Digestión anaerobia

De manera simplificada se pueden dividir las transformaciones bioquímicas que tienen lugar en tres fases: la hidrolítica, la acidogénesis y la metanogénesis.

En la primera se reduce el tamaño de las moléculas orgánicas grandes para que las bacterias puedan asimilarlas mejor. En la acidogénesis diferentes bacterias forman ácidos orgánicos sencillos que son consumidos por las bacterias metanogénicas en la formación de metano (CH4).

Los productos de esta biodigestión son por un lado la fracción gaseosa (el biogás) y el residuo tratado que sale del digestor que se llama “digestato”.

a) Digestato:
La composición del digestato depende de la naturaleza del residuo y del tiempo pasado en el digestor.
En comparación con el residuo inicial la principal característica es que la materia orgánica esta más descompuesta o mineralizada, lo que significa que hay más moléculas pequeñas y sencillas. Además, como parte de la materia sólida del residuo se ha transformado en biogás, el digestato es menos denso que el substrato inicial y se maneja mejor (por ejemplo en el bombeo, aplicación al campo como abono, etc.).
Los elementos más importantes que intervienen en el crecimiento de las plantas (el nitrógeno, el fósforo y el potasio) ya no forman tanto parte de moléculas orgánicas complejas sino que están más mineralizados, lo que permite a las raíces de las plantas absorberlas fácilmente. Por eso el digestato es un fertilizante mejorado con mayor estabilidad, y representa un abono natural con un alto valor agrícola.

El digestato tiene la misma cantidad de nitrógeno que el sustrato inicial y no contiene nitratos, sino que la mayoría del nitrógeno se encuentra en forma de amonio (NH4+), que es asimilable por las plantas. En las zonas denominadas vulnerables o de alta concentración de explotaciones ganaderas no hay suficiente superficie de campo para que los cultivos puedan consumir todo el nitrógeno que se encuentra en las deyecciones animales o el digestato. Si se aplica al campo como abono en un momento o en cantidad inapropiada, de manera que no puede ser utilizado por los cultivos, el nitrógeno puede transformarse en nitratos y llegar a contaminar los acuíferos.
Para estos casos puede ser necesario la aplicación de procedimientos complementarios a la digestión anaerobia que mejoran la gestión del nitrógeno del digestato, como por ejemplo la separación sólido-liquido, tratamientos de eliminación o reducción-recuperación, etc.

La descomposición de la materia orgánica conlleva también la reducción de los malos olores en comparación con el residuo inicial. Las sustancias volátiles responsables para estos olores se han transformado mayoritariamente durante el proceso, lo que supone otra ventaja de la digestión anaerobia.

b) Biogás:

Los principales componentes del biogás son el metano (CH4) en una proporción que oscila entre un 40% a un 70% y el dióxido de carbono (CO2) entre un 30% y 60%. También se encuentran pequeñas proporciones de otros gases como hidrógeno (H2), nitrógeno (N2), oxígeno (O2) y sulfuro de hidrógeno (H2S).
Como se trata de un gas combustible, es posible aprovecharlo energéticamente en calderas o motores. En este caso, sería necesario acondicionar el biogás. El acondicionamiento requiere varios elementos como el aumento de presión, la reducción de las proporciones de vapor de agua (el biogás está saturado al salir del digestor) y de H2S, ya que ambos causan problemas de corrosión cuando se queman en calderas o motores.

Los límites termodinámicos de la digestión anaerobia son estrechos. La formación de metano se mantiene sólo mientras que el conjunto de bacterias se encuentre en condiciones favorables. A continuación se describen los principales parámetros que influyen en el proceso:

• Temperatura: la formación de metano se produce en la naturaleza a diferentes temperaturas. En aplicaciones técnicas, 3 rangos de temperatura se distinguen: temperatura psicrófila (10 º C - 25 ° C), temperatura mesófila (25 º C - 45 C) y temperatura termófila (49 º C - 60 º C). En las plantas de biogás la temperatura de trabajo resulta de un compromiso entre la cantidad y velocidad de biogás producido, el grado de fermentación y el tiempo de retención. La mayoría de los biodigestores anaerobios han sido diseñados para actuar en el rango mesófilo, ya que los requisitos térmicos para el funcionamiento del sistema son menores en comparación con el rango termófilo. Sin embargo, dada la ubicuidad de las bacterias metanogénicas en ambientes anaerobios, pueden producirse cambios en la temperatura sin que esto sea problemático en los biodigestores, siempre y cuando estos cambios se produzcan de forma lenta y gradual, para permitir a las bacterias de adaptarse a las condiciones.

• TRH: el TRH describe el tiempo medio que permanece el sustrato en un biodigestor y se define dividiendo el volumen útil del digestor por el caudal de alimentación diario. Para permitir la degradación de la materia orgánica y la consiguiente producción de biogás es necesario que el substrato permanezca cierto tiempo en el biodigestor. La naturaleza y composición del residuo a tratar determinan la elección de un TRH adecuado, ya que hay sustancias que se degradan mas rápidamente que otras. La temperatura también influye mucho, ya que con ella aumenta la velocidad de degradación. Según estos parámetros, los tiempos de retención de residuos ganaderos pueden variar entre 10 y 60 días.

• Nutrientes: Aparte del carbono cualquier sistema biológico necesita macronutrientes (nitrógeno, fósforo y potasio) y en menor medida micronutrientes. Estos nutrientes son esenciales para el crecimiento bacteriano, y la falta o el exceso de nutrientes puede restringir su desarrollo. Entre los macronutrientes, el nitrógeno desempeña un papel fundamental. Por eso, la relación entre el carbono y el nitrógeno del substrato debe estar alrededor de 20:1 y 30:1 para permitir el buen desarrollo de las bacterias implicadas en el proceso.

• Contenido de agua: el contenido de agua del substrato debe oscilar entre 60% y 90% del peso total. Tanto el exceso como la falta de agua son perjudiciales.

• Alcalinidad y pH: El pH indica la acidez o basicidad de un medio.La alcalinidad de un sistema es la capacidad que tiene para neutralizar los ácidos, llamado también la capacidad tampón. En la biodigestión es una medida de la cantidad de carbonato en la solución, resultante del dióxido de carbono producido durante la digestión anaeróbica. La capacidad tampón es importante en la digestión anaerobia, ya que a lo largo del proceso diferentes bacterias producen ácidos que reducen el pH si no se neutralizan. Las bacterias metanogénicas son muy sensibles a la acidez y el efecto tampón del carbonato permite controlar y mantener un pH neutro.

Ventajas de la digestión anaerobia

• Evita la contaminación atmosférica con metano, un gas a efecto invernadero (GEI) 20 veces más contaminante que el CO2.
• Reducción significativa de los malos olores generados por los residuos.
• Mejora de la calidad y de la transportabilidad de las deyecciones como abono, obteniendo un fertilizante más mineralizado y de alto valor agrícola.
• Permite gestionar los residuos nitrogenados para prevenir la contaminación de acuíferos.
• Posibilidad de combinar el proceso con la aplicación de tecnologías complementarias para reducir el contenido de nitrógeno en las zonas declaradas como vulnerables así como en las regiones de alta concentración ganadera, de acuerdo con la normativa relativa a la protección de las aguas contra la contaminación producida por nitratos utilizados en la agricultura.
• Requiere menos espacio que el compostaje.
• Produce un gas combustible que se puede aprovechar y así reducir los gastos energéticos de la explotación.

No obstante, hay que tener en cuenta que:
El biogás contiene pequeñas cantidades de sulfuro de hidrógeno (H2S), considerado un gas tóxico y que crea problemas de corrosión si se quiere aprovechar energéticamente en calderas o motores. En este caso es necesario reducir o eliminar el H2S con un tratamiento de acondicionamiento del biogás previo a su combustión.
Con la digestión anaerobia no se reduce la cantidad de nitrógeno contenido en el residuo. Para mejorar la gestión del nitrógeno es necesario realizar procedimientos complementarios como la separación sólido-liquido, tratamientos de eliminación o reducción-recuperación, etc.