Sustratos

Existe una gran variedad de materiales que pueden ser digeridos en un proceso anaerobio. Las principales categorías son:

• Residuos agroganaderos: Purines y heces de industria ganadera intensiva. Se producen en grandes cantidades y pueden ser utilizados directamente como fertilizantes. Son susceptibles de ocasionar episodios de contaminación de las aguas si esta fertilización no se realiza adecuadamente o si los estiércoles llegan a los acuíferos. Además, parte de las emisiones de GEI y olores son imposibles de eliminar por completo (el 32% de las emisiones son de origen entérico (Grainger y Beauchemin, 2011).

• Cultivos energéticos: son los cultivos no destinados a consumo humano, sino a la producción de biocombustibles. Los cultivos más habituales son cereales y remolacha para producción de bioetanol y oleaginosos para producción de biodiésel. Son sustratos aptos también para la digestión anaerobia.

• Fracción orgánica de residuos domésticos: Son los desechos orgánicos que se producen a diario en las ciudades. Tienen una composición muy heterogénea que varía en función de la región, la estación del año y el método de recogida (Nallathambi, 1997; Deublein y Steinhauser, 2008; Castrillón et al., 2012). Para mejorar las características de la fracción orgánica recogida en las ciudades es fundamental hacer una recogida selectiva de esta fracción para eliminarla de la tradicional “bolsa negra” o fracción resto.

• Lodos de depuradora: Incluye lodos primarios, secundarios, mixtos, etc. Las productividades varían mucho pues es un grupo muy heterogéneo. La tendencia actual es a la digestión anaerobia y posterior uso como fertilizante, siempre y cuando los contenidos en compuestos contaminantes como metales pesados o patógenos estén dentro de los márgenes permitidos.

• Residuos industriales: residuos de mataderos, efluentes de industria alimentaria, destilerías y otras industrias. Son residuos fácilmente biodegradables que pueden producirse de manera estacional, por lo que pueden ser tenidos en cuenta como cosustrato en una planta enfocada a otro tipo de residuos como sustrato principal. • Biomasa acuática: Es la biomasa con mayor potencial debido a la enorme área

disponible para el cultivo. Se pueden digerir algas marinas o de agua dulce, macroalgas o microalgas. Se presentan como una alternativa a los combustibles fósiles con un balance de carbono neutro. Pueden transformarse en biodiesel aunque el análisis de ciclo de vida del proceso puede resultar desfavorable (Lakaniemi et al., 2013). En la presente tesis se realizaron ensayos del efecto del pretratamiento sobre algas microscópicas de las especies: Scenedesmus Obliquus,

Chlorella Sorokiniana y Arthrospira Máxima. Estas algas se están desarrollando

como método de depuración terciario en EDAR como alternativa de bajo coste y se pretenden aprovechar para la producción de biodiesel o digestión anaerobia. Este tratamiento permite eliminar los nutrientes con bajos costes de operación y altos rendimientos de eliminación de nitrógeno y fósforo (Ruiz-Marin et al., 2010). Es especialmente interesante para pequeñas plantas de tratamiento donde no hay problemas en la disponibilidad de terreno. Además, esta biomasa puede usarse para el secuestro de CO2 a razón de 1.8 kg CO2/kg biomasa (Ometto et al., 2013).

En la bibliografía se puede encontrar información y caracterizaciones de los diferentes sustratos. Uno de los mejores indicadores es el potencial bioquímico de metano (PBM o BMP, siglas en inglés), que consiste en la determinación experimental del volumen de metano que se produce en la digestión anaerobia del residuo en determinadas condiciones (Angelidaki y Sanders, 2004). Este parámetro permite estimar la producción esperada por la digestión del residuo.

3.6 ¿Por qué realizar un pretratamiento?

El pretratamiento es realizado antes de la digestión anaerobia con el objetivo de mejorar el proceso, ya sea la velocidad de la degradación o el PBM, y en ocasiones, se debe realizar porque la ley obliga a ello (uso de residuos SANDACH de categoría C1 para producción de biogás) (Elbeshbishy et al., 2011).

Los principales efectos de los pretratamientos son (Carlsson et al., 2012):

a) la reducción de tamaño de las partículas: con lo que se consigue aumentar la superficie activa del sustrato. El tamaño de las partículas depende mucho del tipo de sustrato a tratar. En el caso de residuos como restos de comida, la reducción del tamaño de partícula de 8 a 2.5 mm produce incrementos de entre el 10 y el 29% en el PBM, con costes de tratamiento prácticamente nulos (Agyeman y Tao, 2014). Además, la disminución del tamaño de partícula afecta a otras propiedades de los digestatos como la filtrabilidad y deshidratabilidad, aumentando los costes fijos de operación (consumo de reactivos, energía), por lo que es necesario realizar un balance económico detallado (Dewil et al., 2006).

b) la solubilización de parte de la materia orgánica: con lo que se aumenta la cantidad de sustrato fácilmente asimilable por los microorganismos. Es uno de los parámetros más usados para medir los efectos del pretratamiento. El grado de solubilización suele ser proporcional a la energía usada en el pretratamiento (Braguglia et al., 2012), aunque como veremos a continuación, una mayor solubilización no implica una mayor biodegradabilidad (Saha et al., 2011; Jard et al., 2013).

c) aumento de la biodegradabilidad o incremento del potencial de metano: se mejora el rendimiento del proceso produciendo más metano con la misma cantidad de sustrato. En el pretratamiento de lignocelulosa de residuos municipales, Yuan et al. (2014) midieron los mayores potenciales de metano cuando la solubilización fue máxima, al igual que Pasos et al. (2013), que relacionan la productividad con la solubilización. Sin embargo, otros autores como Alzate et al. (2012), no obtuvieron esa relación directa, debido a la solubilización o formación de compuestos no biodegradables, especialmente a alta temperatura o con oxidantes fuertes (Cesaro y Belgiorno, 2013).

d) formación de compuestos refractarios: es un efecto a evitar que se produce a determinadas “dosis” del pretratamiento. Tanto Cesaro y Belgiorno (2013) como Jard et al. (2013) entre otros, describen un umbral a partir del cual se produce una disminución del PBM en pretratamientos termoquímicos de Palmaria palmata (un macroalga) y la ozonólisis de residuos orgánicos sólidos. A pesar de aumentar la solubilidad, a priori favoreciendo la producción de metano, los compuestos solubilizados no son biodegradables por los microorganismos y el efecto es adverso.

e) pérdida de materia orgánica: también es un efecto adverso que consiste en la volatilización de parte de la materia orgánica, por lo que se reducirá el potencial de biometano al eliminarse parte de la materia asimilable (Hendriks y Zeeman, 2009). Los pretratamientos actúan sobre las etapas iniciales de la degradación, es decir, la hidrólisis. Su objetivo es romper y solubilizar la materia particulada y las moléculas más grandes. Existen una gran variedad de pretratamientos físicos (trituración, ultrasonidos,…), térmicos, químicos (ácido, base, ozono,…) o biológicos (hidrolisis enzimática, tratamientos con hongos,…) y a menudo se combinan para incrementar sus efectos.

De todos los sustratos que se usan en digestión anaerobia, los lodos de depuradora son sin duda los más estudiados. Carlsson et al. (2012), recogieron información sobre los tratamientos previos a la digestión anaerobia (no considerando a las etapas de los reactores multietapa como pretratamientos). El estudio trata de evaluar cuáles son los pretratamientos más usados y a qué tipo de sustrato se han aplicado. De 112 de los artículos sobre pretratamientos revisados (1978-2011), casi el 80% de ellos trataban sobre lodos de depuradora, siendo el pretratamiento térmico y los ultrasonidos los más utilizados. Sobre el resto de residuos, los pretratamientos que más veces se estudiaron fueron el térmico o el químico. Además, Carlsson et al. (2012) alertan de que la experiencia a escala real es muy limitada o inexistente, prácticamente toda las referencias tratan sobre experimentos en laboratorio o planta piloto, por lo que no es fácil estimar los costes ni los efectos sobre la digestión anaerobia a escala industrial.

A continuación se describen de forma general cada pretratamiento.