en la figura 1:

2.2. Parámetros ambientales y operacionales del proceso

Siendo la digestión anaerobia un proceso bioquímico complejo, es necesario mantener las condiciones óptimas que permitan la realización tanto de las reacciones químicas dentro de la matriz líquida del reactor, como las reacciones bioquímicas intracelulares que dan vida a los organismos en juego [7]. La tabla 1 muestra las condiciones óptimas de operación para que se lleve a cabo correctamente el proceso de digestión anaeróbica.

3. Estudio comparativo de las tecnologías para el tratamiento de residuos orgánicos

El estudio comparativo de las tecnologías utilizadas en el proceso de digestión anaeróbica para el tratamiento de residuos orgánicos, fue clasificado de acuerdo a su proceso evolutivo: digestores de primera, segunda y tercera generación, tal como se muestra en la tablas 2, 3 y 4. Los criterios para el análisis comparativo y selección de la tecnología de digestión anaeróbica más idónea, están basados en sus principales características, ventajas y desventajas, considerando especialmente el tipo de residuo que puede procesar, tiempo de retención hidráulico y rendimiento de producción de biogás.

4. Propuesta de las etapas del proceso de tratamiento de los residuos sólidos orgánicos del sector residencial

En la figura 2 se muestra el sistema propuesto de las etapas por las que pasan los residuos sólidos orgánicos del sector residencial, desde su almacenamiento por el usuario, pre-tratamiento, tratamiento mediante la digestión anaeróbica hasta la obtención del biogás acoplando un motor stirling para su utilización como energía eléctrica en la vivienda, así como el uso de los residuos sólidos orgánicos digeridos, ya sea en forma líquida o sólida que pueden ser utilizados directamente en la tierra de los jardines de las viviendas y/o en los parques comunitarios.

5. Resultados y discusiones

Como puede apreciarse en las tablas 2, 3 y 4, la evolución de los digestores ha venido siendo sustentada con nuevas geometrías, etapas de pre-tratamiento, separación de fases, cambios en el modo de operación, fijación y suspensión de bacterias, altas velocidades de flujo, entre otros.

Los digestores de primera generación se caracterizan por tener una parte de los microorganismos en suspensión y la otra parte se encuentran acumulados como sedimento logrando un adecuado contacto de los mismos con el sustrato, son de fácil operación, debido a su baja capacidad de procesamiento de residuos cuenta con largos períodos de retención hidráulico lo cual requiere de equipos más grandes; estos digestores son utilizados para tratar aguas residuales domésticas, industriales y agrícolas, así como residuos sólidos orgánicos domiciliarios y agrícolas. Los digestores de segunda generación se identifican por tener a los microorganismos retenidos en el tanque por medio de una bio-película adherida a un soporte (empaque), o bien, por su sedimentación en forma de agregados (flóculos o granos) densos. En estos sistemas se ha separado el tiempo de retención hidráulico celular reduciendo el tiempo de retención hidráulico así como el tamaño de los digestores, también se ha mejorado considerablemente el dispositivo de distribución del sustrato en su interior, la mayoría de los digestores clasificados en esta generación no requieren de mezcladores; las aplicaciones de este tipo de digestores son tanto para tratamiento de aguas residuales como de residuos sólidos orgánicos industriales, domiciliarios y agrícolas. Por último, los digestores de tercera generación también retienen los microorganismos en bio-película o grano compacto y denso, con la particularidad de que el soporte se expande o fluidifica con altas velocidades de flujo debido a que cuenta con recirculación de materia orgánica. Sin embargo, esto los vuelve más costosos, tiene tiempos cortos de retención hidráulico lo que disminuye el tamaño del digestor, permite elevadas cargas orgánicas obteniendo un mayor rendimiento de biogás y sus aplicaciones más comunes son para tratamientos de agua residuales industriales y agrícolas. La evolución de la tecnología de digestión anaeróbica, incorporando procesos de pre-tratamiento y recirculación de la biomasa, ha permitido disminuir los tiempos de retención hidráulico de días a horas, obteniendo digestores más pequeños, haciéndola más eficiente y económicamente viable.

De acuerdo a la figura 2, dentro del sistema propuesto de las etapas del proceso del tratamiento, se considera que se realicen la separación de fases. Esto implica realizar un pre-tratamiento mecánico y térmico del residuo para ayudar a favorecer la primer fase del proceso de digestión anaeróbica, la fase hidrolítica, ya que los residuos orgánicos domiciliarios están compuestos por moléculas orgánicas complejas, como proteínas, grasas y almidones principalmente, donde estas bacterias requieren de una gran cantidad de energía para desdoblar los polímeros en fragmentos más pequeños, lo cual sin el pre-tratamiento antes mencionado, llevaría mucho más tiempo en realizarse este fenómeno, es por eso que se propone la separación de fases para acelerar el proceso de producción de biogás.

4. Conclusiones

Los digestores (circulación interna, lecho fluidizado y manto de lodo granular expandido) son los que tienen mayor potencial para ser utilizados en el procesamiento de los residuos sólidos orgánicos del sector residencial, dado que son los que presentan altas cargas orgánicas (10-35 kg/m³.día), el menor tiempo de retención hidráulico (1-10 horas) y un alto rendimiento de producción de biogás.

Referencias Bibliográficas

[1] Ojeda Benítez Sara El consumo como fuente de generación de basura y contaminación. En Quintero Núñez Margarito Contaminación y medio ambiente en B.C. Editorial Miguel Angel Porrua 2006 pp 227-249
[2] Instituto Nacional de Estadística y Geografía INEGI . Año 2010. http://www.inegi.org.mx/sistemas/mexicocifras/default.aspx?ent=02
[3] Carabias J., Provencio E., Sánchez J. Estadísticas e indicadores de inversión sobre residuos sólidos municipales en los principales centros urbanos de México. Primera Edición. Noviembre de 1977. Talleres de desarrollo gráfico editorial S.A. de C.V. México D.F. 61 páginas.
[4] Taboada P., Aguilar Q., Ojeda S., “Análisis estadístico de residuos sólidos domésticos en un municipio fronterizo de México”. Avances en ciencias e ingeniería. Vol. 2(1). 2011. pp. 2.
[5] Mata J., Macé S., Llabrés P., “Anaerobic digestion of organic solid wastes. An overview of research achievements and perspectives”. Bioresource technology. Vol. 74. 2000. pp. 1.
[6] Besel, S.A. (Departamento de Energía). Biomasa: digestores anaerobios. 2007. IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía). Madrid, España. 48 páginas.
[7] Montes Carmona, M. E. 2008. Tesis doctoral: estudio técnico-económico de la digestión anaerobia conjunta de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos y lodos de depuradora para la obtención de biogás.

Por: Mydory Oyuky Nakasima López,
Nicolás Velázquez Limón,
Sara Ojeda Benítez
Fuente: www.redisa.uji.es

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