Texto basado en el articulo: SOLID-STATE ANAEROBIC DIGESTION OF UNSORTED
MUNICIPAL SOLID WASTE IN A PILOT-PLANT SCALE
DIGESTER.
Por: J. Rodriguez-Iglesias, L. Castrillh, E. Marafih & H. Sastre
Una digestión anaerobia de
residuos sólidos urbanos (MSW) se llevó a cabo en un reactor a escala piloto
para estudiar la fermentación anaeróbica como sucede en un vertedero sanitario.
El reactor no fue inoculado y el RSU utilizado fue tomado del sitio vertedero COGERSA
en Asturias, España. Los experimentos se realizado en un reactor de PVC opaca a
36 + 1 ° C. Se añadió agua en la misma proporción que la da + precipitaciones
en el relleno sanitario ite. El pH de los lixiviados fue baja (5.5 a 6.1
aproximadamente) de 40 a 170 días cuando comenzó a aumentar a neutral. 2,25
litros de los lixiviados producidos (tratados previamente con NaOH y NaHCOJ hasta
300 días) fueron recirculados desde el día 120 hasta el final del experimento.
La demanda química de oxígeno de lixiviados disminuyó con el tiempo, llegando a
niveles de aprox. 2000 mg/L por el final de este estudio, los ácidos grasos
volátiles presentó un comportamiento similar: Los principales metales
encontrados en los lixiviados eran Fe, Mn y Zn. El porcentaje de metano alcanzó
un valor máximo de 66%.
Palabras clave: RSU, vertederos, tratamiento anaeróbico,
lixiviados, de gases (biogás).
INTRODUCCIÓN
Entre las diferentes alternativas
para la eliminación o el tratamiento de los residuos urbanos, vertederos
sanitarios es, probablemente, el más utilizado, debido a las ventajas económicas
y técnicas. En los rellenos sanitarios,
las condiciones anaeróbicas se alcanzan en la mayor parte de los residuos
vertidos, lo que resulta en la descomposición lenta y progresiva de la materia
orgánica presente. Una mezcla de metano y dióxido de carbono, conocido como
"gas de vertedero", es producido por las condiciones anaeróbicas. Al
mismo tiempo, la infiltración de lluvia, junto con la humedad en los residuos y
que producido por la descomposición biológica, produce lixiviados.
El problema ambiental más
importante asociado a los rellenos sanitarios está relacionado con el
cumplimiento de este lixiviado en el medio ambiente.
Si el proceso de degradación
anaeróbica alcanza la fase metanogénica tan pronto como sea posible después de
la basura ha sido vertidos, más material orgánico se transfiere a los gases y
menos en la fase líquida (lixiviados), de modo que la energía más rentable está
disponible, y menos energía y se requieren los costos para el tratamiento de
los lixiviados. Los estudios de laboratorio y planta piloto se han llevado a
cabo con el fin de observar este mecanismo en condiciones controladas.
Asturias es una región cuya población es poco más de un
millón y produce aproximadamente 360.000 t de DSM por año.
El propósito de este trabajo fue
estudiar el proceso de descomposición anaeróbica de los RSU, a la vez que
tratar de reproducir el comportamiento de un relleno sanitario en condiciones
controladas. Con este objetivo en mente, el trabajo se divide en varias etapas.
Varias cantidades de RSU con características similares se introdujeron en el
reactor en diferentes momentos, formando así las diferentes células o capas,
análogo al modo de operación habitual de un relleno sanitario. Por lo tanto,
48.5 kg de RSU se introdujeron en la primera celda, 66 kg en el segundo en la
parte superior del residuo digerido previamente en la primera celda y 59 kg en
la parte superior de las otras dos capas. En este trabajo se describe la labor
llevada a cabo en el digestor planta piloto en la primera celda.
MÉTODOS
Planta piloto: El estudio se
realizó mediante la construcción de una planta piloto se muestra en la Fig. 1
(Rodríguez-Iglesias, 1995). La planta piloto se construyó a partir de PVC opaca
con el fin de evitar posibles interacciones de una foto de la naturaleza
química. El diámetro y la altura fueron 0,5 y 2,85 m, respectivamente, y
existían la posibilidad de añadir otra unidad. Rechazar profundidad fue de 1,5
m. El equipo completo del dispositivo de distribución de agua y de recolección
de gas se estableció en la parte superior y en la parte inferior, donde había
un sistema de recogida de los lixiviados. En el sistema de recolección de gas
había un tabique con el fin de recoger muestras de gas para su análisis. Los
lixiviados se recogieron en un recipiente cerrado, y un circuito de
recirculación sus habilitadas por bombeo.
Otro circuito introduce agua en
la planta, para simular precipitaciones. Seis sondas de temperatura se
encuentran dentro de la MSW para obtener un perfil de temperaturas a lo largo
del reactor.
La temperatura de funcionamiento
del reactor 36 +,- 1° C, se mantuvo constante por medio de una camisa externa
de agua a través del cual el agua de un baño termostático circulado.
Los análisis químicos
Los parámetros analizados por los
lixiviados fueron demanda química de oxígeno (DQO), sólidos suspendidos (SS),
sólidos suspendidos volátiles (VSS): grasos volátiles ácidos (VFA): alcalinidad
total (TA.C), nitrógeno Kjeldahl, el nitrógeno amoniacal, fosfatos, contenido
de metales y el volumen de gas, así como de gas (CH4, C02)
y la composición de los residuos.
Se emplearon los métodos estándar
en su caso. Los metales se determinaron por absorción atómica. Las muestras de
lixiviado homogeneizado se trataron con mezclas de HClO, y HN03, en
una proporción de L / 10 en volumen, hasta que se obtuvo un residuo incoloro.
El equipo utilizado fue un Perkin Elmer 3110 espectrofotómetro.
El AGV se determinó por cromatografía de gases.
Los lixiviados se homogeneizaron
y se filtraron previamente y luego tratados con H3P04
(10%). El equipo utilizado fue un Perkin Elmer 8600, equipado con un detector
de ionización de llama (FID) y al 8 'columna /, lleno de 20% Carbowax- 20M + 2%
H3P04 (85%) en Chromosorb WAW 100/120. La composición del
gas también se determinó por cromatografía de gases, por medio de un
cromatógrafo Hewlett-Packard 5840, con un detector de conductividad térmica
(TCD) y una columna Porapak Q 80/100. Caracterización MSW También se determinó
siguiendo el procedimiento descrito en la parcela et al. (1994) y APHA (1989).
Procedimiento
experimental
El primer paso del proceso
experimental consistió en la recogida de los RSU a ser introducidos en la
planta piloto. La muestra elegida vino del depósito central de Asturias
(COGERSA vertedero) en 'La Zoreda' Valle, tomada en la parte delantera del
relleno sanitario, donde los residuos se fragmentó y se compacta por una
máquina de Caterpillar 826 C para relleno sanitario. Estos residuos procedían
de una estación de transferencia anterior sin reciclaje. Se obtuvo un total de
300 kg de RSM, de los cuales una muestra representativa de 48.5 kg se introdujo
en la planta piloto. Esta muestra fue similar en composición a la del vertedero
de la que había sido tomada.
El agua se introdujo todos los
días a partir de la parte superior con el fin de simular la lluvia sobre el
relleno sanitario. La cantidad de agua que se introdujo fue calculada de
acuerdo con la información meteorológica desde el mes anterior proporcionada
por el Centro Meteorológico del Hierro y el Acero de Obras, CSI Planos, AvilCs,
Asturias, situado cerca del relleno sanitario. Los lixiviados recogidos en la
parte inferior se recirculan de 120 días; cada día 2,25 1 se bombea de nuevo
sobre los residuos. Con el fin de acelerar el proceso, los lixiviados se
neutralizaron antes de su recirculación hasta el día 300, mediante la adición de
una solución de NaOH (6 M) y Bicarbonato sódico, (6 M).
Resultados y
discusión.
Caracterización de los residuos sólidos municipales.
La composición de los RSU, que se
muestra en la Tabla 1, muestra un porcentaje de materia orgánica de aprox. 52%
con la fracción de papel de 19%. Estas dos fracciones pueden ser completamente degradadas
anaeróbicamente. Los resultados del análisis de la fracción orgánica de RSU,
obtenido usando un tamiz de 25 mm, se muestran en la Tabla 2. Una alta densidad
de la fracción orgánica (DE) se observó en el MSW, en parte debido a su origen,
ya que la muestra tomada de la frente del vertedero se había sometido a varios
procesos de trituración antes de ser enterrado. Contenía 94,0% de sustancia
orgánica (residuos secos), pero un alto nivel de humedad (63,8%), ya que
Asturias es una zona muy lluviosa del norte de España.
La existencia de una cantidad
total de nitrógeno perceptiblemente mayor que el nitrógeno de amonio, indicó la
presencia de un alto nivel de proteínas en el MSW. Con respecto a los metales,
los más importantes fueron Al, Fe y Zn, que representaba más del 92% de los
metales totales; las menos abundantes fueron Cd y Cu. La aparición de metales
se debió principalmente al contacto anterior existente entre la fracción
orgánica y la fracción metálica en la estación de transferencia, así como
durante el transporte.
Lixiviados
Análisis de lixiviados inicial
para la DQO y VFA indica altas concentraciones de ambos parámetros con la mayor
parte de la DQO se atribuyen a LHE ácidos orgánicos volátiles.
El COD inicial lixiviado era muy
alta, y posteriormente disminuyó progresivamente hasta el día 150, a los
valores de aprox. 40.000 mg/l, a continuación, se mantuvo prácticamente
estable hasta concentraciones día 264. El bacalao luego disminuyó notablemente
hasta el día 375, cuando sus niveles eran aprox. 2000 mg O2/l. Los
resultados obtenidos se muestran en la Fig. 2.
Durante el mismo período, la
concentración de ácidos grasos volátiles mostró un comportamiento similar,
finalmente disminuye a niveles esencialmente por debajo de la detección. De
estos VFA el más abundante fue el ácido butírico, que inicialmente tenía un
valor de 19 g/l y cuya concentración posteriormente disminuyó hasta el día 300.
El ácido acético se ubicó en 8g/l y posteriormente disminuyó hasta 340 días
[véase la Fig. 3 (a)]. Ácido isovalérico y ácido valérico mostraron
fluctuaciones continuas hasta el día 320, y luego cayó por debajo de los
niveles de detección [véase la Fig. 3 (b)].
Las tendencias temporales de las
concentraciones de compuestos orgánicos mostraron claramente que pasar de la
fase de ácido a la fase metanogénica condujo a una disminución notable en las
concentraciones.
El pH (Fig. 4) se mantuvo estable
en aprox. 6-7 durante los primeros 40 días y luego de repente cayó a pH 5.5
hasta 6.1, y se mantuvo relativamente estable de nuevo por aproximadamente 170
días, después de que el pH se incrementó hasta el día 300 a valores de aprox.
6.5.
Durante este período, el pH fue esencialmente
controlado por las concentraciones de ácidos orgánicos volátiles. El pH luego
comenzó a aumentar a un nivel de 7,5 en el día 327. En este punto, el paso
metanogénica en el lecho de desechos era estable y robusto. En el día 350 de
las concentraciones de ácidos volátiles, en general, estaban por debajo del
límite de detección analítico y el pH del lixiviado fue controlada
principalmente por el sistema tampón bicarbonato. Es bien conocido que un pH
bajo: medio ambiente causado por la producción de ácido vigorosa en un
ecosistema vertedero inhibe el crecimiento de bacterias metanogénicas. Por esta
razón, el lixiviado se neutralizó antes de la recirculación, mientras que el pH
se mantuvo en niveles bajos. El lixiviado se recircula: promover un estado
óptimo de la humedad; para inducir un flujo de agua para proporcionar un
mecanismo para la transferencia efectiva de microbios, los sustratos segundos
nutrientes a través de la masa de residuos; y para diluir altas concentraciones
locales de inhibidores Un comportamiento similar se observó en la literatura.
Alcalinidad (Fig. 5) fue alta al
principio con valores de aprox. 14.000 mg / l, disminuyendo posteriormente
hasta aprox. 5.000 mg / l. En general, la fermentación anaeróbica de un residuo
concentrado produce más alcalinidad que hace una pérdida diluido.
El resultado del aumento en el pH
y la transformación de sulfato en sulfuro por las bacterias sulphatereducing
(sulfato es un componente importante de muchos tipos de residuos: residuos de demolición,
escorias incinerador, cenizas volantes) producido cambios en las
concentraciones de lixiviados de metal. Hierro, zinc y manganeso fueron los
metales más representativas presentes en el lixiviado. Durante las fases
iniciales, hubo un alto grado de solubilización de metal debido a valores de pH
bajos, causados por la alta producción de ácidos orgánicos volátiles, cuando
el aumento en el pH provoca un menor grado de solubilización. La variación de
los metales como una función del tiempo se muestra en la Tabla 3.
Nitrógeno amoniacal y nitrógeno
total fueron altas al principio, aprox. 1500 y 2900 mg / l, respectivamente.
Estos valores disminuyeron a valores de aprox. 600 mg / l; a partir del día 150
en adelante, la disminución del nitrógeno total a valores cercanos a la del
nitrógeno amoniacal implícita rápida degradación de la proteína. La
concentración de amoniaco fue alta en los lixiviados después de la hidrólisis y
fermentación de la fracción de proteína del sustrato biodegradable. En el
inicio de la fase metanogénica esta concentración tendió a disminuir lentamente
(ver Fig. 6).
Los sólidos en suspensión y
sólidos en suspensión volátiles estuvieron presentes en concentraciones bajas
con un comportamiento similar a la encontrada en estudios previos.
El gas de vertedero
La Figura 7 muestra la variación
de la composición del gas con el tiempo. En los primeros 10 días, el proceso
experimentó un periodo aeróbico, donde se consume el aire que entró con la MSW,
produciendo una gran cantidad de COZ y, en la práctica, no metano. El proceso
entonces comenzó un periodo dominado por el ácido CO,. Cuando aumentó la
cantidad de AGVs, éstos reaccionarían con el bicarbonato y producir CO2 y esto
cambió el gas de vertedero. A partir del día 100 en adelante, hubo un aumento
continuo de metano a 45% en el día 216. El día 235, el porcentaje de metano fue
mayor que la de C02, y, posteriormente, el porcentaje de metano aumentó a
niveles máximos de aprox. 66% en volumen.
CONCLUSIONES
Durante este trabajo se estudió
la degradación anaeróbica de MSW. Durante este proceso, se observaron
diferentes fases. La primera fase se caracteriza por la producción inicial de
CO2. Esto fue seguido por la fase de formación de ácido
caracterizado por condiciones anaerobias con alta producción de ácido volátil y
de alta COD (aproximadamente hasta 150 días), y una disminución en el pH. La
fase siguiente observó era una mezcla de fases ácidas y metanogénicas,
caracterizados por valores prácticamente constantes en el COD, de aprox. 40.000
mg 0, / l. El siguiente paso, la fermentación de metano, a continuación, se
caracteriza por una disminución en tanto el ácido volátil y concentraciones de DQO
y un aumento en el pH, así como en el porcentaje de metano. Por último, la fase
de maduración se caracteriza por una reducción sustancial en el contenido de
materia orgánica de los lixiviados. Las variaciones de la DQO y el pH del
lixiviado fueron fuertemente relacionados con la variación de los ácidos grasos
volátiles. La mayoría de las concentraciones de metales en los pasos
methanogenie y maduración resultaron ser inferiores a los de la etapa
acidogénicos.
