Estudio de la cinética de la digestión anaeróbica de residuos orgánicos y agroindustriales

Abstract

Muchos de los residuos que actualmente son producidos en Argentina generan una importante fuente de polución, tanto en el agua, el aire, o suelo como resultado de gestiones inadecuadas. La ciudad de Olavarría tiene una economía principalmente agrícola-ganadera, y algunos de los residuos producidos por estas actividades representan una amenaza ambiental pero también una oportunidad para la generación de bioenergía. La naturaleza de estos residuos por su alto contenido en materia orgánica los hace viables para producir biogás mediante el proceso de digestión anaeróbica (DA). Del relevamiento de las actividades productivas en la región que tienen un alto impacto en el uso de la tierra y sobre el ambiente se consideró el efluente de la cría intensiva de carne porcina, habitualmente denominado purín de cerdo (PC) como uno de los más críticos, tanto por la falta de acciones para su tratamiento y evacuación segura como por el incremento que esta actividad ha tenido en la zona durante los últimos años. Por esta razón, se seleccionó el PC como el sustrato base para el estudio, ya que además presenta ventajas para el proceso como un elevado contenido de agua, y elevada capacidad de amortiguamiento para los cambios bruscos de pH, que a priori lo hacen un sustrato ideal para la DA. El objetivo principal de la tesis es optimizar la producción de metano de este sustrato, mediante la identificación y evaluación de parámetros que influyen sobre el proceso. Posteriormente se procederá a analizar el efecto de la adición de dos residuos, la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos (FORSU) y el suero de leche (SL), ambos procedentes de diferentes actividades humanas y productivas de la zona, y que presentan un alto impacto negativo en el ambiente si no son adecuadamente gestionados. La selección de estos últimos se basó principalmente en que son residuos con elevadas concentración de materia orgánica fácilmente degradable y que pueden compensar el exceso de nutrientes del PC, entendiéndose como tal la concentración de nitrógeno amoniacal. En primer lugar se identificó como uno de los factores que puede ejercer mayor influencia sobre el proceso anaeróbico, al uso de inóculos y su naturaleza. En esta etapa, se procedió a identificar el efecto que ejercen diferentes tipos de inóculo sobre la DA de PC, utilizando como tales rumen, PC digerido y lodos de depuradora. Los resultados experimentales obtenidos mostraron que la utilización de cualquiera de ellos aumentó la producción tanto de biogás como de metano y que el PC digerido y los lodos de depuradora resultaron ser los más eficientes en términos de producción de metano, obteniendo incrementos de hasta 300%. Durante esta etapa se estudió la cinética del proceso evaluando la evolución de algunos parámetros como la concentración de los productos intermedios, en particular los ácidos grasos volátiles (AGV), lo que permitió identificar que bajo las condiciones experimentales estudiadas, la etapa metanogénica resultó limitante de la velocidad de producción de metano lo que se reflejó en la acumulación de dichos ácidos durante los primeros días del proceso. Algunas observaciones realizadas a lo largo de los diferentes ensayos experimentales desarrollados durante la primera etapa de este estudio llevaron a plantear la hipótesis de que una concentración insuficiente de inóculo podría ser la responsable de tiempos excesivamente largos para alcanzar la máxima producción de metano, aspecto que también podría estar vinculado a una potencial acumulación de AGV. Sobre esta base, se procedió a identificar la influencia de la acción de diferentes concentraciones de inóculo, como factor de importancia en el proceso, definiendo el parámetro denominado relación sustrato/inóculo (RSI). Seleccionando lodos de depuradora como inóculo - demostró buen desempeño en el proceso y además es un residuo de elevada disponibilidad- se analizó su efecto sobre la digestión individual de PC, de FORSU y de SL utilizando tres RSI diferentes 1:1, 3:1 y 6:1. Los resultados indicaron que la DA evoluciona mejor cuanto mayor es la concentración de inóculo en el reactor, obteniendo para la RSI 1:1, 382, 503 y 455 mLCH4/g SV para PC; FORSU y SL respectivamente. A partir del análisis de la concentración de los AGV, se identificó un cierto aumento en la inestabilidad del proceso a medida que aumenta la RSI, como resultado de la acumulación de AGV, aunque el grado de inestabilidad dependió fuertemente del sustrato utilizado. Posteriormente, se llevó a cabo el análisis de la cinética de la producción de metano, utilizando la ecuación de Primer Orden (PO) y el modelo de Gompertz (MG), dos modelos habitualmente aplicados para analizar el proceso anaeróbico. Estos modelos estiman parámetros cinéticos que son importantes para el control del proceso como son la producción final de metano, la velocidad de producción y el tiempo de retardo (representa el período de adaptación de los microorganismos al nuevo medio). El MG mostró el mejor ajuste de los datos experimentales para todas las RSI estudiadas, encontrando que la velocidad de producción de metano aumenta con el incremento de la concentración de inóculo en el sistema, a la vez que disminuye el tiempo de retardo. Una vez analizado el tipo y la cantidad de inóculo, se procedió a estudiar el proceso de co-digestión anaeróbica identificando las proporciones de sustratos que optimicen el proceso asegurando un régimen de funcionamiento estable. Se utilizó un análisis estadístico denominado diseño de mezcla de tipo simplex centroide restringido. Partiendo de la consideración de que el PC debe ser el sustrato que se utiliza en mayor proporción y en base al conocimiento acerca del comportamiento de cada uno de los co-sustratos utilizados (SL y FOSRU) se establecieron los siguientes límites para estudiar el sistema: 60- 80% para PC, y 0-20% para SL y 20-40% para FORSU (expresados en porcentaje en volumen). Los resultados mostraron que dentro de los límites estudiados, la utilización de una mayor concentración de co-sustratos que aporten un elevado contenido de materia orgánica más fácilmente degradables que el PC, favorece tanto una mayor producción de metano como una mayor remoción de materia orgánica. Estos resultados demuestran que el proceso de co-digestión permite atenuar los aspectos negativos de algunos sustratos como es la acidificación que provoca el SL y FORSU, así como la baja producción específica de metano de presenta PC. Los resultados obtenidos de la producción acumulada de metano para cada tratamiento fueron ajustados al MG. Los parámetros cinéticos, esto es la producción final de metano, la velocidad de producción de metano y la fase de retardo, fueron analizados mediante la metodología de superficie de respuesta, lo que permitió encontrar un modelo para cada uno, los cuales fueron capaces de explicar la variabilidad de los parámetros cinéticas con las distintas concentraciones de sustratos. La optimización del diseño de mezcla permitió encontrar que la concentración 60-20-20 (% PC, SL y FORSU respectivamente) optimiza las tres variables cinéticas, lo que implica que la producción de metano será mayor, más rápida y la fase de retardo será menor. La producción de metano para la concentración optimizada fue de 295 mL CH4/g SV, 22% superior a la producción de metano obtenida en similares condiciones a partir de la digestión individual del PC (241 mL CH4/g SV). Los resultados obtenidos a partir del desarrollo de esta tesis demuestran que es posible obtener una fuente de energía renovable a partir de residuos que actualmente no tienen un uso específico. Debido a que el proceso anaeróbico es de tipo biológico, y que la degradación de la materia orgánica involucra una serie de etapas que llevan a cabo diferentes grupos de microorganismos, resulta necesario estudiar cada sistema en particular dado que la naturaleza del sustrato y su interacción con otros sustratos, así como con el tipo y cantidad de inóculo utilizado pueden afectar la viabilidad del proceso. En este sentido, si la capacidad buffer del medio (capacidad de amortiguamiento de pH) o la concentración de inóculo en el sistema son inadecuadas, el sistema puede presentar acumulación de AGV en el reactor, disminuyendo el pH del medio inhibiendo el proceso metanogénico; si el sistema no es reajustado rápidamente el proceso puede fallar completamente inhibiendo todo tipo de actividad bacteriana en el reactor. De igual manera, cuando se aplica co-digestión es indispensable identificar individualmente cada uno de los sustratos en términos de su aporte al proceso de degradación de la materia orgánica y además identificar las proporciones óptimas en que deben incorporarse al sistema con la finalidad de asegurar un proceso estable y maximizar la producción de metano.

Many of the wastes that are currently produced in Argentina are a major source of pollution as a result of improper management. Olavarría city has a mainly farming economy, and some of the waste produced by these activities represents a risk for the environment but also an opportunity for bioenergy generation. The high organic content of these wastes makes them viable to produce biogas through anaerobic digestion process (AD). The intensive breeding of swine was considered as one of the most critical activities, both wastewater are not properly managed and because of the increase that this activity has had in the area during the last years. The effluent from these farms usually referred to swine wastewater (SW), and it was selected as the main substrate for this study because it has some advantages for the AD process as a high water content and high buffering capacity. The main aim of the thesis is to optimize methane production from SW through the identification and evaluation of parameters that influence the process. After that, the effect of the addition of two different wastes such as organic fraction of municipal solid waste (OFMSW) and cheese whey (CW) will be analyzed, these two ones coming from different human and productive activities in the area, and they have a high negative impact on the environment if they are not properly managed. That selection was mainly based on that are wastes with high organic matter concentration easily degradable and also could balance the excess of ammonia nitrogen content from SW. Firstly, the use of inoculants and their nature was identified as one of the factors that can exert more influence on the anaerobic process. At this stage, the effect of different types of inoculum on AD of SW was evaluated, using rumen, digested SW and sewage sludge. The results showed that the use of either of them increased methane and biogas production on SW, where the most efficient in terms of those parameters were digested SW and sewage sludge which allowed increments up to 300%. During this stage, kinetics process was assessed by analyzing the evolution of the concentration of volatile fatty acids (VFA), showing that under the experimental conditions, the methanogenic stage was the ratelimiting step, reflected in the accumulation of such acids during the early days of the process. After analyzing the effect of the type and amount of inoculum, the anaerobic co-digestion were performed, the aim was to identify the proportions of substrates that optimize methane production and ensuring a stable operation. A statistical analysis called simplex centroid mixture design was used. Based on the consideration that the SW must be the substrate used in a higher proportion and based on knowledge about the behavior of each one of the co-substrates used (CW and OFMSW) the following limits were set: SW 60-80% and 0-20% for CW and 20-40% for OFMSW (expressed in percent by volume). The results showed that within the range studied, the use of a higher concentration of cosubstrates with high organic matter content, promotes an increase in methane production and organic matter removal. These results demonstrate that the co-digestion process may be able to mitigate the negative aspects of the substrates as they are easy acidification and CW and OFMSW and the low specific methane production of SW. The results of the cumulative production of methane for each treatment were adjusted to GM. The obtained kinetic parameters (final methane production, methane production rate and the lag phase) were analyzed using the response surface methodology, finding a model for each one, which will be able to explain the variability of the parameters with different concentrations of substrates. The mixture design optimization allowed to find that the concentration 60- 20-20 (% SW, CW and OFMSW) is able to produce the greatest amount of methane, at the higher speed, with the lower lag phase. Methane production for optimized concentration was 295 mL CH4/ g VS which was 22% higher than the production of methane obtained under similar conditions from individual digestion of SW (241 mL CH4 / g VS). The results show that it is possible to obtain a renewable energy from waste that does not currently have a specific use. Anaerobic treatment is a biological process, because of that it is necessary to study each particular system because the nature of the substrate and its interaction with other substrates as well as the type and amount of inoculum used can affect the viability of the process. In that respect, if the buffer capacity of the medium or inoculum concentration in the system is inadequate, the pH of the system can decrease sharply due to VFA accumulation causing inhibiting of methanogenic microorganisms; if the system is not adjusted quickly the process can fail completely inhibiting all types of bacterial activity in the reactor. Similarly, when applied co-digestion it is essential to identify individually each of the substrates in terms of its contribution to the process, identifying optimal proportions to be incorporated into the reactor in order to ensure stable process and maximize methane production.