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COMPOST
Principal Arriba COMPOST LOMBRICULTURA

 

 

METODO AEROBIO METODO ANAEROBIO

El proceso de Compostaje es la descomposición y estabilización de diversos residuos orgánicos, por la acción de diversas y sucesivas poblaciones de microorganismos benéficos, que se desarrollan bajo condiciones controladas de aire, temperatura y humedad.

 

Este Bioproceso aeróbico permite obtener un producto final suficientemente estable para el almacenamiento e incorporación al suelo sin efectos ambientales adversos.

 

OBJETIVOS

 Desarrollar aspectos relacionados con principios, perspectivas y capacitación de recursos humanos en la selección y utilización de procesos que permitan un manejo sustentable de los residuos orgánicos. Utilizar diversos materiales orgánicos y transformarlos mediante el proceso de Compostaje en productos con valor agregado.

 El propósito de este capitulo es introducir y revisar los procesos biológicos y químicos que pueden utilizarse para transformar la fracción orgánica de los RSU en productos de conversión gaseosos, líquidos y sólidos. El enfoque principal de este capítulo se centra en los procesos biológicos, porque son ellos los que se han utilizado más frecuentemente para ¡a transformación de los materiales de residuos orgánicos. Los procesos biológicos considerados en este capítulo incluyen: compostaje aerobio, digestión anaerobia de sólidos en baja concentración, digestión anaerobia de sólidos en alta concentración y diges­tión anaerobia de sólidos en alta concentrad ón/compostaj e aerobio. Antes de considerar los procesos biológicos individuales, se deben presentar algunos de los principios básicos biológicos, fundamentales para todos los procesos bio­lógicos.

PRINCIPIOS BIOLÓGICOS

Antes de considerar los procesos específicos empleados en la conversión bio­lógica de residuos, será de ayuda revisar 1) las necesidades nutricionales de los microorganismos que normalmente se encuentran en las instalaciones de conversión de residuos sólidos; 2) el tipo de metabolismo microbiano, según la necesidad de oxígeno molecular; 3) los tipos de microorganismos importan-lés en la conversión de residuos sólidos; 4) los requisitos ambientales; 5) las transformaciones aerobias y anaerobias, y 6) la selección de procesos.

Necesidades nutricionales para el crecimiento microbiano

Para seguir reproduciéndose y funcionando correctamente, un organismo pre­cisa de una fuente de energía; de carbono para la síntesis de nuevo tejido celular, y de elementos inorgánicos (nutrientes) tales como nitrógeno, fósforo, potasio, calcio y magnesio. Quizás también se necesiten nutrientes orgánicos factores de crecimiento) para la síntesis celular. En la siguiente presentación se describen las fuentes de carbono y de energía, normalmente llamados sus­tratos, así como las necesidades nutricionales y de factores de crecimiento-

Fuentes de carbono y energía. Dos de las fuentes más comunes de car­bono para el tejido celular son el carbono orgánico y el dióxido de carbono. Los organismos que utilizan carbono orgánico para la formación de tejido celular se llaman heterótrofos. Los organismos que obtienen carbono a partir de dióxido de carbono se llaman autólrofos. La conversión del dióxido de carbono en tejido celular orgánico es un proceso reductor que requiere una entrada de energía neta. Los organismos autotróiicos, por lo tanto, deben gastar más de su energía para la síntesis que los heterótrofos, lo que provoca tasas de crecimiento generalmente más bajas entre los autótrofos.

La energía necesaria para la síntesis celular puede suministrarse con la luz o con una reacción química de oxidación. Aquellos organismos que son ca­paces de usar la'luz como fuente de energía se llaman foiólrofos. Los organis­mos/otótrópicoA- pueden ser heterotróficos (ciertas bacterias de azufre) o auto-tróficos (algas y bacterias fotosintetizantes). Los organismos que obtienen su energía mediante reacciones químicas se conocen como quimiótrofos. Como los fotótrofos, los quimiótrofos pueden ser heterotróficos (protozoos, hongos y la mayoría de las bacterias) o autotróficos (bacterias mirificantes). Los quimioau-tótrofos obtienen energía de la oxidación de compuestos inorgánicos reducidos, como el amoniaco, el nitrito y el sulfito. Los quimioheterótrofos normalmente obtienen su energía de la oxidación de compuestos orgánicos.

Necesidades de nutrientes y factores de crecimiento. Los nutrientes, en vez del carbono o de una fuente de energía, a veces pueden ser el material limitante para la síntesis y el crecimiento celular microbiano. Los principales nutrientes inorgánicos requeridos por los microorganismos son nitrógeno (N), azufre (S), fósforo (P), potasio (K), magnesio (Mg), calcio (Ca), hierro (Fe), sodio (Na) y cloro (Cl). Los nutrientes menores, pero de gran importancia, incluyen: cinc (Zn), manganeso (Mn), molibdeno (Mo), selenio (Se), cobalto (Co), cobre (Cu), níquel (Ni), y wolframio (W) [19].         

Además de los nutrientes inorgánicos citados, algunos organismos también pueden necesitar nutrientes orgánicos. Los nutrientes orgánicos necesarios, conocidos como factores de crecimiento, son compuestos necesitados por un organismo como precursores o constituyentes del material celular orgánico, que no se puede sintetizar a partir de otras fuentes de carbono. Aunque los requisitos de factores de crecimiento difieren de un organismo a otro, los principales factores de crecimiento entran en tres clases: 1) aminoácidos, 2) purinas y pirimidinas, y 3) vitaminas [19].

 

Nutrición microbiana y procesos de conversión biológica. El objetivo principal en la mayoría de los procesos de conversión biológica es la conver­sión de la materia orgánica de los residuos en un producto final estable- Para llevar a cabo esta clase de tratamiento, los organismos quimioheterotróficos son de una importancia primordial por necesitar compuestos orgánicos como fuente tanto de carbono como de energía. La fracción orgánica de los RSU contiene normalmente cantidades adecuadas de nutrientes (tanto orgánicos como inorgánicos) para soportar la conversión biológica de los residuos. Sin embargo, con algunos residuos comerciales puede que ios nutrientes no estén presentes en cantidades suficientes. En estos casos, es necesaria la adición de nutrientes para el crecimiento correcto de las bacterias y la subsiguiente de­gradación de los residuos orgánicos-

TÍpos de metabolismo microbiano

Los organismos quimioheterotróficos pueden agruparse adición al mente según su tipo metabólico y sus necesidades de oxigeno molecular. Los organismos que generan energía mediante et transporte de electrones, mediado por enzi­mas, desde un donante de electrones hasta un receptor de electrones externo (como oxigeno) tienen un metabolismo respiratorio. En contraste, el metabolis-' mo fermentativo no implica la participación de un receptor externo de electro­nes. La fermentación es un proceso productor de energía menos eficaz que la respiración; en consecuencia, los organismos heterotrófícos que son estricta­mente fermentativos se caracterizan por tasas de crecimiento y de producción celular menores que los heterótrofos respiratorios.

 

Cuando se utiliza el oxígeno molecular como receptor de electrones en el metabolismo respiratorio, el proceso se conoce como respiración aerobia. Los organismos que dependen de la respiración aerobia para conseguir sus ne­cesidades energéticas sólo pueden existir cuando hay un suministro de oxí­geno molecular. Estos organismos se llaman aerobio obligados. Algunos com­puestos inorgánicos oxidados, como el nitrito y sullíto, pueden funcionar como receptores de electrones para algunos organismos respiratorios en ausencia de oxigeno molecular. En la ingeniería ambiental, los procesos que hacen uso de estos organismos a menudo se denominan anóxicos.

solamente en un ambiente que está libre de oxígeno son anaerobio obligados o estrictos. Hay otro grupo de microorganismos que tienen la capacidad de crecer en presencia o ausencia de oxígeno molecular. Estos organismos se llaman anaerobios facultativos.

 

Los organismos facultativos entran en dos subgrupos según sus capacida­des metabólicas. Los verdaderos anaerobios facultativos pueden cambiar su 'metabolismo respiratorio desde el fermentativo al aerobio, según la^presencia o ausencia de oxígeno molecular. Los anaerobios aerotolerantes tienen un metabolismo estrictamente fermentativo, pero son relativamente insensibles a la presencia de oxígeno molecular.

Tipos de microorganismos

 Los microorganismos normalmente se clasifican, según su estructura y función celular, como eucariontes, eubacterias y arqueobacterias.

 Los grupos procarióticos (eubacteria y arqueobacteria) son de una importancia primordial dentro de la conversión biológica de la fracción orgánica de los residuos sólidos y generalmente se denominan sencillamente bacterias. El grupo eucariótico incluye plantas, animales y protistas. Los euca­riontes más importantes en la conversión biológica de los residuos orgánicos incluyen: 1) hongos, 2) levaduras, y 3) actinomicetos. Por su importancia en la conversión biológica de residuos orgánicos, se describen brevemente estos organismos en los siguientes párrafos.

Bacterias. Normalmente, las bacterias son unicelulares: esferas, barras o espirales Las formas esféricas (cocos) varían de 0,5 a 4 /im de diámetro; las barras (bacilos) son de 0,5 a 20 /ím de largo y de 0,5 a 4 /mi de ancho; las espirales (espirilos) pueden ser de más de 10 /ím de largo y aproximadamente ' de 0,5 /mi de ancho [19]. Las bacterias son de naturaleza ubicua y se encuen­tran en ambientes aerobios (en presencia de oxígeno) y anaerobios (en ausencia de oxígeno). 

Por la amplia variedad de compuestos orgánicos e inorgánicos que las bacterias pueden usar para sostener su crecimiento, se utilizan las bacterias extensamente en diversas operaciones industriales para acumular productos intermedios y finales del metabolismo. Algunos ensayos sobre algu­nas especies distintas de bacterias indican que son aproximadamente un 80 por 100 agua y un 20 por 100 materia seca, de la cual el 90 por 100 es orgánica y el 10 por 100 es inorgánica. Una fórmula empírica aproximada para la fracción orgánica es C^H^NO; [10]. Basándose en esta fórmula, aproximada­mente el 53 por 100 en peso de la fracción orgánica es carbono. Los compues­tos que conforman la porción inorgánica incluyen P^O; (50 por 100), CaO (9 por 100), Na;0 (11 por 100), MgO (8 por 100), K^O (6 por 100) y Fe^ (1 por 100). Como todos estos elementos y compuestos tienen que obtenerse del ambiente, una falta de estas sustancias limitaría y en algunos casos alteraría el crecimiento de las bacterias [10].

 

Hongos. Los hongos se consideran como protistas multicelulares, no foto-sintéticos, heterotróficos. La mayoría de los hongos tienen la capacidad de crecer en condiciones de baja humedad, que no favorecen el crecimiento de las bacterias. Además, los hongos pueden tolerar valores de pH relativamente bajos. E) valor de pH óptimo para la mayoría de las especies de hongos parece ser aproximadamente de 5,6, pero el rango factible va de 2 a 9.

El metabolismo de estos organismos es esencialmente aerobio, y crecen en largos filamentos, llamados hifas, compuestos de unidades celulares nucleadas y variando en anchura de 4 a 20 /(m. Por su capacidad para degradar una amplia variedad de compuestos orgánicos en una amplia gama de condiciones ambientales, se han utilizado los hongos extensamente en la industria para la producción de compuestos valiosos, tales como ácidos orgánicos (por ejemplo, cítrico, glu-cónicoJ, diversos antibióticos (por ejemplo, penicilina, griseofulvina) y enzimas (por ejemplo, celulasa, proteasa, amilasa).

Levaduras. Las levaduras son hongos que no pueden formar filamentos (micelios) y por tanto son unicelulares. Algunas levaduras forman células elípti­cas de 8 a Í5 /im por 3 a 5 /íin, mientras que otras son esféricas, variando en tamaño de 8 a 12 ¡¡m de diámetro. En términos de operaciones industriales de procesamiento, se pueden clasificar las levaduras como «naturales» y «cul­tivadas». Por lo general, las levaduras naturales son de poco valor, pero las levaduras cultivadas son utilizadas extensamente para fermentar azúcares en alcohol y en dióxido de carbono.

Actinomicetos. Los actinomicetos son un grupo de organismos con pro­piedades intermedias entre bacterias y hongos. Son similares en forma a los hongos, excepto que la anchura de la célula es solamente de 0,5 a 1,4 /xm. En la industria, se utiliza este tipo de organismo extensamente en la producción de antibióticos- Como sus características de crecimiento son similares, a me­nudo se agrupan los actinomicetos con los hongos para facilitar los propósitos de exposición.

Requisitos ambientales

 

Las condiciones ambientales de temperatura y de pH tienen un importante efecto sobre la supervivencia y sobre el crecimiento de los microorganismos, Por lo general, el crecimiento óptimo se produce dentro de una gama de temperatura y de valores de pH bastante estrecha, aunque los microorganis­mos pueden sobrevivir dentro de límites mucho más amplios, O sea, las temperaturas por debajo de las óptimas normalmente tienen un efecto más significativo sobre la tasa de crecimiento bacteriano que las temperaturas por encima de las óptimas.

 

Se ha observado que las tasas de crecimiento se duplican aproximadamente con cada subida de 10 °C de temperatura, hasta llegar a la temperatura óptima. Según la gama de temperatura en que funcio­nen mejor, las bacterias pueden clasificarse como psicrofilas, mesófilas o termófilas.

 

La concentración en iones de hidrógeno, expresada como pH, no es un factor significativo en el crecimiento de microorganismos, en sí mismo, dentrode la gama de 6 a 9 (que representa una diferencia de mil en la concentración de iones de hidrógeno). Generalmente, el pH óptimo para el crecimiento bacteriano queda entre 6,5 y 7,5. Sin embargo, cuando el pH sube por encima de 9,0 o baja por debajo de 4,5, parece que las moléculas sin disociar de los ácidos débiles o bases pueden entrar en la célula más fácilmente que los iones de hidrógeno y oxhidrilo y, alterando el pH interno, dañar la célula.

El contenido en humedad es otro requisito ambiental esencial para el crecimiento de microorganismos. Hay que saber el contenido en humedad de los residuos que se van a convertir, especialmente si se va a utilizar un proceso seco, como el compostaje.

 

En muchas operaciones de compostaje, ha sido necesario añadir agua para obtener un óptima actividad bacteriana. La adi­ción de agua en los procesos de fermentación anaerobia dependerá de las características de los residuos orgánicos y del tipo de proceso que va a utili­zarse.

 

La conversión biológica dé un residuo orgánico requiere que el sistema biológico se encuentre en un estado de equilibrio dinámico. Para establecer y mantener el equilibrio dinámico, e! medio debe estar libre de concentraciones inhibidoras de metales pesados, amoniaco, sulfiles y otros constituyentes tóxi­cos.

Transformaciones biológicas aerobias

La transformación aerobia general de los residuos sólidos puede describirse con la siguiente ecuación.

bacterias                                      materia

Materia orgánica + O2 + nutrientes                  nuevas células + orgánica resistente

 

+ C02 + H20 + NN3 + SO42- +:calor

Transformaciones biológicas anaerobias

A continuación se describe la producción de metano a partir de residuos sólidos mediante digestión anaerobia, o fermentación anaerobia.

Microbiología del proceso. Se piensa que la conversión biológica de la fracción orgánica de los RSLJ bajo condiciones anaerobias se produce en tres pasos

El primer paso en el proceso implica la transformación, mediada por enzimas (hidrólisis), de compuestos de masas moleculares más altas a compuestos aptos para usar como fuente de energía y tejido celular. El segundo paso implica la conversión bacteriana de los compuestos resultantes del primer paso a compuestos intermedios identificabics de masa molecular más baja. El tercer paso implica la conversión bacteriana de los compuestos intermedios a productos finales sencillos, principalmente metano y dióxido de carbono .

 

En la descomposición anaerobia de los residuos, algunos organismos anae­robios trabajan juntos para llevar a cabo la conversión de la fracción orgánica de los residuos en un producto final estable. Un grupo de organismos se responsabiliza de hidrolizar los polímeros orgánicos y los lípidos en unidades estructurales como ácidos grasos, monosacáridos, aminoácidos y compuestos relacionados.

 Un segundo grupo de bacterias anaerobias fermenta los productos descomponibles del primer grupo en ácidos orgánicos simples, el más común de los cuales en la digestión anaerobia es el ácido acético. Este segundo grupo de microorganismos, descrito como no metano-génico, está formado por bacterias anaerobias facultativas y obligadas que en la literatura frecuentemente se identifican como «acidógenos» o «formadores de ácidos».

Un tercer grupo de microorganismos convierte el hidrógeno y el ácido acético, producido por los formadores de ácidos, en gas metano y dióxido de carbono. Las bacterias responsables de esta conversión son anaerobios estric­tos, llamados metanogénicos, y se identifican en la literatura como «mctanó-genos» o «formadores de metano». Muchos de los organismos melanogénicos identificados en los vertederos y en digestores anaerobios son similares a aquellos que se han encontrado en los estómagos de animales rumiantes y en sedimentos orgánicos sacados de lagos y ríos. 

Las bacterias más importantes del grupo metanogcnico son las que utilizan hidrógeno y ácido acético. Tienen tasas de crecimiento muy lentas; en consecuencia su metabolismo normalmente se considera limitante en el tratamiento anaerobio de residuos orgánicos. La estabilización de residuos en la digestión anaerobia se lleva a cabo cuando se producen metano y dióxido de carbono. El gas metano es poco soluble, y su saiida del vertedero o de la disolución representa una estabilización real de los residuos.

 Factores ambientales. Para mantener un sistema de tratamiento anaero­bio que estabilice eficazmente un residuo orgánico, las bacterias no metano-génicas y metanogénicas deben estar en un estado de equilibrio dinámico. 

Para establecer y mantener tal estado, los contenidos del reactor deberían estar libres de oxígeno disüelto y de concentraciones inhibidoras de amoniaco libre y de constituyentes como metales pesados y sullítos. También, el pH del ambiente acuoso debería variar entre 6,5 y 7,5. Asimismo la alcalinidad será suficiente para asegurar que el pH no caerá por debajo de 6,2, porque las bacterias de metano no pueden funcionar por debajo de este umbral. Cuando se realice la digestión adecuadamente, la alcalinidad normalmente variará de 1.000 a 5.000 mg/1 y los ácidos grasos volátiles estarán por debajo de 250 mg/1. 

Los valores de la alcalinidad y de los ácidos grasos volátiles en el proceso de digestión anaerobio de sólidos en altas concentraciones (ver sección 14.4) pueden ser tan altos como 12.000 y 700 mg/1, respectivamente. Una cantidad suficiente de nutrientes, tales como nitrógeno y fósforo, también han de estar disponibles para asegurar el crecimiento correcto de la comunidad biológica. Según la naturaleza de los fangos o de residuos que van a digerirse, quizás también se requerirán factores de crecimiento. Otro parámetro ambiental im­portante es la temperatura- Las gamas de temperaturas óptimas son las me-sofílicas, 30 a 38 °C (85 a 100 °F) y las termonlicas, 55 a 60 °C (131 a 140°F).

DESARROLLO DE PROCESOS DE DIGESTION ANAEROBIA Y TECNOLOGIAS PARA EL TRATAMIENTO DE LA FRACCION ORGANICA DE LOS RSU

El prop6sito de esta secci6n es presentar al lector las tecnologías emergentes que utilizan el proceso de digestión anaerobia para la producción de metano y de un producto humico a partir de la fracción orgánica de los RSU y de otros materiales orgánicos.

Tecnologías de digestión anaerobia

En los últimos anos ha habido un gran interés en la aplicación del proceso de digestión anaerobia para el procesamiento de la fracción orgánica de RSU, por la posibilidad de recuperar metano y por el hecho de que el material digerido es similar al compost producido aeróbicamente., se resumen los principales procesos o tecnologías de digestión anaerobia actualmente bajo investigación o en uso. Como se puede observar, la mayoría del trabajo con el proceso de digestión anaerobia se lleva a cabo en Europa.

A continuación se describe el proceso combinado de digestión anaerobia de sólidos en alta concentración / compostaje aerobio que esta en desarrollo en Estados Unidos.

Proceso combinado de digestión anaerobia de sólidos en alta concentración

Compostaje Aerobio

Este proceso fue desarrollado por el Profesor Bill Jewell en la Universidad de Cornell [II], y combina los procesos de digestión anaerobia de sólidos en alta concentración y el compostaje aerobio.

La gran ventaja de este proceso es la estabilización de los residuos orgánicos con una recuperación neta de energía y sin la necesidad de equipamiento importante de deshidratación. Otras ven-tajas incluyen el control de patógenos y la reducción en volumen.

Descripción del proceso. El proceso de digestión anaerobia de sólidos en alta concentración /compostaje aerobio es un proceso en dos etapas. La primera etapa implica la digestión anaerobia de sólidos en alta concentración (25 al 30 por 100) de la fracción orgánica de los RSU, para producir un gas compuesto de metano y dióxido de carbono. El biorreactor anaerobio funciona bajo condiciones termofflicas (54 a 56 °C) con un tiempo nominal de retención hidráulica de 30 días

 La segunda etapa implica el compostaje aerobio de los sólidos digeridos anaerobiamente para incrementar el contenido en sólidos desde el 25 hasta el 65 por 100 o mas, según el uso final. La producci6n en la segunda etapa es un material humico fino con un contenido calorífico de aproximadamente 14.000 a 15.000 kj/kg y un peso especifico de aproximadamente 575 kg/m3

 Como el humus final producido es combustible, parece que se puede quemar directamente en una caldera cuando se mezcla con otros com­bustibles o cuando se elabora en forma granular para su uso como fuente de combustible. Alternativamente, el material humico puede utilizarse como enmienda de suelo.

 Aplicaciones del proceso. 

El proceso combinado de digestión anaerobia de sólidos en alta concentración/compostaje aerobio esta todavía en las primeras etapas de su desarrollo  

Las consideraciones de diseño para la primera etapa de este proceso son las mismas que para el proceso de digestión anaerobia de sólidos en alta concentración  

Los dos principales parámetros de diseño para la segunda etapa son la aireación y la necesidad de energía térmica para la destrucción de patógenos. En las Referencias 12 y 13 se pueden encontrar parámetros de diseño y de funcionamiento mas detallados.

 Como se muestra continuación, este proceso puede utilizarse para procesar una combinación de la fracción orgánica de los RSU y de fangos de plantas de tratamiento de aguas residuales.

 Como el proceso de digestión anaerobia de sólidos en alta concentración /compostaje aerobio puede utilizar­se para procesar la fracción orgánica de los RSU a la vez que los fangos de plantas de tratamiento de aguas residuales, se puede eliminar el uso de instalaciones costosas de deshidratación de fangos.

 El biogás producido en este proceso puede ser utilizado para producir metanol El calor necesario para los biorreactores anaerobios y aeróbica será recuperado de la energía térmica del reactor de combustión con lecho fluidizado.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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