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Anaerobic digestion/es

Planta de biogás de digestión anaeróbica: esquema de flujo de masa.jpg

es un proceso en el que los microorganismos descomponen material biodegradable en ausencia de oxígeno. Los productos de esta digestión son el biogás (una mezcla de dióxido de carbono (CO2) y metano) y el digestato (un fertilizante rico en nitrógeno). El biogás se puede quemar para producir calor o se puede limpiar y utilizar de la misma manera que el gas natural o como combustible para automóviles. El digestato residual es rico en minerales y se puede utilizar como fertilizante agrícola o acondicionador del suelo.

Solicitud

El proceso anaeróbico húmedo se utiliza ampliamente para tratar lodos de aguas residuales y desechos orgánicos porque permite reducir el volumen y la masa del material de entrada. Como parte de un sistema integrado de gestión de residuos, la digestión anaeróbica reduce la emisión de gases de vertedero a la atmósfera.

La digestión anaeróbica seca también se utiliza ampliamente. Por ejemplo, existe el sistema de Axpo Kompogas AG. Se trata de un sistema completamente desarrollado que produjo 27 millones de Kwh de electricidad y biogás en 2009. El camión más antiguo de la empresa ha recorrido 1.000.000 de kilómetros con biogás procedente de residuos domésticos en los últimos 15 años. [1]

La digestión anaeróbica es una fuente de energía renovable porque el proceso produce un biogás rico en metano y dióxido de carbono adecuado para la producción de energía, lo que ayuda a reemplazar los combustibles fósiles. Además, los sólidos ricos en nutrientes que quedan después de la digestión se pueden utilizar como fertilizante.

Procesos

Existen dos tipos de procesos: el proceso de digestión anaeróbica húmeda y el de digestión anaeróbica seca . En ambos tipos de procesos, hay una serie de bacterias que participan en el proceso de digestión anaeróbica, incluidas las bacterias formadoras de ácido acético (acetógenos) y las bacterias formadoras de metano (metanógenos). Estas bacterias se alimentan de la materia prima inicial, que pasa por una serie de procesos diferentes que la convierten en moléculas intermedias que incluyen azúcares, hidrógeno y ácido acético antes de convertirse finalmente en biogás.
Diferentes especies de bacterias pueden sobrevivir en diferentes rangos de temperatura. Las que viven óptimamente a temperaturas entre 35 y 40 °C se denominan mesófilas o bacterias mesófilas. Algunas de las bacterias pueden sobrevivir en las condiciones más cálidas y hostiles de 55 a 60 °C, estas se denominan termófilas o bacterias termófilas. Los metanógenos provienen del grupo primitivo de las arqueas. Esta familia incluye especies que pueden crecer en las condiciones hostiles de los respiraderos hidrotermales. Estas especies son más resistentes al calor y, por lo tanto, pueden operar a temperaturas termófilas, una propiedad exclusiva de las familias bacterianas.

Al igual que en los sistemas aeróbicos, las bacterias en los sistemas anaeróbicos (los microorganismos que crecen y se reproducen dentro de ellos) requieren una fuente de oxígeno elemental para sobrevivir.

En un sistema anaeróbico no hay oxígeno gaseoso. En un digestor anaeróbico, el oxígeno gaseoso no puede entrar en el sistema mediante la contención física en tanques sellados. Los anaeróbicos acceden al oxígeno de fuentes distintas del aire circundante. La fuente de oxígeno para estos microorganismos puede ser el propio material orgánico o, alternativamente, puede ser suministrada por óxidos inorgánicos del material de entrada.
Cuando la fuente de oxígeno en un sistema anaeróbico se deriva del propio material orgánico, los productos finales "intermedios" son principalmente alcoholes, aldehídos y ácidos orgánicos más dióxido de carbono. En presencia de metanógenos especializados, los intermedios se convierten en los productos finales "finales" de metano, dióxido de carbono con niveles traza de sulfuro de hidrógeno. En un sistema anaeróbico, la mayor parte de la energía química contenida en el material de partida es liberada por bacterias metanogénicas en forma de metano.

Las poblaciones de bacterias anaeróbicas suelen tardar un tiempo considerable en establecerse y ser completamente eficaces. Por ello, es una práctica habitual introducir microorganismos anaeróbicos a partir de materiales con poblaciones ya existentes. Este proceso se denomina "siembra" de los digestores y normalmente se lleva a cabo con la adición de lodos de depuradora o purines de ganado.

Etapas

Hay cuatro etapas biológicas y químicas claves de la digestión anaeróbica:

  1. Hidrólisis
  2. Acidogénesis
  3. Acetogénesis
  4. Metanogénesis

En la mayoría de los casos, la biomasa está formada por polímeros orgánicos de gran tamaño. Para que las bacterias de los digestores anaeróbicos puedan acceder al potencial energético del material, estas cadenas deben descomponerse primero en sus partes constituyentes más pequeñas. Estas partes constituyentes o monómeros, como los azúcares, están fácilmente disponibles para otras bacterias. El proceso de romper estas cadenas y disolver las moléculas más pequeñas en solución se denomina hidrólisis. Por lo tanto, la hidrólisis de estos componentes poliméricos de alto peso molecular es el primer paso necesario en la digestión anaeróbica. A través de la hidrólisis, las moléculas orgánicas complejas se descomponen en azúcares simples, aminoácidos y ácidos grasos.

El acetato y el hidrógeno producidos en las primeras etapas pueden ser utilizados directamente por los metanógenos. Otras moléculas, como los ácidos grasos volátiles (AGV) con una longitud de cadena mayor que el acetato, deben ser catabolizadas primero en compuestos que puedan ser utilizados directamente por los metanógenos.

El proceso biológico de la acidogénesis es el proceso en el que las bacterias acidogénicas (fermentadoras) descomponen aún más los componentes restantes. En este proceso se crean AGV junto con amoníaco, dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno, así como otros subproductos. El proceso de acidogénesis es similar al proceso por el que se agria la leche.

La tercera etapa de la digestión anaeróbica es la acetogénesis. Las moléculas simples creadas a través de la fase de acidogénesis son digeridas por acetógenos para producir principalmente ácido acético, así como dióxido de carbono e hidrógeno.

La etapa final de la digestión anaeróbica es el proceso biológico de metanogénesis. En este proceso, los metanógenos utilizan los productos intermedios de las etapas anteriores y los convierten en metano, dióxido de carbono y agua. Estos componentes constituyen la mayor parte del biogás emitido por el sistema. La metanogénesis es sensible tanto a valores de pH altos como bajos y se produce entre pH 6,5 y pH 8. El material restante no digerible del que no se pueden alimentar los microbios, junto con los restos bacterianos muertos, constituye el digestato.

Una ecuación química genérica simplificada para los procesos generales descritos anteriormente es la siguiente:

C6H12O6 → 3CO2 + 3CH4​​​​​

Etapas.jpg

Configuración del digestor anaeróbico

Los digestores anaeróbicos se pueden diseñar y fabricar para funcionar utilizando varias configuraciones de proceso diferentes:

  • Por lotes o continuo
  • Temperatura: Mesofílica o termófila
  • Contenido de sólidos: Alto contenido de sólidos o bajo contenido de sólidos
  • Complejidad: Etapa única o multietapa

Por lotes o continuo

Un sistema por lotes es la forma más sencilla de digestión. La biomasa se añade al reactor al inicio del proceso en un lote y se sella durante todo el proceso. La producción de biogás se formará con un patrón de distribución normal a lo largo del tiempo. El operador puede utilizar este hecho para determinar cuándo cree que se ha completado el proceso de digestión de la materia orgánica.

Temperatura

Existen dos niveles de temperatura operativa convencionales para los digestores anaeróbicos, que están determinados por las especies de metanógenos presentes en los digestores:

  • Mesófilo que se desarrolla óptimamente alrededor de 37°-41°C o a temperaturas ambiente entre 20°-45°C donde los mesófilos son los microorganismos principales presentes.
  • Termófilo que se desarrolla óptimamente alrededor de 50°-52° a temperaturas elevadas de hasta 70°C donde los termófilos son los microorganismos primarios presentes.

Hay un mayor número de especies de mesófilos que de termófilos. Estas bacterias también son más tolerantes a los cambios en las condiciones ambientales que los termófilos. Por lo tanto, se considera que los sistemas mesófilos son más estables que los sistemas de digestión termófila. Los sistemas de digestión termófila se consideran menos estables, sin embargo, las temperaturas más altas facilitan velocidades de reacción más rápidas y, por lo tanto, rendimientos de gas más rápidos. El funcionamiento a temperaturas más altas facilita una mayor esterilización del digestato final.
Un inconveniente del funcionamiento a temperaturas termófilas es que se requiere un mayor aporte de energía térmica para alcanzar las temperaturas operativas correctas. Este aumento de energía no se ve compensado por el aumento de las salidas de biogás de los sistemas. Por lo tanto, es importante considerar un balance energético para estos sistemas.

Sólidos

Normalmente, hay dos parámetros operativos diferentes asociados con el contenido de sólidos de la materia prima para los digestores:

  • Alto contenido de sólidos
  • Bajo contenido de sólidos

Los digestores pueden diseñarse para funcionar con un alto contenido de sólidos, con una concentración total de sólidos suspendidos (SST) mayor al 20%, o con una concentración baja de sólidos menor al 15%.

Los digestores con alto contenido de sólidos procesan una pulpa espesa que requiere un mayor aporte de energía para mover y procesar la materia prima. El espesor del material también puede generar problemas asociados con la abrasión. Los digestores con alto contenido de sólidos generalmente requieren menos tierra debido a los menores volúmenes asociados con la humedad.

Los digestores con bajo contenido de sólidos pueden transportar material a través del sistema utilizando bombas estándar que requieren un consumo de energía significativamente menor. Los digestores con bajo contenido de sólidos requieren una mayor cantidad de tierra que los de alto contenido de sólidos debido al aumento de los volúmenes asociados con la mayor relación líquido:materia prima de los digestores. Existen beneficios asociados con el funcionamiento en un entorno líquido, ya que permite una circulación más completa de los materiales y el contacto entre las bacterias y su alimento. Esto permite que las bacterias accedan más fácilmente a las sustancias de las que se alimentan y aumenta la velocidad de producción de gas.

Número de etapas

Los sistemas de digestión se pueden configurar con diferentes niveles de complejidad:

  • De una etapa o de una sola etapa
  • De dos etapas o multietapa

Un sistema de digestión de una sola etapa es aquel en el que todas las reacciones biológicas ocurren dentro de un único reactor o tanque de almacenamiento sellado. El uso de una sola etapa reduce los costos de construcción, sin embargo facilita un menor control de las reacciones que ocurren dentro del sistema. Las bacterias acidogénicas, a través de la producción de ácidos, reducen el pH del tanque. Las bacterias metanogénicas operan en un rango de pH estrictamente definido. Por lo tanto, las reacciones biológicas de las diferentes especies en un reactor de una sola etapa pueden competir directamente entre sí. Otro sistema de reacción de una etapa es una laguna anaeróbica. Estas lagunas son cuencas de tierra similares a estanques que se utilizan para el tratamiento y almacenamiento a largo plazo de estiércol. Aquí las reacciones anaeróbicas están contenidas dentro del lodo anaeróbico natural contenido en la piscina.
En un sistema de digestión de dos etapas o de múltiples etapas, se optimizan diferentes recipientes de digestión para brindar el máximo control sobre las comunidades bacterianas que viven dentro de los digestores. Las bacterias acidogénicas producen ácidos orgánicos y crecen y se reproducen más rápidamente que las bacterias metanogénicas. Las bacterias metanogénicas requieren un pH y una temperatura estables para optimizar su rendimiento.

Por lo general, la hidrólisis, la acetogénesis y la acidogénesis ocurren dentro del primer recipiente de reacción. Luego, el material orgánico se calienta a la temperatura operativa requerida (ya sea mesófila o termófila) antes de bombearse a un reactor metanogénico. Los tanques iniciales de hidrólisis o acidogénesis antes del reactor metanogénico pueden proporcionar un amortiguador a la velocidad a la que se agrega la materia prima.

Residencia

El tiempo de residencia en un digestor varía según la cantidad y el tipo de material de alimentación, la configuración del sistema de digestión y si es de una o dos etapas.

En el caso de la digestión termófila de una sola etapa, los tiempos de residencia pueden ser del orden de 14 días, lo que, en comparación con la digestión mesófila, es relativamente rápido. La naturaleza de flujo de tapón de algunos de estos sistemas implica que es posible que no se haya producido la degradación completa del material en este lapso de tiempo. En este caso, el digestato que sale del sistema tendrá un color más oscuro y un olor más fuerte.

En la digestión mesófila de dos etapas, el tiempo de residencia puede variar entre 15 y 40 días.

En el caso de la digestión mesófila UASB, los tiempos de residencia hidráulica pueden ser de (1 hora a 1 día) y los tiempos de retención de sólidos pueden ser de hasta 90 días . De esta manera, el sistema UASB puede separar los tiempos de retención de sólidos e hidráulicos con la utilización de un manto de lodos.

Los digestores continuos disponen de dispositivos mecánicos o hidráulicos, en función del nivel de sólidos del material, para mezclar el contenido permitiendo que las bacterias y el alimento estén en contacto. También permiten extraer continuamente el material sobrante para mantener un volumen razonablemente constante dentro de los tanques de digestión.

Digestión anaeróbica seca

Este proceso no utiliza estiércol en absoluto y, por lo tanto, es más adecuado para determinadas aplicaciones en las que no es necesario procesar estiércol. Este proceso se puede realizar de varias maneras. Por ejemplo, existe el proceso "Kompoferm" de Wiessmann-Bioferm. [2] [3] También existe el sistema de Axpo Kompogas AG, [4] el proceso Dranco diseñado por OWS, [5] así como un sistema de Jan Klein Hesselink. [6] [7]

Productos

Hay tres productos principales de la digestión anaeróbica: biogás, digestato y agua.

Biogás

El biogás es el producto de desecho final de las bacterias que se alimentan de la materia prima biodegradable de entrada, y está compuesto principalmente de metano y dióxido de carbono, con una pequeña cantidad de hidrógeno y trazas de sulfuro de hidrógeno. La mayor parte del biogás se produce durante la mitad de la digestión, después de que la población bacteriana haya crecido, y disminuye a medida que se agota el material putrescible. El gas normalmente se almacena en la parte superior del digestor en una burbuja de gas inflable o se extrae y se almacena junto a la instalación en un depósito de gas.
El metano del biogás se puede quemar para producir calor y electricidad, normalmente con un motor alternativo o una microturbina, a menudo en un sistema de cogeneración donde la electricidad y el calor residual generado se utilizan para calentar los digestores o para calentar los edificios. El exceso de electricidad se puede vender a proveedores o inyectar en la red local. La electricidad producida por digestores anaeróbicos se considera energía renovable y puede atraer subsidios. El biogás no contribuye a aumentar las concentraciones atmosféricas de dióxido de carbono porque el gas no se libera directamente a la atmósfera y el dióxido de carbono proviene de una fuente orgánica con un ciclo de carbono corto.
El biogás puede requerir tratamiento o "depuración" para refinarlo y utilizarlo como combustible. El sulfuro de hidrógeno es un producto tóxico formado a partir de sulfatos en la materia prima y se libera como un componente traza del biogás. Si los niveles de sulfuro de hidrógeno en el gas son altos, se necesitará equipo de depuración y limpieza de gases (como el tratamiento de gas de amina) para procesar el biogás dentro de los niveles aceptados regionalmente (determinados por la EPA de EE. UU. o la Agencia Ambiental Inglesa y Galesa). Un método alternativo a esto es mediante la adición de cloruro férrico FeCl3 a los tanques de digestión para inhibir la producción de sulfuro de hidrógeno.
Los siloxanos volátiles también pueden contaminar el biogás; estos compuestos se encuentran con frecuencia en los desechos domésticos y las aguas residuales. En las instalaciones de digestión que aceptan estos materiales como un componente de la materia prima, los siloxanos de bajo peso molecular se volatilizan en biogás. Cuando este gas se quema en un motor de gas, turbina o caldera, los siloxanos se convierten en dióxido de silicio (SiO2 ) que se deposita internamente en la máquina, aumentando el desgaste y también puede contaminar el biogás; estos compuestos se encuentran con frecuencia en los desechos domésticos y las aguas residuales.
En las instalaciones de digestión que aceptan estos materiales como un componente de la materia prima, los siloxanos de bajo peso molecular se volatilizan en biogás. Cuando este gas se quema en un motor de gas, turbina o caldera, los siloxanos se convierten en dióxido de silicio (SiO2) que se deposita internamente en la máquina, aumentando el desgaste.

Digestato

El digestato es el material que queda después de la digestión anaeróbica, contiene nitrógeno, fósforo y potasio, por lo que se utiliza como fertilizante. Está compuesto de material no digerible y organismos muertos y, por lo general, llena el 90-95% de la bolsa después de que se produce la digestión. Durante la digestión anaeróbica no se pierden nutrientes, por lo que el ciclo de nutrientes se cierra y los materiales se pueden reutilizar. Hay muchos incentivos para usar digestato para sus suelos y se considera más nutritivo y saludable para el suelo. Debido a su contenido, neutraliza las semillas invasoras, las especies invasoras crean competencia para las especies nativas, por lo que este fertilizante reducirá en gran medida esta amenaza. Los patógenos se reducen en gran medida debido al pretratamiento del sistema, así como a los microbios dentro del digestor. El digestato permite que se liberen menos emisiones y que se utilice un exceso de agua y aceite. Según la Asociación de Digestión Anaeróbica y Recursos Biológicos, "1 tonelada de fertilizante artificial reemplazado por digestato ahorra 1 tonelada de aceite, 108 toneladas de agua y 7 toneladas de emisiones de CO2".

Agua

El agua que es un subproducto de la AD es bastante mínima y puede reutilizarse para ciclos posteriores.

Ventajas de la digestión anaeróbica

Cuando los residuos orgánicos se depositan en vertederos, producen una enorme cantidad de gases de efecto invernadero, incluidos el dióxido de carbono y el metano . La DA puede desempeñar un papel importante como medio para tratar los residuos orgánicos y eliminar, mediante una captura y un tratamiento más eficientes, estas emisiones de gases de efecto invernadero; convirtiéndolas en productos útiles. La DA recupera energía que de otro modo se perdería en la atmósfera y produce biofertilizantes valiosos. El biogás se puede utilizar para generar electricidad, calor, biocombustibles o limpiarse e inyectarse en la red de gas. Un sistema de DA ahorra dinero y también puede crear un pequeño ingreso para quienes lo generan. La transformación del estiércol en fertilizante ayuda a crear un fertilizante más nutritivo y elimina las bacterias que pueden causar enfermedades. La DA se puede adaptar a la mayoría de las granjas e incluso a pequeña escala puede reducir considerablemente el uso y las emisiones de gas.

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Véase también

Referencias

  1. ↑ Un camión ha dado 25 vueltas al mundo utilizando gas procedente de residuos biodegradables
  2. ^ http://www.zerowasteenergy.com/content/dry-anaerobic-digestion
  3. ↑ Véase el folleto Bioferm_Trockenfermentation.pdf en www.graskracht.be
  4. ^ http://www.sswm.info/sites/default/files/toolbox/OSTREM%202004%20Kompogas.jpg
  5. ↑ Véase graskracht_25-11-2011_Isabella Wierinck_OWS.pdf en www.graskracht.be
  6. ↑ Véase 25092012 Droogvergisten Jan klein Hesselink Ekwadraat.pdf en www.graskracht.be
  7. ↑ Tenga en cuenta que, aunque parece similar al compostaje, no es lo mismo, ya que la digestión seca utiliza una digestión anaeróbica, mientras que el compostaje utiliza una digestión aeróbica. El aire se mantiene fuera del proceso de digestión seca mediante sellos herméticos (lo que permite que salga el biogás).
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