DIGESTION ANAEROBICA DE RESIDUO SOLIDO GENERADO EN

DIGESTION ANAEROBICA DE RESIDUO SOLIDO GENERADO EN RESTAURANTE INOCULADO CON
LODO DE REACTOR UASB
Vázquez Catelli Virginia, Duarte Leite Valderi, Povinelli Jurandyr
Escola de Engenharia de São Carlos - Universidade de São Paulo
Av. Dr. Carlos Botelho, 1465, CEP: 13560-250, São Carlos, SP. Brasil
Una gran variedad de estudios realizados hasta el momento confirman la posibilidad de tratar mediante
digestión anaeróbica residuos sólidos municipales y residuos sólidos agrícolas. A partir del éxito obtenido
con estos residuos surgió la idea de desenvolver este estudio, utilizando como substrato residuo sólido de
alimentos. Este substrato tiene una fracción importante de matéria orgánica, lo que permite esperar una
capacidad de degradación rápida y correspondientemente una alta producción de gas. Se utilizaron frascos
de suero de 2 litros de capacidad y se mantuvieron a 35ºC de temperatura. Fueron aplicadas cuatro cargas
orgánicas diferentes (25, 75, 92 y 160 gr ST.Litro-1 de reactor) y fue estudiada la adición de inóculo
metanogénico en dos proporciones diferentes (20% w/w en los tres reactores menos cargados y 50% w/w
en el más cargado). El período de operación fue de 251 días. El arranque de los reactores se dio en
relación directa con la carga aplicada. La producción de metano fue mayor en el reactor con carga inferior
(0,5 N m3 CH4 .Kg-1 DQO) y en los otros reactores la producción fue en media 0,015 N m3 CH4 .Kg-1 DQO.
Palabras clave: digestión anaeróbica, residuos sólidos, residuo de restaurantes
INTRODUCCION
Según GHOSH & LALL (1988), tradicionalmente la digestión anaeróbica era aplicada para tratar
suspensiones diluidas (1-5% ST) o material particulado (lodo primario o lodo activado). Durante la crisis
energética de los años 70, creció el interés por producir metano a partir de residuos sólidos a los efectos de
utilizarlo como energía substitutiva del petróleo. Inicialmente, los estudios fueron encarados hacia la
trituración y dilución del residuo sólido para preparar el lodo a ser utilizado en la digestión convencional,
conocida como etapa simple. Debido a los inconvenientes que representaba este proceso (necesidad de
grandes volúmenes de reactor y de grandes volúmenes de agua, gasto de energía para calentar los
digestores, bombear lodos, secar y realizar la disposición final de efluentes, entre otros) que lo hacian
inviable económicamente, surgió el interés por digerir substratos sólidos con concentraciones elevadas de
sólidos totales. A partir de entonces, fueron desarrollados varios procesos considerando residuos secos
agrícolas (JEWELL et al, 1982) y residuos sólidos municipales ( PFFEFER, 1974; SIX & DE BEARE, 1991;
TEN BRUMMELER, 1993), tanto en sistemas continuos como de tipo batch. Los buenos resultados
obtenidos con este tipo de residuos llevó a investigar la digestión anaeróbica de residuo sólido de
alimentos.
Gran parte de los residuos de alimentos son generados en mercados, ferias, centros de enseñanza,
hospitales, industrias alimenticias y restaurantes, siendo estos de alto contenido de materia orgánica. El
residuo utilizado en este estudio es del restaurante universitario de la Escola de Engenharia de São Carlos.
Allí se realiza separación previa de papel y plástico, por lo que es un residuo altamente biodegradable. Este
aspecto es importante desde el punto de vista del arranque de los reactores, ya que una alta carga inicial
puede llevar a un desequilibrio entre la producción y el consumo de ácidos, con el consiguiente colapso del
reactor. El objetivo de este estudio fue evaluar la influencia de diferentes cargas orgánicas aplicadas al
tratamiento anaeróbico de residuos sólidos de comida, con la adición de inóculo metanogénico. Se trabajó
con cargas orgánicas variando de una concentración de sólidos totales de 25 gr ST.Litro-1 de reactor (2%
ST) hasta 160 gr ST.Litro-1 de reactor (20% ST), a los efectos de tener una idea aproximada del
comportamiento de un residuo con características de alta biodegradación frente al aumento en la
concentración de sólidos totales.
MATERIALES Y METODOS
El residuo sólido fue obtenido en el restaurante universitario de la Escola de Engenharia de São CarlosUSP. Fue colectado en el área de preparación de comidas (restos triturados, hojas, aceites, cáscaras, etc),
y a partir de los restos no consumidos por los comensales. Este residuo no incluye restos de papel y
plástico. Una vez transportado hasta el laboratorio, se dejó el residuo al sol para eliminar el exceso de agua
superficial, se trituró hasta conseguir un masa homogénea y se tamponó progresivamente. Los reactores
fueron cargados cinco días después de su trituración.
Los reactores consistieron en cuatro frascos de suero de 2 litros, con capacidad útil de 1,6 litros,
herméticamente cerrados. Se mantuvieron a 35ºC de temperarura. El substrato fue tamponado con
bicarbonato de sodio en una proporción de 84 mg NaHCO3.gr -1substrato seco. Se emplearon cuatro cargas
orgánicas diferentes variando de 25, 75, 92 a 160 gr ST.Litro-1de reactor, con concentración de sólidos
totales variando respectivamente de 2%, 8%, 12% y 20%; y sólidos volátiles variando respectivamente de
89%, 88%, 88% y 85%. Se utilizó como inóculo lodo granular de reactor de manta de lodos UASB,
proveniente de una cervecería. Para los reactores con menor carga la relación inóculo/substrato fue 0,2 y
para el más cargado la relación fue 0,5. El motivo por el cual la proporción de inóculo fue mayor para el
reactor más cargado fue evitar una posible acidificación, provocada por la rápida degradación del residuo.
El sistema utilizado fue del tipo batch.
La composición de biogas fue medida en cromatógrafo a gas de marca Gow-Mac. Se midió la producción
de gas volumetricamente. Se realizaron análisis de sólidos totales y volátiles, DQO, pH, ácidos volátiles y
alcalinidad tanto del material de entrada como del material residual, después de abiertos los reactores.
RESULTADOS Y DISCUSION
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
244
202
181
160
139
90
119
80
65
45
31
10
2%ST
8%ST
12%ST
20%ST
1
% metano
En la figura 1 se muestran los porcentajes de gas metano obtenidos en cada frasco, a lo largo de 251 días
de operación.
tiempo (dias)
Figura 1: Porcentajes de metano en los frascos
La producción de metano comenzó en el reactor con concentración de 2% ST, a los dos días de iniciada la
operación. El siguiente fue el de 8% ST a los 8 días. Tanto para el reactor de 12% ST como para el de 20%
ST , la producción comenzó cerca del día 30, lo que lleva a pensar que fue favorable el incremento en la
proporción de inóculo para el reactor más cargado, ya que disminuyó su tiempo de arranque.
Con 70 días, el reactor con concentración de 8% ST, alcanzó 40% de metano, llegando a su máxima
proporción a los 90 días (80% de metano). A los 120 días tanto el reactor de 12% ST como el de 20% ST
llegaron a producir 40% de metano, sin embargo el primero llegó a su máxima producción (69% CH4) a los
146 días y el segundo a los 244 días (69 % CH4). Por último, el reactor a 2% ST llegó a producir 40% de
metano a los 150 días y alcanzó su máxima proporción a los 210 días (80% CH4).
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
251
209
188
167
146
126
94
83
69
52
33
19
2%ST
8%ST
12%ST
20%ST
0
producción de metano en mL
En la figura 2 se presenta la producción acumulada de metano en mL. La máxima producción fue del
reactor de 2% ST, con 4400 mL, seguido por el reactor de carga 20% ST con 3100 mL, luego siguieron los
reactores a 12% ST y 8% ST con 1730 y 1400 mL respectivamente. La producción en términos de volumen
acumulado de metano fue más baja de la esperada a partir de los valores de DQO obtenidos en los análisis
realizados al residuo de alimentación (tabla 1).
tiempo (días)
Figura 2: Producción de metano en mL
La diferencia más marcante fue que para al reactor de 20% ST, la producción acumulada de metano fue
siempre creciente, y para el reactor menos cargado (2% ST) fue practicamente estable hasta los 150 días,
aumentando rapidamente a partir de ese día. Para los otros dos reactores el aumento fue progresivo.
De los análisis practicados al residuo al inicio de la operación (alimentación de los reactores) y al residuo
remanente, al final de la operación (descarga de los reactores), resultó la tabla 1. También se muestran los
valores obtenidos del análisis del lodo utilizado como inóculo.
Se observa que los valores de pH de la descarga para los tres reactores con carga mayor son inferiores a
6, sin que esto afecte la alta proporción de metano en el gas producido. Tal vez sea este factor el que haya
influido en la baja producción volumétrica de gas obtenida hasta el momento de la descarga de los
reactores, posiblemente, si el tiempo de operación fuese mayor, se produzca un aumento repentino en la
producción de gas metano, como ocurrió con el reactor de 2% ST (figura 2).
Tabla 1: Análisis del residuo de alimentación (ali.), del residuo remanente (rem) y del lodo inoculado
-1
Carga
pH
pH
ST% STV%
DQO* DQO*
Biogas
LCH4.kgDQO .d
aplicada
ali.
rem.
ali.
rem.
producido
grSV.L-1
Nm3CH4.kg-1
25
5,1
7,7
2
88
9
1
0,490
2,3
75
5,1
5,7
8
88
89
16
0,015
0,07
92
4,9
5,7
12
89
132
11
0,013
0,06
160
5
5,8
20
85
216
28
0,014
0,07
LODO
6,8
8
86
86
.
DQO* en gr.reator-1
CONCLUSIONES
La fracción orgánica de residuo sólido de restaurante presenta alto contenido de matéria orgánica
(aproximadamente 88% STV), lo que presumiblemente le proporciona características de rápida
degradación, con una consiguiente intensa producción de ácidos. Se requiere entonces, cautela en la
elección de las cargas orgánicas a ser aplicadas, para evitar un posible colapso del sistema debido al
desequilibrio producido entre la producción y el consumo de ácidos. En este experimento, el arranque de
cada reactor fue en relación directa con el aumento de concentración de sólidos totales, partiendo primero
el que presentaba concentración menor (2% ST). Sin embargo, éste demoró más de 200 días para alcanzar
una proporción de 80% de metano en el gas producido, mientras que el reactor con 8% ST fue el primero
en alcanzar 80% de metano (90 días). Otro factor interesante a tener en cuenta es, que la adición de
inóculo metanogénico en proporción mayor para el reactor con concentración de sólidos totales superior
(20% ST) pareció ser relevante, ya que permitió su arranque en un período de tiempo igual que el reactor
con 12% ST. Será necesario efectuar estudios posteriores, a fin encontrar condiciones óptimas de
operación de los sistemas para digerir anaeróbicamente este tipo de residuo, intentando disminuir los
tiempos en que se llega a la máxima proporción de metano y los tiempos de arranque para los sistemas
con concentraciones altas de sólidos totales. Para ello, posiblemente sea necesario realizar la alimentación
de los sistemas en forma paulatina, esto es comenzar por cargas orgánicas bajas los primeros días de
operación y, aumentar la carga cada determinado número de días. De esta manera se obtendria una mejor
adaptación del sistema a cargas mayores. Debe tenerse en cuenta la adición de inóculo metanogénico así
como también la adición de un agente tamponador.
REFERENCIAS
GHOSH S. AND LALL V., (1988). Kinetics of anaerobic digestion of solid substrates. In: 5th International
Symposium on Anaerobic Digestion. Bologna, Italy.
JEWELL,W.J., (1982). Dry Anaerobic Fermentation of Agricultural and High Strength Wastes. In: D:W:
Hughes et al (eds), Elsevier Biomedical Press, Amsterdam. P.151-1
PFEFFER, J. T. (1974). Temperature Effects on Anaerobic Fermentation of Domestic Refuse. Biotechnol.
Bioeng. 16:771-787.
SIX, W.; DE BAERE, L. (1991). Dry Anaerobic Conversion of Municipal Solid Waste by Means of the
DRANCO Process. In: 6th Inter International Symposium on Anaerobic Digestion. São Paulo, Brazil.
TEN BRUMMELER, E. (1993). Dry Anaerobic Digestion of the Organic Fraction of Municipal Solid Waste.
The Netherlands. 192p. Tesis (Doctorado). Wageningen Agricultural University, Wageningen.