Compostaje en planta piloto de lodos y biorresiduos generados en Castilla-La Mancha

Resumen

La necesidad de gestionar los biorresiduos generados en Castilla-La Mancha mediante un tratamiento, que cumpla con las propuestas de la legislación vigente y que prioriza las técnicas térmicas y biológicas frente a las de eliminación, dio lugar al planteamiento de una investigación dirigida a estudiar el proceso de compostaje como técnica de valorización para biorresiduos típicos de la zona. Para la investigación se seleccionaron tres tipos de biorresiduo con elevada tasa de generación en esta comunidad autónoma. Estos biorresiduos fueron el alperujo de aceituna, residuos de la industria de producción del vino (como las lías y el orujo) y lodos de estaciones depuradoras de aguas residuales urbanas. Como material estructurante común para los experimentos se seleccionó el carrizo (Phragmites Australis) por ser un tipo de planta muy abundante en los humedales manchegos. El objetivo principal de esta investigación ha sido estudiar el proceso de compostaje de estos biorresiduos, por separado o mediante mezclas entre ellos, para establecer las condiciones que permiten la degradación de los mismos en un tiempo más reducido, a la vez que se obtiene un compost de la mayor calidad posible. Para alcanzar dicho objetivo, el programa de trabajo se centró en los siguientes puntos a tratar: - Estudiar el compostaje de biorresiduos por separado, o mezclados (co-compostaje) en un reactor de tambor giratorio cerrado, a escala planta piloto, equipado con los necesarios dispositivos de control. - Desarrollar y aplicar una técnica experimental basada en la respirometría electrolítica para la medida de la estabilidad del compost. - Modelizar la degradación aerobia de los biorresiduos a diferentes temperaturas, para lo cual se llevaron a cabo experimentos en discontínuo a escala laboratorio. - Simular el proceso de degradación del carbono durante un modelo en planta piloto a partir de los datos de temperatura y el modelo cinético obtenido anteriormente. A continuación se resume cada una de las cuatro etapas. Compostaje en planta piloto Se puso a punto una instalación de compostaje a escala planta piloto consistente en un tambor giratorio, equipado con una línea de suministro de aire, y dispositivos para la medida y control de las principales variables del proceso. Se caracterizaron los residuos originales y se realizaron experimentos de compostaje, con los residuos por separado o combinándolos (co-compostaje) entre ellos. Se midió la evolución de las características del residuo sólido y del gas de salida de los reactores. En general, todos los experimentos presentaron un buen comportamiento, con subida rápida de la temperatura y mantenimiento de las condiciones aerobias en la mayoría de los casos. La combinación de varios biorresiduos resultó beneficiosa al complementarse las características entre varios de ellos y dando lugar a mezclas cuyo compostaje resultó más eficaz. La combinación de los dos residuos de origen vegetal con el lodo en diferentes proporciones (experimentos 4 a 9) resultó beneficiosa al equilibrar la relación C/N y añadir biomasa activa al proceso. En el caso del uso de alperujo, se presentaron problemas únicamente cuando la proporción de este residuo en la mezcla era elevada. Esto se debe a la elevada pastosidad, a la humedad y a la presencia de aceites residuales en este residuo, propiedades que lo hacen menos poroso y más problemático a la hora de mantener las condiciones aerobias en la mezcla. Las mezclas que mayor degradación presentaron fueron las mezclas E3, con proporción 2:1 (lodo:estructurante); E4, con proporción 3:4:1 (alperujo:lodo:estructurante) y E5, con proporción 1,4:2:1 residuos del (vino:lodo:estructurante), con porcentajes de carbono degradado respecto a la masa total inicial entre el 23,3% y el 27,7%. El grado de humificación que presentaron todos los experimentos fue bajo, dando lugar a lo que se denomina un compost fresco. Se comprobó que retirar la aireación y dejar en reposo el compost obtenido durante un tiempo permitía un aumento considerable en el grado de humificación del mismo, ya que los valores de índice de humificación medidos se duplicaron tras 90 días en reposo. La mezcla entre residuos resultó ser una buena técnica para compensar el contenido en metales pesados de los diferentes residuos. Las mezclas utilizadas en este trabajo, dieron lugar a compost con contenidos en metales pesados inferiores a los límites requeridos en el RD 824/2005. Determinación de la estabilidad del compost mediante respirometría electrolítica En esta etapa de la investigación se pretendía normalizar un procedimiento para la determinación de la estabilidad de un residuo o un compost mediante respirometría electrolítica. Para ello se puso a punto un método experimental en el que se determinaron previamente las condiciones óptimas de temperatura, cantidad de muestra, diámetro de partícula y duración del test para llevar a cabo las medidas. A continuación se aplicó dicho método a muestras de biorresiduos tomadas a diferentes tiempos durante los experimentos de compostaje en planta piloto y se calcularon dos índices de respiración (IR24 y AT4). La evolución de los índices de respiración de las muestras a lo largo del tiempo de compostaje que llevaban las mismas presentó una tendencia exponencial decreciente de primer orden. Además se observó una relación lineal entre ambos indicadores. La comparación de los valores obtenidos para el compost final y los valores límite sugeridos para ambos parámetros como indicadores de estabilidad ofrecía diferente interpretación en función del índice calculado. En el caso del IR24, los valores obtenidos para los compost finales fueron inferiores en todos los casos al límite que se propone para un compost estable, mientras que los valores obtenidos mediante el AT4 para los mismos experimentos eran, para algunos de los compost obtenidos, superiores al límite sugerido con este índice para la denominación de un compost estable. Esto se debe a que el consumo de oxígeno que presenta un compost mediante la técnica respirométrica utilizada en este trabajo, que aporta oxígeno en función de la demanda, es superior al obtenido en un método puramente estático en el que no hay aporte de oxígeno, pero algo inferior a un método puramente dinámico que aporte un flujo contínuo de oxígeno. Por ello, resulta difícil decidir el índice de referencia para este tipo de técnica de medida. La similitud entre el modo de consumo de oxígeno de éste método experimental y el modo de consumo de oxígeno que presenta el compost cuando es aplicado a un suelo, permite sugerirlo como alternativa a los métodos puramente estáticos o puramente dinámicos. Cinética de la biodegradación aerobia de biorresiduos. Efecto de la temperatura. En esta etapa se pretendía obtener un modelo cinético que predijera la evolución de la concentración de carbono durante el proceso de degradación aerobia de un biorresiduo en fase sólida. Para ello se utilizó una instalación a escala laboratorio con reactores que trabajasen a temperatura constante, con el fin de obtener datos cinéticos. Para la obtención del modelo cinético se seleccionaron las mezclas de residuos de los experimentos E3, E4 y E5 que habían presentado una buena evolución en los experimentos de compostaje en planta piloto. Se realizaron los experimentos a cuatro temperaturas diferentes 25º C, 40º C, 50º C y 60º C, lo que supuso un total de 12 experimentos. A partir de los resultados obtenidos, se propusieron dos modelos cinéticos para la degradación del carbono. El primero fue el modelo 2C que tenía en cuenta una fracción de carbono biodegradable y otra inerte, y el segundo fue el modelo 3C que subdividía en dos la fraccion de carbono biodegradable (una fácilmente biodegradable y otra lentamente biodegradable). A partir del ajuste de los resultados experimentales a los modelos, se obtuvieron datos de las constantes cinéticas de biodegradación del carbono a diferentes temperaturas. El modelo 3C dio lugar, de forma general, a mejores correlaciones además de poseer mayor sentido físico debido a la diferente accesibilidad de las diferentes fracciones de carbono presentes en las mezclas. Por otro lado, este modelo precisaba de un mayor conocimiento previo de las fracciones de carbono presentes en el residuo, de modo que, en función de los datos previos disponibles, se puede optar por emplear un modelo u otro. La forma de la curva obtenida para describir la dependencia de la constante cinética con la temperatura fue la típica de un proceso microbiano, con aumento exponencial hasta temperaturas de entre 56-70º C, que es el óptimo de temperatura, y descenso posterior rápido cuando empieza a cobrar importancia la desactivación térmica. Los valores de temperatura óptima obtenidos para la degradación de la fracción lentamente biodegradable en el modelo 3C fueron siempre ligeramente inferiores a los obtenidos para la fracción fácilmente biodegradable, lo cual está relacionado directamente con las temperaturas óptimas de desarrollo de los microorganismos responsables de la degradación de cada fracción. Simulación matemática de la degradación del carbono en el compostaje a escala piloto. En esta etapa se utilizó el modelo cinético obtenido en el apartado anterior para simular la evolución de la concentración de carbono en los experimentos de compostaje a escala planta piloto y compararla con los datos experimentales, teniendo en cuenta en este caso que el compostaje es un proceso a temperatura variable, por lo que fue necesario utilizar las ecuaciones que relacionan las constantes cinéticas con la temperatura. Se obtuvieron correlaciones bastante buenas para los experimentos E3, y E5, y peores en el caso de E4, donde el modelo sobreestimaba la velocidad inicial de biodegradación. Las diferencias observadas entre el modelo y los datos experimentales se achacaron principalmente a las diferencias de escala y a las diferencias en el dispositivo de experimentación, donde variables como el tamaño de partícula, la difusión del aire en el reactor y el efecto de secado afectaron de diferente forma en cada escala. A pesar de ello, la predicción en la degradación del carbono obtenida mediante los modelos fue bastante cercana a la evolución real de los experimentos, con lo que se consiguió validar el modelo cinético obtenido en laboratorio.