DOI:10.18273/revion.v30n1-2017008
Artículos de Investigación Científica y Tecnológica
Evaluación de la digestión y
co-digestión anaerobia de residuos de comida y de poda en bioreactores a escala
laboratorio
Evaluation of anaerobic digestion and co-digestion
of food waste and grass cuttings in laboratory scale bioreactors
Avaliação de digestão e co-digestão
anaeróbica de resíduos de alimentos e poda em biorreatores de escala de laboratorio
Juan
Camilo Solarte Toro1
Juan
Pablo Mariscal Moreno1
Beatriz
Helena Aristizábal Zuluaga1*
1 Departamento de
Ingeniería Química. Universidad Nacional de Colombia sede Manizales km 7 vía
Aeropuerto La Nubia – Campus la Nubia, Bloque L piso 1, Manizales – Colombia.
Resumen
El
deterioro ambiental provocado por el alto consumo de combustibles fósiles y la
inadecuada disposición de residuos sólidos, ha incentivado su conversión en
productos energéticos de alto valor agregado a partir de diferentes procesos
biotecnológicos con el fin de compensar parte de la demanda energética. En este
trabajo se evalúa la eficiencia, el rendimiento y la productividad del proceso
de digestión y co-digestión anaerobia de residuos de comida y poda para valorar
su viabilidad como sustratos en la generación de biogás. El seguimiento y
evaluación del proceso de digestión mesófila se realizó usando biorreactores
por lotes con un volumen activo de 3L, una Relación Inóculo a Sustrato (RIS) de
0,25 (sólidos totales) y una relación residuos de comida a poda de 1,6 (sólidos
totales) en el ensayo de co-digestión. En los ensayos realizados se obtuvieron
eficiencias de producción de biogás del 38% y 49% con respecto al potencial
teórico (determinado a partir de la ecuación de Buswell) para los residuos de
poda y comida respectivamente en mono-digestión, y un 66% para la mezcla
poda-comida. El modelo de Gompertz de crecimiento de biomasa fue utilizado para
simular la generación de biogás en cada proceso. Estos resultados y el
seguimiento del pH durante la digestión, permiten concluir que la mezcla de
residuos de comida con residuos de poda mejora los rendimientos de producción
de biogás y la estabilidad del sistema en términos de pH, siendo una
alternativa para la generación de bioenergía a partir de residuos de cotidiana
generación en las ciudades colombianas.
Palabras clave: biogás, co-digestión, digestión anaerobia, residuos de
comida, residuos de poda.
Abstract
Environmental
degradation caused by high consumption of fossil fuels and improper disposal of
solid waste have encouraged its conversion into high value-added products like
bioenergy from different biotechnological processes in order to offset some of
the energy requirements. This work aims to evaluate the efficiency, performance
and productivity of anaerobic digestion and co-digestion processes of food
waste and grass cuttings to assess its viability as substrates in biogas
generation. The mesophilic anaerobic digestion process was monitored and
conducted for selected waste fractions by using 3L batch bioreactors (active
volume), Inoculum to Substrate Ratio (ISR) of 0.25 (total solids), and food to
grass cuttings ratio of 1.6 (total solids). The achieved biogas production
efficiencies were 38% and 49% for mono-digestion of both grass cuttings and
food waste. Biogas generation by co-digestion increased process efficiency up
to 66%. The theoretical methane potential was calculated based on Buswell
equation and the Gompertz model for biomass growth was used to simulate the
biogas accumulation. The results suggest that mixing food waste to grass
cuttings increase biogas yield and prevents an excessive pH decrease.
Co-digestion of these substrates is a good alternative for bioenergy production
using daily generated waste in Colombian cities with a higher yield than
mono-substrate degradation.
Keywords: biogas, co-digestion,
anaerobic digestion, food waste,
grass cuttings.
Resumo
A
degradação ambiental, causada pelo alto consumo de combustíveis fósseis e a
disposição inadequada dos resíduos sólidos, gerou a transformação desses
resíduos em produtos energéticos de alto valor agregado a partir de vários
processos biotecnológicos a fim de restaurar parte da demanda de energia. O
objetivo deste trabalho é avaliar a eficiência, o desempenho e a produtividade
do processo digestão e codigestão de resíduos de alimentos e poda a fim de
estimar a sua viabilidade como substratos na geração de biogás. O
acompanhamento e a avaliação do processo de digestão, em condições mesófilas,
foram realizados a traves do ensaio do Potencial Químico do Metano (BMP) dos
resíduos em biorreatores descontínuos de 3L, com uma Relação Inoculo Substrato
(RIS) de 0,25 (sólidos totais) e uma relação resíduo de alimento e poda de 1,6
(sólidos totais) no processo de co-digestão. Nos processos realizados foram
obtidas eficiências de produção de metano de 38%, 49% e 66% com respeito ao
potencial teórico calculado a partir da equação de Buswell para os resíduos de
poda, de comida e a mistura desses respectivamente. O modelo de Gompertz para
crescimento de biomassa foi utilizado para simular a acumulação de biogás. Os
resultados permitem concluir que a co-digestão de resíduos de alimentos e poda
e uma alternativa tangível para gerar bioenergia, a partir do aproveitamento de
resíduos que são produzidos na cotidianidade nas cidades colombianas, e
apresenta um melhor desempenho do que a degradação mono-substrato.
Palabras-chave: biogás, co-digestão,
digestão, resíduos de comida, resíduos de poda.
Fecha Recepción: 19 de septiembre de 2016
Fecha Aceptación: 2 de mayo de 2017
Introducción
Colombia
es un país en vía de desarrollo que busca aumentar su producción de energía
limpia a partir de fuentes renovables y mejorar las prácticas de manejo de
Residuos Sólidos Urbanos (RSU). En el país se generan 11,6 millones de
toneladas de residuos municipales cada año con una fracción promedio de 65% en
componentes orgánicos. Más del 90% de los RSU diariamente generados son
enviados a relleno sanitario (81%) y botaderos a cielo abierto (10,3%) [1],
sitios de disposición que para 321 de los 1096 municipios del país, presentan
una vida útil menor a 5 años [2]. Este aspecto, genera la necesidad de
diversificación de alternativas de manejo para los RSU generados en Colombia.
Adicionalmente, la disposición convencional de residuos orgánicos (residuos de
poda y comida) no es conveniente desde el punto de vista ambiental dado que
contribuyen a la emisión de Gases de Efecto Invernadero (GEI) y Compuestos
Orgánicos Volátiles (COV) [3]. Por ejemplo, las emisiones de GEI relacionados con
la disposición de residuos sólidos urbanos fue de 6,16MtonCO2e en
2012 en Colombia, con una participación porcentual del departamento de Caldas
de 2,5% (0,154MtonCO2e/año) [4]. Los residuos de poda y de comida
han alcanzado un gran interés para ser degradados en procesos biológicos para
la producción de biogás [5] y otros productos de valor agregado como ácidos
grasos volátiles [6], hidrógeno [7] y nutrientes (N y P principalmente) [8]. En
países como Estados Unidos, los residuos de alimentos son el componente
principal de la generación municipal, con aproximadamente 43,6 millones de
toneladas enviadas a disposición final cada año [9]. En Australia el valor
anual corresponde a 2 millones de toneladas que podrían aprovecharse para la
generación de 1915GW de electricidad anualmente, equivalente al 3,5% de la
energía renovable generada en la actualidad en ese país [10]. En Colombia, de
acuerdo con el Atlas de Potencial Energético de la Biomasa Residual [11] los
residuos de poda en las 12 principales ciudades tiene un potencial energético
de 318,13TJ/año, pero son incipientes los reportes científicos y las
aplicaciones a cualquier escala que hagan uso de RSU para la generación de productos
de valor agregado.
Al
respecto, la cantidad generada y la composición de RSU reportados en diferentes
PGIRS (Planes de Gestión Integral de Residuos Sólidos) de ciudades colombianas
se presenta en la Tabla 1, mostrando el elevado aporte de compuestos orgánicos
que son enviados a zonas de disposición final. De acuerdo con los valores
presentados en esta tabla, tanto la generación per cápita como la fracción
orgánica de los RSU es muy variable entre las ciudades reportadas, aspecto
relacionado con el nivel de ingreso de la población, clima, entre otros [12].
Tabla 1. Características de la generación de RSU en algunas ciudades
de Colombia [1,13-19].
Las
características físicas y químicas de los residuos orgánicos son información
importante para el diseño y operación de digestores anaerobios, además de
influir en el rendimiento y estabilidad del proceso [9]. Uno de los factores
relevantes es la biodegradabilidad, que está relacionado con la cantidad de
metano (o biogás) generado y con la cantidad de sólidos (totales o volátiles)
destruidos en el proceso [9]. El ensayo del Potencial Bioquímico de Metano
(BMP) ha sido usado para cuantificar esta variable, a través de métodos de
medición de biogás manométricos o volumétricos en ensayos de laboratorio. Esta
medición permite evaluar, de forma preliminar, la viabilidad de un sustrato en
procesos anaerobios y el rendimiento máximo alcanzable bajo ciertas condiciones
de operación. Angelidaki et al. [20]
presentaron un protocolo que permite analizar y expresar los resultados del
ensayo de forma que sean comparables, partiendo de condiciones de operación
estándar (adición de nutrientes, carga orgánica, frecuencia de muestreo, entre
otras variables), que ha sido adaptado en diferentes estudios y con diferentes
volúmenes de reacción [21-24].
De acuerdo
a las características físicas descritas y a la configuración de las condiciones
de operación, la digestión anaerobia mono-sustrato puede presentar algunos
inconvenientes que afectan la eficiencia de generación de productos de interés.
Teóricamente, debido a la elevada relación C/N, la digestión de residuos de
poda es frecuentemente dominada por una fase de acidificación más rápida que la
fase de producción de metano, generando acumulación de Ácidos Grasos Volátiles
(AGV) y el descenso del pH, efectos que estresan e inhiben la actividad del
consorcio metanogénico [25]. Con este tipo de sustrato, también se presentan
dificultades de biodegradación, a causa del alto contenido de lignina y
hemicelulosa que impiden la solubilización de carbohidratos [26]. En el caso de
residuos de comida, un mayor contenido de proteínas genera un efecto contrario
por la posible acumulación de amoniaco, inhibiendo el proceso [25]. A pesar de
esto, los compuestos nitrogenados pueden proveer capacidad búfer al ser
mezclados con compuestos de elevada relación C/N en procesos de co-digestión
[25].
Para el
caso de la ciudad de Manizales, la elevada producción de residuos de poda puede
ser aprovechada en esquemas de co-digestión con residuos de comida, con efectos
sinérgicos que puedan generar beneficios que mejoren la estabilidad y desempeño
del proceso, con mayores rendimientos en la producción de metano. Se pretende
en este documento evaluar la complementariedad de estos residuos como
co-sustratos para la generación de biogás en reactores por lotes de 3L,
determinando la eficiencia, el rendimiento, la productividad volumétrica y la
variación del pH durante el proceso. Se compara la co-digestión con la
degradación mono-sustrato, llevando a cabo cada uno de los ensayos bajo la
misma carga orgánica (en términos de SV), temperatura y pH inicial. La
determinación teórica del potencial de producción de biogás, es realizada
utilizando la relación estequiométrica de Buswell y mediante el modelo de
crecimiento de Gompertz, se pretende simular las condiciones cinéticas. Este
trabajo responde a la necesidad de encontrar fuentes de aprovechamiento de
residuos de poda y como aporte al conocimiento regional en temas de
co-digestión.
Metodología
Sustratos e inóculo
Los
residuos de poda y comida fueron recolectados considerando la norma ASTM
D5231–92, la cual tiene como objetivo “Definir y reportar la composición de los
residuos sólidos municipales a través de la selección y clasificación manual de
las muestras de desecho” [27]. El residuo de poda se tomó de los tres campus de
la Universidad Nacional de Colombia sede Manizales. Para evitar la formación de
hongos, facilitar su almacenamiento y propiciar iguales características a las muestras,
los residuos de poda fueron sometidos a un proceso de secado a 60°C hasta
alcanzar peso constante [28] y reducción del tamaño de partícula del residuo
hasta 1mm, mediante corte y tamizado. Los residuos de alimentos se obtuvieron
en un restaurante de la ciudad, fueron homogeneizados mediante trituración y
permanecieron almacenados a 3°C hasta su uso en cada uno de los ensayos. En la
caracterización fisicoquímica de cada residuo se determinó el contenido de
Sólidos Totales (ST) y Sólidos Volátiles (SV) a través de los métodos estándar
APHA (American Public Health Association) para el análisis de agua y aguas
residuales [29]. El contenido de Carbono (C), Hidrógeno (H), Oxígeno (O),
Nitrógeno (N) y Azufre (S) fue determinado por medio de análisis elemental
(métodos ASTM D5373-14 [30] y ASTM D4239-14e2 [31]), y en el caso de los
residuos de poda, su contenido de celulosa, hemicelulosa y lignina a través del
método de fibras de Van Soest [32].
Como
inóculo se utilizó un lodo proveniente del reactor anaerobio de flujo
ascendente (UASB) ubicado en el relleno sanitario La Esmeralda, en la ciudad de
Manizales. Este inóculo, caracterizado por su alto contenido de humedad, no fue
sometido a pretratamiento como concentración o floculación, con el objetivo de
hacer una aplicación directa. Angelidaki y colaboradores [20] recomiendan
realizar la caracterización de inóculo en términos de ST y SV con el fin de
conocer el porcentaje de materia volátil presente, la cual está relacionada con
la cantidad de biomasa. No se realizó una evaluación de la actividad
metanogénica específica del lodo y este fue desgasificado con el fin de evitar
la producción de biogás endógeno en los ensayos, incubando los lodos a 37°C
durante un periodo de 10 días. Durante el proceso de desgasificación, se
añadieron 0,5g/L/día de residuos (mezcla equiporcentual de poda y comida) para
adaptar el inóculo a los sustratos empleados.
Potencial experimental de biogás y
eficiencia del proceso
La
cantidad máxima real de biogás que se puede obtener a partir de un sustrato
bajo determinadas condiciones de operación (temperatura, pH, carga orgánica,
etc.) se cuantificó experimentalmente en sistemas herméticos con volumen
efectivo de 3L, de acuerdo con las condiciones presentadas por Angelidaki et al. [20]. La temperatura de operación
fue de 37°C (controlada utilizando un baño térmico), sin agitación ni control
de pH, durante 40 días, con un duplicado cada uno. Las cantidades de inóculo,
sustrato y volumen total de operación en cada una de las pruebas se presentan
en la Tabla 2. Raposo et al. [21],
reportan relaciones experimentales inóculo/sustrato (RIS) entre 0,43 y 3 (ST)
en procesos por lotes a partir de diversos sustratos. En este estudio de co-digestión
anaerobia se empleó una relación comida a poda de 1,6 (ST), además de mantener
en todas las pruebas una relación inóculo a sustrato (RIS) de 0,25 (ST), esta
relación evita la flotabilidad del residuo de poda.
Tabla 2. Condiciones de operación en los ensayos de potencial
experimental de biogás.
Para la
cuantificación de biogás se utilizó la técnica de desplazamiento de volumen,
ampliamente utilizada debido a su bajo costo, facilidad de montaje y
manipulación, durabilidad, escaso requerimiento de mantenimiento y posibilidad
de conexión a sistemas de adquisición de datos [33,34]. Se utilizó una solución
de NaCl al 80% p/p acidificada a pH 0,5 con ácido sulfúrico con el fin de
reducir la solubilidad del dióxido de carbono y cuantificar al máximo la generación
de biogás. La reducción de pH se realiza de acuerdo con las recomendaciones de
Walker [33,35] quienes reportan un porcentaje de solubilización de CO2
menor al 8% cuando se usan soluciones saturadas de NaCl acidificadas a pH
menores a 2. La solución de NaCl fue reemplazada luego de 8 días de uso y los
valores de biogás son reportados a condiciones estándar de presión y
temperatura (1atm y 273,15K).
Se utilizó
una solución de nutrientes en cada ensayo, basado en el protocolo expuesto por
Angelidaki et al. [20], reemplazando
la adición de vitaminas y otros nutrientes con extracto de levadura. Las
variables de seguimiento durante un periodo de operación de 40 días fueron pH,
temperatura y volumen de solución de NaCl desplazado con periodos de medición de
24h, aproximadamente.
El
seguimiento de las condiciones experimentales permite determinar el rendimiento
(REM) y la eficiencia del proceso a partir de las Ecuaciones 1 y 2,
respectivamente.
Generación Teórica de Metano (RTM)
El
potencial teórico de producción de biogás y el contenido de metano que puede
ser obtenido en un proceso de digestión anaerobia, está limitado por la
estequiometría y puede calcularse si la composición elemental de la materia
prima es conocida. A su vez, permite conocer la cantidad de materia orgánica
biodegradable [36]. Diferentes modelos estequiométricos se han planteado,
siendo uno de los más utilizados el presentado por Buswell y Neave [36-39]. La
relación que será utilizada en este trabajo se presenta en la Ecuación 3 [39].
De acuerdo
con Li et al. [39], la Generación
Teórica de Metano (RTM) está determinada por la Ecuación 4, haciendo uso de los
coeficientes estequiométricos (n, a, b, c)
ajustados para cada sustrato y para mezcla a partir de los resultados del análisis
elemental.
Simulación del proceso de generación de biogás
Asumiendo
que la producción de biogás es proporcional a la actividad microbiana, se
implementa el ajuste del modelo modificado de crecimiento de Gompertz,
utilizada en algunas referencias similares [40,41] para la predicción de la
producción de biogás (Y, Nm3biogás/kgSV) a partir de los parámetros
cinéticos: producción potencial de biogás (A, Nm3biogás/kgSV), la
tasa de producción de biogás (µm, Nm3biogás/kgSV/d) y el
tiempo de adaptación (λ, d), según la Ecuación 5.
El ajuste
fue realizado empleando la herramienta solver de Excel, minimizando el error
entre los valores simulados y los valores experimentales. El grado de ajuste
fue determinado por medio del factor de correlación al cuadrado (R2).
Resultados y Discusión
Características fisicoquímicas de los
sustratos e inóculo
En la
Tabla 3 se presentan los datos de la caracterización para ambos sustratos y
para el inóculo. El contenido de ST indica una mayor humedad de los residuos de
comida (71%) en comparación con los residuos de poda (11,3%), estos últimos con
una mayor proporción de SV/ST (92,1%). Estos valores son similares a los datos
reportados por Prabhudessai et al. [42]
de 94,64% y 97,25% en SV/ST para residuos de comida. Otros autores como Liu et al. [3] reportan relaciones similares de 77,78% y
87,53% en SV/ST para la fracción de poda y comida, respectivamente, valores que
evidencian la biodegradabilidad potencial de estos residuos.
La
relación C/N de 19 para residuos de poda es muy baja en comparación con otros
reportes, lo que muestra la gran variabilidad y diferencia entre especies
consideradas. Brown y Li reportan un valor de C/N de 55,3 [37] mientras que
Cherosky reporta 143 [43] para residuos de jardinería, mostrando la
variabilidad en estos residuos, debido a factores como especies vegetales
presentes, localización, tipo de suelo, hora de corte, periodo de crecimiento,
entre otras [26]. En lo que respecta a los residuos de comida, el valor de C/N
de 27 es inferior a reportes, tal como el presentado por Zhang et al. de 14 [9]. Esto indica un posible
menor contenido de proteína animal y/o una proporción alta de carbohidratos,
propios de las costumbres alimenticias de esta región del país. Las relaciones
C/N para ambos sustratos se encuentran cerca del intervalo óptimo 20 – 30 [25],
lo que indica que pueden ser utilizadas en digestión mono-sustrato al igual que
la co-digestión propuesta en este trabajo (C/N de 21).
Tabla 3. Caracterización de sustratos utilizados e inóculo.
%p/p: peso a peso, b.s.: Base seca, NA: No analizado.
A pesar
que el inóculo presenta un bajo contenido de sólidos (2,2% y 0,5% en ST y SV,
respectivamente) lo que aumenta los requerimientos de volumen en el proceso de
digestión, sus características coinciden con aplicaciones reportadas en la
literatura para la degradación de residuos de poda. Cherosky reporta como
inóculo, el efluente líquido de una planta de tratamiento de aguas residuales con
un 10% de ST, 3,5% de SV y una relación C/N de 7 [43], con productividad de
0,1m3CH4/kgSV a partir de la co-digestión de residuos de
poda y comida (mezcla 25%-75%).
Potencial
teórico de producción de metano
La fórmula empírica de cada uno de los residuos empleados se
obtuvo a partir de la composición elemental presentada en la Tabla 3. En el
caso de los residuos de poda esta es C19H30O11N,
para los residuos de alimentos es de C27H45O16N
y para la mezcla de sustratos es C21H34O13N
sin considerar el contenido de azufre en cada residuo debido a su bajo
porcentaje. Curry y Pillay [38] reportan una fórmula para residuos de comida de
C22H38O13N, similar a la encontrada en este
trabajo. La diferencia existente entre las fórmulas empíricas determinadas para
los residuos de comida puede ser atribuida a la constitución original de estos
ya que la variabilidad en la composición depende de factores como el nivel de
vida de la región, temporada, cultivos predominantes y costumbres alimenticias
[12].
La Tabla 4
presenta las cantidades teóricas de biogás generado (Ecuación 4) así como la
composición obtenida a partir de la ecuación de Boyle y el análisis elemental
para cada tipo de sustrato. Se presenta también el potencial teórico de la
mezcla en el proceso de co-digestión. La composición teórica del biogás
obtenida en este estudio para los sustratos considerados se encuentra entre
42,6% y 52,5%. Prochnow et al. [44] y
Prabhudessai et al. [42] reportan
porcentajes de 52% y 50%v de metano respectivamente, obtenidos para residuos de
poda y de comida en ensayos experimentales. Para co-digestión de residuos de
poda y de comida Liu et al. reportan
porcentajes de metano entre 51,7 y 60,8 [3], superiores a los teóricos
obtenidos en este trabajo.
Tabla 4. Producción de biogás teórico y experimental.
De forma
teórica, el efecto de la mezcla de sustratos no genera aumento en la generación
de biogás ni en la composición de metano, como se muestra en la Tabla 4.
Claramente, la digestión de residuos de comida surge como la alternativa más
atractiva, con mayores niveles de producción de CH4 y productividad
de biogás. Curry y Pillay reportan un rendimiento teórico en la producción de
biogás a partir de residuos de comida de 1m3biogás/kgSV [38], el
cual es similar al reportado en este trabajo de 099m3biogás/kgSV.
Este
método para cuantificar el potencial de producción de metano presenta algunas
limitaciones ya que no tiene presente el uso del sustrato para el crecimiento
celular ni las restricciones de transferencia de masa y calor que toman lugar
en el digestor. Sin embargo, la primera limitación puede considerarse
despreciable ya que en el proceso de digestión anaerobia solo se consume entre
el 5% y 10% del sustrato en producción de biomasa [45]. Por esta razón, los
valores obtenidos con este método sobredimensionan los valores de rendimiento y
eficiencia y es necesario complementar su análisis con determinaciones
experimentales.
Potencial experimental de biogás y
eficiencia del proceso
El
rendimiento acumulado de biogás alcanzado de forma experimental en la
bio-digestión de cada residuo y su mezcla en la co-digestión se muestra en la
Figura 1. El volumen total de biogás generado fue de 0,34, 0,45 y 0,6Nm3 biogás/kgSV
para la degradación de residuos de poda, residuos de comida y la mezcla
comida–poda, respectivamente. Los resultados muestran el efecto de la
co-digestión sobre la producción de biogás, con un aumento de 19.31% y 28,02%
con respecto a la degradación de poda y de comida, respectivamente. De manera
aproximada, considerando la concentración teórica de CH4 presentada
en la Tabla 4 para cada ensayo (49,9, 52,5 y 42,6%), el potencial experimental
de CH4 es de 0,17, 0,24 y 0,26Nm3CH4/kgSV para
poda, comida y mezcla. Raposo et al.
[21] reportan rendimientos entre 0,27 y 0,37Nm3CH4/kgSV
para residuos de poda y entre 0,24 y 0,52Nm3/kgSV para residuos de
comida. Cadavid-Rodríguez y Bolaños-Valencia reportan rendimientos promedio de
metano de 0,33Nm3CH4/kgSV para 9 especies de césped
identificados en la ciudad de Palmira, Colombia. Estos autores reportan una
remoción de sólidos volátiles del 44%, 45% de celulosa, 12% de hemicelulosa y
solo 4% de lignina [46]. Los rendimientos de Prabhudessai et al. [42], Liu et
al. [3] y Massé et al. [47], se encuentran entre 0,2 a 0,31Nm3CH4/kgSV para
residuos de poda.
En la
Figura 1 se observa que el 80% del biogás total generado es alcanzado a los 13
días para la codigestión, a los 14 para residuos de poda y a 22 días para la
degradación de comida. Zheng et al. Plantean que este porcentaje es alcanzado
en 10 días en ensayos bajo condiciones termófilas, utilizando residuos de
comida como sustrato [9].
Figura 1. Rendimiento
acumulado de biogás para los ensayos realizados.
El
ajuste cinético realizado, empleando el modelo de crecimiento de Gompertz
modificado (Ecuación 5), permite establecer el periodo de adaptación de cada
ensayo, con una buena confiabilidad de acuerdo a los coeficientes de
correlación obtenidos (0,978, 0,965 y 0,959 para la digestión de poda, comida y
co-digestión, respectivamente), de acuerdo con la información presentada en la
Tabla 5. Los valores de producción potencial de biogás (A) se ajustan
adecuadamente a los valores determinados experimentalmente (Tabla 4).
El
efecto de la co-digestión se observa en el aumento considerable de la tasa de
producción de biogás (µm), pasando de 26,01 y 27,15 para la mono-digestión, a
48,83Nm3biogás/kgSV/d. La fase de latencia en los 3 ensayos realizados (entre
1,68 y 3,3días) es baja, en comparación con los reportes de Lo et al. (entre
6,2 y 12,7 días) para la mezcla RSU y cenizas de incinerador [40] pero alta si
se compara con lo presentado por Nielfa et al. (entre 0 y 1,5 días) para la
co-digestión de RSU con lodos de planta de tratamiento de aguas residuales
[41].
Tabla
5. Resultados del modelo de crecimiento de Gompertz para la
predicción de la producción de biogás.
Seguimiento a condiciones de operación
De
acuerdo con Sahito et al. [34], junto
con el seguimiento a la generación de biogás, la evolución del pH es un
indicador relevante asociado a la actividad del medio de digestión. La
evolución del pH en los ensayos considerados se presenta en la Figura 2, en la
cual se observa que, con excepción del proceso de mono-digestión de poda, los
ensayos mantuvieron los valores de pH dentro del rango de operación óptimo para
este tipo de proceso biológico reportados por Lemos et al. (entre 6,7 a 7,4) [48]
Figura
2. Variación del pH durante la digestión de poda, comida y
co-digestión.
En
términos generales la variación del pH durante el proceso de biodigestión
presenta una tendencia similar en los tres sustratos utilizados. Se puede
observar en la Figura 2 que durante los primeros 6 días se registró una caída
del pH de 0,56 y 0,90 unidades en el caso de los residuos de poda y comida,
respectivamente. No obstante, la velocidad en la caída del pH para estas dos
materias primas fue significativamente diferente. Lo anterior se atribuyó a la
dificultad que los microorganismos hidrolíticos tienen para romper la matriz
lignocelulósica que caracteriza a los residuos de poda tal como se describe en
los reportes de Jin et al. [49] y
Frigon et al. [50]. Por otro lado, el
descenso del pH en ambos digestores se debió presuntamente a la desigualdad de
las velocidades de asimilación y producción de los microorganismos acidogénicos
y metanogénicos presentes en cada biodigestor otorgando como resultado una
acumulación de Ácidos Grasos Volátiles (AGV) y otros compuestos provenientes de
las etapas acidogénica y acetogénica. Sin embargo, dicha disparidad es regulada
con el paso del tiempo evitándose así la suspensión del proceso de digestión
[51]. En cuanto a la codigestión, se atribuye su estabilidad en el pH al efecto
tampón del medio debido a que, durante el proceso, el mayor contenido proteico
aportado por los residuos de comida puede proveer una capacidad buffer al
mezclarse con residuos de poda [25].
En los
ensayos de mono-digestión de residuos de poda reportados por Cadavid et al. [46], los valores más bajos de pH
se obtuvieron en el día 10 del proceso, coincidieron con una mayor
concentración de DQO soluble y de AGV. Comparando los ensayos realizados en
este trabajo, en términos del comportamiento de pH mostrado en la Figura 2,
permite establecer que la inclusión de residuos de comida en el proceso de
digestión de residuos de poda, mejoran la estabilidad del proceso, reducen la
acumulación de AGV y la duración de la fase de hidrólisis.
Conclusiones
Los
resultados experimentales indican que la co-digestión de residuos de poda con
residuos de comida incrementó la tasa de generación de biogás, pasando de
0,34Nm3biogás/kgSV para la mono-digestión de poda, a 0,6Nm3biogás/kgSV
para la co-digestión. Estos resultados ofrecen una oportunidad para el
aprovechamiento de estos residuos, pero es necesaria la búsqueda de
modificaciones para aumentar los niveles de eficiencia en la producción de
biogás (66,1% para el proceso de co-digestión). Se sugiere el análisis de otros
tipos de inóculo y otras relaciones de carga entre sustratos. Por ejemplo, el
uso de estiércol como inóculo puede mejorar las condiciones de degradación de
compuestos lignocelulósicos. El conocimiento de la composición elemental de un
sustrato es información importante para predecir el potencial de producción de
biogás y el nivel de biodegradabilidad. En este documento, el análisis
elemental de los residuos utilizados permitió determinar la formula empírica y
calcular el rendimiento teórico de producción de metano (0,89, 0,93, 0,9Nm3biogás/kgSV
para digestión de residuos de poda, comida y co-digestión, respectivamente).
Por otra parte, los modelos de predicción como el de Gompertz, pueden explicar
las características cinéticas del proceso de digestión, con correlaciones
superiores al 97%. Estas herramientas pueden ahorrar tiempo y costos para la
selección de mejores condiciones de operación, con buena confiabilidad.
La mezcla
de residuos de comida con residuos de poda, mejora las condiciones
operacionales del sistema de digestión. La reducción del pH por debajo de los
niveles recomendados (6,7 a 7,4) por acumulación de AGV, no se presentó al
utilizar residuos de comida como co-sustrato. También se presentó una reducción
en los periodos de adaptación, de 3,3 a 1,75 días, valores obtenidos a partir
de la simulación del proceso de digestión.
Agradecimientos
Los
autores agradecen a la Universidad Nacional de Colombia sede Manizales el apoyo
económico para la realización de este trabajo, en marco del proyecto
“Aprovechamiento de residuos sólidos para la generación de energía enfocado a
zonas no interconectadas”, código Hermes 28452. La profesora Beatriz Helena
Aristizábal coordinó parte de este trabajo durante la realización de su año
sabático.
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