Valorización sostenible de lodos y residuos agroalimentarios para la producción de hidrógeno, metano y biofertilizante: transición a la economía circular

Los principales retos de la sociedad actual son la lucha contra la contaminación, el cambio climático y las emisiones de gases efecto invernadero asociadas, principalmente, a la creciente demanda energética mundial. La búsqueda de soluciones sostenibles ha supuesto un importante foco de investigación para la búsqueda de fuentes energéticas alternativas a los combustibles fósiles. Además, aún siguen sin resolverse los problemas ligados a la generación incontrolada de residuos orgánicos de diferentes procedencias. Así, por un lado, la creciente implementación de plantas de tratamiento de aguas residuales ha conllevado al aumento en la generación de lodos de depuradora difíciles y costosos de gestionar por dichas plantas. Por otro lado, en Andalucía y, concretamente, en la comarca de Jerez de la Frontera, el sector vitivinícola genera grandes cantidades de desechos procedentes de la producción del vino. Asimismo, otro sector generador de residuos en auge lo componen las granjas y explotaciones avícolas debido a la creciente demanda de exportación cárnica. Estas instalaciones generan grandes cantidades de estiércol avícola que requieren una adecuada gestión previa a su aplicación al suelo. La presente Tesis Doctoral propone un tratamiento conjunto de lodos de depuradora y residuos agroalimentarios (vinazas de vino y estiércol avícola). El proceso seleccionado para este fin ha sido la digestión anaerobia aplicada mediante diferentes tecnologías: procesos monoetapa y sistemas con separación simultánea de fases de temperatura y de microorganismos. Esta última tecnología requiere dos digestores conectados en serie: en el primer digestor se fomenta la hidrólisis/acidogénesis del sustrato para generar biohidrógeno, mientras que en segundo se opera en condiciones metanogénicas para la obtención de biometano y biofertilizante. Adicionalmente, se analizan diferentes temperaturas de operación, termofílica y mesofílica, de forma que se optimice tanto la generación de H2 y CH4 en el biogás como la producción de un digestato de características adecuadas para su uso como biofertilizante. El estudio y optimización de estas tecnologías anaerobias permitirá la gestión simultanea de tres desechos generados en el entorno cercano a la comarca del Jerez, solucionando el problema ambiental derivado de la generación de los mismos y generando, fruto del proceso, productos de gran valor añadido tales como biohidrógeno, biometano y biofertilizante. Con ello se consigue cerrar el ciclo productivo y enfocar el problema desde el prisma de la economía circular. La presente Tesis Doctoral se presenta como compendio de nueve publicaciones científicas en las cuales se recogen los resultados obtenidos en cada etapa experimental desarrollada. Se comienza con un análisis bibliométrico del estado del arte de la digestión anaerobia (recogido en la revista International Journal of Hydrogen Energy), seguido de la exposición y análisis de los resultados más relevantes obtenidos en el desarrollo de cada etapa de experimentación a escala de laboratorio (7 publicaciones científicas en revistas de alto impacto en el sector). Adicionalmente, se incluye una publicación en la que se analiza la viabilidad tecno-económica de la tecnología anaerobia para la co-digestión anaerobia de lodos y residuos agroalimentarios en tres diferentes escenarios. Los primeros ensayos experimentales abordados tienen como objetivo determinar la proporción óptima de estiércol avícola que habría que añadir al lodo de depuradora y a la vinaza para generar biogás, así como los rangos de temperatura de operación más apropiados en cuanto a producción de biohidrógeno y biometano. Las mezclas de sustratos analizadas consisten en proporciones de lodo y vinaza (50:50) y diferentes proporciones de estiércol avícola. Las mezclas en las proporciones seleccionadas, se someten a test normalizados de potencial de biodegradación para la obtención de biohidrógeno o biometano, según el caso, a diferentes temperaturas operativas. Concretamente, se estudia el potencial bioquímico de hidrógeno (BHP) de las mezclas en tres rangos de temperatura diferentes (mesófilico (35ºC), termofílico (55ºC) e hipertermofílico (70ºC). Adicionalmente se desarrollan estudios paralelos para identificar el potencial bioquímico de metano (BMP) en rango mesofílico. Los resultados obtenidos muestran que la proporción de lodo:vinaza:estiércol avícola óptima es 49.5:49.5:1, con el máximo rendimiento de hidrógeno (27,10 mLH2/gSV) en rango de temperatura termofílico. Para los otros rangos de temperatura estudiados, la producción de hidrógeno es prácticamente nula. Con los efluentes procedentes de los ensayos de fermentación ácida de la etapa anterior se configuran nuevos test para identificar el potencial bioquímico de metano de cada efluente ácido operando en rango mesofílico. Los resultados experimentales indican que el máximo rendimiento de metano se alcanza con el efluente procedente de los test BHP operando en rango hipertermofílico, llegando a alcanzar valores 117,00 y 113,00 mLCH4/gSV para las mezclas lodo:vinaza (50:50) y lodo:vinaza:estiércol avícola (49,5:49,5:1), respectivamente. En cambio, los tests BMP desarrollados con el efluente ácido de los tests BHP en rango termofílico presentan menores valores, con un máximo de 52,05 mLCH4/gSV para la mezcla con estiércol avícola en proporción 49,5:49,5:1 lodo:vinaza:estiércol avícola. El análisis cinético de los resultados experimentales pone de manifiesto que la producción de hidrógeno se ajusta al modelo de Cone mientras que los datos experimentales de producción de metano se ajustan al modelo de Gompertz modificado. Estos ensayos permitieron el desarrollo de tres artículos científicos, de los cuales dos se encuentran publicados en la revista científica Journal of Hydrogen Energy y otro bajo revisión en la revista Journal of Cleaner Production. Posteriormente, y en base a estos resultados, se diseñan nuevos experimentos en régimen de alimentación semicontinuo a escala de laboratorio utilizando reactores de tres litros. Estos ensayos permiten optimizar el funcionamiento del proceso de co-digestión de lodo y vinaza así como de la tri-digestión lodos+vinaza+estiércol avícola en rango mesofílico para diferentes tiempos hidráulicos de retención (THR). Asimismo, se llevan a cabo estudios paralelos para optimizar los procesos de digestión en fases separadas termofílico-acidogénico y mesofílico-metanogénico del proceso de tri-digestión de lodo, vinaza y estiércol avícola. Los rangos de temperatura seleccionados son consecuencia de los resultados previos, en los que la mayor producción de hidrógeno se registraba para temperaturas termofílicas. El estudio y análisis comparativo de los principales resultados del estudio abordado para los procesos monoetapa ha sido publicado en la revista internacional Fuel. Los resultados indican que la tecnología de tri-digestión anaerobia en rango mesofílico, operando con una mezcla de sustratos de lodo, vinaza y estiércol avícola en proporción 49.5:49.5:1 es la que obtiene la mayor eficiencia depurativa en base a demanda química de oxígeno total (DQOT) (51%), sólidos volátiles (SV) (57%) y rendimiento de metano (262,00 mLCH4/gSV). Además, un análisis de patógenos pone de manifiesto la ausencia de patógenos en el efluente digerido, por lo que las condiciones de operación ensayadas consiguen la higienización del efluente haciéndolo apto para su catalogación como biosólido clase A según la Agencia de Protección Ambiental de EEUU (US EPA). Las dos siguientes publicaciones recogen los resultados obtenidos en las etapas de optimización de las fases termofílica-acidogénica y mesofílica-metanogénica de forma individual. Para ello, se abordan ensayos a diferentes THR (10, 8, 6, 5, 4 y 3 días) hasta observar desestabilización de los sistemas, correspondientes a tasas de carga orgánica (OLR) aplicadas de 2,93; 3,48; 4,62; 6,18; 6,82 y 7,75 gSV/L/d. Para cada THR se evalúan los rendimientos de generación de biohidrógeno y biometano, las eficacias depurativas, actividad microbiana y concentración de patógenos. Los resultados obtenidos indican que el THR para una operación óptima de la fase acidogénica es de 5 días, mientras que para fase metanogénica es de 12 días. Así, la primera fase termofílica-acidogénica se alcanza un valor de rendimiento de hidrógeno máximo de 40,41 mLH2/gSV con una actividad microbiana 5,64e-11LH2/cells para el THR de 5 días. En la etapa mesofílica-metanogénica, la máxima eficiencia de depuración de SV (56%) y el máximo rendimiento de metano registrado (391,00 mLCH4/gSV) se obtiene a 12 días-THR con la mayor eliminación de patógenos en el efluente. Estas condiciones permiten obtener un efluente que cumple con las especificaciones para ser clasificado como biosólido clase A según la US EPA. Es interesante resaltar la correlación positiva que se establece entre el aumento de OLR aplicada al sistema y el aumento de la actividad microbiana en el mismo. Estos estudios han permitido la elaboración de dos artículos científicos de los cuales uno se encuentra bajo revisión en la revista científica Biomass and Bioenergy y el otro fue publicado en la revista Chemical Engineering Journal. Los siguientes estudios abordados en régimen semicontinuo de co-digestión de lodo, vinaza y estiércol avícola a escala de laboratorio van dirigidos a realizar un estudio comparativo del funcionamiento de las tecnologías seleccionadas: co-digestión anaerobia convencional en una sola etapa y dos diferentes rangos de temperatura (termofílica y mesofílica) y co-digestión anaerobia con separación de fases y de temperatura. Las condiciones que se analizan son las óptimas de operación para los procesos monoetapa (13 días-THR) y para el proceso con separación de fases (20 días-THR). Los resultados obtenidos mostraron que la separación de fases acidogénica-metanogénica y 20 días-THR presenta beneficios tales como una mayor eficiencia depurativa medida como DQOT (65%), siendo este valor un 26% y 17% superior a los datos obtenidos en condiciones el proceso monoetapa termofílico y mesofílico respectivamente. La eficacia de eliminación de SV alcanza el 90%, mientras que los reactores monoetapa arrojan valores de 41% y 43% de eliminación de SV, para las condiciones termofílica y mesofílica, respectivamente. Asimismo, se registra un mayor rendimiento de metano (320,00 mLCH4/gSV) al que hay que sumar la obtención de biohidrógeno en la primera fase del proceso. En conclusión, la tecnología con separación de fases de temperatura y microorganismos supone una mejora tecnológica a considerar por las estaciones depuradoras que pretendan mejorar su eficacia energética. Los resultados de este estudio fueron publicados en la revista científica Fuel. Finalmente, con el fin de comprobar la viabilidad de la implementación de esta tecnología, se lleva a cabo un estudio tecno-económico que abarca a las tres condiciones de co-digestión anaerobia estudiadas (co-digestión anaerobia mesofílica monoetapa, termofílica monoetapa, y co-digestión anaerobia con separación de fases de temperaturas y de microorganismos) aplicando herramientas de estudio de rentabilidad económica de cara a su implementación a escala industrial. El estudio confirma la viabilidad tecno-económica del proceso de separación de fases, mostrando los mejores datos de rentabilidad en su implementación a escala industrial frente a la co-digestión anaerobia en una sola etapa. Los resultados de este estudio se recogen en la novena publicación científica en la revista Internacional Journal of Environmental Management que forma parte de esta Memoria de Tesis Doctoral.