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.