La Codigestión de Residuos Orgánicos: una contribución energética, ambiental y de salud humana

The Organic Waste Codigestion: an energy, environmental and human health contribution

M. Sc. Florentino Sánchez Portilla¹, Dr. C. T. Roberto Vizcón Toledo²

¹ Universidad Veracruzana, Campus de Coatzacoalcos, México
² Universidad de Matanzas, Cuba

RESUMEN

En el mundo actualmente se desechan grandes cantidades de biomasa residual sin tratamiento alguno, generadas principalmente por las actividades naturales de los seres vivos. Lo que significa un grave problema de contaminación y de salud para el planeta; sin embargo, esos residuales, al utilizar un tratamiento adecuado como la digestión, ofrecen beneficios tales como la obtención de biogás, biofertilizantes inocuos y reducción de daños ambientales y a la salud humana. Mediante experimentos de codigestión a escala de laboratorio con estiércol bovino, restos de comida y lodos cloacales, se obtuvieron resultados que justifican el empleo de esta tecnología energética: un alto impacto ambiental benéfico (39,8 según Matriz de Leopold), una generación de energía, a partir del biogás referida a la masa seca utilizada de 1 184,12 kJ/kg, la conversión de biomasa dada la reducción de la DQO  entre  37,32-56,39 g/l, la eliminación de microorganismos patógenos y una producción de nitrógeno amoniacal entre 309-516 mg/l.

Palabras clave: biomasa residual, evaluación energética, impacto ambiental, tratamiento anaerobio.

ABSTRACT

Today in the world large amounts of residual biomass are discarded without treatment, mainly generated by the natural activities of living beings. Which means a serious problem of pollution and health for the planet; however, these waste by using appropriate treatment such as digestion, offer benefits such as obtaining of biogas, safe bio-fertilizers and reduction of environmental and human health damage. The results were obtained through codigestion experiments in a laboratory scale with cattle manure, food waste and sewage sludge, justify the use of this energy technology with a high beneficial environmental impact (39,8 using Leopold´s  Matrix),  energy generation from biogas based on the 1 184,12 kJ/kg  of dry mass used ,the conversion of biomass given the COD reduction around 37,32 to 56,39 g/l, the elimination of pathogenic microorganisms and the production of ammonia nitrogen around 309 to 516 mg/l.

Key Words: anaerobic treatment, energy assessment, environmental impact, residual biomass.

Debido a la continua baja en las reservas probadas de combustible fósil, las naciones altamente demandantes de energéticos para su transporte e industria, han ideado que la única manera de obtenerlos es mediante la siembra de ciertas gramíneas y otros vegetales pequeños, que hace necesaria la deforestación para extender las áreas de cultivo, o en su defecto utilizar las existentes destinadas a los cultivos para alimentación. Además, la sobreexplotación del ambiente ha llegado a tal grado que hoy es una realidad que el entorno y toda la naturaleza del planeta se encuentran gravemente comprometidos; considerando que el consumo irrestricto de recursos no renovables genera grandes costos económicos y medioambientales, debido a la generación y dispersión de residuales.

Por ello, se hace imperativo volver la vista hacia tecnologías comprometidas y amigables con el medio ambiente; lo que significa hacer uso de las fuentes renovables de energía, que proporcionan energía a menor costo por consumo de energéticos y por consiguiente de impacto ambiental. En este sentido, el tratamiento de los residuales de la biomasa producidos por la actividad humana, son una oportunidad para obtener un energético (biogás), que no aporta gases de efecto invernadero, debido a que el dióxido de carbono que se produce con su quema, se encuentra dentro del inventario medio ambiental [1,2].

El tratamiento anaerobio de las biomasas residuales generadas por la actividad natural de los humanos permite eliminar, en primera instancia el riesgo sanitario que representa el confinar en tiraderos y lagunas de oxidación al aire libre de esos residuales, consistentes principalmente en restos de comida, lodos cloacales, excretas de ganado, de aves de corral, restos de podas y algunos residuales orgánicos industriales provenientes del ramo alimenticio y  bebidas.

Por otra parte, los requerimientos de energía e impacto ambiental que representan otros tipos de tratamientos de esos residuales, tales como la producción de composta, el tratamiento aerobio y la quema de esos residuales, a partir que el tratamiento anaerobio elimina los organismos patógenos que habitan los residuales y remueve de manera natural la DQO produciendo biogás como combustible con potencial para utilizarse en la generación de energía térmica e incluso eléctrica. Además, se producen dos residuales (uno líquido rico en nitrógeno amoniacal y otro sólido rico en macro y micro nutrientes) con potencialidades como nutrientes en sembradíos, sin los requerimientos de energía, materia prima e impacto ambiental producidos por la industria de los fertilizantes.

En trabajos anteriores desarrollados sobre el tratamiento anaerobio para este tipo de residuales, se han estructurado temas donde se analizan por separado cada uno de ellos, tales como: (a) desarrollo de metodología para la optimización termoeconómica y ruta mejor para la obtención del balance entre el balance exergético, así como los costos de producción/generación de energía en sistemas para tratamiento de aguas residuales [3- 5], (b) estudios de factibilidad técnica y económica de un sistema para la transformación de residuos sólidos municipales en energía, mediante una planta híbrida de ciclo combinado considerando la producción de biogás con la parte orgánica y la combustión de la parte no reciclable [6], (c) determinaciones de costos asociados a la remediación medioambiental para aguas residuales municipales [7], (d) estudios de sostenibilidad medioambiental del proceso anaerobio mediante la comparación de producción de energía eléctrica utilizando residuales orgánicos domésticos y cultivos energéticos para diferentes posibilidades de alimentación al digestor en el contexto agrícola e influencia de la aplicación del digestato como fertilizante [8], (e) análisis de exergía y económico sobre un sistema para el tratamiento anaerobio del suero producido en una planta de elaboración de queso [9], (f) puntos de vista sobre el papel potencial de biogás en la atención de la demanda fluctuante de electricidad, y en las redes de energía inteligentes [10].

En lo referente a la codigestión, se han establecido estudios de factibilidad de la codigestión mesofílica en lodos de depuradora con vegetales como la Egeria densa [11].

Este trabajo se estructura con la perspectiva de una búsqueda sobre los parámetros óptimos de operación en los biorreactores para la codigestión con tres o más tipos de biomasa residuales, que permitan maximizar las producciones de biogás y efluentes ricos en nitrógeno y carbono, evaluar la sostenibilidad y daños a la salud por medio de la aplicación de la Matriz de Leopold, la aportación energética, de emisiones y el balance económico del proceso anaerobio de los residuales.

MATERIALES Y MÉTODOS

En México, en el municipio de Coatzacoalcos de Veracruz, gran parte de los residuales orgánicos municipales (biomasa residual) sólidos son depositados en vertederos al aire libre y las aguas residuales municipales son vertidas a los afluentes y playas; con la consiguiente contaminación ambiental y posibles daños a la salud por las bacterias y parásitos que contienen. Sin embargo, esos residuales pueden ser tratados mediante un proceso de descomposición anaerobia a través de su codigestión, llamado también tratamiento anaerobio.

El tratamiento anaerobio consiste en una serie de pasos donde los microorganismos descomponen la materia biodegradable con ausencia de oxígeno, lo que permite garantizar la eliminación de su impacto ambiental y los posibles daños a la salud que representan al eliminarse los microorganismos patógenos que contiene, además de obtener un energético (biogás) que puede emplearse en sustitución de los combustibles fósiles y lodos libres de microorganismos patógenos, ricos en nutrientes para el campo y un efluente líquido rico en amonio.

Descripción del proceso

Instalación experimental

El equipamiento para el desarrollo del experimento consta de 5 biorreactores de mezcla completa de forma cilíndrica con bridas ciegas en la parte superior e inferior, como el que se muestra en la figura 1, cuyos cilindros son de acrílico transparente de 13,97 cm de diámetro interno (5,5") y 48 cm de alto (18,9"). Cuyo volumen total es de 7,4 L y un volumen de proceso de 6,74 L. En la brida ciega superior se encuentran anclado el motor (CA 127 Volts, 6 rpm y 3 Watts) que mueve la flecha del agitador introducida por un orificio en la misma, al igual que  la flecha del agitador, la válvula de salida del biogás producido y el sensor-medidor de pH. En la brida ciega inferior se encuentra colocado el soporte para la flecha del agitador e introducida una válvula para dren de los lodos.

En el cuerpo cilíndrico se encuentran introducidos: 2 sensores de temperatura (termopares) tipo J uno en la parte superior y otro en la parte inferior, un termómetro analógico para visualizar la temperatura en campo, una resistencia de filamento de 5 Ohm y 10 m que envuelve al reactor y que sirve como calefactor para obtener la temperatura de proceso, y una válvula para toma de muestra del efluente.

Sistemas de control y medición de los biorreactores

Para el control de los procesos, se tienen dos cajas de control las que se muestran en la figura 2, en las que se muestran los interruptores del tipo cola de rata que permiten cerrar o abrir el flujo eléctrico hacia los motores de agitación y hacia los controladores de temperatura y calefactores de cada uno de los biorreactores, además de los controladores y los reóstatos que controlan la intensidad del fluido eléctrico hacia los calefactores para cada uno de los biorreactores, lo que evita variaciones bruscas de temperatura que dañen el proceso. Cada controlador controla la temperatura de un biorreactor

Sistema de medición del biogás producido                                                                                                                                                      

Para la medición de la producción de biogás, se utiliza un medidor de flujo como el que se muestra en la figura 3, que permite observar la producción por periodos determinados, en este caso, la producción total, visualizando directamente el contador al dar por terminado el proceso.

El biogás producido se almacena en cámaras de llanta para carretilla. Cada reactor posee un medidor de flujo de gas.

Actividades y tareas del proceso

Se prepara una mezcla de los residuales a tratar tal como se muestra en la figura 3, con la finalidad de obtener el tamaño y una relación adecuada de las biomasas residuales, acorde a las proporciones establecidas en la tabla 1, mediante las siguientes tareas:

RESULTADOS

Las proporciones de carga de los reactores se muestran en la tabla 1

Microorganismos presentes en el proceso

Se determinan los microorganismos presentes durante el proceso, estos son básicamente los Coliformes, Vibrio Cholerae, cuyo número de colonias y concentración se muestra en la figura 4 y Desulfovibrio, cuyos resultados a las pruebas se muestran junto a los de Vibrio Cholerae en la tabla 2, no se encontró evidencia de Salmonella, posiblemente por enmascararse con Vibrio Cholerae.

El comportamiento del crecimiento mostrado por las bacterias anaerobias y el decaimiento de las bacterias aerobias, estas últimas principales causantes de problemas de salud, es semejante en los 5 reactores, tal como se puede observar en la tabla 3.

En la tabla 4, se puede observar la disminución de la DQO en 28 días de proceso, considerando 4 periodos de 7 días cada uno; las temperaturas de operación se establecieron para los reactores 1, 3 y 5 en 45 ºC y para los reactores 2 y 4 en 37 ºC

En lo referente al nitrógeno amoniacal extraíble, que significa el nitrógeno proteico contenido en los residuales, en la tabla 5, se muestran los resultados acumulativos que pueden influir en la obtención de biogás.

Biogás producido

En la figura 5, se puede observar la producción de biogás para cada uno de los reactores, con una composición del 60% de CH₄ y 40 % de CO₂, el biogás posee un poder calorífico de 5,335 Kcal/m³ de gas [12].

Evaluación de la sostenibilidad y daños a la salud

Se realizó una evaluación mediante la medición del impacto ambiental de los residuales en estudio utilizando la Matriz de Leopold [13 ,14], evitando el depósito de la parte sólida de esos residuales en tiraderos al aire libre y el depósito de las aguas residuales en lagunas de oxidación o afluentes; esto permite eliminar la contaminación del aire por emisiones de gases de efecto invernadero (CH₄ y CO₂), del suelo y mantos freáticos (agua) por lixiviados y bacterias patógenas que contienen esos residuales. Para establecer los valores del impacto ambiental se utiliza un rango de -5 como el más severo y +5 como el más benéfico, estableciendo un factor en razón de la importancia del rubro en cuestión, en la tabla 6 se muestra el resultado con la Matriz de Leopold. Con el resultado se puede observar que con la eliminación de los residuos sólidos orgánicos y el estiércol de ganado y las aguas residuales municipales en los afluentes y lagunas de oxidación se obtiene un alto impacto ambiental benéfico. Vea tabla 6.

Resultados del balance de masa y energía en el proceso

Para efectos de este trabajo, los signos positivos representan efectos positivos y los negativos efectos negativos dentro de la ecuación (1), que significa la ecuación general del proceso.

Además, se establecieron como criterios que:

Las emisiones por transporte son:

1 litro de gasolina utilizado proporciona 2,3 kg de CO₂ densidad 1,98 kg/m³ = 1,161 m³
1 litro de diesel utilizado proporciona     2,6 kg de CO₂ densidad 1,98 kg/m³ = 1,313 m³

Emisiones por consumo eléctrico el consumo de 1 kWh proporciona 0,267 kg de emisiones de dióxido de carbono, es decir 0,135 m³ de CO₂. Se considera que no hay incremento en emisiones de gases de efecto invernadero con la quema del biogás obtenido de la biomasa debido a que el dióxido de carbono originado se encuentra dentro del balance natural (2) y los biofertilizantes, acorde a los resultados, se encuentran libres de patógenos. Se considera la producción del biorreactor 3 que corresponde a 25,43 l/kg de biogás y 309 mg/l de nitrógeno amoniacal, con una carga inicial de 1,335 kg de restos de cocina, 1,327 kg de estiércol de vaca, 1,329 kg de lodos digeridos y 4,850 kg de agua. La humedad de la biomasa introducida fue de 79,7 %, lo que significa el 20,3 % de sólidos totales, es decir 0,810 kg de materia orgánica seca. Al no existir recorrido de recolección, el valor del combustible utilizado en la recolección (combreco) se considera cero, por lo que la ecuación general del sistema que sirve de base para los cálculos está dada acorde a la ecuación (1):

Utilizando las equivalencias consideradas, se establecen los valores de cada una de las variables de la ecuación (1), mismos que se muestran en la tabla 7. Sustituyendo en la ecuación 1 los valores obtenidos de cada una de las variables, se obtienen los resultados (ε) del aporte del sistema en lo referente a su potencial energético, su reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, considerando que el metano tiene 21 veces el efecto del dióxido de carbono y su aporte económico utilizando el precio existente de la energía o energéticos y los biofertilizantes en el mercado mexicano, para el tiempo en que se calcula, para este caso se consideran los precios en pesos mexicanos del litro de diésel = $ 13.77, del kWh de consumo básico de electricidad = $ 0.583, el litro de fertilizante líquido = $ 30.00, el kilogramo de biofertilizante sólido = $ 40.00 y un costo del agua = $ 10.00 por m³. En la tabla 7, se muestran los resultados obtenidos.

Luego de evaluar la sostenibilidad y la mitigación de los daños a la salud con la utilización del proceso anaerobio, por medio del análisis sobre la producción de biogás, se efectúa el análisis energético, de emisiones y económico del proceso de los residuales considerados. Para ello, se realiza un balance de masa y energía en el proceso y se determinan los efectos positivos y negativos del proceso, que se muestran en la tabla 7.

DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Los resultados de la investigación revelan que el proceso anaerobio de la codigestión de las biomasas residuales en estudio ofrece:

– En primera instancia, desde el punto de vista cualitativo, un alto impacto positivo ambiental, según la Matriz de Leopold, con valor de +39,8 en la escala de -45 a +45, lo que se refleja en la salud al eliminar los microorganismos patógenos que poseen; en el nivel de vida de las personas por el incremento de la calidad del medio ambiente y la posibilidad de empleos que representa el proceso.

– En  segunda instancia, con un enfoque cuantitativo, se observa una considerable disminución de emisiones de gases de efecto invernadero de 0,323856 m³ de CO₂ y $ 154.02 pesos mexicanos por cada 0,810 kg de masa seca, lo que representa la obtención de una alta posibilidad energética y una considerable ganancia económica, considerando que, por un lado la producción de residuos sólidos orgánicos urbanos en Coatzacoalcos es del 41,4 % del total de las 201,217 t/año de residuos sólidos urbanos, lo que hace un promedio diario (considerando 365 días) de 228,23 toneladas [13, 15], y por otro la producción de 21 t/día de estiércol en 2 lugares cercanos al aeropuerto de Coatzacoalcos con 800 terneros y 200 vacas [14, 16] y, de 6,38 m³/s de aguas residuales municipales no tratadas que representan el 53,2 % del total del residual en el estado de Veracruz [17-18].

CONCLUSIONES

El proceso de codigestión de las biomasas residuales propuesto, aún sin optimizar ni extrapolarlo con las cantidades que se generan en las diferentes localidades, ofrece una solución al problema que significan los residuales considerados en la investigación; con grandes beneficios en la calidad de vida, el medio ambiente, la sustitución en una parte del uso de combustibles fósiles y una alta posibilidad económica, además de reducir la presión sobre los rellenos sanitarios y tiraderos a cielo abierto, así como lagunas de oxidación al aire libre o vertederos en afluentes que solo causan erogaciones y afectaciones en el medio ambiente y la calidad de vida.

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Recibido: diciembre de 2016
Aprobado: abril de 2017

AUTORES

Florentino Sánchez Portilla. Ingeniero Químico, Master en Termoenergética Industrial, Universidad Veracruzana, Campus de Coatzacoalcos, México
e-mail: fsportilla@hotmail.com

Roberto Vizcón Toledo. Ingeniero Mecánico, Doctor en Ciencias Técnicas, Universidad de Matanzas, Cuba ]]> e-mail: roberto.vizcon@umcc.cu