PRODUCCIÓN DE BIOGÁS A PARTIR DE DESECHOS SÓLIDOS URBANOS, INFLUENCIA DE INHIBIDORES INORGÁNICOS. Juan Carlos Ferrero, Martha Bargiela, Guillermo Fernandez, Alicia Fabrizio de Iorio. Facultad de Agronomía Universidad de Buenos Aires [email protected] Capítulo: Energía y cambio climático.- ECC

ABSTRACT El Biogás se produce mediante la degradación de la Materia Orgánica llevada a cabo por bacterias metanogénicas anaerobias estrictas. El gas producido es una mezcla de CH 4 en mayor proporción, CO 2 y trazas de H 2 S. La relación entre los componentes dependerá del sustrato utilizado. En la actualidad hay pocas líneas de investigación tendientes a estudiar las posibilidades de utilizar residuos urbanos como sustratos para obtención de Biogas. A partir del conocimiento de la existencia en los residuos urbanos de posibles inhibidores, no observables en residuos rurales, se analizó la producción de metano a partir de Materia Orgánica en restos provenientes de verdulerías, contaminados con posibles inhibidores como Pb y Cd de ocurrencia frecuente en residuos sólidos urbanos. La producción de Biogás se realizó en prototipos de fabricación propia ateniéndose a las formas de los utilizados mayoritariamente. Se analizaron volumen producido de Biogás, pH, conductividad y carbono total de las muestras extraídas del biodigestor, para encontrar variaciones que expliquen los cambios en la producción.

Palabras clave: Biodegradación, Biogas, Cadmio, Inhibidores, Plomo

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Introducción La contaminación de las zonas urbanas, es una temática que genera grandes inconvenientes., debido al desarrollo de las mismas, no sólo desde el punto de vista ambiental, sino también desde el desarrollo social La bibliografía menciona los riesgos a la salud de la población derivados del mal manejo de los residuos urbanos en los basurales a cielo abierto, y la necesidad de revertir esta situación. [6] En la actualidad el 50% de la población del planeta, ó 3.000 millones de personas, vive en ciudades (ONU programa Hábitat, 2005), lo que provoca una producción importante de residuos. En Argentina existen demasiados espacios destinados al depósito de residuos urbanos que se acumulan produciendo contaminación [2]. Se entiende que residuo es cualquier producto, materia o sustancia, que resulte de la actividad humana, principalmente, o de la naturaleza, que ya no tiene más utilidad en la actividad que lo generó. Sólo en el área metropolitana de Buenos Aires los centros de disposición de basura del CEAMSE (Coordinación Ecológica Área Metropolitana Sociedad del Estado) reciben aproximadamente una cantidad de 14.760 toneladas diarias (CEAMSE) de residuos sólidos. Las formas más usuales de disponer los residuos sólidos urbanos son el depósito en rellenos sanitarios o basurales a cielo abierto). Los basurales a cielo abierto son los más difíciles de manejar, por los grados de contaminación que llegan a lograr [2]. En los últimos años la situación de rellenos sanitarios como disposición final de los residuos se ha empeorado; los mismos tienen una vida útil limitada a un lapso de aproximadamente 10 años. Además existe una resistencia manifiesta de los habitantes cercanos y la problemática radica en la ubicación de nuevos rellenos. Sin contar con los aumentos de los costos de transporte de los RSU hasta su disposición final. Además la 2

CEAMSE viene acumulando residuos a una tasa de entre cuatro a seis millones de toneladas por año, como se ve en la figura 1.

Figura 1. Toneladas dispuestas por el CEAMSE 1990- Oct 2007 Millones de Toneladas 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007

Años Toneladas dispuestas

En América Latina los asentamientos de las poblaciones indigentes suelen realizarse cerca de los lugares de disposición final de la basura [1]-[4], esto implica grandes riesgos para la población y obliga a encontrar nuevas soluciones para la disposición final de los desechos. Pueden realizarse tratamientos físicos

como incineración y químicos como

compostaje y reciclaje. En el caso de los tratamientos químicos, existen dos métodos, un método aeróbico y uno anaeróbico.

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El proceso anaeróbico produce un barro estabilizado y un compuesto gaseoso (biogás) que tiene un alto porcentaje de metano y dióxido de carbono. Estos compuestos tienen una mayor utilidad por ser fuente de nutrientes (los barros) y de energía (el biogás) Según Hilbert (INTA) el proceso de degradación anaeróbica posee tres etapas que por simplificación se han agrupado en dos (Ácida que involucra la de hidrólisis y acidificación y Metanogénica) La hidrólisis es el proceso que realizan microorganismos de distinto tipo, por el cual la materia orgánica es degradada a estructuras más pequeñas y simples, liberando al medio también hidrógeno y dióxido de carbono. La Acidificación o Acetogénesis es la etapa llevada a cabo por las bacterias acetogénicas. Estas realizan la degradación de los ácidos orgánicos llevándolos al grupo acético. La acidez generada es compensada por las bacterias metanogénicas que la utilizan como sustrato. La disminución de la acidez del medio mantiene el sistema operativo ya que una disrupción en el funcionamiento de cualquier proceso genera un colapso del mismo. La etapa de Metanogénesis o Metanogénica la llevan a cabo las bacterias anaerobias estrictas que pertenecen al género de las archibacterias. Utilizan el ácido acético, los ácidos de cadena corta producidos en la etapa anterior y en menor medida el dióxido de carbono e hidrógeno disueltos en solución para generar metano y dióxido de carbono. Todo el proceso puede verse en la Figura 2

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Figura 2 MATERIA ORGANICA Compuestos de cadena larga HIDRÓLISIS CO2 y H2

ACIDOGENESIS Compuestos de Cadena Corta (Ácidos de cadena corta) ACETOGENISIS

*Bacterias facultativas (pueden vivir en presencia de bajos contenidos de oxígeno). *Alta tasa reproductiva. * Poco sensibles a los cambios de acidez y temperatura. * Produce ácidos orgánicos

CO2 y H2

Ácido Acético

METANOGENISIS

Metano

METANOGENESIS * Bacterias anaeróbicas estrictas. * Baja tasa reproductiva. * Muy sensibles a los cambios de acidez y temperatura. * Produce, metano y dióxido de carbono

Los microorganismos intervinientes en cada parte del proceso tienen propiedades distintas. Esto hace que cualquier cambio brusco en el sistema puede generar variaciones en la producción de gases y hasta una detención de todo el sistema. La fase metanogénica es la más sensible en todo el proceso, principalmente por su baja tasa reproductiva.

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Los reactores anaeróbicos presentan ciertas ventajas en comparación con los aeróbicos: necesitan menos energía y presentan una mayor simplicidad en la operatividad. [3] Como ventajas importantes en este sentido, en el tratamiento de efluentes cloacales el proceso anaeróbico disminuye las aguas residuales en un 80% mientras que el proceso aeróbico sólo lo hace en un 45%.[9] Como contraparte otros autores comentan que en Alemania el costo de tratar la basura anaeróbicamente es entre 1,2 a 1,5 veces superior que el comportarla [5]. Pero se debería tener en cuenta además de los costos; los subproductos obtenidos de la degradación anaeróbica y el potencial de limpieza de las distintas fuentes de contaminación. La presencia de compuestos tóxicos en el biodigestor puede disminuir la actividad de los microorganismos anaerobios, este efecto podrá ser detectado por la reducción en la producción del biogás. El objetivo de este trabajo fue: Estudiar la factibilidad de producir Biogás a partir de residuos de verdulería asimilados como Residuos Sólidos Urbanos evaluando el efecto inhibitorio de Pb y Cd posibles inhibidores y establecer una base analítica del uso de los residuos urbanos contaminados. Los resultados previstos de la investigación realizada permitirán determinar los niveles umbrales de los inhibidores inorgánicos estudiados que inciden significativamente sobre el rendimiento del biogás producido Justifican este trabajo la importancia científica del conocimiento puntual de la forma de producción de biogás de las bacterias metanogénicas frente al agregado de inhibidores. Desde el punto de vista tecnológico será un significativo avance en el área del reciclado y en las técnicas aplicadas para este fin.

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Materiales y Métodos Sustrato: Se homogeneizó una mezcla de productos de verdulería preestablecidos con un inóculo de heces de vacuno. Los mismos fueron incorporados en un digestor de 50 lts aproximadamente para su homogenización, de los que se extrajo material para luego digerirlo en cada uno de los digestores de 1litrot, abajo explicados. Digestores: Se implementaron ensayos de incubación a través de reactores anaeróbicos discontinuos (batch). Los mismos constaron de un recipiente de vidrio de una capacidad nominal de 1,25 l. con tapa a rosca. Las tapas fueron perforadas y se les agregó un conector de gas de 6mm de diámetro interno con conexión a una T de 6mm que en otro de sus extremos fue colocado un manómetro de hasta 1 (un) bar de presión, a su vez el extremo libre de la T se le acoplo una llave esférica de 6mm, la misma en el otro extremo fue conectada con un “enganche fácil” macho. El recipiente colector también de vidrio con capacidad nominal de 1 l cuenta con una tapa también a rosca que fue perforada para colocar dos conectores de gas de 6mm. Uno de ellos permite la entrada de gas al colector mediante una manguera cristal de 6x9 adosada a un “enganche fácil” hembra que permite la entrada del gas pero al ser desenganchado del digestor no permite la salida del colectado; y el segundo tiene como objetivo permitir la salida de agua del colector. Para esto se le adosó una manguera como la anteriormente descripta que toma el líquido del fondo del colector.

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Los digestores fueron sumergidos en una batea a temperatura constante medida con un termómetro en uno de los recipientes. La fuente de calor fueron termostatizadores y se recirculó el agua mediante aireadores. Para hermetizar tanto los digestores como el recipiente colector de gases se colocó vaselina sólida en todas las zonas de rosca. De esta manera se espera que no haya filtraciones ni fugas del gas. Los ensayos de incubación del sustrato se realizaron con los correspondientes inhibidores: Pb y Cd, en concentraciones crecientes, relacionadas con los contenidos comunes de estos elementos en los lixiviados de los residuos sólidos urbanos [8]. Se llevó a cabo paralelamente un ensayo testigo con el sustrato sin ningún agregado. Las concentraciones de los elementos inhibidores fueron 0,4 ppm como un valor bajo, 2ppm como un valor normal y 4ppm como un valor alto. Se determinaron los volúmenes de gas obtenidos por desplazamiento y se supuso que el 60% del gas es metano, y el otro 40% CO 2 desestimándose los contenidos de trazas (ácido sulfhídrico y NOx). También se determinaron las características del sustrato posttratamiento para estudiar la degradación de la materia orgánica en el lapso del experimento.

Resultados y Conclusiones Plomo Se muestran los gráficos de volumen acumulado en función de los días del experimento con el agregado de 0,4; 2 y 4 ppm de Pb

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Gráfico 1.

7.000 6.000 5.000 ml

4.000 3.000 2.000 1.000 0 0 1 2 3 4 7 8 9 10 11 12 15 16 17 18 21 22 23 24 25 28 29 30 Dias

Testigo

Pb 0,4ppm

Gráfico2.

2.500

ml

2.000 1.500 1.000 500 0 0 1 2 5 6 7 8 9 1213 14 15 16 1920 21 22 2326 27 28 29 30 Dias Testigos

Plomo 2,0

9

Gráfico3. 1.600 1.400 ml

1.200 1.000 800 600 400 200 0 0 1 2 3 6 7 8 9 1013 141516 1720 2122 232427 2829 30 Dias

Testigos

Plomo 4,0

Según datos de bibliografía el plomo se adsorbe sobre los barros con mayor fuerza que otros metales pesados [7], concordando con lo sucedido en el experimento. Esto demuestra que al aumentar la concentración de Plomo en el sistema, este se adsorbe y afecta principalmente la producción de ácidos grasos volátiles influyendo menos sobre la producción de biogás. Cadmio Se muestran los gráficos del volumen acumulado en función de los días del experimento con el agregado de 0,4; 2 y 4 ppm de Cd

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2.000 1.800 1.600 1.400 1.200 1.000 800 600 400 200 0 0 1 2 3 6 7 8 9 10 13 14 15 16 17 20 21 22 23 24 27 28 29 30 Dias

Testigos

Cadmio 0,4

Gráfico 5.

2.500 2.000

ml

ml

Gráfico 4.

1.500 1.000 500 0 0 1 2 5 6 7 8 9 121314151619202122232627282930 Dias Cadmio 2,0

Testigos

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Gráfico 6.

9.000 8.000 7.000 ml

6.000 5.000 4.000 3.000 2.000 1.000 0 0 1 2 3 4 7 8 9 10 11 12 15 16 17 18 21 22 23 24 25 28 29 30 Testigo

Cd 4ppm

Dias

Los resultados demuestran que el Cadmio es promotor de la producción de gas a bajas concentraciones (0,4ppm). Mientras que a concentraciones superiores los comportamientos no difieren del testigo. El Cd a bajas concentraciones puede actuar como agonista de otros metales, como ser el caso de Ca y Zn. A concentraciones mayores el Cd comienza a competir por los sitios complejantes con el Ca (pese a su menor afinidad) por un efecto másico, y ser adsorbido en la fase sólida del reactor, lo que enmascararía su actividad como inhibidor. Como se puede observar de los gráficos antes expuestos es notoria el incremento en la producción del gas cuando es inoculado el digestor con Cadmio a bajas concentraciones y como afecta negativamente el Plomo. Esto puede deberse principalmente por la inexistencia de agitación de los digesotres lo que permitiría una absorción de los metales pesados a los lodos que se forman internamente.

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También es sabido que existe una disminución de los metales pesado por una precipitación como sulfatos de metal. Esto es esperar que suceda con las concentraciones altas de los metales pesados, sin embargo las concentraciones bajas permitirían una mayor suspensión del metal en las zonas activas. El plomo es el metal pesado que más afecta al desarrollo de las bacterias metanogénicas, en cambio el cadmio parece interactuar y mejorar el rendimiento de las mismas. Se postula como una hipótesis aceptable que el cadmio participe de la síntesis enzimática

bacteriana

y

de

esta

manera

interactúe

con

las

bacterias

metanogénicas,explicando su aumento en la productividad.

Referencias 1) BID (Banco Interamericano de Desarrollo). 1997 Guía para Evaluación de Impacto Ambiental Para Proyectos de Residuos Sólidos Municipales Procedimientos Básicos. 2) Borthagaray J. M., R. Fernández Prini, M. A. Igazabal de Nistal, E. San Roman, M. Tudino 2001. Diagnóstico ambiental del área metropolitana de Buenos Aires. Ediciones de la Facultad de Arquitectura, Diseño y Urbanismo. 3) Botella A, Rossen A., Casserly C., Corujeira A., Volonté N., Duran J., 2005 Estudio de la Biodegradación y posible efecto tóxico del formaldehído en un lodo anaeróbico. Instituto Nacional del Agua, Laboratorio Experimental de Tecnologías Sustentables. 4) Di Pase M., S. Federovisky, J. E. Hardoy, S. Mazzucchelli. 1992. “Medio ambiente en la Argentina” Centro Editor de América Latina. 5) Gallert C., A. Henning and J. Winter. March 2003. Scale-up of anaerobic digestion of the biowaste fraction from domestic wastes. Water Research, 37(6): 1433-1441 6) Groppelli E. S., O. A. Giampaoli, 2001. “EL CAMINO DE LA BIODIGESTION. Ambiente y tecnología socialmente apropiada” Universidad Nacional del Litoral – UNL - PROTEGER - Amigos de la Tierra, Argentina. 7) Leighton I.R., Forset C.F., 1997. The adsorption of heavy metals in an acidogenic thermophilic anaerobic reactor. Water Res. Vol 31 Nro 12, 29692972 8) Ostman M., O. Wahlberg, S. Agren, A. Martensson (2006). Metal and organic matter contents in a combined household and industrial landfill. Waste Management 26 29–40. 9) Schober G., J. Schäfer, U. Schmid-Staiger, W. Trösch. 1999. One and two stage digestion of solid organic waste. Water Research 33: 854 – 860.

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Páginas Web: 1) ONU 2005: http://www.unic.org.ar/prensa%20comunicados/html/-12-09-2005-onu-habitat.htm 2) Ceamse: http://www.ceamse.gov.ar/abre-disposicion.html 3) Clarín: http://www.clarin.com/diario/2005/11/07/laciudad/h-03401.htm 4) Secretaría de Medio Ambiente y Desarrollo Sustentable: www.ambiente.gov.ar

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