Optimització i modelització de processos avançats de digestió anaeròbia

Abstract

La codigestión anaeróbica es actualmente, como muestra el incremento de publicaciones, el tema más relevante en el campo de la digestión anaeróbica. La codigestión anaeróbica consiste en digerir dos o más sustratos de origen diferente, con el objetivo de compensar las carencias que los sustratos presentan cuando son digeridos individualmente. A pesar que la codigestión anaeróbica ha sido previamente estudiada, la mayoría de trabajos se han focalizado en la optimización del ratio carbono-nitrógeno o el porcentaje de cosustrato más que en analizar la influencia de la composición de la materia orgánica a digerir. Asimismo, existe poco conocimiento sobre los mecanismos sinérgicos que tienen lugar en un codigestor, aunque tales puede ser muy interesante para profundizar el conocimiento de la codigestión anaeróbica y, consecuentemente, hacer una mejor selección de los cosustratos y optimizar su dosis en el influente del digestor. Otro aspecto relevante en lo que se refiere a la viabilidad de la planta de codigestión es analizar cómo afecta la adición del cosustrato en el comportamiento del digestor y en la estabilidad del digerido.

En esta tesis, la mono- y codigestión de residuos urbanos, agropecuarios e industriales ha sido estudiada con el objetivo de profundizar en el conocimiento de esta opción tecnológica, la cual permite mejorar la viabilidad económica de las plantas y, consecuentemente, fomentar su implantación. Dentro del campo de la codigestión anaeróbica, el presente trabajo hace énfasis en lo que refiere a las interacciones entre sustratos (sinergias y antagonismos), el efecto de la codigestión sobre la calidad del digerido y su modelización. La modelización de la codigestión se ha utilizado para estimar parámetros bioquímicos necesarios para el diseño y operación de estos digestores o para predecir el comportamiento del digestor.

En los diferentes estudios de codigestión realizados: codigestión de residuos de matadero, codigestión de lodos de depuradora y glicerina, y codigestión de purín de cerdo y glicerina se ha podido quantificar que la codigestión de residuos es una opción tecnológica que permite incrementar la producción, mejorar la cinética de degradación y mitigar la inhibición de los microorganismos. Aunque el grado de mejora y los mecanismos que tienen lugar dependen de las propiedades susbtrato y cosustrato.

Anaerobic co-digestion consists of the anaerobic digestion of a mixture of two or more substrates with complementary characteristics; so that, the methane production is enhanced. The improvement is mainly a consequence of the increase of the organic loading rate; however, when possible, it is important to choose the best co-substrate and blend ration with the aim of favoring positive interactions. Today, there is very little knowledge about interactions between substrates that may enhance or attenuate inhibition, rate, or potential. Moreover, little attention has been paid to the digestate quality, although both biogas and digestate have to be managed in appropriate ways in order to make anaerobic digestion plants sustainable in the long term.

In this thesis, several anaerobic mono- and co-digestion studies have been carried out to improve the knowledge about the interaction between wastes and to analyse the effect on the digestate quality after the addition of a co-substrate. Initially, the anaerobic digestion of sewage sludge was evaluated in order to develop a methodology which could enable the obtention of parameters, coefficients and state variables for anaerobic digestion modeling, based on the Anaerobic Digestion Model No.1. The comparision between the simulation and the experimental results showed the consistency of the developed methodology, although an underestimation of the solubilisation rate was detected. Secondly, the interaction between substrates during anaerobic co-digestion were evaluated and modeled. Pure substrates (cellulose, casein and olive oil) and slaughterhouse waste (paunch, blood and dissolved air flotation fat) were used to study the role of carbohydrates, protein and lipids in the co-digestion behaviour. It was concluded that mixing substrates lead to an improvement in kinetics for all mixtures, although the ultimate methane potencial is generally not affected. Next, co-digestion of sewage sludge or pig manure and glycerol was evaluated with the aim of identifying synergism and inhibitory mechanisms when glycerol is used as co-substrate. The results showed that glycerol is an ideal co-substrate for sludge and manure digestion, being overloading the main risk of process failure. Finally, pig manure and glycerol were co-digested at mesophilic and thermophilic conditions in a continuous reactor. The improvement of the biogas production in both cases was related with the increase of the digester organic loading rate, the balance of the carbon-to-nitrogen ratio and the reduction of the free ammonia concentration. The comparison between both digestates indicated that a lower stability is expected at thermophilic than at mesophilic conditions because of the higher accumulation of intermediate compounds in the digester medium. However, the thermophilic digestate was likely to fulfil the requirements of the European hygienisation legislation for unrestricted agricultural use.