Estudi de les emissions gasoses en processos biològics de valorització material de residus sòlids. Caracterització de l’emissió de compostos orgànics volàtils

Abstract

El creixement econòmic mundial viscut durant la segona meitat del segle XX, ha provocat un gran increment en la generació de residus. És per això que les darreres polítiques europees defineixen l’objectiu de tractar un mínim del 50% dels residus municipals mitjançant el reciclatge abans de l’any 2020. En el cas dels residus orgànics biodegradables, aquest reciclatge o valorització s’aconsegueix principalment mitjançant processos biològics com el compostatge i la digestió anaeròbia. L’actual escenari europeu pel que fa a instal·lacions de valorització de residus orgànics i l’aparició d’aquestes noves polítiques, fan pensar en una futura proliferació d’instal·lacions, entre les quals hi haurà una gran quantitat de plantes de compostatge, que permetin assolir l’objectiu fixat. Davant aquesta futura proliferació d’instal·lacions de compostatge (i de tractament de residus en general) caldrà tenir en compte els impactes ambientals associats al propi procés, entre els quals destaquen les emissions gasoses derivades de la degradació biològica de la matèria orgànica. Entre els compostos gasosos presents en aquestes emissions cal destacar el metà, l’amoníac, l’òxid nitrós i els compostos orgànics volàtils (COV). D’aquests compostos, el metà i l’òxid nitrós són considerats gasos d’efecte hivernacle, mentre que l’amoníac i els COV són els principals causants de les males olors associades a aquestes instal·lacions de tractament. El Grup de Recerca en Compostatge (GICOM), en el que s’ha desenvolupat aquesta tesi, té una àmplia experiència en l’estudi del compostatge, ja sigui a nivell del propi procés, del seu control o de les seves emissions a escala industrial. Tanmateix, en els darrers anys s’ha iniciat una nova línia de recerca dins el grup per explorar el potencial de la fermentació en estat sòlid (SSF) com una altra via de valorització material de residus, habitualment industrials, amb l’objectiu d’obtenir productes de valor afegit (enzims, biopesticides, biosurfactants, etc.) a partir de residus. Així doncs, en aquesta tesi s’ha volgut aprofitar l’àmplia experiència en compostatge del grup de recerca per tal d’aprofundir en el coneixement de les emissions gasoses derivades dels processos biològics de valorització material de residus sòlids orgànics, determinant els factors d’emissió per COV, CH4, N2O, NH3 i caracteritzant, per identificació i quantificació, els COV emesos durant el tractament de diferents residus a escala pilot. Per assolir aquest objectiu genèric, s’ha posat en marxa un mètode d’identificació i quantificació dels COV mitjançant la cromatografia de gasos acoblada a l’espectrometria de masses i s’han estudiat les emissions de COV d’un procés de compostatge convencional sota diferents estratègies d’aeració del procés. D’aquesta manera es defineixen dos aspectes metodològics que permetran continuar la recerca d’aquesta tesi, l’estratègia de procés, per una banda, i la metodologia de presa de mostra i anàlisi dels gasos per l’altra. A partir d’aquesta base metodològica es procedeix a analitzar, quantitativament i qualitativa, les emissions derivades del procés de compostatge de residus d’origen urbà com poden ser els fangs d’EDAR, frescos i digerits, o bé la Fracció Orgànica dels Residus Municipals (FORM). En aquest darrer cas, comparant el desenvolupament del procés de compostatge de la FORM separada selectivament i dels Residus Sòlids Urbans no separats selectivament amb les emissions que se’n deriven, així com determinant la contribució de la fusta utilitzada com a agent estructurant a les emissions del procés. Finalment, s’han estudiat també les emissions associades a la valorització material de residus més específics com són la pela de taronja, el residu de pèl i el residu de winterització amb l’objectiu de produir diferents enzims a través de la SSF.

World economic growth during the second half of the XX century has caused a great increase in waste generation. This fact has been reflected in European policies which define the objective of recycling, at least, 50% of municipal waste before 2020. In the case of biodegradable organic wastes, this purpose can be achieved mainly through biological treatments such as composting and anaerobic digestion. In order to achieve the proposed target, the current European scenario in terms of organic waste valorisation facilities and the emergence of these new policies, suggest a future proliferation of biological treatment facilities, among which there will be a lot of composting plants. Given this upcoming proliferation of composting facilities (and waste treatment plants in general), the environmental impacts associated with the composting process must be taken into account, paying special attention to gaseous emissions resulting from biological degradation of organic matter. The main contaminants in these emissions are methane, ammonia, nitrous oxide and volatile organic compounds (VOC). Methane and nitrous oxide are considered greenhouse gases, while ammonia and VOC are the main cause of odours associated with these treatment facilities. The Composting Research Group (GICOM), where this thesis has been developed, has a wide research experience in composting, either studying the biological process itself, process control or process gaseous emissions at full scale. Besides, in recent years GICOM has started a new research line exploring the potentiality of solid state fermentation (SSF) as another way to valorise organic wastes, commonly from industrial processes, with the aim of obtaining value-­‐added products (enzymes, biopesticides, biosurfactants, etc.). In this thesis the research experience of the group has been used to analyse in depth the gaseous emissions from biological valorisation processes of solid organic wastes, determining emission factors for VOC, CH4, N2O, NH3 and characterizing, by identification and quantification, VOC emissions during the treatment of different wastes at pilot scale. To achieve this overall objective, a methodology to identify and quantify VOC by gas chromatography coupled to mass spectrometry has been set-­‐up. Also, VOC emissions during a conventional composting process under different aeration strategies have been studied. Thus, two methodological issues essential for the development of this thesis have been defined on one hand, the process strategy and on the other hand, the gaseous emission sampling methodology and analysis. From this methodological basis, gaseous emissions from the composting process of urban wastes, such as WWTP sludge, either raw or digested, and also de Organic Fraction of Municipal Solid Wastes (OFMSW) have been analysed, quantitatively and qualitatively. The OFMSW composting process and its emissions have been compared to non-­‐source selected Municipal Solid Wastes (MSW). Also, the contribution of wood chips (used as bulking agent) to the composting process emissions has been determined. Finally, the emissions associated to the material valorisation of specific wastes such as orange peel, hair wastes and residue of winterization in order to produce various enzymes through SSF, have also been studied. In addition to the scientific interest of this thesis, which is reflected by the papers published in high impact journals in the field of Environmental Engineering, it increases the research group know-­‐how on the treatment of different wastes at pilot scale. The definition of a methodology for gaseous emissions determination that can be implemented in future experiments performed in the GICOM pilot plant is also relevant. This methodology will allow the quantification of CH4, N2O and NH3, the qualitatively determination of VOC emissions and the quantification of the most commonly found compounds. This last point will permit to include data on the emissions of the material valorisation processes carried out in the research group pilot plant, reporting valuable information on the environmental impact of the process also useful in the design of the required emissions equipment.