Different indices to express biodegradability in organic solid wastes. Application to full scale waste treatment plants

Abstract

Els residus biodegradables reben una atenció especial en el marc legislatiu europeu actual (Revised Framework Directive 2008/98/CE) i en la seva transposició a Espanya a traves del Plan Nacional Integrado de Residuos 20082015 (PNIR), degut al significatiu impacte ambiental derivat quan aquestos residus no són tractats correctament i al seu potencial ús com recursos renovables mitjançant l’obtenció de compost i biogàs. Pel correcte tractament d’aquestos residus és imprescindible el desenvolupament d’instal·lacions i plantes de tractament eficaces i eficients. La correcta avaluació de l’efectivitat i eficiència d’aquestes instal·lacions requereix una mesura fidedigna del contingut de matèria orgànica biodegradable dels residus i per tant de la seva estabilitat. Aquesta mesura permetria: i) establir una classificació dels residus i productes en base a la seva biodegradabilitat i estabilitat; ii) la correcta avaluació de les plantes de tractament en funcionament; iii)el disseny de noves i optimitzades instal·lacions, i iv) la determinació del potencial impacte ambiental dels productes finals. La informació obtinguda mitjançant l’anàlisi de paràmetres purament físics o químics dels residus no es capaç de reflectir la naturalesa biològica dels residus. És molt extensa la bibliografia que descriu, proposa i avalua l’ús d’índexs biològics, aerobis i anaerobis, per caracteritzar els residus orgànics. De la mateixa manera, aquestos índexs, han estat proposats en diferents normatives de paises europeus com paràmetres d’estabilitat. En aquesta Tesis s’han desenvolupat noves metodologies per a la determinació d’índexs biològics aerobis i anaerobis, optimitzant les metodologies ja referenciades, eliminant les seves limitacions i ampliant la seva utilitat: índexs respiromètrics aerobis, expressats com velocitat de consum d’oxigen i consum acumulat durant un temps determinat i índexs anaerobis, expressats com producció acumulada de biogàs i metà durant un temps determinat o total. Aquestes metodologies s’han avaluat i verificat mitjançant les següents aplicacions: 1) Optimització del procés de compostatge de fangs procedents d’EDARs urbanes, determinant la relació d’estructurant‐fang mínima necessària per obtenir un producte final higienitzat i estabilitzat a escala industrial. 2) Completa avaluació d’una planta de tractament mecànic‐biològic (MBT) amb capacitat per tractar 240.000 tones/any de residus municipals, monitoratge del procés i determinació de les eficàcies d’eliminació de matèria orgànica en cada etapa. 3) Estudi específic del pretractament mecànic d’una MBT i la seva influencia en l’eliminació de matèria orgànica biodegradable. 4) Determinació de potencials totals de producció de biogàs mitjançant l’anàlisi d’índexs biològics anaerobis de curta durada. 5) Determinació de les correlacions entre indexs aerobis i anaerobis. Determinació de les correlacions entre els diferents indexs aerobis i discusió sobre la diferent informació que poden proporcionar. 6) Caracterització completa de residus basant‐se en la diferent informació proporcionada pels indexs respiromètrics aerobis. 7) Redacció d’un protocol estandarditzat per a la determinació de la biodegradabilitat de residus orgànics de diferent origen i tipologia per l’Agencia de Residus de Catalunya, basant‐se en la determinació d’índexs biològics aerobis. Els resultats obtinguts en tots aquestos treballs i estudis confirmen la idoneïtat de l’ús dels índexs biològics com mesura real del contingut de matèria orgànica biodegradable dels residus i per tant de la seva estabilitat. A més es poden considerar com un paràmetre clau pel disseny i control de plantes de tractament de residus.

Los residuos biodegradables reciben una atención especial en el marco legislativo europeo actual (Revised Framework Directive 2008/98/CE) y en su transposición en España a través del Plan Nacional Integrado de Residuos 20082015 (PNIR), debido al significativo impacto ambiental derivado cuando no son tratados correctamente y a su potencial uso como recursos renovables mediante la obtención de compost y biogás. Para ello, es imprescindible el desarrollo de instalaciones y plantas de tratamiento eficaces y eficientes. La correcta evaluación de la efectividad y eficiencia de estas instalaciones requiere una medida fidedigna del contenido de materia orgánica biodegradable de los residuos y por consiguiente de su estabilidad. Esta medida permitiría: i) establecer una clasificación de residuos y productos en base a su biodegradabilidad y a su estabilidad; ii) la correcta evaluación de las plantas en funcionamiento; iii) el diseño de nuevas y optimizadas instalaciones; y iv) la determinación del potencial de impacto ambiental de los productos finales. La información obtenida mediante el análisis de parámetros puramente físicos o químicos de los residuos no es capaz de reflejar la naturaleza biológica de los residuos. Es muy amplia la bibliografía que describe, propone y evalúa el uso de índices biológicos, aerobios y anaerobios, para caracterizar los residuos orgánicos. Asimismo, éstos índices han sido propuestos en diferentes normativas de países europeos. En esta Tesis se han desarrollado nuevas metodologías para la determinación de índices biológicos aerobios y anaerobios, optimizando las metodologías ya referenciadas, eliminando sus limitaciones y ampliando su utilidad: índices respirómetricos aerobios, expresados como velocidad de consumo de oxígeno y su consumo acumulado durante un tiempo determinado e índices anaerobios expresados como producción acumulada de biogás y metano durante un tiempo determinado o total. Estas metodologías se han evaluado y verificado mediante las siguientes aplicaciones: 1) Optimización del proceso de compostaje de lodos procedentes de EDARs urbanas, determinando la relación de estructurante‐lodo mínima necesaria para obtener un producto final higienizado y estabilizado a escala industrial. 2) Completa evaluación de una planta de tratamiento mecánico‐biológico (MBT) con capacidad para tratar 240.000 toneladas/año de residuos municipales, monitorización del proceso y determinación de las eficacias de eliminación de materia orgánica en cada etapa. 3) Estudio específico del pretratamiento mecánico de una MBT y su influencia en la eliminación de materia orgánica biodegradable. 4) Determinación de potenciales totales de producción de biogás mediante el análisis de índices biológicos anaerobios de corta duración. 5) Determinación de correlaciones entre índices aerobios y anaerobios. Determinación de correlaciones entre diferentes índices aerobios y discusión sobre la diferente información que proporcionan. 6) Caracterización completa de residuos basándose en la diferente información proporcionada por los índices respirométricos aerobios. 7) Redacción de un protocolo estandarizado para la determinación de la biodegradabilidad de residuos orgánicos de diferente origen y tipología para la Agència de Residus de Catalunya basándose en la determinación de índices biológicos aerobios. Los resultados obtenidos en todos estos trabajos confirman la idoneidad del uso de índices biológicos como medida real del contenido de materia orgánica biodegradable de los residuos y por lo tanto de su estabilidad. Además pueden considerarse como un parámetro clave para el diseño y control en plantas de tratamiento de residuos.

Biodegradable waste receives especial attention in the European Legislation (Revised Framework Directive 2008/98/CE) and this has been also reflected in Spanish Legislation in the Plan Nacional Integrado de Residuos 20082015 (PNIR), due to the high importance that this municipal solid waste fraction has on the waste treatment environmental impact when it is not treated correctly and the possibility of recycling the biodegradable waste, to finally obtain compost or/and biogas that means green energy. For this purpose is necessary to develop suitable facilities for all waste treatments and assure the correct and efficient operation of such treatment and management facilities or plants. The correct determination of process efficiency in these facilities requires a reliable measure of the biodegradable organic matter content of the wastes and their stability. This measure would allow: i) to establish a waste classification based on the biodegradability and stability; ii) the correct evaluation of plant and facilities performance; iii) the design of new and optimum facilities and waste treatments; and iv) to determinate the environmental impact of the final products of these facilities. The information given by the analysis carried out just considering physical and chemical parameters is not able to reflect the correct biological nature of the wastes. It is really considerable the bibliographic references regarding the description, use and evaluation of biological indices, both aerobic and anaerobic, to characterize organic wastes. Additionally, these indices have already been proposed in some European countries’ Legislations. In this Thesis, new methodologies have been developed to determine aerobic and anaerobic biological indices, trying to optimize the already published methodologies by detecting their weaknesses, proposing improvements and increasing their utility. The indices obtained using these methodologies are: aerobic respirometric indices, expressed as the oxygen consumption rate and cumulative oxygen consumption during a given time and anaerobic indices, expressed as cumulative biogas and methane production during a given time or total biogas or methane production. These methodologies have been assessed, evaluated and verified in different facilities, different treatments and in several works with different aims: 1) Optimization of the composting process of dewatered wastewater sludge, determining the minimum ratio of pruning waste used as bulking agent to obtain a hygienized and stabilized product in full scale facilities. 2) Complete assessment of a mechanical‐biological treatment (MBT) plant treating 240.000 tones each year of municipal solid wastes. Process monitoring an determination of process efficiency regarding organic matter biodegradation. 3) Specific study of the mechanical pretreatment in a MBT plant and how it affects to the biodegradable organic matter removal. 4) Determination of the biogas production potential using anaerobic biological indices, measured in a short experimental time. 5) To obtain correlations between aerobic and anaerobic indices. Additionally, to correlate aerobic indices among them and analyzing the different information that they provide. 6) Using the information provided by aerobic respiration indices to completely characterized organic wastes. 7) Establishment of a standardized protocol to determine the biodegradability of organic wastes, from different origin and nature using aerobic biological indices to Agència de Residus de Catalunya. The results obtained in all works and studies confirm the suitability of biological indices to be measure the biodegradable organic matter content and stability of solid wastes. Additionally, these indices can be considered as key parameters to design and control waste treatment facilities and processes.