Valorización integral de biorresiduos en el marco del proyecto ValueWaste

Cada ciudadano europeo produce en promedio 200 kg de residuos biológicos municipales al año. Esto significa que entre 118 y 138 millones de toneladas de residuos biológicos surgen anualmente en la Unión Europea.

Los sistemas municipales de gestión de residuos biológicos que existen actualmente en Europa, como los vertederos, no dan una segunda vida a los materiales o recursos contenidos en los residuos biológicos. Otras alternativas, como la incineración y el compostaje, no permiten aprovechar al máximo el potencial de los residuos biológicos.

Hoy en día, uno de los desafíos para la gestión de residuos biológicos es integrar un sistema de valorización en el contexto de una ciudad y recuperar productos con un valor de mercado que compense el costo global de la valorización de residuos biológicos.

INDEREN y el proyecto ValueWaste 

Ingeniería y Desarrollos Renovables S.L. (INDEREN) participa en el proyecto ValueWaste, financiado por la Unión Europea a través de la convocatoria H2020.

El proyecto ValueWaste propone un enfoque integrado en el supra reciclaje (reutilización creativa) de los residuos urbanos para la elaboración de los productos biológicos de alto valor, desarrollando la primera solución completa que se puede replicar en toda Europa para revalorizar plenamente los biorresiduos.

La labor de INDEREN dentro del proyecto ValueWaste será el diseño, instalación, puesta en marcha, pruebas y operación del digestor anaeróbico para el tratamiento de residuos urbanos en la planta de separación de residuos de «Cañada Hermosa» en Murcia (Paquete de trabajo nº 4).

El proyecto comenzó el 1 de noviembre de 2018, y tiene una duración de 4 años. El proyecto ValueWaste reúne a 17 socios de 6 países distintos liderado por CETENMA.

Existen numerosas ventajas de la asociación de plantas de digestión anaeróbica (biogás) con la producción de fuentes de proteína alternativas, tales como: 

• Es la única forma conocida de estandarizar muchas fuentes diferentes de desechos orgánicos en un solo tipo de molécula: CH4. Otras alternativas de producción de proteínas a partir de residuos tan heterogéneos como los residuos urbanos municipales encuentran sus limitaciones en la disponibilidad y homogeneidad de los sustratos.

• Los digestatos son una fuente de macronutrientes muy económica

• El cultivo de los metanotrofos es un proceso altamente exotérmico. El calor que se extrae de ese proceso puede utilizarse en los procesos de la planta de biogás.

Las alternativas comerciales en desarrollo de producción de proteína bacteriana se centran exclusivamente en el uso de metano proveniente del gas natural. Otras alternativas de proteína bacteriana, como levaduras, hongos o bacterias heterotróficas dependen de fuentes de carbono que en muchas ocasiones no son desechos (materias primas y productos básicos, como cereales, azúcares, granos gastados, etc.) o es muy difícil homogeneizar y suministrar en las cantidades, calidad y premio necesarios. Sin mencionar las cuestiones planteadas en torno a la seguridad alimentaria.

Además, el proceso podría competir directamente con otras fuentes de proteína bacteriana debido a:

• Materia prima de bajo costo: disponibilidad de grandes cantidades de materia orgánica procesada en plantas de biogás

• Sostenibilidad: el biogás es una fuente de carbono renovable, predecible, barata y segura.

• Seguridad: es posible filtrar y limpiar el biogás / gas natural para evitar cualquier problema derivado de los desechos generados.

• Sinergias con la gestión de los residuos urbanos: se planea que la producción de proteína se ubique en el mismo lugar que la planta de biogás para explotar las sinergias de procesos industriales compartiendo instalaciones, servicios públicos, nutrientes, energía y personal.

Trabajos a desarrollar

Dentro de las tareas a desarrollar por INDEREN en el proyecto se encuentran las siguientes:

Diseño del digestor anaeróbico (6 meses)

El diseño del digestor anaeróbico incluye:

i) Caracterización de lo orgánico fracción a digerir.
ii) Diseño del digestor anaeróbico.
iii) Modelado del sistema de agitación óptimo por CFD simulación.
iv) Diseño del pretratamiento de fracción orgánica a digerir.
v) Diseño de tratamiento de unidad de biogás.
vi) Diseño de sistemas auxiliares (seguridad biogás, calentamiento, bombeos, etc.).
vii) Diseño del sistema de control de procesos.

El digestor anaeróbico cumplirá los siguientes requisitos:

• Capacidad de trabajo: 1 - 4 toneladas diarias de residuos biológicos urbanos.

• Producción de biogás: 150 - 180 m3/tonelada de residuos biológicos.

Instalación y prueba del digestor anaeróbico (12 meses)

Para optimizar completamente el funcionamiento del digestor anaeróbico con residuos biológicos urbanos, se realizarán las siguientes pruebas:

i) Prueba de separación de materiales extraños (evaluación de la eficiencia de eliminación).
ii) Prueba de dosificación de alimento (lote / semicontinuo / continuo)
iii) Prueba del régimen de digestión (mesofílica 35ºC / termofílica 55ºC)
iv) Prueba de mezcla (continua/intermitente).
v) Pruebas de inhibición de sulfuro de hidrógeno (aditivos químicos: óxidos de hierro, cloruro férrico, aire, oxígeno, otros).

Descripción básica del prototipo

Datos básicos del proceso:

Para el diseño del proceso de tratamiento se ha considerado la siguiente información básica.

• La materia prima de entrada será fracción orgánica de recogida selectiva con un tamaño de sólido no superior a 70 mm y con baja cantidad de impropios. Para ello se prevé un pretratamiento en seco mediante un triaje manual y separación en trómel. 

• Las características del FORSU más relevantes son las siguientes de forma aproximada:

• Sólidos totales a la entrada 30% ST (humedad 70 %).

• Concentración de sólidos volátiles 70-75%.

• La instalación se compone de los siguientes procesos:

• Almacenamiento y preparación de la suspensión con líquido recirculado de la fase de separación.

• Bombeo y trituración de la pulpa hacia digestión.

• Digestión anaerobia en reactor mezcla completa.

• Agitación y calefacción mediante bombeo e intercambio externo.

• Sistema de tratamiento de biogás mediante filtración y enfriamiento.

• Sistema de combustión de biogás en caldera de agua caliente.

Los parámetros de diseño del digestor son los siguientes: 

• Volumen del digestor: 100 m3. 

• Cantidad de sólido alimentado: 1 - 4 Tn/día.

• Concentración de materia seca 4 - 8%.

• Tiempo de retención hidráulico: 14 - 15 días.

• Carga orgánica: 2 - 8 kg Materia Orgánica/(m3 digestor·día).

• Eficiencia digestión: 45 - 55% degradación de la materia orgánica alimentada.

Datos básicos de la instalación:

La instalación diseñada se compone de los siguientes equipos de proceso y auxiliares:

• Tanque de carga de FORSU de 20 m3 de capacidad total preparado para carga superior con pala y posibilidad de calefacción previa a la alimentación de la digestión. Este tanque permite poner en suspensión (pulpa) el residuo mediante la recirculación y agitación con la fracción líquida procedente del proceso de separación posterior a la digestión.

• Bombeo de pulpa a digestor y trituración en línea. 

• Reactor / Digestor de 100 m3 fabricado en PRFV con barrera química. Considerando la naturaleza del material a digerir se ha optado por un diseño de digestor en material resistente tanto a abrasión como corrosión y con ausencia de elementos internos para facilitar la operación y mantenimiento.

• Diámetro: 4.000 mm/Altura recta: 8.000 mm/Altura total: 9.200 mm.

• Presión de diseño zona biogás: sobrepresión +5 mbar/vacío -5 mbar. Dotado de sistema de seguridad mediante válvula presión/vacío dotada de apagallamas.

• Agitación exterior hidráulica mediante bomba centrífuga horizontal preparada para alta concentración de sólidos. Aspiración en zona inferior e inyección mediante difusores en el interior del reactor a varias alturas con posibilidad de regulación de caudal.

• Calentamiento exterior mediante intercambiador de doble tubo (pulpa interior/agua caliente exterior) preparado para alta concentración de sólidos instalado en línea con el sistema de agitación. El agua caliente en circuito cerrado procede de la caldera instalada en el skid de instalaciones auxiliares.

• Tanque de digestatos de 20 m3 de capacidad.

• Skid de instalaciones auxiliares dotado de:

Caldera de agua caliente y bomba de recirculación de agua en circuito cerrado.
Sistema de tratamiento de biogás mediante pote de condensados, filtro y enfriamiento con agua fría. Compresión mediante soplante de canal lateral hasta caldera.
Cuadro eléctrico y de control dotado de PLC y pantalla HMI de visualización y edición de parámetros de proceso.

Los digestatos son recibidos en las instalaciones anexas de otro socio donde se llevan a cabo labores de separación y recuperación de nutrientes. La corriente líquida separada es recirculada al tanque de entrada de residuos que permite poner en suspensión los sólidos alimentados.

Integración de la digestión con los objetivos del proyecto: 

El diseño del digestor y de su proceso se realiza de forma que se optimicen los otros objetivos del proyecto, como serían:

• Maximizar la producción de metano, que es el alimento de las bacterias metanotrofas, como el Methylococcus capsulatus. Se priorizan procesos de digestión y recirculación de los sustratos que optimicen la producción de metano, y reducan en la medida de lo posible la generación de CO2. 

• Producir digestatos libres de salmonella y con una cantidad muy reducida de enterobacterias, lo que permitirá que sean, por un lado, un complemento apto para la alimentación de insectos y por otro lado, una materia prima para la producción de fertilizantes.

• Permitir la integración de la instalación con otros procesos industriales asociados, y permitir la recirculación de fracciones, la recuperación del calor, etc.

Conclusiones

La digestión anaeróbica en una planta de biogás es un proceso bien establecido para el tratamiento de desechos orgánicos municipales. Este biogás se quema o no se usa con el suficiente valor añadido en muchos países, como es el caso de España, o en otras ocasiones debido a la falta de infraestructura energética suficiente. 

La producción de proteína bacteriana y de insectos a partir de los productos generados por la planta de biogás abre una muy alternativa muy prometedora en el área de la biorrefinerías.

El proyecto proporciona un enfoque sobre cómo llevar a cabo procesos integrados de alimentación animal y humana, valorización de residuos, producción de fertilizantes y biogás, convirtiéndose en una oportunidad de futuros negocios viables.

Tanto los mercados de las biorefinerías como los del biogás están cambiando en los últimos años. Estamos pasando de un negocio basado en tarifas subsidiadas para la generación de electricidad o biometano a uno basado en un negocio no regulado, donde los ingresos se basarán en otros elementos con más valor añadido, como son las proteínas o los fertilizantes de alta calidad. 

Inderen aportará toda su experiencia en el diseño de sistemas de digestión anaeróbica para permitir llevar estas tecnologías de gestión de residuos a otro nivel de valor añadido.

Ref. Grant Agreement: No. 818312.
“Este proyecto ha recibido financiación del Programa de Investigación e Innovación de la Unión Europea, Horizonte 2020, por virtud del acuerdo de subvención nº 818312”

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