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Tratamiento del biogás

La producción de biogás como resultado de la valorización energética de los residuos con materia orgánica biodegradable está en constante crecimiento. Es una fuente de energía renovable que se puede utilizar para producir energía eléctrica y energía térmica mediante motores de cogestión o microturbinas, se puede acondicionar para su uso en las pilas de combustible e incluso se puede purificar para utilizarse como combustible para vehículos e inclusive para su inyección en la red de gas natural. Así pues, la valorización energética permite además de dar una salida ambientalmente satisfactoria a los residuos, obtener un rendimiento económico que reduzca los costes de explotación del resto de instalaciones.

La utilización del biogás para la obtención de energía se debe a su elevado contenido en metano. Una composición típica del biogás podría ser 55-70% de metano, 30-45% de CO2, 1-3% de hidrógeno, 0,5-3% de nitrógeno, 0,1-0,2% de ácido sulfhídrico y trazas de vapor de agua. No obstante, la composición concreta dependerá del sustrato a partir del cual se obtiene el biogás (aguas residuales, vertederos, residuos agrícolas y ganaderos, subproductos carbonatados de la industria, etc.), así como de los parámetros del proceso de digestión (temperatura, pH, tiempo de residencia, etc.). En ocasiones, en función de su origen, el biogás contiene elevadas concentraciones de contaminantes que impiden su aprovechamiento si no son eliminados previamente. Estos contaminantes, principalmente, son el ácido sulfhídrico, el cual se forma por reducción biológica de los sulfatos en condiciones anaerobias, y los siloxanos, una familia de compuestos que contienen silicio y que proceden del uso de los cosméticos y de las siliconas. En función del tipo de aprovechamiento del biogás que se desee realizar, se deberá eliminar algún contaminante, si no todos. En la tabla se muestran los contaminantes que deben ser eliminados del biogás en función de la aplicación de éste.

Tratamiento del biogás

Tal y como se puede deducir de la tabla, el tratamiento del biogás será específico en función del tipo de aprovechamiento que se desee realizar y de los contaminantes presentes. A continuación se analiza para cada tipo de contaminante cuándo se debe eliminar y qué técnica es la más conveniente:

Ácido sulfhídrico (H2S)
Se trata de un compuesto muy oloroso, tóxico y corrosivo. Debe ser eliminado antes de que el biogás entre en contacto con los motores de cogeneración, las microturbinas (aunque éstas toleran concentraciones mayores que los motores) o las pilas de combustible. Además, su combustión genera SO2, el cual es uno de los causantes principales del fenómeno de la lluvia ácida.
Para atenuar la formación de este contaminante, se pueden dosificar sales férricas en el digestor, produciendo la precipitación del sulfuro y reduciendo así la formación de ácido sulfhídrico. No obstante, la técnica más competitiva incluso cuando la carga es elevada es la desulfuración biológica, por su elevada eficiencia y sus bajos costes de explotación. Otra opción es el lavado químico mediante scrubbers, es una técnica eficiente pero no tan económica como la alternativa biológica, además de que presenta el inconveniente de haber de tratar con productos químicos.

CO2

No se trata de un contaminante propio del biogás, puesto que es inocuo para la mayoría de aplicaciones. Sin embargo, éste debe ser separado cuando interesa disponer de metano concentrado, bien para su uso como combustible para automóviles o bien para su inyección en la red de gas natural. Una de las formas más sencillas de separar el CO2 consiste en su absorción en agua. Tanto el H2S como el CO2 quedan retenidos mientras que el metano no, debido a las diferencias de polaridad entre las dos primeras moléculas y la de metano, que es bastante apolar. La solubilidad del CO2 en agua depende de la presión, de la temperatura y del pH. Para acabar de eliminar completamente el CO2, esta etapa puede ser complementada con una precipitación del H2S y del CO2 con Ca(OH)2, obteniendo CaCO3 y CaS.

Agua

A la salida del digestor el biogás está saturado de vapor de agua y para la mayoría de aplicaciones será necesario secarlo. Para ello, se puede refrigerar la tubería y el agua se recoge condensada. Si se desea una eliminación total del vapor de agua, se puede absorber mediante un agente desecante, sílica gel o Al2O3.

Siloxanos

Se trata de una familia de compuestos de silicio los cuales están en forma de vapor en el biogás. En parte cristalizan formando sílice, la cual causa una gran abrasión en los equipos mecánicos. Se separan del biogás mediante adsorción con carbón activo, obteniendo una elevada eficiencia y reduciéndolos hasta niveles de ppb(v).

En los filtros de carbón activo también quedan adsorbidos los BTEX, hidrocarburos y compuestos halogenados que pueda contener el biogás.

Cuando se desea metano con un poder calorífico (PCI) similar al del gas natural, existe una alternativa de purificación consistente en la filtración por membrana. El gas a purificar fluye a través de una membrana selectiva y en función de la diferente permeabilidad de la membrana a los distintos compuestos, éstos van permeando y el metano se va enriqueciendo. El diseño de la membrana es el más adecuado para la separación selectiva de diferentes gases, principalmente CO2 y metano. La purificación es efectiva aunque existe cierta pérdida de metano junto al CO2 separado, además de que son sistemas caros.

Así pues, mediante diferentes técnicas, consolidadas y eficientes, se puede realizar el tratamiento más conveniente del biogás de manera que éste se adecúe a las condiciones necesarias para su posterior aprovechamiento.

 

Valorización de residuos

valorización de residuosEn 2010, la producción media de residuos sólidos urbanos en los países europeos se situaba en torno a los 502 kg por habitante, de acuerdo con los datos publicados por Eurostat. La gestión de los residuos es sin duda uno de los principales retos con los que se encuentran las sociedades más adelantadas, dado su progresivo incremento en la producción y su impacto ambiental, económico y social.

La mayor parte de estos residuos continúan actualmente teniendo como destino final el vertedero, aunque sea ésta la opción menos sostenible a nivel ambiental. No obstante, la tendencia es a ir reduciendo esta práctica en favor de alternativas más interesantes, tanto des del punto ambiental, como económico. La Directiva marco de residuos, de 2008, introduce una jerarquía de gestión de los residuos, en la que las opciones indicadas de mayor a menor prioridad son: prevención, reutilización, reciclado, valorización material y energética y, finalmente, eliminación de los residuos. Razonablemente, la primera opción se basa en reducir la generación de residuos, ya sea desincentivando la comercialización de artículos de un sólo uso, limitando el uso de plásticos, potenciando la devolución de los envases de vidrio, etc. En segundo lugar, la mejor opción es la reutilización, que se podrá llevar a cabo en función del producto concreto (envases, cartuchos de tóner, bolsas de la compra, ropa, etc.). En ocasiones, no se puede reutilizar el producto tal cual, pero sí que se puede reciclar para que sea apto para otro uso distinto; es el caso del papel o del vidrio. Si todas estas alternativas no son factibles, antes del depósito de los residuos en un vertedero, la única vía sostenible de sacar algún provecho económico, es la valorización de los residuos. La valorización puede ser material o energética. La valorización material consiste en la utilización del residuo como materia prima de otro proceso. Es el caso de las escorias de altos hornos, los escombros procedentes de la demolición de edificios, etc. que se utilizan en la producción de cemento, al contener los minerales presentes en las materias primas tradicionales. La valorización energética es otra vía de sacar partido de los residuos, utilizándolos para la obtención de energía renovable a la vez que se soluciona un problema ambiental.

Existen diferentes tecnologías de valorización energética, los cuales se pueden clasificar en procesos biológicos y procesos térmicos. Los primeros podrán ser aplicados cuando el residuo posea una importante fracción biodegradable. En cambio, los procesos térmicos serán viables cuando el poder calorífico del residuo, que se mide mediante el poder calorífico inferior (PCI), sea medio o alto. Los procesos de valorización energética más utilizados son los siguientes:

1. Vertido y aprovechamiento del gas de vertedero

Con la normativa vigente no es aconsejable considerar esta alternativa como una opción viable, puesto que cada vez la cantidad de residuo biodegradable depositado en vertedero es menor. No obstante, es conveniente aprovechar la energía del gas de vertedero, a pesar de los inconvenientes técnicos (poder calorífico variable, presencia de numerosos contaminantes en el gas, condiciones agresivas para los motores de cogeneración o las microturbinas, etc.).

2. Biometanización

Mediante un proceso de digestión anaerobia la fracción biodegradable del residuo es transformada en biogás y lodos digeridos. El biogás es una mezcla de dióxido de carbono, metano y otros gases minoritarios (H2S, etc.), el cual, después de un proceso de lavado, puede ser utilizado para producir energía eléctrica mediante un proceso de cogeneración. La energía calorífica residual del proceso puede ser recuperada y, en parte, utilizada para concentrar las aguas residuales que se generan, mediante un proceso de evaporación-concentración al vacío. El resultado será un agua de alta calidad y un residuo muy concentrado.

3. Pirolisis

Se trata de un proceso térmico consistente en la transformación de la materia orgánica en otros compuestos más fáciles de tratar, el cual se lleva a cabo a elevada temperatura (entre 500 y 900 ºC) y en ausencia de aire. Se obtiene un gas con un elevado PCI (mezcla de hidrógeno, monóxido de carbono, metano, etano, etileno, etc.), aunque parte de la energía que se obtiene del gas se debe invertir en el propio proceso de pirolisis, el cual es endotérmico. Además del gas, también se produce un sólido carbono, coque, el cual se elimina mediante un proceso de incineración anexo al proceso principal de pirolisi.

4. Gasificación

Consiste en un proceso térmico en el que se lleva a cabo una combustión parcial de la materia en defecto de oxígeno. Se produce un gas combustible, el gas de síntesis, el cual su composición varía (mezcla de hidrógeno, monóxido de carbono, agua e hidrocarburos ligeros) en función del residuo y de las condiciones de operación. El gas de síntesis debe ser limpiado para poder ser aprovechado posteriormente. También se generan unos sólidos, alquitranes y cenizas, que deben ser incinerados. El gas de síntesis puede ser utilizado para la producción de energía eléctrica mediante motores de combustión o microturbinas, puede ser transformado en un combustible líquido que se puede emplear como sustituto del gasoil, puede ser inyectado en la red de gas natural si se separa previamente el CO2 y los restos de oxígeno, y también puede utilizarse el hidrógeno que contiene en una pila de combustible para la generación de electricidad. Se trata de una opción muy interesante, eficiente y en la que se continúa investigando.

5. Combustión con exceso de oxígeno (Incineración)

Proceso térmico rápido en el que se produce una combustión completa y se acaba oxidando la materia a dióxido de carbono y agua. Para que la materia reaccione con el oxígeno produciendo energía debe contener carbono, hidrógeno o azufre. Se trata de la tecnología mayormente empleada para la valorización energética.

Así pues, los sistemas de valorización energética de residuos son una opción sostenible para la gestión de los residuos, además de que permiten ahorrar energía y posibilitan reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Cada vez hay mayor número de tecnologías disponibles que hacen que una gran variedad de residuos de todo tipo puedan ser sometidos a un proceso de valorización energética.

 

Reutilización de lodos extraidos en aguas residuales como fertilizantes

lodos fertilizantesLa depuración de aguas consiste en extraer las sustancias contaminantes, con el fin de obtener agua en condiciones aptas para su consumo (potabilización), o en el caso de aguas residuales para adecuarla a la normativa de vertido vigente. Durante este proceso, que se realiza en plantas depuradoras de aguas residuales, también se generan unos lodos que son reguladas bajo una legislación específica. Estos lodos, a su vez, también pueden ser depurados, lo que permite su reutilización en actividades agrícolas, ya sea como abono o para compostaje.

Su uso está regulado por la Unión Europea a través de una directiva cada vez más restrictiva. Ante un posible endurecimiento, la industria busca alternativas compatibles con los usos actuales, es decir, que permitan seguir dando salida comercial a este subproducto. Pero, hay que tener en cuenta que los lodos provenientes de la depuración de aguas residuales pueden contener gérmenes patógenos y parásitos peligrosos para el ser humano como es el caso de la salmonella, la Escherichia coli , el áscaris, etc. Por ésta razón es imprescindible tratar el lodo antes de ser usado.

Se han publicado estudios que han demostrado que la incorporación de cal viva a estos lodos elimina los patógenos. La adición de cal al lodo reduce olores y el nivel de patógenos al crear un pH alto que es hostil a la actividad biológica. Los gases que se desprenden durante la descomposición anaeróbica de la materia orgánica contienen nitrógeno y azufre y son la fuente principal de malos olores de lodo. Cuando se añade la cal los microorganismos que intervienen en la descomposición son fuertemente inhibidos o destruidos en ese medio fuertemente alcalino. Los patógenos pasan por un proceso similar.

Durante el proceso de tratamiento de lodos mediante cal viva es necesario mantener el pH por arriba de 12, por un tiempo mínimo de 2 horas, para asegurarse la destrucción de los patógenos y proporcionar la suficiente alcalinidad residual para que el pH no descienda a menos de 11. Permitiendo, así, el tiempo suficiente para almacenamiento o disposición del lodo estabilizado. La cantidad de cal necesaria para estabilizar el lodo está determinada por el tiempo del mismo, su composición química y la concentración de sólidos. A grosso modo, el rango va desde el 6 hasta el 51%. Teniendo en cuenta que los lodos primarios son los que menos cantidad de cal requieren y los lodos activados los que mayor cantidad emplean.

Existen otros métodos de tratamiento de lodos, como: la digestión aeróbica y anaeróbica, pero el tratamiento con cal proporciona mayores ventajas a la hora de reutilizarlo, ya que nos da mayor volumen de producto aprovechable además de proporcionarles los terrenos ácidos la neutralización necesaria sin costo extra.

La alta dosificación de cal también afecta a las características físicas y químicas del lodo. Estas reacciones provocan una disminución del nitrógeno, que actúa como limitante para la cantidad de lodo que puede aplicarse al terreno, por lo que permite una mayor cantidad de lodo por unidad de superficie, al mismo tiempo mejora la capacidad de perder humedad y el carácter de los fluidos de líquido secundarios.

Otra ventaja de este sistema es que puede ser una buena alternativa cuando se necesita un respaldo para otro método de tratamiento de lodos, ya que el sistema de estabilización por cal puede iniciarse y finalizarse rápidamente. Por lo que, puede suplementar instalaciones ya existentes cuando el volumen de lodos excede los niveles de diseño, para reemplazar la incineración cuando hay escasez de combustible o cuando se estén llevando a cabo labores de mantenimiento.

Para resumir, este método de tratamiento de lodos es más económico que otros métodos, también constituye un medio eficaz y seguro para eliminación final de los lodos, evitando los riesgos para la salud humana y los daños ambientales. Una vez los lodos han sido tratados y estabilizados pueden ser descargados con toda seguridad. Resultan ideales para la agricultura, ya que su fuerte contenido en cal hace de él un abono de calidad ideal para suelos ácidos, que contiene materias orgánicas y fertilizantes.

Evaporación al vacío para el tratamiento del digestato de purines

El siguiente video muestra el proceso de valorización y tratamiento de purines procedentes de cerdo y vaca.

La primera parte nos muestra como el purín es mezclado con biomasa y transformado en biogás en un biodigestor. Posteriormente, este biogas es transformado en energía electrica en un combustor.

Tras este proceso de valorización se obtiene un efluente no vertible debido a su alta concentración de sales de amoniaco, conocido como digestato. Dicho digestato es tratado en un evaporador al vacío, que permite recuperar un 97% de agua limpia por una parte, y por otra un concentrado que puede ser convertido nuevamente en fertilizante estabilizado en un deposito de compostaje.