Tecnología de codigestión anaerobia: una alternativa para Cuba

 

Dr. Deny Oliva Merencio e Ing. Ileana Pereda Reyes
Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables (CETER),
Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría (CUJAE), La Habana, Cuba.
Tel.: (537) 2663637 y 2663754.
e-mail: deny@ceter.cujae.edu.cu

 

Resumen
Existen varios residuos biodegradables, de diferentes orígenes, que tienen un potencial de producción de biogás relativamente bajo debido a su poco contenido de materia orgánica, comparados con otros tipos de residuos, además de su baja biodegradabilidad.

La codigestión de residuos ganaderos y residuos orgánicos en sistemas de mezcla completa es una metodología exitosa a escala mundial. También, a escala mundial, se han combinado otras mezclas, logrando triplicar el potencial de producción. La principal ventaja de la codigestión está en aprovechar la sinergia de las mezclas y compensar carencias de cada uno de los sustratos por separado.

Este trabajo recoge un compendio de la aplicación de esta tecnología, a nivel mundial, con el objetivo de mostrar su alta efectividad en el tratamiento de residuos sólidos biodegradables y ayudar a promover su empleo, principalmente en residuos poco aprovechados en Cuba.

La aplicación de esta tecnología podría permitir el uso eficiente del biogás en la generación de energía eléctrica y su aporte a la red nacional en Cuba.
Palabras clave: Residuos sólidos biodegradables, digestión anaerobia, codigestión, biogás.

Introducción
Existen varios residuos biodegradables, de diferentes orígenes, que tienen un potencial de producción de biogás relativamente bajo debido a su bajo contenido de materia orgánica, comparados con otros tipos de residuos, además de su baja biodegradabilidad.

La codigestión de residuos ganaderos y residuos orgánicos de otros orígenes en sistemas de mezcla completa es una metodología exitosa a escala mundial. En este proceso se combinan varias mezclas de sustratos orgánicos biodegradables, logrando aumentar el potencial de producción de biogás por kilogramo de mezcla degradado. Existe un gran número de ejemplos donde se ha demostrado la efectividad de este proceso y donde la producción de biogás incluso se ha triplicado. La principal ventaja de la codigestión está en aprovechar la sinergia de las mezclas y compensar las carencias de cada uno de los sustratos por separado.

Este trabajo recoge un compendio de la aplicación de esta tecnología, a nivel mundial, con el objetivo de mostrar su alta efectividad para el tratamiento de residuos biodegradables y ayudar a promover su empleo, principalmente en residuos poco aprovechados en Cuba.
La aplicación de esta tecnología podría permitir el uso eficiente del biogás en la generación de energía eléctrica y su aporte a la red nacional en Cuba.

Residuos sólidos biodegradables en Cuba
En Cuba existe un enorme potencial de residuos sólidos biodegradables que está disponible para ser revalorado energéticamente y que actualmente no tienen ninguna utilidad.

Se pueden mencionar varios orígenes de este tipo de residuos, entre los que se encuentran residuos agrícolas, residuos de podas, residuos agroindustriales y residuos sólidos
urbanos (RSU).

Según datos recopilados a partir de un estudio realizado en Cuba se tienen los siguientes potenciales de varios residuos sólidos (Tabla 1):

Tabla 1. Potencial disponible a partir de la generación de residuos sólidos en Cuba
  Bagazo
de caña
Serrín
de madera
Cáscara
de arroz
Residuos
de café
Residuos
forestales
Residuos
de coco

Leña

Total, Mm3

6 950 522

11 784,3

14 821,1

1 342,4

532 788,2

206,9

1 797,7

%

92,51

0,16

0,20

0,02

7,09

0,00

0,02

Inventario Nacional de Fuentes de Energía Renovable [2005]

Todos estos residuos deben ser estudiados con relación al potencial de generación de biogás que pudieran tener. Como puede observarse en la Tabla 1, el bagazo sigue teniendo el peso mayoritario en el potencial de este tipo de residuo, con 92,5% de la biomasa disponible. Toda la biomasa que se menciona en dicha tabla puede considerarse como biodegradable.

Otra materia prima importante que tiene un amplio potencial no registrado en la tabla anterior son los residuos sólidos urbanos (RSU). Solo en la ciudad de La Habana, la capital de Cuba, se generan más de 1 500 m3 de RSU.

Codigestión de residuos orgánicos
La codigestión de residuos ganaderos y residuos orgánicos en sistemas de mezcla completa es una metodología exitosa, tanto en régimen termofílico como en el mesofílico [Brinkman, 1999]. La principal ventaja de la codigestión está en aprovechar la sinergia de las mezclas y compensar carencias de cada uno de los sustratos por separado.

En Dinamarca funcionan alrededor de 20 plantas centralizadas de producción de biogás desde los años ochenta, lo que ha posibilitado el tratamiento combinado de residuos ganaderos y residuos orgánicos procedentes de la industria alimentaria, de plantas depuradoras de aguas residuales urbanas, residuos de mataderos y la fracción orgánica de RSU [Angelidaki y Ahring, 1997a].

Los residuos urbanos e industriales suelen contener altas concentraciones de materia orgánica fácilmente degradable (lípidos, carbohidratos y proteínas), por lo que presentan un mayor potencial de producción de biogás que los residuos ganaderos, de 30 a 500 m3/t [Ahring et al., 1992; Angelidaki y Ahring, 1997a; Bardiya et al., 1996], mejorando la viabilidad económica de las plantas [Ahring et al., 1992]. Sin embargo, estos residuos pueden presentar problemas para su digestión, como deficiencia en nutrientes necesarios para el desarrollo de los microorganismos anaerobios, baja alcalinidad o excesivo contenido en sólidos que provoque problemas mecánicos [Banks y Humphreys, 1998].

En el caso de los residuos ganaderos, y en concreto el purín de cerdo, el potencial de producción de biogás es relativamente bajo debido a su poco contenido de materia orgánica, comparados con otros tipos de residuos, y la baja biodegradabilidad de la materia orgánica. Sin embargo, estos residuos son una buena base para la codigestión porque generalmente presentan un contenido de agua más alto que la mayoría de los residuos industriales, una mayor capacidad tampón y aportan una amplia variedad de nutrientes necesarios para el crecimiento de los microorganismos anaerobios [Angelidaki y Ahring, 1997a].

En la figura 1 se muestra, de manera gráfica, el potencial de biogás de diferentes sustratos, lo que demuestra la viabilidad del proceso de codigestión para un mejor aprovechamiento de estos residuales.


Fig. 1. Potencial de producción de biogás desde varios sustratos.

Se han encontrado buenos resultados para mezclas de varios tipos de residuos de industrias cárnicas y mataderos, ricos en grasas, consiguiendo altas producciones de metano, del orden de 47 m3/m3 de residuo introducido [Brinkman, 1999]. También ha dado buenos resultados la codigestión de lodos de depuradora y la fracción orgánica de residuos municipales, FORM [Di Palma et al., 1999; Hamzawi et al., 1998] y la mezcla de residuos sólidos urbanos (RSU), principalmente a base de restos de vegetales, y aguas residuales urbanas [Edelmann et al., 1999], así como de lodos de depuradora y residuos de frutas y vegetales [Dinsdale et al., 2000].

Los efectos beneficiosos de la introducción de mezclas de residuos ganaderos con residuos industriales se han puesto de manifiesto en plantas a escala real en varios países (Tabla 2).

Tabla 2. Ejemplo de plantas de codigestión a escala industrial
  Volumen del digestor, m3

Co-sustratos

Aumento de la producción de biogás, %
Graz, Austria 3 x 4000 5-20% de lodo flotante del matadero de pollo

90-220

Schwechat, Austria

2 x 4500 15% de grasa de curtido 100-160

Tulln, Austria

620

4% de proteína

80

Rheda, Alemania 5000 18% de lodo flotante
y contenido estomacal de ovino
60
Radeberg, Alemania 4600

27% varios

300
Samnaun, Suiza 600 5-28% de restos de comida 42-235

Diferentes tipos de residuos, principalmente de la industria agroalimentaria, se han testado ya como posibles cosustratos para la digestión de residuos ganaderos. A continuación se exponen algunos ejemplos (Tabla 3).

Tabla 3. Caracterización físico-química de varios sustratos
Parámetro Purín Residuo de pera TDO
DQO, g/kg 80,92 453,0 1 090,4
ST, g/kg 79,16 354,0 916,96
SV, g/kg 58,4 346,5 362,62
pH 8,06 3,45 6,93
Alcalinidad total, g CaCo3/L 10,55 0 0,95
TDO, tierras decolorantes de oliva.

Ahring et al. [1992] estudiaron la viabilidad de la codigestión de estiércol con residuos de la elaboración de piensos. Debido al alto contenido en nitrógeno de este producto, inicialmente se produce la inmediata inhibición del proceso de digestión, aunque finalmente los microorganismos son capaces de aclimatarse, disminuyendo la concentración de ácidos grasos volátiles y produciendo una alta y constante producción de biogás.

Diversos trabajos se han desarrollado teniendo como base la codigestión de estiércol bovino con tierras residuales procedentes del proceso de refinado de aceite, BBO (Bentonite Bound Oil). En general, la adición de este residuo a plantas a escala real produce una mayor estabilidad del proceso y un aumento en la producción de gas debido a la conversión en metano de la mayoría del carbono añadido, aunque no se observa una mejora en la tasa de conversión del estiércol en sí mismo.

La adición de BBO aumenta la producción de metano respecto a los sólidos volátiles añadidos, debido al mayor potencial de producción de biogás de la grasa contenida en la BBO que del estiércol, de 0,2 a 0,23 L de CH4/gSV [Ahring et al., 1992]. Una hipótesis planteada para explicar la mejora en la producción de metano es la disminución de problemas de inhibición por amonio, debido a la capacidad de adsorción superficial de este material.

La codigestión de alpechín, residuo acuoso de la producción de aceite de oliva virgen, y estiércol bovino hace posible el tratamiento del primero mediante digestión anaerobia. La fermentación de alpechín solo presenta problemas, debido a la alta concentración de compuestos tóxicos (polifenoles), o a la baja concentración de nutrientes esenciales (N) y baja alcalinidad. La codigestión aumenta, además, el índice de producción de biogás del estiércol [Angelidaki et al., 1997]. La mezcla de alpechín y purín de cerdo ha mostrado buenos resultados en otros estudios, alcanzando niveles de degradación de DQO del orden del 65% [Schmidt et al., 1999].

La mezcla de purín con lodos de depuradora, tanto en el rango termofílico como mesofílico, ha proporcionado resultados positivos [Wong, 1990; Flotats et al., 1999]. Se han obtenido también resultados positivos al mezclar estiércol de bovino y residuos lignocelulósicos, hojas machacadas, paja de trigo, restos vegetales pretratados con hidróxido sódico [Dar y Tandon, 1987], así como la mezcla de purín con paja [Masciandaro et al., 1994]. Con residuos de tomate mejora la digestión del estiércol [Trujillo et al., 1993], así como la mezcla de residuos bovinos y residuos de frutas y verduras [Callaghan et al., 1999].

Otros muchos residuos se exponen en la bibliografía como responsables de mejora de las producciones de biogás de los residuos ganaderos, tales como residuos de lechería [Gavala et al., 1996; Desai y Madamwar, 1994; Desai et al., 1994], y residuos de pescados y lodo de la industria cervecera [Callaghan et al., 1999].

En general, la mezcla de residuos ganaderos de diferentes tipos de ganado puede mejorar
la producción de metano debido, principalmente, al mayor aporte de sólidos orgánicos [Callaghan et al., 1999], o a la dilución de algún efecto inhibitorio, como la concentración de amonio [Hansen et al., 1998].

A pesar de los buenos resultados recogidos en la bibliografía, al mezclar diferentes tipos de residuos se corre el riesgo de introducción de sustancias tóxicas o inhibidoras para el proceso anaerobio, siendo preciso determinar la viabilidad de la mezcla, así como la proporción adecuada de cada sustrato, y la optimización de otros parámetros del proceso, como la temperatura, velocidad de carga, etc. Por otro lado, la introducción de sustratos altamente degradables, característica apreciada para mejorar la producción de gas, puede provocar problemas de sobrecargas orgánicas en el reactor y liberar compuestos inhibidores del crecimiento de los microorganismos.

Por ejemplo, el alto contenido en lípidos de algunos residuos industriales proporciona altos potenciales teóricos de producción de biogás, pero en función de la concentración y composición de ácidos grasos pueden resultar altamente tóxicos para el crecimiento microbiano [Galbraith et al., 1971; Hanaki et al., 1981; Koster y Cramer, 1987; Angelidaki y Ahring, 1992; Hwu et al., 1997]. Es, por tanto, necesario realizar estudios de viabilidad de las mezclas, determinando la presencia de tóxicos o inhibidores que puedan invalidar el nuevo residuo como cosustrato.

Breve descripción tecnológica. Acercamiento a Cuba
La tecnología anaerobia es muy diversa. En el caso de la codigestión se trata de proyectos donde son necesarios otros sustratos para obtener una buena viabilidad económica. Otro motivo importante para la realización de estas instalaciones es la reducción drástica de malos olores y la obtención de subproductos de elevado valor, como el biofertilizante.

La decisión sobre una variante tecnológica u otra depende, principalmente, de las características del residual que se va a tratar. Para la codigestión se emplean básicamente, reactores como los que se muestran en la figura 2.



Fig. 2. Tipos de reactores anaerobios empleados
en la codigestión de residuos [Weiland, 2000].

El esquema de una planta de codigestión sigue una serie de pasos típicos que se muestran en el diagrama de flujo de la figura 3. La necesidad de uno u otro, o todos, depende del tipo de sustrato que se ha de digerir.



Fig. 3. Típico diagrama de flujo para la codigestión de residuos.

En Cuba no existe una práctica de la codigestión. La mayoría de los residuales orgánicos que podría ser tratado por esta vía, hoy se procesan de manera muy ineficiente y en una buena parte de ellos no existe siquiera el tratamiento mismo. La no disponibilidad de varios residuos orgánicos en el área donde se proyecta y ejecuta la construcción de los digestores anaerobios ampliamente difundidos en Cuba hace que la opción de la codigestión nunca aparezca.

La exploración y explotación, aún insuficiente a escala industrial, de la tecnología anaerobia para el tratamiento de los residuos altamente contaminantes que hoy se generan en grandes cantidades, hace que todavía Cuba se encuentre lejos de generalizar la experiencia que existe actualmente en el mundo y principalmente en Europa, en la aplicación del proceso de codigestión. Se hace necesario entonces realizar un estudio para conocer en cada caso las posibilidades técnicas y económicas que permitan aprovechar las bondades que brinda este proceso y alcanzar mayores eficiencias en el tratamiento anaerobio y la disposición final de los residuos orgánicos.

Conclusiones
La práctica de la codigestión en el tratamiento anaerobio de residuales es un proceso adecuado que permite alcanzar altas producciones de biogás sin el detrimento de la eficacia del proceso anaerobio. En el mundo existe una amplia experiencia en este tipo de proceso, lo que afirma su preferencia y continuo desarrollo.

Las tecnologías que se emplean en la codigestión no son extremadamente complejas, aunque no deben obviarse los problemas que pudieran generarse por toxicidad y sobrecargas en los digestores.

En Cuba se hace necesaria la difusión de las experiencias en la codigestión para su aplicación en aquellos lugares donde se pruebe que tiene una factibilidad técnica y económica y de esta forma ayudar a preservar el medio ambiente.

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