Digestión anaeróbica de la biomasa

< La generación y eliminación de residuos orgánicos sin un tratamiento adecuado da lugar a una contaminación ambiental significativa. Además de las preocupaciones sanitarias para las personas que viven en las proximidades de los vertederos, la degradación de los residuos conduce a la emisión incontrolada de gases de efecto invernadero (GEI) a la atmósfera. Los medios convencionales, como la aireación, consumen mucha energía, son caros y también generan una cantidad significativa de lodos biológicos. En este contexto, la digestión anaeróbica ofrece un potencial de ahorro de energía y es un proceso más estable para efluentes orgánicos de media y alta resistencia. Las plantas WTE (Waste-to-Energy), basadas en la digestión anaeróbica de biomasa, son altamente eficientes para aprovechar el potencial de energía renovable no explotado de los residuos orgánicos mediante la conversión de la fracción biodegradable de los residuos en gases de alto poder calorífico. Además del tratamiento de las aguas residuales, el metano producido en las instalaciones de biogás puede recuperarse con relativa facilidad para la generación de electricidad y la calefacción industrial y doméstica.

Una opción atractiva para la energía renovable

Las plantas de digestión anaeróbica no sólo disminuyen las emisiones de GEI, sino que también reducen la dependencia de los combustibles fósiles para satisfacer las necesidades energéticas. El proceso anaeróbico tiene varias ventajas sobre otros métodos de tratamiento de residuos. Y lo que es más importante, es capaz de soportar tasas relativamente altas de carga orgánica. Con el uso creciente de la tecnología anaeróbica para el tratamiento de diversas corrientes de proceso, se espera que las industrias se vuelvan más competitivas desde el punto de vista económico debido al uso más sensato de los recursos naturales. Por lo tanto, es casi seguro que la tecnología de digestión anaeróbica garantizará un mayor uso en el futuro.

Beneficios de la digestión anaeróbica

La digestión anaeróbica proporciona una variedad de beneficios. Estos pueden clasificarse en tres grupos: beneficios medioambientales, económicos y energéticos:

Los beneficios ambientales incluyen

1. Eliminación de compuestos malolientes.2. Reducción de patógenos.
3. Desactivación de semillas de malas hierbas.4. Producción de compost desinfectado.5. Disminución de las emisiones de GEI.6. Reducción de la dependencia de fertilizantes inorgánicos por captura y reutilización de nutrientes.7. Promoción del secuestro de carbono
8. Reutilización beneficiosa del agua reciclada
9. Protección de los recursos hídricos subterráneos y superficiales.10. Mayor aceptación social

La digestión anaeróbica es ventajosa en términos de energía de la siguiente manera:

1. La digestión anaeróbica es un proceso que produce energía neta.2. Una instalación de biogás genera combustible renovable de alta calidad.3. El excedente de energía como electricidad y calor se produce durante la digestión anaeróbica de la biomasa.4. La digestión anaeróbica reduce la dependencia de las importaciones de energía.5. Esta instalación contribuye a sistemas de energía descentralizados y distribuidos.6. El biogás es una rica fuente de electricidad, calor y combustible para el transporte.

Los beneficios económicos asociados con una instalación de biomasa a biogás son:

1. La digestión anaeróbica transforma los pasivos de residuos en nuevos centros de beneficio.2. El tiempo dedicado a mover, manipular y procesar el estiércol se reduce al mínimo.3. La digestión anaeróbica añade valor a la materia prima de valor negativo.4. Los ingresos se pueden obtener a partir del procesamiento de los residuos (tasas de vertido), la venta de fertilizantes orgánicos, los créditos de carbono y la venta de energía.5. Se pueden obtener créditos fiscales por cada kWh de energía producida.6. Una instalación de biomasa a biogás reduce el consumo de agua.7. Reduce la dependencia de las importaciones de energía.8. Las plantas de digestión anaeróbica aumentan la autosuficiencia.

Materia prima para plantas de digestión anaeróbica

Existe una amplia gama de materias primas disponibles para los digestores anaeróbicos. Además de los RSU, el sector industrial genera una gran cantidad de residuos, tanto en forma sólida como líquida, como cervecerías, ingenios azucareros, destilerías, industrias alimentarias, curtidurías e industrias de papel y celulosa. De la contaminación total aportada por los subsectores industriales, casi el 40% de la contaminación orgánica total es aportada sólo por la industria de productos alimenticios. Los productos alimenticios y las agroindustrias contribuyen en conjunto entre el 65% y el 70% del total de las aguas residuales industriales en términos de carga orgánica. Los residuos avícolas tienen el mayor potencial energético por tonelada de electricidad por tonelada, pero el ganado tiene el mayor potencial de generación de energía en el sector agrícola.

La mayoría de las unidades a pequeña escala, como las curtidurías, el blanqueo y teñido de textiles, los lecheros y los mataderos, no pueden permitirse tener sus propias plantas de tratamiento de efluentes debido a las economías de escala en la reducción de la contaminación. El reciclaje/recuperación/reutilización de productos procedentes de los residuos de estas unidades a pequeña escala mediante la adopción de la tecnología adecuada podría ser una propuesta viable. La generación de energía mediante el proceso de digestión anaeróbica ha demostrado ser económicamente atractiva en muchos de estos casos. Los residuos urbanos municipales (tanto sólidos como líquidos) -residuos industriales procedentes de lecherías, destilerías, presas, curtidurías, industrias de pulpa y papel, industrias de procesamiento de alimentos, etc., residuos agrícolas y biomasa en diferentes formas-, si se tratan adecuadamente, tienen un enorme potencial para la generación de energía. La Fig. 1 enumera las posibles materias primas para las plantas de conversión de residuos en energía basadas en la digestión anaeróbica de biomasa.

Origen agrícola

  • Estiércol de ganado
  • Residuos agrícolas
  • Mortalidad animal
  • Cultivos energéticos

Origen Industrial

  • Aguas residuales
  • Lodos industriales
  • Subproductos industriales
  • Residuos de mataderos
  • Bebidas consumidas
  • Biosólidos

Origen Municipal

  • Lodos de depuradora
  • Residuos sólidos urbanos
  • Residuos de alimentos

Digestión anaeróbica de estiércol

La industria ganadera es un importante contribuyente a la economía de cualquier país. Más de mil millones de toneladas de estiércol son producidas anualmente por el ganado en los Estados Unidos. El estiércol animal es una valiosa fuente de nutrientes y energía renovable. Sin embargo, la mayor parte del estiércol se recoge en lagunas o se deja que se descomponga al aire libre, lo que supone un riesgo significativo para el medio ambiente. Los contaminantes atmosféricos emitidos por el estiércol incluyen el metano, el óxido nitroso, el amoníaco, el sulfuro de hidrógeno, los compuestos orgánicos volátiles y las partículas, que pueden causar graves problemas medioambientales y de salud.

La digestión anaeróbica es una solución de tratamiento única para la agricultura animal, ya que puede proporcionar beneficios positivos relacionados con múltiples cuestiones, como la energía renovable, la contaminación del agua y las emisiones a la atmósfera. La digestión anaeróbica del estiércol animal está ganando popularidad como medio para proteger el medio ambiente y reciclar los materiales de forma eficiente en los sistemas agrícolas. Las plantas WTE (Waste-to-Energy), basadas en la digestión anaeróbica de biomasa, son altamente eficientes para aprovechar el potencial de energía renovable no explotado de los residuos orgánicos mediante la conversión de la fracción biodegradable de los residuos en gases de alto poder calorífico.

Rendimiento potencial de biogás de varios animales

Animal – Rendimiento de biogás/tonelada de estiércol (pies3/tonelada/día)

  • Lácteos – 920
  • Carne de res – 1148
  • Porcinos – 741
  • Aves de corral – 2266

El establecimiento de sistemas de digestión anaeróbica para la estabilización del estiércol y la producción de energía se ha acelerado considerablemente en los últimos años. Hay más de 111 digestores operando en instalaciones ganaderas comerciales en los Estados Unidos que generaron alrededor de 215 millones de kWh equivalentes de energía utilizable. Además de generar electricidad (170 millones de kWh), el biogás se utiliza como caldera y combustible doméstico. Muchos de los proyectos que generan electricidad también captan el calor residual para diversas necesidades internas.

En el pasado, los residuos del ganado se recuperaban y se vendían como fertilizante o simplemente se esparcían por las tierras agrícolas. La introducción de controles ambientales más estrictos sobre los olores y la contaminación del agua significa que es necesaria alguna forma de gestión de residuos, lo que proporciona incentivos adicionales para la conversión de la biomasa en energía.

Factores importantes a considerar

Los principales factores que influyen en la producción de biogás a partir de estiércol son el pH y la temperatura de la materia prima. Está bien establecido que una planta de biogás funciona óptimamente a un nivel de pH neutro y a una temperatura mesofílica de unos 35o C. La relación carbono-nitrógeno de la materia prima para la alimentación también es un factor importante y debería estar en el rango de 20:1 a 30:1. El estiércol animal tiene una relación carbono/nitrógeno de 25:1 y se considera ideal para la máxima producción de gas. La concentración de sólidos en el material de alimentación también es crucial para asegurar una producción de gas suficiente, así como una fácil mezcla y manipulación. El tiempo de retención hidráulica (HRT) es el factor más importante para determinar el volumen del digestor, que a su vez determina el costo de la planta; cuanto mayor sea el período de retención, mayor será el costo de construcción.

Un avance tecnológico emergente en la digestión anaeróbica que puede conducir a un mayor rendimiento de biogás es el uso de ultrasonido para aumentar la conversión de sólidos volátiles. Este proceso desintegra los sólidos en el afluente, lo que aumenta la superficie y, a su vez, permite una digestión eficiente de los residuos biodegradables.

Descripción del proceso de la instalación WTE basada en estiércol

La Fig. 3 muestra la disposición de una instalación típica de biogás que utiliza estiércol de ganado como materia prima. El estiércol fresco se almacena en un tanque de recolección antes de su procesamiento en el tanque de homogeneización que está equipado con un mezclador para facilitar la homogeneización de la corriente de desechos. Los residuos mezclados uniformemente pasan por un triturador para obtener un tamaño de partícula uniforme de 5-10 mm y se bombean a digestores anaeróbicos de capacidad adecuada en los que se lleva a cabo la estabilización de los residuos orgánicos.

En la digestión anaeróbica, la materia orgánica es convertida en biogás por una serie de grupos de bacterias en metano y dióxido de carbono. La mayoría de los digestores que operan comercialmente son reactores de flujo de tapón y de mezcla completa que operan a temperaturas mesofílicas. El tipo de digestor utilizado varía con la consistencia y el contenido de sólidos de la materia prima, con los factores de inversión de capital y con el propósito principal de la digestión.

El biogás contiene una cantidad significativa de gas de sulfuro de hidrógeno (H2S) que debe ser eliminado debido a su naturaleza altamente corrosiva. La eliminación del H2S tiene lugar en una unidad de desulfuración biológica en la que se añade una cantidad limitada de aire al biogás en presencia de bacterias aeróbicas especializadas que oxidan el H2S en azufre elemental.

El gas se seca y se ventila en una unidad de cogeneración a un generador para producir electricidad y calor. El tamaño del sistema de cogeneración depende de la cantidad de biogás producido diariamente. El sustrato digerido se pasa a través de prensas de tornillo para desaguar y luego se somete a secado y acondicionamiento solar para obtener un fertilizante orgánico de alta calidad. El agua de prensa es tratada en una planta de tratamiento de efluentes basada en el proceso de lodos activados, que consta de un tanque de aireación y un clarificador secundario. Las aguas residuales tratadas se reciclan para cumplir con los requisitos de la planta interna. Un laboratorio químico es necesario para monitorear continuamente parámetros ambientales importantes como DBO, DQO, AGV, pH, amoníaco, relación C:N en diferentes lugares para un funcionamiento eficiente y apropiado del proceso.

La monitorización continua de la planta de biogás se realiza mediante un sistema de control remoto, como el sistema SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). Este sistema remoto facilita la retroalimentación y el ajuste inmediato, lo que puede resultar en ahorros de energía.

Utilización de biogás y digestato

Una planta de digestión anaeróbica produce dos salidas, biogás y digestato, ambos pueden ser procesados o utilizados para producir salidas secundarias. El biogás puede utilizarse para producir electricidad y calor, como sustituto del gas natural y también como combustible para el transporte. Un sistema de central combinada de calor y electricidad (CHP) no sólo genera electricidad, sino que también produce calor para satisfacer las necesidades internas y mantener el nivel de temperatura deseado en el digestor durante la estación fría. Los sistemas de cogeneración abarcan una serie de tecnologías, pero la producción indicativa de energía por m3 de biogás es de aproximadamente 1,7 kWh de electricidad y 2,5kWh de calor. La producción combinada de electricidad y calor es muy deseable porque desplaza la demanda de energía no renovable a otros lugares y, por lo tanto, reduce la cantidad de dióxido de carbono liberado a la atmósfera.

En Suecia, el biogás comprimido se utiliza como combustible para el transporte de automóviles y autobuses. El biogás también puede mejorarse y utilizarse en las redes de suministro de gas. Se está investigando el uso de biogás en pilas de combustible de óxido sólido.

La energía calorífica excedente generada puede ser utilizada a través de una red de calefacción urbana. Por lo tanto, hay espacio potencial para las instalaciones de biogás en las proximidades de nuevas viviendas y zonas de desarrollo, especialmente si el sistema de gestión de residuos puede utilizar los residuos de cocina y los residuos verdes de las viviendas como complemento de otras materias primas.

El digestato puede ser procesado posteriormente para producir licor y un material fibroso. La fibra, que puede ser procesada en compost, es un material voluminoso con bajos niveles de nutrientes y puede ser utilizada como acondicionador de suelos o como fertilizante de bajo nivel. Una alta proporción de los nutrientes permanecen en el licor, que puede ser utilizado como fertilizante líquido.

Conclusiones

La digestión anaeróbica de la biomasa ofrece dos importantes beneficios de la gestión y eliminación de residuos segura para el medio ambiente, así como la generación de energía eléctrica limpia. El uso creciente de la tecnología de digestión como método para eliminar el estiércol ha reducido en gran medida sus impactos ambientales y económicos. La transformación de biomasa a biogás reduce la emisión de gases de efecto invernadero y aprovecha el potencial sin explotar de una variedad de residuos orgánicos. La tecnología de digestión anaeróbica ofrece mayores beneficios en la calidad del agua que el almacenamiento estándar de lodos debido a su menor potencial de contaminación. También proporciona beneficios adicionales en términos de cumplimiento de los objetivos del Protocolo de Kioto y otras legislaciones medioambientales.

La industria ganadera es un factor de vital importancia para la economía de cualquier país, independientemente de su grado de industrialización. El estiércol animal es una valiosa fuente de energía renovable; además, tiene propiedades de mejora del suelo. La digestión anaeróbica es una solución de tratamiento única para la agricultura animal, ya que puede proporcionar beneficios positivos relacionados con múltiples cuestiones, como la energía renovable, la contaminación del agua y las emisiones a la atmósfera. La digestión anaeróbica del estiércol animal está ganando popularidad como medio para proteger el medio ambiente y producir energía limpia. Existe una necesidad urgente de integrar el digestor con los sistemas de gestión de estiércol para la aplicación efectiva de la tecnología de digestión anaeróbica con el fin de abordar los problemas medioambientales asociados y aprovechar el potencial de energía renovable del ganado.

Por Salman Zafar , Experto en Energía Renovable

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