Technical-environmental assessment of the anaerobic digestion process applied to fruit and vegetable waste generated in markets from mediterranean countries

Resumen

El rápido crecimiento de la población en los países Mediterráneos, unido al aumento del consumo per cápita, ha ido acompañado de un importante incremento de la producción de frutas y verduras asociado a un aumento sustancial de la generación de residuos. Los residuos de frutas y verduras (FVW, de inglés Fruit and Vegetable Waste) se generan no sólo durante la producción y la cosecha, sino también en grandes cantidades durante la cadena de distribución, donde entre el 18 y 30% del volumen que llega acaba desperdiciado como FVW. En muchos países Mediterráneos, los mercados abiertos o mayoristas representan una fuente importante de generación de FVW. La producción y la composición de los FVW generados en estos mercados varían considerablemente en función de la estación del año. El almacenamiento de los productos antes de su venta en el mercado también puede influir en la generación de los FVW. Las frutas y verduras se degradan rápidamente debido a su elevada humedad y a la materia orgánica fácilmente biodegradable que contienen, es decir, principalmente azúcar y hemicelulosa y, en menor medida, celulosa, lignina y otros nutrientes. La putrefacción de los FVW puede incluso acelerarse cuando muestran signos de daños mecánicos o están demasiado maduros. Otro factor influyente sería el clima de la zona ya que, dependiendo de la temperatura ambiente, la putrefacción del producto podría acelerarse. A pesar del reto que supone la gestión de los FVW, los residuos de FVW también podrían ser una oportunidad para los mercados mayoristas. Dado que en estos mercados se genera una cantidad considerable y bien localizada de FVW, es factible llevar a cabo una recogida selectiva de dichos residuos. Por lo tanto, sería una excelente oportunidad para desarrollar tecnologías de gestión más eficientes y acordes con la naturaleza de los residuos a tratar. En la actualidad, la forma más habitual de eliminar los residuos sólidos orgánicos, incluidos los FVW, en estos países sigue siendo el depósito en vertedero, a pesar de los impactos medioambientales que conlleva. El metano de los vertederos, generado por la degradación anaeróbica incontrolada de la materia orgánica depositada, está clasificado como la tercera mayor fuente de emisiones antropogénicas de metano a la atmósfera, representando aproximadamente 800 millones de toneladas de CO2 equivalente al año. El gas producido, compuesto principalmente por CO2 y CH4, suele emitirse a la atmósfera. En los últimos años, se han propuesto tecnologías como el compostaje, la incineración, la pirólisis, la digestión anaerobia y los tratamientos enzimáticos, entre otras, para tratar los FVW generados en los mercados mayoristas comúnmente utilizados para otros residuos orgánicos como los residuos agroindustriales o los residuos alimentarios. Entre ellas, la digestión anaerobia (DA) podría considerarse una tecnología madura y respetuosa con el medio ambiente para la conversión de residuos en energía. Aun así, esta tecnología no está muy desarrollada en algunas zonas, y todavía quedan algunos aspectos por tratar que podrían facilitar su expansión en dichas zonas. Debido a la importancia de desarrollar métodos de gestión sostenibles y viables para el tratamiento de los residuos sólidos orgánicos generados en todo el mundo, incluso en zonas con capacidades económicas limitadas, la Comisión Europea concedió el proyecto “Employing Circular Economy Approach for OFMSW Management within the Mediterranean Countries (CEOMED)” a través de la convocatoria competitiva ENI CBC Mediterranean Sea Basin program 2014-2020. En este proyecto se estableció como objetivo clave “desarrollar soluciones para la recogida selectiva y la valorización de los residuos de componentes orgánicos adaptadas específicamente a las necesidades de los mercados abiertos o mayoristas de la región mediterránea, concretamente, Ammán (Jordania) y Sfax (Túnez)”. La presente tesis doctoral ha sido financiada por el proyecto CEOMED, realizando la investigación necesaria para alcanzar los objetivos específicos descritos en el proyecto. Por lo tanto, esta tesis doctoral se planteó como una evaluación técnico-ambiental del proceso de DA como alternativa para la gestión y el tratamiento de los FVW generados en los mercados de los países mediterráneos. En el Capítulo 1 se presenta una descripción más amplia del contexto y las motivaciones de la presente tesis doctoral. Como punto inicial de la investigación, en el Capítulo 2 se realizó una revisión bibliográfica para evaluar el estado del arte en la evaluación del estado transitorio durante el proceso de DA de los residuos sólidos orgánicos. Esta revisión bibliográfica recoge los avances científicos y estrategias propuestas sobre cómo los sistemas de DA pueden enfrentarse a variaciones en la concentración o composición de la materia prima, similares a los FVW generados en los mercados. La estacionalidad de la materia prima ha sido poco estudiada en el proceso de DA, siendo una fuente potencial de perturbaciones para su estabilidad. Esta podría ser una de las principales limitaciones para la DA de los FVW. El Capítulo 3 evalúa cómo los cambios estacionales en la composición de los FVW influirían en la producción de metano en una amplia gama de sustratos de tamaño de partícula, es decir, 4, 6 y 10 mm. El rendimiento de metano osciló entre 298 y 465 mL CH4 por gramo de sólidos volátiles. La mezcla de primavera mostró la mayor producción de metano con el mismo tamaño de partícula que las mezclas de otoño/invierno y verano. En cambio, la producción de metano de la mezcla de primavera disminuyó con la reducción del tamaño de las partículas. Las mezclas con el tamaño de partícula más pequeño tuvieron la mayor tasa de producción de metano. Después de determinar el potencial metanogénico de los sustratos variables generados a lo largo del año en el capítulo anterior, los Capítulos 4 y 5 se han centrado en la evaluación de la estabilidad y robustez a largo plazo de la DA de los FVW generados en los mercados mayoristas Mediterráneos. Este tipo de estudio es necesario antes de implementar la tecnología, ya que permite determinar los posibles retos y limitaciones derivados de la acumulación de compuestos durante la operación a largo plazo. En el Capítulo 4 se evaluó la estabilidad y robustez de diferentes tamaños de partículas variando la velocidad de carga orgánica (VCO) a lo largo del tiempo experimental. A lo largo de la experimentación, se estudió la variación de la población microbiana y la identificación de los compuestos volátiles en correlación con la variación de la VCO. Un aumento brusco de VCO provocó la desestabilización del proceso, causando un gran impacto en la producción de metano. El incremento de VCO también se relacionó con la acumulación de fenchona, un compuesto monoterpénico con propiedades antibacterianas y antimicrobianas presente en las hojas de hinojo y zanahoria, así como otros monoterpenos menores. Estos compuestos monoterpénicos podrían tener un efecto tóxico sobre la población microbiana responsable de la degradación del FVW en metano. Por esta razón, en el Capítulo 5, además de evaluar los cambios estacionales del sustrato, se evaluó el efecto del perfil de los compuestos monoterpénicos de la materia prima en el proceso de DA a largo plazo. Los resultados han demostrado que el sistema puede ser lo suficientemente flexible como para hacer frente a los cambios de composición de la materia prima con un proceso de adaptación gradual adecuado. La acumulación de compuestos monoterpénicos en relación con el tamaño de las partículas del sustrato alimentado también parece influir fuertemente en la actividad microbiana La reducción de los compuestos monoterpénicos en la materia prima permitió mejorar o recuperar el comportamiento del proceso de DA. Así, se puede concluir que los monoterpenos tienen un alto potencial inhibidor de la actividad microbiana, por lo que es esencial controlar sus niveles de concentración cuando los digestores anaeróbicos se alimentan con sustratos que contienen estos compuestos. Debido a la relación entre la acumulación de monoterpenos y un impacto negativo en la actividad microbiana observada en los capítulos anteriores, así como la falta en la literatura de datos cuantitativos y fiables sobre el potencial inhibidor de estos compuestos en los procesos de DA, en el Capítulo 6 se llevó a cabo un estudio comparativo del efecto tóxico de los compuestos monoterpénicos identificados en las materias primas utilizadas en los capítulos anteriores. El efecto tóxico del limoneno, el principal monoterpeno estudiado como compuesto tóxico en la DA, se comparó con el efecto tóxico de (1) la fenchona, como dos de los principales monoterpenos de las biomasas vegetales, y (2) varios compuestos descritos como metabolitos de la degradación del limoneno en ambientes anaeróbicos, es decir, el 4-terpineol, el α-terpineol y el p-cimeno. La velocidad máxima de producción de metano se redujo debido a la adición de todos los compuestos monoterpénicos en todas las concentraciones ensayadas, lo que demuestra que la actividad de los microorganismos podría verse afectada, aunque el coeficiente de producción de metano permanezca estable. Los valores de IC50 se estimaron en 495, 380, 340 y 160 mg L-1 para la fenchona, el limoneno, el p-cimeno y el 4-terpineol, respectivamente, lo que supone una mayor toxicidad para los metabolitos que para el compuesto precursor. Por último, en el Capítulo 7 se realizó una evaluación medioambiental. La evaluación medioambiental proporciona información valiosa acerca de si la tecnología propuesta es técnicamente viable y ambientalmente sostenible. Para ello, se han calculado y comparado los impactos ambientales del ciclo de vida de dos escenarios de gestión y tratamiento de residuos de FVW en el mercado mayorista de Ammán: el escenario actual, es decir, la eliminación en vertedero; y un escenario alternativo, o sea, el tratamiento mediante DA unido a un proceso posterior de compostaje. La evaluación de los impactos ambientales ha demostrado que el escenario propuesto para el tratamiento de los FVW por DA con un proceso de compostaje posterior tendría un impacto ambiental mucho menor que el escenario actual de eliminación en vertedero.