Dixestión anaerobia

A dixestión anaerobia é o conxunto de procesos polos cales os microorganismos degradan o material biodegradable en ausencia de oxíxeno. O proceso utilízano de forma natual certos microorganismos no seu metabolismo e tamén se utiliza en moitas aplicacións industriais e domésticas para tratar o lixo e/ou producir combustibles. Moitas das fermentacións utilizadas industrialmente para producir alimentos e bebidas, e as fermentacións caseiras, utilizan a dixestión anaerobia.
A dixestión anaerobia prodúcese de forma natural nalgúns solos e en lagos e nos sedimentos das cuncas oceánicas, onde xeralmente se denomina "actividade anaerobia". Esta actividade é, por exemplo, a fonte do gas metano dos pantanos, como descubriu Volta xa en 1776.
O proceso de dixestión anaerobia empezou coa hidrólise bacteriana de materiais. Nela polímeros orgánicos insolubles, como carbohidratos, son degradados dando derivados solubles utilizables por outras bacterias. As bacterias acidoxénicas converten despois os azucres e aminoácidos en dióxido de carbono, hidróxeno, amoníaco, e ácidos orgánicos. Estas bacterias converten estes ácidos orgánicos resultantes en ácido acético, xunto con amoníaco adicional, hidróxeno, e dióxido de carbono. Finalmente, os metanóxenos converten estes produtos en metano e dióxido de carbono. As poboacións de arqueas metanoxénicas xogan un indispensable papel nos tratamentos anaerobios de augas residuais.
A dixestión anaerobia utilízase como parte do proceso de tratamento do lixo biodegradable e de lodos de augas residuais. A dixestión anaerobia, como parte dun sistema integrado de xestión do lixo, reduce a emisión á atmosfera de gases nos vertedoiros de lixo. Os dixestores anaerobios poden tamén ser alimentados con colleitas agrícolas enerxéticas cultivadas con ese propósito, como o millo.
A dixestión anaerobia utilízase amplamente como fonte de enerxía renovable. O proceso produce biogás, que consiste en metano, dióxido de carbono e trazas doutros gases "contaminantes". Este biogás pode utilizarse directamente como combustible, en motores de gas de electricidade e calor combinados ou ser mellorado a biometano de calidade de gas natural. O dixestato rico en nutrientes tamén producido pode utilizarse como fertilizante.
Coa reutilización do lixo como recurso e as novas estratexias tecnolóxicas que rebaixaron os custos de capital, a dixestión anaerobia está recibindo nos últimos anos unha atención crecente dos gobernos de varios países, como Reino Unido (2011) Alemaña e Dinamarca (2011). Historia
O interese científico na produción de gas a partir da descomposición natural de materia orgánica data do século XVII, cando Robert Boyle (1627-1691) e Stephen Hales (1677-1761) se decataron de que os sedimentos removidos en correntes de auga e lagos liberaban gas inflamable. En 1808 Humphry Davy probou a presenza de metano no gas producido polo esterco de vaca. En 1859 unha leprosería de Bombai, India construíu o primeiro dixestor anaerobio. En 1895, desenvolveuse a tecnoloxía en Exeter, Inglaterra, utiizando un tanque séptico paa xerar gas para a iluminación. Tamén en Inglaterra, en 1904, instalouse o primeiro tanque bifuncional que servía para a sedimentación e á vez para o tratamento de lodos en Hampton, Londres. En 1907, en Alemaña, patentouse o tanque Imhoff, un tipo inicial de dixestor.
A investigación na dixestión anaerobia empezou a facerse a fondo na década de 1930. Proceso
Moitos microorganismos realizan a dixestión anaerobia, incluíndo as bacterias do ácido acético (acetóxenos) e as arqueas produtoras de metano (matanóxenas). Estes organismos realizan diversos procesos químicos que converten a biomasa en biogás.
Nestes procesos o oxíxeno está excluído. Os anaerobios utilizan aceptores de electróns distintos do oxíxeno. Estes aceptores poden ser a propia materia orgánica ou poden ser óxidos inorgánicos procedentes do material de entrada. Cando todo o oxíxeno presente nun sistema anaerobio deriva dos átomos de oxíxeno contidos na propia materia orgánica, os produtos finais "intermediarios" son principalmente alcohois, aldehidos, e ácidos orgánicos, xunto con dióxido de carbono. En presenza de microorganisos metanóxenos especializados, os intermediarios son convertidos nos produtos "finais" definitivos metano, dióxido de carbono e trazas de sulfuro de hidróxeno. Nun sistema anaerobio, a maioría da enerxía química contida no material de partida utilízana as bacterias metanóxenas para producir e liberar metano.
Na súa aplicación ao tratamento de augas residuais prodúcese unha desnitrificación de ditas augas, na cal as bacterias anaerobias facultativas utilizan os nitratos e nitritos, en condicións anóxicas (condicións intermedias), con formación de CO2, auga e nitróxeno gasoso como produtos finais. Para o uso como aceptores de electróns de sulfatos e CO2 requírense condicións estritamente anaerobias, é dicir, ausencia total de oxíxeno (e de nitratos). Os carbohidratos conteñen oxíxeno que pode utilizarse como aceptor de electróns; unha porción do carbohidrato é oxidado a CO2 e ácidos orgánicos mentres que outra porción é reducida a aldehidos, cetonas e alcohois. Practicamente, a descomposición anaerobia é posible con todos os compostos orgánicos que conteñen oxíxeno nas súas moléculas.
As poboacións de microorganismos anaerobios tardan un período de tempo significativo en establecerse ata ser completamente efectivas. Por tanto, unha práctica común é introducir microorganismos anaerobios a partir de materiais que xa conteñan poboacións deles, un proceso denominado "sementar" os dixestores, realizado normalmente mediante a adición de lodos de augas residuais ou xurros de gando.
Etapas do proceso
Hai catro etapas claves biolóxicas e químicas na dixestión anaerobia, que son: Hidrólise
Acidoxénese
Acetoxénese
Metanoxénese
Na maioría dos casos, a biomasa está constituída por grandes polímeros orgánicos. Para que as bacterias dos dixestores anaerobios accedan á enerxía que potencialmente ten ese material, estas cadeas moleculares deben primeiro ser rotas nas súas partes constituíntes máis pequenas, que son monómeros como azucres (monosacáridos) facilmente utilizables por outras bacterias. O proceso de romper estas cadeas e de disolver as pequenas moléculas, que quedan en solución, chámase hidrólise. Por tanto, a hidrólise destes poímeros de alto peso molecular é un primeiro paso necesario para a dixestión anaerobia no que se orixinan azucres simples, aminoácidos e ácidos graxos.
O acetato e o hidróxeno producido nas primeiras etapas pode ser utilizado directamente polos metanóxenos. Outras moléculas, como os ácidos graxos volátiles de cadea máis longa que o acetato deben ser primeiro catabolizadas en compostos que poden ser utilizados directamente polos metanóxenos.
O proceso biolóxico da acidoxénese causa unha ulterior degradación do resto dos compoñentes por bacterias acidóxenas (fermentativas). Nela orixínanse os ácidos graxos volátiles, xunto con amoníaco, dióxido de carbono, e sulfuro de hidróxeno, xunto con outros subprodutos. O proceso da acidoxénese é similar ao modo en que o leite se pon ácido.
A teiceira etapa da dixestión anaerobia é a acetoxénese. Nela as moléculas simples creadas durante a fase de acidoxénese son dixeridas máis polos acetóxenos para producir principalmente ácido acético, xunto con dióxido de carbono e hidróxeno.
A fase terminal da dixestión anaerobia é o proceso biolóxico da metanoxénese. Aquí, os metanóxenos utilizan os produtos intermediarios das fases precedentes para convertelos en metano, dióxido de carbono e auga. Estes compoñentes constitúen a maioría do biogás emitido no sistema. A metanoxénese é sensible tanto aos pHs altos coma aos baixos e ocorre entre os pHs 6, 5 e 8. O material restante indixerible polas bacterias e os restos de bacterias mortas constitúen o chamado dixestato.
Unha ecuación química xenérica simplificada do proceso consunto é a seguinte:
Configuración
Os dixestores anaerobios poden ser deseñados para operar utilizando varias configuracións diferentes: Procesado/adición da biomasa: Por lotes ou continuos.
Temperatura: Mesofílicos ou termofílicos.
Contido desólidos: Alto contido de sólidos ou baixo.
Complexidade: Unha etapa ou multietapas.
En lotes ou continuos
A dixestión anaerobia pode realizarse como un proceso por lotes ou continuo.
Nun sistema por lotes a biomasa engádese ao reactor ao principio do proceso. O reactor é despois selado durante o resto da duración do proceso.
Na súa forma máis simple para o procesado por lotes cómpre a inoculación con material xa procesado para iniciar a dixestión anaerobia. Nun escenario típico, a produción de biogás ten lugar co patrón da distribución normal en relación co tempo. Os operadores poden utilizar este feito para determinar cando se cre que se completou o proceso de dixestión da materia orgánica. Pode haber graves problemas de xeración de malos cheiros se se abre e baleira o reactor por lotes antes de que o proceso estea totalmente rematado.
Un tipo máis avanzado de técnica por lotes limita os problemas do fedor ao integrar a dixestión anaerobia cunha compostaxe no recipiente. Nesta técnica a inoculación ten lugar utilizando un percolado desgasificado que se fai recircular. Unha vez que se completa a dixestión anaerobia, a biomasa mantense no reactor e utilízase despois para a compostaxe no recipiente antes de abrilo.
Como a dixestión por lotes é simple e require menos equipamento e deseños sinxelos, é xeralmente unha forma de dixestión máis barata. Utilizando máis dun reactor por lotes nunha planta pode asegurarse unha constante produción de biogás.
Nos procesos de dixestión continua, a materia orgánica engádese constantemente (mesturado completo continuo) ou engadido en sucesivas etapas ao reactor (fluxo de toma continua; primeiro dentro ou in – despois fóra ou out). Aquí, os produtos finais son retirados constantemente ou periodicamente, o que orixina unha produción constante de biogás. Pode utilizarse un só dixestor ou moitos dixestores en secuencia. Exemplos desta forma de dixestión anaerobia inclúen reactores de tanque de mestura continua, mantas de lodos anaerobios de fluxo ascendente (UASB), leitos de lodos granulares expandido (EGSB) e reactores de recirculación interna.
Temperatura
Os dous niveis de temperaturas operacionais convencionais para os dixestores anaerobios determinan as especies de metanóxenos que se desenvolverán nos dixestores: A dixestión mesófila ten lugar optimamente entre 30 e 38 °C, ou a temperaturas ambiente entre 20 e 45 °C, nas que os mesófilos son os principais microorganismos presentes.
A dixestión termófila ten lugar optimamente entre 49 e 57 °C, ou a temperaturas elevadas de ata 70 °C, nas que os termófilos son os principais microorganismos presentes.
Un caso límite conseguiuse en Bolivia, onde se realizou a dixestión anaerobia a temperaturas de menos de 10 °C. Este proceso anaerobio é moi lento, e tarda tres veces máis que o proceso mesofílico normal. En traballos experimentais feitos na Universidade de Alasca Fairbanks, un dixestor de 1. 000 litros no que se utilizaron psicrófilos colleitados da "lama dun lago xeado de Alaska" produciu 200–300 litros de metano diarios, aproximadamente un 20 a 30% do rendemento dos dixestores de climas máis cálidos.
As especies mesófilas superan en número ás termófilas, e son máis tolerantes aos cambios nas condicións ambientais que os termófilos. Os sistemas mesófilos considérase, por tanto, que son máis estables que os sistemas termófilos.
Aínda que os sistemas de dixestión termófila se consideran menos estables e a entrada de enerxía é maior, obteñen máis biogás da materia orgánica nun mesmo período de tempo. O incremento de temperaturas facilita velocidades de reacción máis rápidas e, xa que logo, rendementos de gas máis rápidos. A operación a maiores temperaturas facilita unha maior redución de patóxenos no dixestato. En países onde a lexislación, como as Regulacións de Subprodutos Animais na Unión Europea, require que o dixestato cumpra certos niveis de redución de patóxenos, podería ser beneficioso utilizar temperaturas termofílicas en vez das mesofílicas.
Pode utilizarse un pretratamento adicional para reducir o tempo necesario de retención para producir biogás. Por exemplo, certos procesos trituran as substancias para incrementar a área superficial ou usan unha fase de pretratamento termal (como a pasteurización) para mellorar significativamente a produción de biogás. O proceso de pasteurización pode tamén utilizarse para reducir a concentración de patóxenos no dixestato que queda no dixestor anaerobio. A pasteurización pode conseguirse por tratamento con calor combinado con maceración dos sólidos.
Contido de sólidos
Normalmente, hai tres parámetros operacionais asociados co contido de sólidos do material que se introduce nos dixestores. Este material pode ser: Alto en sólidos (substrato amontoable seco)
Alto en sólidos (substrato bombeable húmido)
Baixo en sólidos (substrato bombeable húmido).
Os dixestores altos en sólidos (secos) están deseñados para procesar os materiais cun contido de sólidos entre o 25 e o 40%. A diferenza dos dixestores húmidos que procesan xurros bombeables, os dixestores altos en sólidos (substrato amontoable seco) están deseñados para procesar substratos sólidos sen adición de auga. Os principais tipos de dixestores secos son os de fluxo vertical continuo e os dixestores horizontais de túnel por lotes. Os dixestores de fluxo vertical continuo son tanques cilíndricos colocados verticalmente nos que entra o material de forma continua pola parte superior do dixestor, e flúe cara a abaixo por gravidade durante a dixestión. Nos dixestores de tunel por lotes, o material a dixerir deposítase en cámaras con forma de túnel cunha porta hermética ao gas. En ningún destes dous tipos de dixestores hai mestura dentro do dixestor. O grao de pretratamento aplicado, como a retirada dos contaminantes, depende tanto da natureza dos residuos coma que van ser procesados coma da calidade desexada do dixestato. A redución do tamaño das partículas do material por trituración é beneficiosa en sistemas verticais continuos, xa que acelera a dixestión, mentres que os sistemas por lotes evitan a trituración pero requiren unha estrutura (por exemplo, un patio de residuos) para reducir a compactación das moreas de materiais. Os dixestores secos verticais teñen unha pegada ecolóxica menor debido ao tempo de retención efectiva máis curta e o seu deseño vertical.
Os dixestores húmidos poden deseñarse para operar tanto con contidos altos de sólidos coma cunha concentración de sólidos suspendidos totais (TSS) maior de ~20%, ou unha concentración menor de ~15%.
Os dixestors altos en sólidos (húmidos) procesan un mesto xurro que require máis enerxía para mover e procesar o material a dixerir. O espesor do material pode tamén levar asociado problemas de abrasión. Os dixestores altos en sólidos necesitan tamén a corrección de cálculos convencionais como a produción de gas, tempo de retención, cinética etc. , baseados orixinalmente en conceptos de dixestión de residuos diluídos, xa que maiores fraccións da masa do material de entrada son potencialmente convertibles en biogás.
Os dixestores baixos en sólidos (húmidos) poden transportar o material a través do sistema utilizando bombas estándar que requiren un gasto de enerxía significativamente menor. Os dixestores baixos en sólidos necesitan unha maior cantidade de terreo que os altos en sólidos debido aos maiores volumes asociados co aumento da proporción líquido-material dos dixestores. Hai beneficios asociados coa operación en ambientes líquidos, como que permite unha mellor circulación dos materiais e o contacto entre a bacteria e o seu alimento. Así, as bacterias acceden máis doadamente ás substancias das cales se alimentan, e aumenta a taxa de produción de gas.
Complexidade
Os sistemas de dixestión poden configurarse con diferentes niveis de complexidade:
Nun sistema de dixestión dunha etapa (monoetapa), todas as reaccións biolóxicas ocorren nun só reactor selado ou tanque de contención. Utilizando unha soa etapa redúcense os custos de construción, pero hai un menor control das reaccións que están tendo lugar no sistema. As bacterias acidóxenas, ao produciren ácidos, reducen o pH do tanque. As bacterias metanóxenas operan a un rango de pH moi definido. Por tanto, as reaccións biolóxicas realizadas polas diferentes especies nun reactor dunha soa fase poden entrar en competición directa. Outro sistema de reacción dunha etapa é o de lagoa anaerobia. Estas lagoas son estanques con fondo de lama utilizados para o tratamento e almacenamento a longo prazo de esterco. Aquí, as reaccións anaerobias quedan contidas dentro dos lodos anaerobios naturais do estanque.
Nun sistema de dixestión de dúas etapas (multietapas), optimízanse varios tanques de dixestión para ter o máximo control sobre as comunidades bacterianas que crecen nos dixestores. As bacterias acidóxenas producen ácidos orgánicos e crecen e reprodúcense máis rapidamente que as metanóxenas. As bacterias metanóxenas requiren pHs e temperaturas estables para optimizar o seu rendemento.
En circunstancias típicas, a hidrólise, a acetoxénese e a acidoxénese ocorren dentro do primeiro tanque de reacción. O material orgánico quéntase despois para chegar á temperatura operacional requirida (mesofílica ou termofílica) antes de ser bombeado ao reactor metanoxénico. Os tanques para a hidrólise inicial ou a acidoxénese que están antes do reactor metanoxénico poden servir para regular a velocidade con que se engade o material de partida. Algúns países europeos esixen un tratamento con calor elevada para matar as bacterias patóxenas dos residuos que entran. Nese momento pode facerse unha pasteurización ou esterilización antes da dixestión ou entre os dous tanques de dixestión. Non obstante, non é posible illar completamente as diferentes fases da reacción, e a miúdo prodúcese algún biogás nos tanques de hidrólise e acidoxénese.
Tempo de permanencia
O tempo de permanencia do material nun dixestor varía coa cantidade e tipo de material con que se alimenta ao dixestor, coa configuración do sistema de dixestión e co feito de ser dunha ou de dúas etapas.
No caso da dixestión termofílica dunha etapa, os tempos de permanencia poden ser de arredor de 14 días, o cal, comparado coa dixestión mesofílica, é relativamente rápido. A natureza do fluxo destes sistemas implica que pode que non se produza a completa degradación do material neste período de tempo. Nese caso, o dixestato final pode ser máis negro e producir máis cheiro.
Na dixestión mesofílica en dúas etapas, o tempo de permanencia pode oscilar entre 15 e 40 días.
No caso dunha dixestión mesofílica UASB, os tempos de permanencia hidráulica poden ser de 1 hora a 1 día, e os tempos de retención de sólidos poden ser de ata 90 días. Desta maneira, o sistema UASB pode separar os tempos de permanencia hidráulicos e de sólidos utilizando unha manta de lodos.
Os dixestores continuos teñen dispositivos hidráulicos ou mecánicos, segundo o nivel de sólidos do material, para mesturar os contidos, facilitando o contacto entre as bacterias e o seu alimento. Tamén permiten que o exceso de material poida ser extraído continuamente para manter un volume razoablemente constante nos tanques de dixestión. Material inicial a dixerir
O elemento inicial máis importante cando se considera aplicar un sistema de dixestión anaerobia é o material de partida co que se vai alimentar o dixestor. Por medio da dixestión anaerobia pode procesarse case calquera tipo de material inicial orgánico; porén, se o obxectivo pretendido é a produción de biogás, o nivel de putrescibilidade é un factor clave para a súa aplicación frutífera. Canto máis putrescible (dixerible) sexa o material de partida, maiores rendementos serán posibles na produción de gas no sistema.
O material de partida pode incluír materiais residuais biodegradables, como restos de papel usado, cachiños de herba, sobras de comida, auga residual, e residuos animais. Os restos de madeira son a excepción, porque en grande medida non se ven afectados pola dixestión, xa que a maioría dos anaerobios son incapaces de dixerir a lignina. Poden utilizarse anaerobios xilófagos (que poden consumir lignina) ou facer un pretratamento con altas temperaturas, como a pirólise, para degradar a lignina. Os dixestores anaerobios poden tamén ser alimentados con colleitas agrícolas enerxéticas cultivadas expresamente para ese propósito, como forraxe, que se dedican á produción de biogás. En Alemaña e outras partes de Europa, as instalacións dedicadas a iso denomínanse plantas de "biogás". Unha planta de codixestión ou cofermentación é tipicamente un dixestor anaerobio agrícola que acepta dous ou máis tipos de materiais de partida para a súa dixestión simultánea.
Os anaerobios poden degradar o material con varios graos de eficacia con rapidez (no caso de moléculas orgánicas de cadea curta, como azucres) ou durante períodos de tempo máis longos (no caso da celulosa e hemicelulosa). Como se dixo, os microorganismos anaerobios son incapaces de degradar as moléculas do material de cadea longa leñoso, como a lignina.
Os dixestores anaerobios foron deseñados orixinalmente para operar utilizando lodos residuais e esterco. Porén, eses dous materiais non son os que teñen un maior potencial para a dixestión anaerobia, xa que o material biodegradable xa perdeu gran parte da súa enerxía, que lle foi extraída polos animais que se alimentaron dela e produciron o residuo. Xa que logo, moitos dixestores operan coa codixestión de dous ou máis tipos de materiais de partida. Por exemplo, nun dixestor de granxa que utilice esterco de vacas leiteiras como principal material para alimentar o dixestor, a produción de gas pode ser incrementada significativamente engadindo un segundo tipo de material, por exemplo, herba e millo (tipicamente procedentes da propia granxa), ou diversos subprodutos orgánicos, como residuos de matadoiros, graxas, aceites e graxas de restaurantes, residuos orgánicos domésticos etc. (tipicamente procedentes de fóra da granxa).
As colleitas agrícolas dedicadas ao seu procesamento en dixestores poden acadar altos niveis de degradación do material e de produción de biogás. Os sistemas que usan só xurros (esterco líquido) son xeralmente máis baratos, mais xeran moita menos enerxía que os que usan colleitas agrícolas, como millo e herba. Utilizando unha modesta cantidade de material de colleitas agrícolas (30%), unha planta de dixestión anaerobia pode multiplicar por dez o seu rendemento enerxético incrementando o custo en só o triplo en comparación cos sistemas que só usan xurros.
Contido de humidade
Un segundo aspecto a considerar é o contido en humidade do material de partida. Os substratos amontoables máis secos, como residuos de comida e xardín, son axeitados para a dixestión en cámaras tipo túnel. Estes sistemas de túnel xeralmente teñen unha descarga de auga residual de case cero, ademais, este sistema ten vantaxes onde a descarga dos líquidos do dixestor é un problema. Canto máis húmido é o material, máis apropiado será movelo con bombas normais en vez de usar bombas como as de formigón, que gastan moita enerxía ou por outros medios físicos. Ademais, canto máis húmido é o material, maior volume e área ocupa en relación cos niveis de gas producidos. O contido de humidade do material de partida a tratar afecta tamén ao tipo de sistema que se aplicará para o seu tratamento. Para usar un dixestor anaerobio alto en sólidos con materiais iniciais diluídos, deberían aplicarse axentes voluminosos, como o compost, para incrementar o contido en sólidos do material de entrada. Outra consideración clave é a proporción carbono: nitróxeno do material de entrada. Esta proporción é o balance de alimento que un microbio precisa para crecer; a proporción C: N óptima é 20–30: 1. O exceso de N pode orixinar a inhibición da produción de amoníaco.
Contaminación
O nivel de contaminación do material que alimentará ao dixestor é outro factor fundamental. Se o material inicial ten niveis significativos de contaminantes físicos, como plásticos, cristais, ou metais, entón requirirase un procesamento para retirar eses contaminantes e que o material poida utilizarse. Se non se retira, entón os dixestores poden quedar bloqueados e non funcionarán eficientemente. As plantas de tratamento biolóxico mecánico deséñanse tendo isto en conta. Canto maior é o nivel de pretratamento que require o material, maior maquinaria de procesamento será necesaria, e, por tanto, o proxecto terá uns custos de capital maiores.
Despois de clasificar ou cribar para eliminar os contaminantes físicos do material, este a miúdo é triturado, picado, e convertido en polpa por medios mecánicos ou hidráulicos para incrementar a área superficial dispoñible para os microbios do dixestor e, así incrementar a velocidade da dixestión. A maceración de sólidos pode conseguirse utilizando unha bomba de picado (bomba cetrífuga cun sistema de corte) para transferir o material de partida ao dixestor hermético, onde ten lugar o tratamento anaerobio.
Composición do substrato
A composición do substrato é un factor importante para determinar o rendemento en metano e as proporcións de produción de metano a partir da dixestión da biomasa. Disponse de técnicas para determinar as características composicionais do material, e parámetros como as análises de sólidos, elementais e de orgánicos son importantes para o deseño de dixestores e o seu funcionamento. Aplicacións
O uso das tecnoloxías de dixestión anaerobia pode axudar a reducir a emisión de gases de efecto invernadoiro de diferentes maneiras: Substitúe os combustibles fósiles.
Reduce ou elimina a pegada enerxética das plantas de tratamento de lixo.
Reduce a emisión de metano dos vertedoiros de lixo.
Substitúe os fertilizantes químicos producidos industrialmente.
Reduce o movemento de vehículos (no transporte de lixo).
Reduce as perdas no transporte de electricidade na rede eléctrica.
Reduce o uso de gas licuado do petróleo para cociñar.
Tratamento do lixo
A dixestión anaerobia é especialmente axeitada para o tratamento de material orgánico, e utilízase comunmente para o tratamento de efluentes e augas residuais. A dixestión anaerobia é un proceso simple que pode reducir moito a cantidade de materia orgánica que doutro modo podería estar destinada a ser vertida no mar, en vertedoiros ou queimada en plantas incineradoras.
A presión exercida polas lexislacións medioambientais sobre os métodos de vertedura de lixo sólido nos países desenvolvidos incrementou a aplicación da dixestión anaerobia como proceso que reduce o volume de lixo e xera subprodutos útiles. Pode utilizarse para procesar a fracción separada polo tipo de produto do lixo municipal ou alternativamente pode combinarse con sistemas de clasificación mecánica, para procesar o lixo municipal mesturado. As instalacións onde se fai isto denomínanse plantas de tratamento biolóxico mecánico.
Se o lixo putrescible procesado nos dixestores anaerobios fose depositado en vertedoiros, degradaríase co tempo de forma natural e xeralmente anaerobicamente. Neste caso, o gas finalmente escaparía á atmosfera. Como o metano é unhas 20 veces máis potente como gas de efecto invernadoiro que o dióxido de carbono, isto ten uns efectos negativos significativos no medio ambiente.
Nos países que recollen o lixo doméstico, a utilización de instalacións de dixestión anaerobia pode axudar a reducir a cantidade de lixo que require transporte a un vertedoiro centralizado ou ás plantas incineradoras. Esta menor necesidade de transporte reduce as emisións de dióxido de carbono totais procedentes de vehículos. Se as instalacións localizadas de dixestión anaerobia están integradas na rede de distribución eléctrica, poden axudar a reducir as perdas eléctricas asociadas co tansporte de electricidade na rede nacional.
Xeración de enerxía
Nos países en desenvolvemento, os sistemas de dixestión baseados nunha granxa ou nunha soa casa teñen o potencial de producir enerxía de baixo custo para cociñar e a iluminación.
Desde 1975, a China e a India teñen amplos plans apoiados polos gobernos para adaptar pequenas plantas de biogás para o uso en casas para cociñar e a iluminación. Actualmente, os proxectos sobre dixestión anaerobia no mundo en desenvolvemento poden obter apoio financeiro a través do Mecanismo de Desenvolvemento Limpo das Nacións Unidas se poden demostrar que orixinan emisións de dióxido de carbono reducidas.
O metano e a enerxía producidos nas instalacións de dixestión anaerobia poden utilizarse para substituír a enerxía derivada dos combustibles fósiles, e así reducir as emisións de gases de efecto invernadoiro, porque o carbono do material biodegradable é parte do ciclo do carbono. O carbono liberado á atmosfera a patir da combustión de biogás foi retirado da atmosfera polas plantas para o seu crecemento no pasado recente, xeralmente na última década, e máis probablemente na última estación de crecemento. Se os vexetais volven a crecer, absorbendo máis carbono da atmosfera de novo, o sistema é neutro en carbono. Ao contrario, o carbono dos combustibles fósiles quedou secuestrado na terra hai moitos millóns de anos, e a súa combustión aumenta os niveis globais de dióxido de carbono na atmosfera.
O biogás producido a partir de augas residuais utiízase ás veces para alimentar un motor de gas para producir enerxía eléctrica, unha parte del ou todo pode utilizarse para o propio tratamento de augas residuais. Parte da calor residual do motor utilízase para quentar o dixestor. A calor residual é, en xeral, dabondo para quentar o dixestor ás temperaturas requiridas. O potencial enerxético obtido así no conxunto das demandas totais dun país é limitado e pouco significativo. A dimensión da xeración de biogás a partir de materia biolóxica de lixo que non sexa de augas residuais (colleitas de vexetais enerxéticos, residuos de comida, restos de matadoiros etc. ) é moito maior. As plantas de biogás de granxas que utilizan residuos animais e colleitas agrícolas enerxéticas espérase que contribúan a reducir as emisións de CO2 e a reforzar a rede eléctrica, e a proporcionar aos agricultores uns ingresos adicionais.
Algúns países ofrecen incentivos en forma, por exemplo, de tarifas especiais para conectar a electricidade producida desa maneira á rede eléctrica xeral para subsidiar a produción de enerxía verde.
Inxección de gas á rede xeral
A inxección de biogás á rede xeral de distribución de gas natural é outra opción, convertendo o biogás en biometano. Como alternativa, a electricidade e a calor poden utilizarse para a xeración in situ, o que reduce as perdas no transporte de enerxía. As perdas típicas de enerxía nos sistemas de transmisión de gas natural son de arredor do 1–2%, mentres que as perdas de enerxía en sistemas eléctricos grandes son do 5–8%.
Fertilizantes e acondicionadores do solo
O compoñente sólido fibroso do material dixerido pode utilizarse como un acondicionador de solos para incrementar o contido orgánico dos solos. O licor do dixestor pode utilizarse como fertilizante que proporciona nutrientes vitais ao solo en lugar de usar os fertilizantes químicos que requiren grandes cantidades de enerxía para os producir e transportar. O uso de fertilizantes fabricados é, por tanto, máis intensivo na produción de carbono que o uso dos licores fertilizantes dos dixestores. En países como España, onde o contido orgánico dos solos está a diminuír, o mercado para os sólidos dixeridos pode ser tan importante coma o do biogás.
Gas para cociñar
Os biodixestores, que producen as bacterias necesarias para a descomposición, xeran gas que se pode usar para cociñar. Os residuos orgánicos como follas caídas, residuos da cociña, restos de comida etc. introdúcense nunha unidade de trituración, onde se engade á mestura un pouco de auga. A mestura pasa despois ao biodixestor, onde as bacterias descompóñena para producir gas para cociñar. Este gas alimenta a cociña de gas. Un biodixestor de 2 metros cúbicos pode producir 2 metros cúbicos de gas para cociñar. Isto é equivalente a 1 kg de gas licuado do petróleo. A notable vantaxe de utilizar un biodixestor é que os lodos son un rico esterco orgánico. Este método úsase moito en países como a India. Produtos
Os tres produtos principais da dixestión anaerobia son o biogás, o dixestato, e a auga.
Biogás
O biogás é o produto final das bacterias que se alimentan do material de partida biodegradable (a etapa de metanoxénese da dixestión anaerobia realizada por arqueas), e é principalmente metano e dióxido de carbono,
con pequenas cantidades de hidróxeno e trazas de sulfuro de hidróxeno. (A medida que se produce o biogás contén tamén vapor de auga, e a fracción do volume correspondente ao vapor de auga depende da temperatura do biogás). A maioría do biogás prodúcese durante o período medio da dixestión, despois que a poboación microbiana creceu, e a produción vai diminuíndo a medida que o material putrescible se esgota. O gas é normalmente almacenado na parte superior do dixestor nun globo ou burbulla de gas inflable ou extraída e almacenada nun contedor de gas adxacente á instalación.
O metano do biogás pode queimarse para producir calor ou electricidade, xeralmente cun motor alternativo (de pistón) ou microturbina a miúdo disposto para a coxeración, no que a electricidade e calor residual xerados son utilizados para quentar os dixestores ou edificios. A electricidade sobrante pode venderse aos subministadores ou introducirse na rede local. A electricidade producida por dixestión anaerobia considérase unha enerxía renovable. O biogás non contribúe a incrementar as concentracións do dióxido de carbono atmosféricas porque o gas non se libera directamente á atmosfera e o dióxido de carbono procede dunha fonte orgánica cun curto ciclo do carbono.
O biogás pode requirir un tratamento para o seu refinado e uso como combustible. A partir dos sulfatos do material de partida libérase sulfuro de hidróxeno, un produto tóxico, como un compoñente traza do biogás. As axencias de control medioambiental de diversos países, poñen límites estritos aos niveis de gases que conteñen sulfuro de hidróxeno, e, se os niveis de sulfuro de hidróxeno no gas son altos, será necesario un equipamento para o refinado e limpeza (como o tratamento de gas con aminas) que procese o biogás ata que teña os niveis esixidos pola lexislación. Alternativamente, a adición de cloruro feroso, FeCl2, ao tanque de dixestión inhibe a produción de sulfuro de hidróxeno.
Outras substancias que poden contaminar o biogás son os siloxanos volátiles. Ditos compostos forman parte frecuentemente dos residuos domésticos e das augas residuais. Nas instalacións de dixestión nas que se aceptan estes materiais como compoñentes do material de partida, siloxanos de baixo peso molecular mestúranse co biogás. Cando este gas se queima nun motor de gas, turbina, ou caldeira, os siloxanos convértense en dióxido de silicio (SiO2), que se deposita no interior da máqueina, incrementando o seu desgaste e roturas. Actualmente disponse de tecnoloxías prácticas e rendibles economicamente para eliminar os siloxanos e outros contaminantes do biogás. En certas aplicacións, pode facerse un tratamento in situ para incrementar a pureza do metano ao reducir o contido de dióxido de carbono, purgando a maioría del nun reactor secundario.
En países como Suíza, Alemaña e Suecia, o metano do biogás pode comprimirse para usalo como combustible dos vehículos de transporte ou conectalo diectamente á rede de gas xeral. En países onde o principal impulso para o uso da dixestión anaerobia son os subsidious á enerxía eléctrica renovable, esta ruta de tratamento é menos probable, xa que se require enerxía nesta estapa de procesamento e se reducen os niveis totais dispoñibles para a venda.
Dixestato
O dixestato son os restos sólidos do material de partida tratado nos dixestores que os microbios non puideron utilizar. Tamén consta de restos mineralizados de bacterias mortas do inteior do dixestor. O dixestato pode aparecer en tres formas: fibrosa, licor, ou unha combinación en lodos das dúas fraccións. Nos sistemas de dúas fases, as diferentes formas do dixestato proceden de diferentes tanques de dixestión. Nos sistemas de dixestión dunha soa etapa, combínanse as dúas fraccións e, se se desexa, sepáranse para un ulterior procesamento. O segundo subproduto (o dixestato acidoxénico) é un material orgánico estable que consta principalmente de lignina e celulosa, pero tamén ten diversos compoñentes minerais nunha matriz de células bacterianas mortas; e pode haber algúns plásticos. O material lembra ao compost doméstico e pode utilizarse como tal ou para facer produtos de construción, como aglomerado.
O dixestato sólido pode tamén utilizarse como material de partida para a produción de etanol.
O terceiro subproduto é un líquido (o dixestao metanoxénico) rico en nutrientes, que pode utilizarse como fertilizante, dependendo da calidade do material que fose dixerido. Deben avaliarse os niveis de elementos potencialmente tóxicos. Estes depende da calidade do material de partida orixinal. No caso de lixos biodegradables bastante limpos e clasificados, os niveis de elementos potencialmente tóxicos son baixos. No caso de lixos orixinados na industria, os niveis de elementos potencialmente tóxicos poden ser maiores e terán que tomarse en consideración á hora de determinar un uso axeitado do material.
O dixestato contén normalmente elementos como a lignina, que non poden ser degradados polos microorganismos anaerobios. Ademais, o dixestato pode conter amoníaco que é fitotóxico, e pode dificultar o crecemento das plantas se se utiliza como un material para a mellora dos solos. Por estas dúas razóns, pode empregarse unha fase de maduración ou compostaxe despois da dixestión. A lignina e outros materiais poden ser degradados por organismos aeróbicos, como fungos, que axudan a reducir o volume total do material a transportar. Durante esta maduración, o amoníaco é oxidado a nitratos, mellorando a fertilidade do material e facéndoo máis axeitado para o melloramento de solos. As tecnoloxías de dixestión anaerobia seca utilizan tipicamente fases de compostaxe grandes.
Auga residual
O produto final dos sistemas de dixestión aeróbica é auga, que se orixina a partir do contido en humidade dos residuos orixinais tratados, e tamén como auga producida durante as reaccións microbianas nos sistemas dixestores. Esta auga pode escorrer do dixestato ou pode ser separada implicitamente del.
As augas residuais que saen das instalacións de dixestión anaerobia xeralmente teñen niveis elevados de demanda bioquímica de oxíxeno (DBO) e de demanda química de oxíxeno (DQO). Estas medidas da reactividade do efluente indican que ten a capacidade de contaminar. Algúns destes materiais denomínanse de "DQO duro", o que significa que non son accesibles polas bacterias anaerobias para que os convertan en biogás. Se este efluente se verte directamente nun curso de auga, afectaríao negativamente ao causar eutrofización. Por tanto, ás veces é necesario un posterior tratamento desta auga residual. Este tratamente xeralmente consiste nunha etapa de oxidación na que se fai pasar aire a través da auga en reactores por lotes secuenciais ou por unha unidade de osmose inversa.