Estudi de les emissions i la biofiltració dels gasos emesos en el procés de compostatge de diferents residus orgànics

Abstract

Els processos de compostatge estan sovint relacionats amb la generació de males olors degut a les emissions de compostos nitrogenats, principalment amoníac, de compostos sulfurosos, i de compostos orgànics volàtils (COVs). Actualment, un procés de compostatge modern cal que es disseny i operi de manera que minimitzi les emissions i tracti eficaçment els gasos i olors generats. En aquest sentit, la biofiltració és una alternativa simple, econòmica i eficient a l'hora de reduir les emissions oloroses originades en processos de tractament de residus.<br/>L'objectiu d'aquesta tesi és l'estudi de les emissions d'amoníac i de COVs, així com la seva posterior biofiltració en processos de compostatge de residus orgànics de composició i propietats diferents (fracció orgànica de residus municipals (FORM), fangs d'estació depuradora d'aigües residuals digerits anaeròbiament i sense digerir, residus carnis i residus de pèl). A la vegada, s'ha dissenyat i construït un aparell per caracteritzar el comportament d'un suport orgànic de rebliment per biofiltrar amoníac en termes de degradació biològica, capacitat d'adsorció i capacitat d'absorció d'amoníac.<br/>Els resultats han mostrat com la quantitat d'amoníac volatilitzada en tots el processos de compostatge estudiats està directament influenciada per la relació C/N de la mescla a compostar. A la vegada, s'ha observat que les emissions d'amoníac augmenten exponencialment durant la fase termòfila del procés de compostatge, mentre que durant la fase final les emissions i la temperatura semblen estar relacionades de manera lineal. En el cas de l'estudi de les emissions de COVs, les màximes concentracions s'han detectat durant les primeres 48 hores de procés i s'ha apreciat un augment de les emissions a l'afegir una major quantitat d'estructurant a la mescla inicial a compostar.<br/>En el l'estudi de la biofiltració de les emissions d'amoníac s'ha constatat que la biofiltració emprant compost com a medi de rebliment elimina gran part de les emissions d'amoníac derivades del compostaje de FORM i fangs digerits amb eficàcies superiors al 95%. No obstant, s'ha observat una eliminació parcial de l'amoníac durant el compostaje de residus carnis degut a les elevades concentracions d'amoníac emeses i a possibles fenòmens d'inhibició de l'activitat biològica del biofiltre. Pel que fa a la biofiltració de COVs originats en processos de compostatge, s'ha observat que aquesta és altament dependent de la composició de la mescla de COVs volatilitzada i per tant assoleix diferents eficàcies d'eliminació en funció del residu a compostar, obtenint-se les majors eficàcies durant el compostatge de fangs frescos. S'ha constatat que el propi compost com a material de rebliment emet COVs en una concentració aproximadament de 50 mg C·m-3. <br/>Finalment, en l'estudi dels mecanismes de biofiltració d'amoníac, s'han considerat adequats els models de Freundlich i de Langmuir per descriure els equilibris dels processos d'adsorció d'amoníac dels materials de rebliment estudiats. S'ha observat que l'absorció d'amoníac es pot representar mitjançant el model lineal regit per la llei de Henry, amb valors de la constant de partició significativament superiors a la constant de Henry quan l'amoníac es dissol en aigua pura, i s'ha comprovat que l'absorció té un pes important com a mecanisme d'eliminació d'amoníac en el rang d'humitat òptim dels biofiltres. Finalment, les velocitats de biodegradació d'amoníac obtingudes han estat considerablement baixes si es comparen amb les dels mecanismes fisicoquímics d'eliminació d'amoníac. Aquest manifesta la importància de controlar les càrregues d'amoníac subministrades als biofiltres que operen en plantes de compostatge, per exemple mitjançant un pretractament emprant un rentador àcid, si es vol garantir un funcionament adequat del sistema a llarg termini.

Composting processes are frequently related to bad odours generation due to the emissions of nitrogen compounds, mainly ammonia, sulphur compounds and volatile organic compounds (VOCs). Currently, modern composting processes have to be designed and operated minimising emissions and treating gases and odours efficiently. In this sense, biofiltration can be adapted to reduce emissions from composting processes. It is also considered a suitable technology in terms of waste recycling, emission reduction and low construction and operating costs. <br/>The aim of this thesis is the study of ammonia and VOCs emissions generated during the composting of different organic wastes (organic fraction of municipal solid wastes (OFMSW)), raw sludge, anaerobically digested sludge, animal by-products and hydrolysed hair). The abatement of the ammonia and VOCs generated during the waste composting using the biofiltration technology is also studied. Moreover, a new specific apparatus to characterise organic support media in terms of ammonia biological degradation, adsorption and absorption capacity, has been designed and constructed.<br/>Results have shown that the total amount of ammonia emitted during the composting process was directly related to the C/N ratio. Ammonia emissions revealed a strong dependence on temperature, with a distinct pattern in the thermophilic first stage of composting than that of the mesophilic final stage. VOCs emissions were higher during the beginning of the composting process.<br/>Biofiltration technology using compost as a biofilter media can effectively remove most of the ammonia content from the composting process of OFMSW and digested sludge, achieving removal efficiencies over 95%. However, in the case of animal by-products, only a partial removal of ammonia was obtained due to the high ammonia emissions. VOCs biofiltration from exhausted gases of composting processes can be performed achieving different efficiencies depending on the waste composted. More sustained removal efficiencies were obtained in the composting of raw sludge. Compost biofilters are emitters of VOCs themselves. Approximately basal emission of 50 mg C·m-3 was measured. <br/>Regarding the ammonia biofiltration mechanisms study, adsorption data were successfully fitted to Langmuir and Freundlich isotherms. The results also show that absorption could be represented by a Henry's law linear equation, with values of the Henry coefficient higher than that of pure water. Finally, ammonia biodegradation rates are considerably lower than absorption and adsorption rates. This fact shows the importance of controlling ammonia loading rates supplied to biofilters in composting plants in order to achieve a high efficiency in long term operation.