Digestión anaerobia

Se trata de una fermentación microbiana en rigurosas condiciones de ausencia de oxígeno que da lugar a una mezcla de productos gaseosos conocida como biogás y a una suspensión acuosa de productos sólidos.
El biogás se puede emplear como combustible para calderas y motores de combustión internos que, a su vez, se pueden utilizar para el bombeo de agua residual, generación de electricidad, funcionamiento de soplantes,… Por otra parte, junto al biogás también se obtiene energía térmica procedente de la refrigeración de los motores, que puede ser utilizada mediante la cogeneración, pudiéndose obtener rendimientos aun mayores.
En principio, puede servir como materia prima todo tipo de biomasa, especialmente la de alto contenido en humedad, sin embargo, la viabilidad del tratamiento de cada tipo de materia orgánica depende de una serie de factores relacionados con su composición y contenido en nutrientes. Por ello la biomasa más utilizada para someterla a digestión anaerobia es la de tipo residual. Al tratarse de residuos de alto contenido en humedad, no es conveniente para su tratamiento utilizar procesos térmicos, por su bajísimo rendimiento en este caso. En líneas generales, se puede decir que durante la digestión la biomasa de partida se descompone en moléculas más pequeñas en tres etapas, para dar como producto final biogás que no es más que la mezcla de, en su mayor parte metano y dióxido de carbono, y en menor medida hidrógeno y otros gases:

• Hidrólisis. Durante esta primera etapa ciertos tipos de bacterias (aerobias, anaerobias o facultativas) producen la degradación de los polímeros orgánicos complejos que forman parte de la biomasa, transformándolos en monómeros.
• Acidogénesis. Durante la segunda etapa, otro grupo de bacterias producen varios compuestos simples, entre los que destacan ácidos orgánicos de cadena corta como el acético, así como hidrógeno y dióxido de carbono que serán utilizados como alimento por las bacterias metanogénicas en la siguiente etapa.
• Metanogénesis. La tercera etapa implica la degradación de las sustancias producidas en etapas anteriores, produciendo metano y dióxido de carbono por parte de un grupo de bacterias estrictamente anaerobias, denominadas metanogénicas. Esta tercera etapa, si bien puede producirse a cualquier temperatura, se ve influenciada por la misma, de manera que puede variar la velocidad de reacción considerablemente. Además, también varía el tipo de bacterias presentes, de manera que para temperaturas comprendidas entre 35 y 45º C se pueden encontrar bacterias mesófilas, y a temperaturas comprendidas entre 50 y 60º C se encuentran bacterias termófilas.

Biodigestores

El biogás se produce en un recipiente cerrado o tanque denominado biodigestor el cual puede ser construido con diversos materiales como ladrillo y cemento, metal o plástico y pueden ser cilíndricos, rectangulares o con forma de huevo. La implantación de tanques ovalados ha ido creciendo en los últimos años, ya que con estos se elimina la necesidad de limpiar los tanques. En la parte inferior del tanque, las paredes forman un cono de inclinación suficientemente pronunciada para evitar la acumulación de arenas. Otras ventajas de estos tanques son el mejor mezclado, mejor control de la capa de espumas, y las menores necesidades de superficies.

DIGESTOR ANAEROBIO OVALADO DE CARGA ALTA

Este, posee un conducto de entrada a través del cual se suministra la materia orgánica (por ejemplo, estiércol animal o humano, las aguas sucias de las ciudades, residuos de matadero) en forma conjunta con agua, y un conducto de salida en el cual el material ya digerido por acción bacteriana abandona el biodigestor. Los materiales que ingresan y abandonan el biodigestor se denominan afluente y efluente respectivamente. El proceso de digestión que ocurre en el interior del biodigestor libera la energía química contenida en la materia orgánica, la cual se convierte en biogás.
La utilización de los biodigestores además de permitir la producción de biogás ofrece enormes ventajas para la transformación de desechos:

• Mejora la capacidad fertilizante del estiércol. Todos los nutrientes tales como nitrógeno, fósforo, potasio, magnesio así como los elementos menores son conservados en el efluente. En el caso del nitrógeno, buena parte del mismo, presente en el estiércol en forma de macromoléculas es convertido a formas más simples como amonio (NH4+), las cuales pueden ser aprovechadas directamente por la planta. El fertilizante, llamado biól, inicialmente se ha considerado un producto secundario, pero actualmente se está considerando de la misma importancia, o mayor, que el biogás ya que provee a las familias campesinas de un fertilizante natural que mejora fuertemente el rendimiento de las cosechas.
• El efluente es mucho menos oloroso que el afluente.
• Mejoramiento de las condiciones higiénicas a través de la reducción de patógenos, huevos de gusanos y moscas. Aunque el nivel de destrucción de patógenos variará de acuerdo a factores como temperatura y tiempo de retención, se ha demostrado experimentalmente que alrededor del 85% de los patógenos no sobreviven el proceso de biodigestión (Hohlfeld y Sasse 1986). En condiciones de laboratorio, con temperaturas de 35 ºC los coliformes fecales fueron reducidos en 50 – 70% y los hongos en 95% en 24 horas (Marchaim 1992).

Tipos de digestores anaerobios

Los dos tipos de digestores más empleados son los de alta y baja carga. En el proceso de digestión de baja carga no se suelen calentar ni mezclar el contenido del digestor, y los tiempos de retención varían entre 30 y 60 días.

DIGESTOR ANAEROBIO DE CARGA BAJA

En los procesos de alta carga el contenido del digestor se calienta y mezcla completamente. La biomasa se mezcla mediante recirculación de gas, mezcladores mecánicos, bombeo o mezcladores con tubos de aspiración, y se calienta para optimizar la velocidad de digestión. El tiempo de retención generalmente es menor a 15 días.

DIGESTOR ANAEROBIO DE CARGA ALTA

La combinación de estos dos procesos se conoce como proceso de doble etapa. El primer tanque se utiliza para la digestión, y se equipa con dispositivos para el mezclado. El segundo tanque se utiliza para el almacenamiento y concentración del lodo digerido, y para la formación de un sobrenadante relativamente clarificado.

DIGESTOR DE DOBLE ETAPA

Ejemplos de digestión anaerobia

1. Digestión anaerobia a partir de purines. Según censos recientes, en España, la cabaña porcina oficial ronda los 21,5 millones de cabezas, centrados en una serie de comarcas muy específicas, que generan, como media, en torno a los 7 litros de purín/animal/día. Si se analizan detenidamente estos datos, se puede comprobar la enorme magnitud de subproducto altamente contaminante que puede presentarse en estas comarcas. La implementación completa de la Ley de Excrementos de Ganado requiere que las heces y orina del ganado sean administrados de una manera apropiada, y la introducción de planta de fermentación para obtener metano se está llevando a cabo para controlar el compostaje y asegurar el uso efectivo de energía.

Este volumen de contaminante, unido al hecho de que la mayoría de las granjas pertenecen a familias en las que la mayor parte de los ingresos proceden de esta actividad, hacen necesario el desarrollo de plantas de biogás que procesen estos purines, eliminándolos y permitiendo de esta manera que la economía social de estas zonas desfavorecidas no se vea mermada.

Las ventajas que presenta la existencia de plantas de biogás para el tratamiento de los purines de granjas son las siguientes:

• Resuelven el problema de excedentes de purines que actualmente se presenta en las zonas calificadas como vulnerables a la contaminación por nitratos.
• Los productos que se obtienen en estas plantas, principalmente agua, gases incondensables y lodos, no son contaminantes, y la mayoría de ellos pueden ser utilizados para otros usos, resolviendo de esta manera un problema de contaminación sin crear otro problema derivado.
• El proceso de tratamiento seguido permite la obtención de un producto sólido y seco, que puede ser calificado como compost, estable, fácilmente transportable y comercializable como fertilizante agrícola.
• Las instalaciones en las que se produce este proceso utilizan como combustible principal la biomasa, tratándose de un combustible limpio.
• En las plantas de biogás se obtiene un máximo aprovechamiento energético, sin llegar a producir ningún tipo de residuo, puesto que todos los productos obtenidos en el proceso pueden ser comercializados.

En este tipo de plantas de generación de energía se produce la combustión del biogás resultante de la degradación anaerobia de los purines procedentes de granjas de estabulación.
El biogás es la mezcla de productos gaseosos que se generan en la digestión anaerobia, compuestos, en su mayor parte por metano (65%), dióxido de carbono (30%), hidrógeno y otros gases (5%). Estos porcentajes son muy variables, influyendo en los mismos, las condiciones en las que se obtienen, procedencia del purín, presencia en el mismo de compuestos inactivantes del proceso, temperatura ambiente, pH de la mezcla, contenido en sólidos, tiempo de retención, etc.
Además del biogás, tras la digestión anaerobia se obtienen una serie de subproductos, con unas características internas que los hacen muy interesantes desde el punto de vista económico. Así, se obtiene agua enriquecida, que puede ser utilizada para riego, o ser vertida a cauce público tras un tratamiento previo, y fango, que, tras ser desecado y estabilizado, puede ser utilizado como compost para la fertilización agrícola, con enormes ventajas, como pueden ser su facilidad de almacenamiento y transporte, y la enorme cantidad de nutrientes que presenta.Y como ya hemos comentado anteriormente, junto a estos subproductos también se obtiene energía térmica.

El proceso seguido en este tipo de plantas se puede definir como:

• Recepción de purines. Ésta se produce en los tanques digestores, donde se producirá el proceso de digestión anaerobia. Hay que hacer constar que para el dimensionamiento de los tanques es necesario conocer el tiempo de retención del purín en los mismos. Este es un factor que puede influir considerablemente en la viabilidad del proyecto.
• Una vez producida la digestión anaerobia, se obtiene, por una parte, biogás, que, tras un proceso de filtrado, puede ser enviado al módulo de cogeneración, y de otra parte, fango, mezcla del agua presente y de la materia sólida.
• El biogás filtrado pasa a un motor de combustión, donde se genera electricidad, que posteriormente será evacuada a la red.
• Mediante un proceso de centrifugación, se puede separar la parte líquida del fango de la parte sólida, siguiendo cada una de ellas un proceso diferente.
• La parte sólida, gracias a los gases de escape y la energía térmica procedente de la refrigeración del motor de combustión, es estabilizada, eliminándole las bacterias y resto de material microbiano presente en la misma, quedando plenamente dispuesta para su utilización como fertilizante. La parte líquida puede ser filtrada para cumplir con la normativa medioambiental y poder ser vertida a cauce público, o puede ser directamente utilizada como agua de riego.

2. Digestión anaerobia a partir de lodos de depuradora. Los principales constituyentes del agua residual eliminados en las plantas de tratamiento incluyen basuras, arena, espumas y lodo. El lodo extraído y producido en las operaciones y procesos de tratamiento de las aguas residuales generalmente suele ser un líquido o líquido-semisólido con gran contenido en sólidos entre el 0,25 y el 0,12% en peso. El lodo es, por mucho, el constituyente de mayor volumen eliminado en los tratamientos. Su tratamiento y evacuación es, probablemente, el problema más complejo al que se enfrentan los ingenieros sanitarios. El lodo está formado principalmente por las sustancias responsables del carácter desagradable de las aguas residuales no tratadas. La fracción del lodo a evacuar, generada en el tratamiento biológico del agua residual, está compuesta principalmente de materia orgánica, y sólo una pequeña parte del lodo está compuesta por materia sólida.
Los lodos separados en el sedimentador primario y aquellos producidos en el tratamiento biológico deben ser estabilizados, espesados y desinfectados antes de ser retirados del sitio de tratamiento. Uno de los tratamientos que se utiliza para reducir el contenido de agua y materia orgánica del lodo, es la digestión anaerobia. Así mismo, también se utiliza para acondicionar el fango para su reutilización o evacuación final. El lodo estabilizado que se extrae del proceso tiene un bajo contenido de materia orgánica y de microorganismos patógenos vivos.
De esta manera, del mismo modo que hemos visto en el tratamiento de purines, además de obtener una solución para el tratamiento de los lodos residuales, podemos obtener biogás y energía térmica.

ESQUEMA DE PROCESO DE UNA INSTALACIÓN INTEGRADA DE DIGESTIÓN ANAEROBIA - COGENERACIÓN

La composición volumétrica de gas generado en la digestión anaerobia del lodo de aguas residuales contiene metano (65-70%), dióxido de carbono (25-30%), y muy pequeñas cantidades de nitrógeno, hidrógeno, sulfuro de hidrógeno y algunos otros gases.

Además de ser aplicado a desechos de ganado y lodo orgánico, también se puede utilizar basura de cocina. Así mismo, el proceso puede involucrar biomasa de papel y vegetal, sin embargo, tal biomasa tiene poca humedad, y puede ser manejada con otras tecnologías como combustión y gasificación. Se muestra a continuación un ejemplo de procesamiento.