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Category : Lixiviados y gestión de residuos

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Biometanización de RSU (Residuos sólidos urbanos)

La biometanización es un proceso en el que una selección natural de microorganismos descompone mediante una digestión anaerobia la materia orgánica, en ausencia de oxígeno, en biogás y un residuo sólido estabilizado (aproximadamente, la mitad en peso que el residuo de partida). El biogás, que es una mezcla de metano, dióxido de carbono y otros gases minoritarios, puede ser utilizado como combustible puesto que, si bien su composición depende de la materia orgánica digerida, la riqueza en metano suele estar entorno al 60%.

A pesar de que el proceso de digestión anaerobia se estudia desde a mediados del siglo pasado, su aplicación para el tratamiento de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos (FORSU) es relativamente reciente. De hecho, la implantación de la recogida selectiva de residuos, con la separación de la fracción orgánica, ha sido una de las causas que han empujado al desarrollo de nuevas vías de tratamiento. La FORSU se caracteriza por tener una elevada humedad, por lo que salidas típicas como la incineración o la disposición en vertedero no son las más adecuadas.

Así pues, los tratamientos más interesantes para la fracción orgánica son dos: la biometanización y el compostaje, con sus respectivas variantes. La ventaja principal que presenta la primera técnica en relación a la segunda es el hecho de que se trata de una tecnología que no sólo no consume energía, sino que la produce. Además, se trata de una energía renovable que contribuye a la disminución de la producción de gases con efecto invernadero. Este balance energético obviamente tiene un impacto positivo en los costes de explotación. Además, la digestión anaerobia es una tecnología especialmente adecuada para el tratamiento de residuos sólidos con un grado de humedad alto y que requiere un equilibrio de nutrientes menos estricto que el compostaje. Esto hace que en el caso de falta de disponibilidad de residuos de origen vegetal, la digestión anaerobia pueda ser técnicamente más adecuada. En contraposición, el proceso de biometanización es más complejo, porque necesita más etapas de proceso desde que la fracción orgánica entra en planta. Esto repercute en una mayor inversión inicial para su implantación.

En el proceso de biometanización se ha comprobado que en la mayoría de casos se produce mayor cantidad de biogás, y con una riqueza más elevada de metano, si el sustrato a digerir es una mezcla de FORSU y lodos de EDAR, lo que se conoce como codigestión. Los lodos de EDAR son una fuente muy importante de nutrientes y además en una proporción muy equilibrada.

El proceso de biometanización se inicia con la alimentación del sustrato orgánico (FORSU, lodos de EDAR o una mezcla de ambos) en el digestor anaeróbico, el cual opera con un tiempo de residencia en torno a 20-25 días. Del digestor salen dos efluentes, uno gaseoso, el biogás; y el otro líquido, el fango digerido con un 5% de concentración en peso. El fango digerido, ya estabilizado, puede ser utilizado en aplicaciones agrícolas como fertilizante (compost), una vez esté deshidratado. En el proceso de deshidratación, normalmente mediante filtración o centrifugación, se consigue concentrar hasta alrededor de un 25-35% de sequedad. La fracción líquida obtenida en la deshidratación deberá ser tratada correctamente, puesto que su carga, sobretodo en nitrógeno y fósforo, es elevada. Una alternativa es tratar esta corriente mediante un proceso biológico de depuración, el cual necesitará de la adición de una fuente de carbono externa para permitir el crecimiento de la biomasa. Otra opción, aún más sostenible, consiste en concentrar la fracción líquida de la deshidratación mediante un proceso de evaporación al vacío, aprovechando la energía térmica residual producida en la transformación del biogás en electricidad (cogeneración). El biogás suele ser utilizado para producir electricidad mediante motores de combustión o bien microturbinas.

En ambos casos, fruto de la producción de la energía eléctrica, se produce un calor residual que es necesario eliminar. Este calor puede ser utilizado eficientemente para precalentar el sustrato de entrada al digestor y así mantener éste trabajando constantemente a la temperatura óptima de operación (36 ºC en la digestión anaerobia mesofílica y entre 45 ºC y 65 ºC en el caso de la termofílica) a la vez que para evaporar el agua de la fracción líquida de la deshidratación. Como resultado de esta evaporación-concentración se obtiene un residuo prácticamente seco, con una reducción en peso en torno al 75%, y una corriente de agua de gran pureza.

Así pues, la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos puede ser revalorizada mediante una planta de biometanización, sostenible y energéticamente autosuficiente. Esta planta puede ser diseñada y explotada de manera que transforme la FORSU en compost, el cual tiene salida en aplicaciones agrícolas, energía eléctrica, apta para ser vendida a la red general eléctrica, y agua de elevada pureza.

Biometanización de RSU

Tratamiento de lixiviados de vertedero

lixiviados de vertederoA pesar del fomento de la regla de las tres erres (3R) – reducir, reutilizar y reciclar –, la realidad es que el volumen de residuos generados en los 34 países que componen la OECD, Organisation for Economic Co-operation and Development, (www.oecd.org/) –la mayoría de los países europeos, Chile, México, USA, Canadá, Japón y Australia entre otros– aumenta cada año. Consecuentemente, al aumentar la cantidad de residuos generados, se hace necesaria la implantación de nuevos vertederos, con las derivadas medioambientales negativas que esto supone: producción y descarga de gases de vertedero que puede provocar fuertes olores, contaminación ambiental y atmósferas explosivas, aparición de inconvenientes de carácter sanitario, principalmente insectos y roedores, y el vertido incontrolado de los lixiviados que puede causar la contaminación de suelos y de aguas, tanto superficiales como subterráneas.

La normativa vigente de los diferentes países establece que los lixiviados se deben recoger, controlar y tratar de la manera más adecuada, en función de sus características físicas y de su composición química. No obstante, en función del país varía la exigencia en el tratamiento de los lixiviados antes de que éstos, ya tratados, puedan ser vertidos al medio natural. Por ejemplo, la normativa de vertido a cauce natural es más restrictiva en España que en la mayoría de los países latinoamericanos.

La composición química de los lixiviados de vertedero depende del tipo de vertedero, de la cantidad de aguas pluviales que penetren en el vaso del vertedero, así como del período de explotación del mismo. Así pues, en los lixiviados de vertederos jóvenes (1-2 años) el pH es bajo (4,5-7,5) y las concentraciones de DQO, DBO5, nutrientes y metales pesados son altas. En cambio, en verteros maduros (más de 3 años), se observa que los lixiviados tienen un pH en el rango (6,5-7,5) y los valores de DQO, DBO5 y nutrientes se han reducido sustancialmente. Otra constante es la presencia de elevada presencia de nitrógeno amoniacal y de sales disueltas (sulfatos, cloruros, bicarbonatos, etc). También se detecta a veces una significante concentración de metales pesados. La biodegradabilidad (entendida como la relación entre DBO5 y DQO) disminuye con la edad del lixiviado. Por tanto, los lixiviados que proceden de vertederos de poca edad presentan una alta biodegradabilidad y pueden ser tratados adecuadamente mediante un proceso biológico. Y al revés, vertederos maduros producen lixiviados poco biodegradables los cuales deben der tratados mediante procesos físico-químicos. Por otro lado, cuando la cantidad de aguas pluviales que se infiltran en el vertedero es elevada, la carga contaminante de los lixiviados –incluyendo las sales– es más baja aunque el caudal total a tratar sea superior.

Cuando la normativa de vertido a cauce público es más exigente, la tendencia es a utilizar tecnologías avanzadas para el tratamiento de los lixiviados generados en el vertedero. Estas tecnologías, que suponen un coste más elevado tanto en inversión como en operación que procesos más convencionales, propician que los vertederos posean mecanismos para que la infiltración del agua de lluvia sea mínima.

Las técnicas utilizadas suelen ser un sistema biológico mediante sistemas secuenciales (SBR), así como reactores a membranas (MBR), seguidos de un proceso de membranas de ósmosis inversa, que producen un efluente de elevada calidad. El rechazo del proceso de membranas, que se gestiona externamente, a menudo acostumbra a generar unos sobrecostes bastantes elevados. Una opción sostenible para reducir considerablemente estos costes consiste en minimizarlos mediante evaporadores al vacío, se puede alcanzar un residuo prácticamente seco que se puede depositar en algunos casos en la celda de “residuos impropios” del vertedero. En algunas ocasiones el biogás que se produce en el vertedero por la acción anaerobia de la degradación de los residuos orgánicos, es aprovechado para generar energía eléctrica mediante motores de cogeneración, la energía térmica en cambio no es aprovechada y se pierde a la atmosfera. En otras ocasiones el biogás no se aprovecha y simplemente se quema en antorchas. En ambos casos es posible recuperar la energía térmica utilizándola en forma de agua caliente (90ºC) para su uso en evaporadores al vacío, esto permite tratar de una manera eficiente y económica los lixiviados sin necesidad de ningún sistema adicional. Los evaporadores extraen el agua (destilado) del lixiviado que tiene una elevada calidad que permite cumplir con los niveles más exigentes de vertido.

Cuando la normativa de vertido a cauce público no es tan restrictiva, los tratamientos convencionales que tradicionalmente se han utilizado en la depuración de aguas residuales – procesos biológicos – pueden ser utilizados en el tratamiento de lixiviados de vertedero. Entre los diferentes procesos biológicos aplicables, una opción eficiente son los biorreactores de membrana, ya que éstos se pueden diseñar expresamente en función de las características de los lixiviados a tratar y permiten tratar elevados caudales en sistemas relativamente compactos. Al ser los costes de explotación razonables, estas técnicas son idóneas para aquellos casos en que la cantidad de aguas pluviales que se mezclan con los lixiviados son elevadas.

No obstante, cuando el caudal de lixiviados a tratar es pequeño y se dispone de suficiente espacio, una alternativa muy sostenible es la fito-remediación, que consiste en la depuración mediante un cultivo de plantas. Esta técnica aprovecha las funciones vitales de las plantas cultivadas, generalmente, la caña común (reed beds), para biodegradar y estabilizar el residuo. Las plantas consumen los nutrientes de los lixiviados, a la vez que actúan como filtro natural, y el residuo acaba mineralizándose con el tiempo. En estos sistemas el parámetro clave es la velocidad de irrigación, que aunque el valor óptimo depende de muchos factores, el promedio está alrededor de 50 m3•ha-1•dia-1. Los sólidos en suspensión, la materia orgánica, el nitrógeno amoniacal y algunos metales como el hierro se reducen en un elevado porcentaje y mediante una técnica sencilla y de bajo coste.

Para la depuración de lixiviados de vertedero se están utilizando desde hace tiempo diversas técnicas, algunas de ellas bastante exóticas (oxidación química, electrocoagulación-electroxidación, etc) pero algunas presentan diversos inconvenientes de gestión así como poca capacidad para adaptarse a los cambios de composición química estacional (seca-húmeda) que se producen por el efecto de aportación de agua de lluvia o por el envejecimiento del vertedero. En líneas generales los procesos más utilizados usan diferentes combinaciones de tratamientos biológicos y físico-químicos. Los caudales a tratar, la carga contaminante, así como los límites de la normativa de vertido son los parámetros que acabarán determinando si un proceso biológico convencional puede ser suficiente, o bien habrá que recurrir a técnicas más completas, como un proceso de filtración mediante membranas de ósmosis inversa posterior al proceso biológico. En este caso, existen técnicas sostenibles para reducir eficientemente el volumen de residuo generado en el proceso de tratamiento, como puede ser el caso de una etapa de evaporación-concentración al vacío.

Por último cabe destacar que existen trabajos de R&D encaminados a obtener de este residuo líquido (lixiviado) diversos subproductos valorizables como fertilizantes que mediante su venta permitirían una gestión optima del proceso desde el punto de vista económico y para el medio ambiente.

Desulfuración del biogás mediante procesos biológicos: una alternativa eficiente, económica y sostenible

digestion anaerobiaTanto en las plantas de tratamientos de residuos sólidos y líquidos (plantas de biometanización) como en las estaciones depuradoras de aguas residuales se produce un gas que es una mezcla de metano, dióxido de carbono y demás impurezas, llamado biogás. Como el contenido en metano del biogás está entorno al 50-70%, aparte de que no puede ser liberado a la atmosfera por su alto potencial contaminante (es uno de los principales gases del efecto invernadero), su elevado poder calorífico hace que sea interesante aprovecharlo para producir energía eléctrica (cogeneración). Así pues, la producción y reutilización del biogás permite que este tipo de instalaciones sean cada vez más autosuficientes a nivel energético.

No obstante, uno de los mayores impedimentos para la utilización del biogás para la producción de energía eléctrica viene dado por la naturaleza de las impurezas que acompañan al biogás. El sulfuro de hidrógeno (H2S) es una de las sustancias que contaminan el biogás con mayor frecuencia y en mayor cantidad. Es un compuesto corrosivo que ataca tanto la obra civil de las instalaciones donde se produce como los equipos encargados de producir la energía eléctrica. Su concentración en el biogás puede variar entre 1.000 y 20.000 ppmv (partes por millón en volumen) mientras que para poder ser utilizado en sistemas de cogeneración de energía eléctrica no puede contener concentraciones de H2S superiores a unas 400 ó 500 ppmv.

Las técnicas de desulfuración utilizadas hasta la actualidad se basan en la oxidación química del sulfuro de hidrógeno en unas torres de lavado (scrubbers), conectadas en serie. En una primera etapa, con una solución ácida (H2SO4) se produce una neutralización y posteriormente, en la segunda etapa, mediante una solución alcalina de NaClO y NaOH se produce la oxidación química. Esta opción conlleva unos elevados consumos de reactivos además de presentar dificultades técnicas debido a la presencia de otras especies químicas (carbonatación del CO2).

La alternativa a la solución tradicional es la eliminación del H2S mediante un proceso íntegramente biológico. Se utilizan filtros percoladores en los que en la superficie del material de relleno del filtro se forma una biopelícula integrada por bacterias sulfuro-oxidantes, es decir, microorganismos especializados en la oxidación de compuestos reducidos de azufre, proceso del cual obtienen la energía necesaria para su crecimiento. Estos biorreactores permiten eliminar el H2S con un coste de explotación enormemente bajo, sin la utilización de reactivos químicos (ventaja económica, de seguridad y ambiental) y ofrecen una elevada y sostenida eficacia de eliminación. Aunque el proceso sea biológico, estos sistemas se han demostrado muy estables operando durante largos periodos de tiempo y se adaptan a la variabilidad de la carga de contaminante a degradar. Para la puesta en marcha del biofiltro percolador, la opción eficaz y más sencilla consiste en inocular con licor mezcla del reactor biológico de una estación depuradora de aguas residuales urbanas. En un espacio de tiempo relativamente rápido se produce una selección de los microorganismos a favor de los sulfuro-oxidantes y se puede obtener un alto rendimiento de eliminación a la semana de haber inoculado, siempre en función de las cargas a tratar.

Los costes de inversión de un proceso biológico de desulfuración en comparación al sistema químico son ligeramente inferiores a favor del primero. No obstante, donde la diferencia es muy notable es en los costes de explotación, ya que no se utilizan reactivos químicos y no se producen apenas residuos. Este factor hace que sea viable económicamente reconvertir los sistemas tradicionales químicos en biológicos.

Tratamiento de lixivados de vertedero mediante evaporadores al vacío

La siguiente infografía muestra un proceso de tratamiento de lixiviados en un vertedero de RSU

En ella podemos ver dos procesos:

  • Un proceso antiguo que combina un tratamiento biológico con ósmosis inversa (color rojo).
  • Un proceso nuevo que añade una etapa de evaporación al vacío y un stripping al proceso antiguo (colores rojo y azul).

Los resultados del nuevo proceso mejoran sustancialmente los del antiguo, ya que se recupera una cantidad mucho mayor de agua limpia, que puede ser vertida cumpliendo con las normativas. Además se obtiene un concentrado de residuo mucho más pequeño, lo cual se traduce en importantísimos ahorros en la gestión de dicho residuo.

La inversión necesaria para la instalación del nuevo proceso se amortiza en tan sólo 1 año  y 2 meses, permitiendo obtener grandes ahorros económicos a partir de ese momento.

Tratamiento de lixiviados