Digestión anaeróbica

La digestión anaeróbica es una secuencia de procesos mediante los cuales los microorganismos descomponen la materia biodegradable en ausencia de oxígeno . ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} Este proceso se utiliza con fines industriales o domésticos para gestionar residuos o producir combustibles. Gran parte de la fermentación empleada industrialmente para la producción de alimentos y bebidas, así como la fermentación doméstica, utiliza la digestión anaeróbica.

La digestión anaeróbica reduce el volumen de lodos y el contenido de patógenos, a la vez que genera biogás rico en metano que puede utilizarse para la producción de energía renovable . ^{[ 3 ]} El residuo líquido, el digestato, puede tratarse posteriormente y, en algunos casos, reutilizarse de forma beneficiosa. ^{[ 4 ]}

La digestión anaeróbica ocurre de forma natural en algunos suelos y en sedimentos de cuencas lacustres y oceánicas , donde generalmente se la denomina "actividad anaeróbica". ^[⁵^]^[⁶^] Esta es la fuente del metano del gas de los pantanos , descubierto por Alessandro Volta en 1776. ^[⁷^]^[⁸^]

La digestión anaeróbica comprende cuatro etapas:

El proceso de digestión comienza con la hidrólisis bacteriana de los materiales de entrada. Los polímeros orgánicos insolubles , como los carbohidratos , se descomponen en derivados solubles que quedan disponibles para otras bacterias. Las bacterias acidogénicas convierten los azúcares y aminoácidos en dióxido de carbono, hidrógeno , amoníaco y ácidos orgánicos . En la acetogénesis, las bacterias convierten estos ácidos orgánicos resultantes en ácido acético , junto con amoníaco, hidrógeno y dióxido de carbono adicionales, entre otros compuestos. Finalmente, los metanógenos convierten estos productos en metano y dióxido de carbono. ^[⁹^] Las poblaciones de arqueas metanogénicas desempeñan un papel indispensable en los tratamientos anaeróbicos de aguas residuales. ^[¹⁰^]

La digestión anaeróbica se utiliza como parte del proceso de tratamiento de residuos biodegradables y lodos de depuradora . Como parte de un sistema integrado de gestión de residuos, la digestión anaeróbica reduce la emisión de gases de vertedero a la atmósfera. Los digestores anaeróbicos también pueden alimentarse con cultivos energéticos específicos, como el maíz . ^{[ 11 ]}

La digestión anaeróbica se utiliza ampliamente como fuente de energía renovable . El proceso produce biogás , compuesto por metano , dióxido de carbono y trazas de otros gases contaminantes. ^{[ 2 ]} Este biogás puede utilizarse directamente como combustible, en motores de gas de cogeneración ^{[ 12 ]} o transformarse en biometano de calidad similar al gas natural. El digestato , rico en nutrientes, también puede utilizarse como fertilizante .

Proceso

Muchos microorganismos afectan la digestión anaeróbica, incluyendo bacterias productoras de ácido acético ( acetógenos ) y arqueas productoras de metano ( metanógenos ). Estos organismos promueven diversos procesos químicos en la conversión de la biomasa en biogás . ^{[ 13 ]}

El oxígeno gaseoso se excluye de las reacciones mediante contención física. Los anaerobios utilizan aceptores de electrones de fuentes distintas al oxígeno gaseoso. Estos aceptores pueden ser el propio material orgánico o bien óxidos inorgánicos presentes en el material de partida. Cuando la fuente de oxígeno en un sistema anaeróbico proviene del propio material orgánico, los productos finales intermedios son principalmente alcoholes , aldehídos y ácidos orgánicos, además de dióxido de carbono. En presencia de metanógenos especializados, los intermedios se convierten en los productos finales de metano, dióxido de carbono y trazas de sulfuro de hidrógeno . ^{[ 14 ]} En un sistema anaeróbico, la mayor parte de la energía química contenida en el material de partida es liberada por las arqueas metanogénicas en forma de metano. ^{[ 15 ]}

Las poblaciones de microorganismos anaeróbicos suelen tardar un tiempo considerable en establecerse y ser completamente eficaces. Por lo tanto, la práctica común consiste en introducir microorganismos anaeróbicos a partir de materiales con poblaciones preexistentes, un proceso conocido como "siembra" de los digestores, que generalmente se realiza mediante la adición de lodos de depuradora o purín de ganado. ^{[ 16 ]}

Etapas del proceso

Las cuatro etapas clave de la digestión anaeróbica incluyen hidrólisis , acidogénesis , acetogénesis y metanogénesis . ^{[ 17 ]} El proceso general se puede describir mediante la reacción química, donde el material orgánico, como la glucosa, es digerido bioquímicamente en dióxido de carbono (CO ₂ ) y metano (CH ₄ ) por los microorganismos anaeróbicos.

C ₆ H ₁₂ O ₆ → 3CO ₂ + 3CH ₄

Hidrólisis: En la mayoría de los casos, la biomasa está compuesta por grandes polímeros orgánicos. Para que las bacterias en los digestores anaeróbicos accedan al potencial energético del material, estas cadenas deben primero descomponerse en sus partes constituyentes más pequeñas. Estas partes constituyentes, o monómeros, como los azúcares, están fácilmente disponibles para otras bacterias. El proceso de romper estas cadenas y disolver las moléculas más pequeñas en una solución se llama hidrólisis. Por lo tanto, la hidrólisis de estos componentes poliméricos de alto peso molecular es el primer paso necesario en la digestión anaeróbica. ^{[ 18 ]} Mediante la hidrólisis, las moléculas orgánicas complejas se descomponen en azúcares simples , aminoácidos y ácidos grasos .; El acetato y el hidrógeno producidos en las primeras etapas pueden ser utilizados directamente por los metanógenos. Otras moléculas, como los ácidos grasos volátiles (AGV) con una longitud de cadena mayor que la del acetato, deben ser catabolizadas primero en compuestos que puedan ser utilizados directamente por los metanógenos. ^{[ 19 ]}
Acidogénesis: El proceso biológico de acidogénesis da como resultado una mayor descomposición de los componentes restantes por bacterias acidogénicas (fermentativas). Aquí, se crean AGV, junto con amoníaco, dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno , así como otros subproductos. ^{[ 20 ]} El proceso de acidogénesis es similar a la forma en que la leche se agria .
Acetogénesis: La tercera etapa de la digestión anaeróbica es la acetogénesis . En esta etapa, las moléculas simples creadas durante la fase de acidogénesis son digeridas aún más por los acetógenos para producir principalmente ácido acético, así como dióxido de carbono e hidrógeno. ^{[ 21 ]}
Metanogénesis: La etapa terminal de la digestión anaeróbica es el proceso biológico de metanogénesis . En esta etapa, los metanógenos utilizan los productos intermedios de las etapas anteriores y los convierten en metano, dióxido de carbono y agua. Estos componentes constituyen la mayor parte del biogás emitido por el sistema. La metanogénesis es sensible tanto a pH altos como bajos y ocurre entre pH 6,5 y pH 8. ^{[ 22 ]} El material restante, indigerible, que los microbios no pueden utilizar, y los restos bacterianos muertos constituyen el digestato. ^{[ 23 ]}

Parámetros principales que afectan al rendimiento

El rendimiento del proceso depende de varios parámetros operativos, entre ellos la temperatura (condiciones mesófilas a aproximadamente 35–37 °C o condiciones termófilas a 50–55 °C), la tasa de carga orgánica (TCO), el pH (generalmente mantenido entre 6,8 y 7,2) y el tiempo de retención de sólidos (TRS). El control adecuado de estos parámetros es esencial para prevenir la inestabilidad del proceso y la acumulación de ácidos grasos volátiles. ^{[ 24 ]}

Configuración

Los digestores anaeróbicos pueden diseñarse y construirse para operar utilizando diversas configuraciones y pueden clasificarse en modo de proceso por lotes vs. continuo, condiciones de temperatura mesófilas vs. termófilas , alto vs. bajo porcentaje de sólidos y procesos de una etapa vs. multietapa. El proceso continuo requiere un diseño más complejo, pero aun así, puede ser más económico que el proceso por lotes, porque este último requiere una mayor inversión inicial en la construcción y un mayor volumen de digestores (repartido en varios lotes) para procesar la misma cantidad de residuos que un digestor de proceso continuo. ^{[ 25 ]} Se requiere mayor energía térmica en un sistema termófilo en comparación con un sistema mesófilo, pero el sistema termófilo requiere mucho menos tiempo y tiene una mayor capacidad de producción de gas y un mayor contenido de gas metano, por lo que se debe considerar cuidadosamente esta compensación. ^{[ 26 ]} En cuanto al contenido de sólidos, un contenido bajo puede procesar hasta un 15 % de sólidos. Por encima de este nivel se considera un contenido alto de sólidos y también se conoce como digestión seca. ^{[ 27 ]} En un proceso de una etapa, un reactor alberga las cuatro etapas de digestión anaeróbica. Un proceso multietapa utiliza dos o más reactores para la digestión con el fin de separar las fases de metanogénesis e hidrólisis. ^{[ 28 ]}

Por lotes o continuo

La digestión anaeróbica puede realizarse mediante un proceso discontinuo o continuo. En un sistema discontinuo, la biomasa se añade al reactor al inicio del proceso. El reactor se sella durante toda la duración del proceso. En su forma más simple, el procesamiento discontinuo requiere la inoculación con material ya procesado para iniciar la digestión anaeróbica. En un escenario típico, la producción de biogás se formará con un patrón de distribución normal a lo largo del tiempo. Los operadores pueden usar este hecho para determinar cuándo creen que el proceso de digestión de la materia orgánica ha finalizado. Pueden surgir graves problemas de olor si se abre y vacía un reactor discontinuo antes de que el proceso esté completamente terminado. Un enfoque discontinuo más avanzado ha limitado los problemas de olor al integrar la digestión anaeróbica con el compostaje en recipiente . En este enfoque, la inoculación se realiza mediante el uso de percolado desgasificado recirculado. Una vez completada la digestión anaeróbica, la biomasa se conserva en el reactor, que luego se utiliza para el compostaje interno antes de su apertura ^{[ 29 ].} Dado que la digestión por lotes es sencilla y requiere menos equipo y menor trabajo de diseño, suele ser una forma de digestión más económica. ^{[ 30 ]} El uso de más de un reactor por lotes en una planta puede garantizar la producción constante de biogás.

En los procesos de digestión continua, la materia orgánica se añade constantemente (mezcla completa continua) o por etapas al reactor ( flujo pistón continuo ; primero en entrar, primero en salir). En este caso, los productos finales se eliminan de forma constante o periódica, lo que da como resultado una producción constante de biogás. Se puede utilizar uno o varios digestores en secuencia. Ejemplos de esta forma de digestión anaeróbica incluyen reactores de tanque agitado continuo , mantos de lodos anaeróbicos de flujo ascendente , lechos de lodos granulares expandidos y reactores de circulación interna . ^{[ 31 ]}^{[ 32 ]}

Temperatura

Los dos niveles de temperatura operativa convencionales para los digestores anaeróbicos determinan las especies de metanógenos en los digestores: ^{[ 33 ]}

La digestión mesófila se produce de forma óptima entre 30 y 38 °C, o a temperaturas ambiente entre 20 y 45 °C, donde los mesófilos son los microorganismos predominantes.
La digestión termófila se produce de forma óptima entre 49 y 57 °C, o a temperaturas elevadas de hasta 70 °C, donde los termófilos son los microorganismos predominantes.

Se ha alcanzado un caso límite en Bolivia , con digestión anaeróbica en condiciones de trabajo de temperatura inferiores a 10 °C. El proceso anaeróbico es muy lento, tardando más de tres veces el tiempo normal del proceso mesófilo. ^{[ 34 ]} En un trabajo experimental en la Universidad de Alaska Fairbanks , un digestor de 1000 litros que utiliza psicrófilos cosechados de "lodo de un lago congelado en Alaska" ha producido 200–300 litros de metano por día, aproximadamente 20 a 30% de la producción de digestores en climas más cálidos. ^{[ 35 ]} Las especies mesófilas superan en número a las termófilas, y también son más tolerantes a los cambios en las condiciones ambientales que las termófilas. Por lo tanto, los sistemas mesófilos se consideran más estables que los sistemas de digestión termófila. En cambio, si bien los sistemas de digestión termófila se consideran menos estables, su aporte de energía es mayor, con más biogás que se elimina de la materia orgánica en la misma cantidad de tiempo. Las temperaturas elevadas facilitan velocidades de reacción más rápidas y, por lo tanto, una mayor producción de gas. Operar a temperaturas más altas facilita una mayor reducción de patógenos en el digestato. En países donde la legislación, como el Reglamento sobre Subproductos Animales de la Unión Europea, exige que el digestato cumpla con ciertos niveles de reducción de patógenos, puede ser beneficioso utilizar temperaturas termófilas en lugar de mesófilas. ^{[ 36 ]}

Se puede utilizar un pretratamiento adicional para reducir el tiempo de retención necesario para producir biogás. Por ejemplo, algunos procesos trituran los sustratos para aumentar la superficie o emplean una etapa de pretratamiento térmico (como la pasteurización) para mejorar significativamente la producción de biogás. El proceso de pasteurización también puede utilizarse para reducir la concentración de patógenos en el digestato que sale del digestor anaeróbico. La pasteurización se puede lograr mediante un tratamiento térmico combinado con la maceración de los sólidos.

Contenido de sólidos

En un escenario típico, tres parámetros operativos diferentes están asociados con el contenido de sólidos de la materia prima que se introduce en los digestores:

Alto contenido de sólidos (sustrato seco y apilable)
Alto contenido de sólidos (sustrato húmedo bombeable)
Bajo contenido de sólidos (sustrato húmedo bombeable)

Los digestores de alto contenido de sólidos (secos) están diseñados para procesar materiales con un contenido de sólidos entre el 25 y el 40 %. A diferencia de los digestores húmedos, que procesan lodos bombeables, los digestores de alto contenido de sólidos (secos, con sustrato apilable) están diseñados para procesar sustratos sólidos sin la adición de agua. Los principales tipos de digestores secos son los de flujo pistón vertical continuo y los de túnel horizontal discontinuo. Los digestores de flujo pistón vertical continuo son tanques cilíndricos verticales donde la materia prima se alimenta continuamente por la parte superior y fluye hacia abajo por gravedad durante la digestión. En los digestores de túnel discontinuo, la materia prima se deposita en cámaras con forma de túnel y una puerta hermética. Ninguno de los dos sistemas presenta mezcla dentro del digestor. La cantidad de pretratamiento, como la eliminación de contaminantes, depende tanto de la naturaleza de los residuos procesados como de la calidad deseada del digestato. La reducción de tamaño (molienda) es beneficiosa en los sistemas verticales continuos, ya que acelera la digestión, mientras que los sistemas discontinuos evitan la molienda y, en su lugar, requieren estructura (por ejemplo, residuos de jardín) para reducir la compactación de la pila apilada. Los digestores secos verticales continuos tienen una huella más pequeña debido al menor tiempo de retención efectivo y al diseño vertical. Los digestores húmedos pueden diseñarse para operar con un alto contenido de sólidos, con una concentración total de sólidos suspendidos (TSS) superior a ~20 %, o con una baja concentración de sólidos inferior a ~15 %. ^{[ 37 ]}^{[ 38 ]}

Los digestores de alto contenido de sólidos (húmedos) procesan una suspensión espesa que requiere mayor aporte de energía para mover y procesar la materia prima. El espesor del material también puede generar problemas asociados con la abrasión. Los digestores de alto contenido de sólidos generalmente requieren menor superficie debido a los menores volúmenes asociados con la humedad. ^{[ 39 ]} Los digestores de alto contenido de sólidos también requieren la corrección de los cálculos de rendimiento convencionales (por ejemplo, producción de gas, tiempo de retención, cinética, etc.) originalmente basados en conceptos de digestión de aguas residuales muy diluidas, ya que fracciones mayores de la masa de materia prima son potencialmente convertibles en biogás. ^{[ 40 ]}

Los digestores de bajo contenido de sólidos (húmedos) pueden transportar el material a través del sistema utilizando bombas estándar que requieren un aporte energético significativamente menor. Estos digestores requieren una mayor superficie que los de alto contenido de sólidos debido al mayor volumen asociado a la mayor proporción de líquido respecto a la materia prima. La operación en un entorno líquido ofrece ventajas, ya que permite una circulación más completa de los materiales y un mayor contacto entre las bacterias y su alimento. Esto facilita el acceso de las bacterias a las sustancias de las que se alimentan y aumenta la tasa de producción de gas. ^{[ 41 ]}

Complejidad

Los sistemas de digestión pueden configurarse con diferentes niveles de complejidad. ^{[ 37 ]} En un sistema de digestión de una sola etapa (de una etapa), todas las reacciones biológicas ocurren dentro de un único reactor o tanque de almacenamiento sellado. El uso de una sola etapa reduce los costos de construcción, pero resulta en un menor control de las reacciones que ocurren dentro del sistema. Las bacterias acidogénicas, mediante la producción de ácidos, reducen el pH del tanque. Las arqueas metanogénicas, como se describió anteriormente, operan en un rango de pH estrictamente definido. ^{[ 42 ]} Por lo tanto, las reacciones biológicas de las diferentes especies en un reactor de una sola etapa pueden estar en competencia directa entre sí. Otro sistema de reacción de una sola etapa es una laguna anaeróbica . Estas lagunas son cuencas de tierra similares a estanques que se utilizan para el tratamiento y almacenamiento a largo plazo de estiércol. ^{[ 43 ]} Aquí, las reacciones anaeróbicas están contenidas dentro del lodo anaeróbico natural contenido en la piscina.

En un sistema de digestión de dos etapas (multietapa), se optimizan diferentes recipientes de digestión para lograr el máximo control sobre las comunidades bacterianas que habitan en su interior. Las bacterias acidogénicas producen ácidos orgánicos y crecen y se reproducen más rápidamente que las arqueas metanogénicas. Las arqueas metanogénicas requieren un pH y una temperatura estables para optimizar su rendimiento. ^{[ 44 ]}

En circunstancias típicas, la hidrólisis, la acetogénesis y la acidogénesis tienen lugar en el primer reactor. El material orgánico se calienta a la temperatura operativa requerida (mesófila o termófila) antes de ser bombeado a un reactor metanogénico. Los tanques iniciales de hidrólisis o acidogénesis, previos al reactor metanogénico, pueden servir de amortiguador para la velocidad de adición de la materia prima. Algunos países europeos exigen un tratamiento térmico elevado para eliminar las bacterias dañinas presentes en los residuos de entrada. ^{[ 45 ]} En este caso, puede haber una etapa de pasteurización o esterilización antes de la digestión o entre los dos tanques de digestión. Cabe destacar que no es posible aislar completamente las diferentes fases de reacción, y a menudo se produce algo de biogás en los tanques de hidrólisis o acidogénesis.

Tiempo de residencia

El tiempo de residencia en un digestor varía según la cantidad y el tipo de materia prima, así como la configuración del sistema de digestión. En una digestión mesofílica típica de dos etapas, el tiempo de residencia oscila entre 15 y 40 días, ^{[ 46 ]} mientras que en una digestión termófila de una sola etapa, el tiempo de residencia suele ser más rápido, alrededor de 14 días. La naturaleza de flujo pistón de algunos de estos sistemas implica que la degradación completa del material podría no haberse producido en este lapso de tiempo. En tal caso, el digestato que sale del sistema tendrá un color más oscuro y, por lo general, un olor más fuerte. ^{[ 47 ]}

En el caso de una digestión anaeróbica de manto de lodos de flujo ascendente (UASB), los tiempos de residencia hidráulica pueden ser de tan solo 1 hora a 1 día, y los tiempos de retención de sólidos pueden ser de hasta 90 días. De esta manera, un sistema UASB puede separar los tiempos de retención de sólidos e hidráulica mediante el uso de un manto de lodos. ^{[ 48 ]} Los digestores continuos cuentan con dispositivos mecánicos o hidráulicos, según el nivel de sólidos en el material, para mezclar el contenido, permitiendo que las bacterias y el alimento entren en contacto. También permiten la extracción continua del exceso de material para mantener un volumen razonablemente constante dentro de los tanques de digestión. ^{[ 49 ]}

Presión

Un desarrollo reciente en el diseño de reactores anaeróbicos es la digestión anaeróbica de alta presión (HPAD), también conocida como digestión autogenerativa de alta presión (AHPD). Esta técnica produce un biogás con un contenido elevado de metano. El dióxido de carbono producido en el biogás se disuelve más en la fase acuosa bajo presión que el metano. Por lo tanto, el biogás producido es más rico en metano. Investigaciones en la Universidad de Groningen demostraron que la comunidad bacteriana cambia de composición bajo la influencia de la presión. ^{[ 50 ]} Las especies bacterianas individuales tienen sus circunstancias óptimas en las que crecen y se replican más rápidamente. Los factores comúnmente conocidos son el pH, la temperatura, la salinidad, etc., pero la presión también es uno de ellos. Algunas especies se han adaptado a la vida en las profundidades oceánicas, donde la presión es mucho mayor que a nivel del mar. Esto permite que, de manera similar a otros parámetros del proceso como la temperatura, el tiempo de retención y el pH, influyan en el proceso de digestión anaeróbica.

Inhibición

Izquierda: Digestor de ensilado de maíz en una granja cerca de Neumünster , Alemania, 2007; se muestra el depósito de biogás inflable de color verde en la parte superior del digestor. Derecha: Componente de digestión UASB de dos etapas y bajo contenido de sólidos de un sistema de tratamiento mecánico-biológico cerca de Tel Aviv ; se observa el agua del proceso en el tanque de equilibrio y en el reactor discontinuo secuencial , 2005.

El proceso de digestión anaeróbica puede ser inhibido por varios compuestos, que afectan a uno o más de los grupos bacterianos responsables de las diferentes etapas de degradación de la materia orgánica. El grado de inhibición depende, entre otros factores, de la concentración del inhibidor en el digestor. Los posibles inhibidores son el amoníaco, ^{[ 51 ]} el sulfuro, los iones de metales ligeros (Na, K, Mg, Ca, Al), los metales pesados, algunos compuestos orgánicos (clorofenoles, alifáticos halogenados, aromáticos N-sustituidos, ácidos grasos de cadena larga), etc. ^{[ 52 ]}

Se ha demostrado que el nitrógeno amoniacal total (TAN) inhibe la producción de metano. Además, desestabiliza la comunidad microbiana, afectando la síntesis de ácido acético. El ácido acético es una de las fuerzas impulsoras en la producción de metano. Con un exceso de 5000 mg/L de TAN, se necesita un ajuste de pH para mantener la reacción estable. ^{[ 53 ]} Una concentración de TAN superior a 1700–1800 mg/L inhibe la producción de metano y el rendimiento disminuye a concentraciones más altas de TAN. Las altas concentraciones de TAN hacen que la reacción se vuelva ácida y conducen a un efecto dominó de inhibición. ^{[ 53 ]} El nitrógeno amoniacal total es la combinación de amoníaco libre y amoníaco ionizado. El TAN se produce a través de la degradación de material con alto contenido de nitrógeno, típicamente proteínas, y se acumulará naturalmente en la digestión anaeróbica. Esto depende de la materia prima orgánica alimentada al sistema. En las prácticas típicas de tratamiento de aguas residuales, la reducción de TAN se realiza mediante nitrificación . La nitrificación es un proceso aeróbico donde el TAN es consumido por bacterias heterótrofas aeróbicas. Estas bacterias liberan nitrato y nitrito que posteriormente se convierten en nitrógeno gaseoso mediante el proceso de desnitrificación. ^{[ 54 ]} La hidrólisis y la acidogénesis también pueden verse afectadas por la concentración de TAN. En condiciones mesófilas, se observó inhibición de la hidrólisis a 5500 mg/L de TAN, mientras que la inhibición de la acidogénesis se produce a 6500 mg/L de TAN. ^{[ 55 ]}

materias primas

La cuestión inicial más importante al considerar la aplicación de sistemas de digestión anaeróbica es la materia prima del proceso. ^{[ 56 ]} Casi cualquier material orgánico puede procesarse con digestión anaeróbica; sin embargo, si el objetivo es la producción de biogás, el grado de putrescibilidad es el factor clave para su aplicación exitosa. ^{[ 57 ]} Cuanto más putrescible (digerible) sea el material, mayor será el rendimiento de gas posible del sistema.

Las materias primas pueden incluir materiales de desecho biodegradables, como papel usado, recortes de césped, restos de comida, aguas residuales y desechos animales. ^{[ 2 ]} Los residuos leñosos son la excepción, ya que no se ven afectados en gran medida por la digestión, dado que la mayoría de los anaerobios no pueden degradar la lignina . Se pueden utilizar anaerobios xilófagos (consumidores de lignina) o un pretratamiento a alta temperatura, como la pirólisis, para descomponer la lignina. Los digestores anaeróbicos también pueden alimentarse con cultivos energéticos especialmente cultivados , como el ensilado , para la producción dedicada de biogás. En Alemania y Europa continental, estas instalaciones se denominan plantas de "biogás". Una planta de codigestión o cofermentación es típicamente un digestor anaeróbico agrícola que acepta dos o más materiales de entrada para su digestión simultánea. ^{[ 58 ]}

El tiempo necesario para la digestión anaeróbica depende de la complejidad química del material. El material rico en azúcares fácilmente digeribles se descompone rápidamente, mientras que el material lignocelulósico intacto, rico en polímeros de celulosa y hemicelulosa, puede tardar mucho más en descomponerse. ^{[ 59 ]} Los microorganismos anaeróbicos generalmente no pueden descomponer la lignina, el componente aromático recalcitrante de la biomasa. ^{[ 60 ]}

Los digestores anaeróbicos se diseñaron originalmente para funcionar con lodos de depuradora y estiércol. Sin embargo, las aguas residuales y el estiércol no son el material con mayor potencial para la digestión anaeróbica, ya que los animales que lo produjeron ya han extraído gran parte de su contenido energético. Por lo tanto, muchos digestores funcionan con la codigestión de dos o más tipos de materia prima. Por ejemplo, en un digestor agrícola que utiliza estiércol de ganado lechero como materia prima principal, ^{[ 61 ]} la producción de gas puede incrementarse significativamente añadiendo una segunda materia prima, como hierba y maíz (materia prima típica de la granja), o diversos subproductos orgánicos, como residuos de mataderos, grasas, aceites y lubricantes de restaurantes, residuos orgánicos domésticos, etc. (materia prima típica externa). ^{[ 62 ]}

Los digestores que procesan cultivos energéticos específicos pueden alcanzar altos niveles de degradación y producción de biogás. ^{[ 38 ]}^{[ 63 ]}^{[ 64 ]} Los sistemas que solo utilizan purines son generalmente más baratos, pero generan mucha menos energía que aquellos que utilizan cultivos, como maíz y ensilado de pasto; al utilizar una cantidad modesta de material de cultivo (30 %), una planta de digestión anaeróbica puede aumentar la producción de energía diez veces por solo tres veces el costo de capital, en relación con un sistema que solo utiliza purines. ^{[ 65 ]}

Contenido de humedad

Una segunda consideración relacionada con la materia prima es el contenido de humedad. Los sustratos más secos y apilables, como los residuos de alimentos y de jardín, son adecuados para la digestión en cámaras tipo túnel. Los sistemas tipo túnel también suelen tener una descarga de aguas residuales casi nula, por lo que este tipo de sistema tiene ventajas donde la descarga de líquidos del digestor es una desventaja. Cuanto más húmedo sea el material, más adecuado será para ser manipulado con bombas estándar en lugar de bombas de hormigón de alta energía y medios físicos de movimiento. Además, cuanto más húmedo sea el material, mayor será el volumen y el área que ocupa en relación con los niveles de gas producidos. El contenido de humedad de la materia prima objetivo también afectará el tipo de sistema que se aplica a su tratamiento. Para utilizar un digestor anaeróbico de alto contenido de sólidos para materias primas diluidas, se deben aplicar agentes de volumen, como compost, para aumentar el contenido de sólidos del material de entrada. ^{[ 66 ]} Otra consideración clave es la relación carbono:nitrógeno del material de entrada. Esta relación es el equilibrio de alimento que un microbio necesita para crecer; La relación C:N óptima es de 20–30:1. ^{[ 67 ]} El exceso de N puede provocar la inhibición de la digestión por amoníaco. ^{[ 63 ]}

Contaminación

El nivel de contaminación de la materia prima es un factor clave a tener en cuenta al utilizar la digestión húmeda o la digestión en flujo pistón.

Si la materia prima de los digestores tiene niveles significativos de contaminantes físicos, como plástico, vidrio o metales, entonces se requerirá un procesamiento para eliminar los contaminantes para que el material pueda utilizarse. ^{[ 68 ]} Si no se eliminan, los digestores pueden bloquearse y no funcionarán de manera eficiente. Este problema de contaminación no ocurre con las plantas de digestión seca o digestión anaeróbica de estado sólido (SSAD), ya que la SSAD maneja biomasa seca y apilable con un alto porcentaje de sólidos (40-60%) en cámaras herméticas a los gases llamadas cajas de fermentación. ^{[ 69 ]} Es con este entendimiento que se diseñan las plantas de tratamiento mecánico-biológico. Cuanto mayor sea el nivel de pretratamiento que requiera una materia prima, más maquinaria de procesamiento se requerirá y, por lo tanto, el proyecto tendrá mayores costos de capital. Centro Nacional de Cultivos No Alimentarios . ^{[ 70 ]}

Tras la clasificación o el cribado para eliminar cualquier contaminante físico de la materia prima, el material suele triturarse, picarse y despulparse mecánica o hidráulicamente para aumentar la superficie disponible para los microorganismos en los digestores y, por lo tanto, acelerar la digestión. La maceración de los sólidos se puede lograr utilizando una bomba trituradora para transferir la materia prima al digestor hermético, donde tiene lugar el tratamiento anaeróbico.

Composición del sustrato

La composición del sustrato es un factor importante para determinar el rendimiento de metano y las tasas de producción de metano a partir de la digestión de biomasa. Existen técnicas para determinar las características compositivas de la materia prima, mientras que parámetros como los análisis de sólidos, elementales y orgánicos son importantes para el diseño y la operación del digestor. ^{[ 71 ]} El rendimiento de metano se puede estimar a partir de la composición elemental del sustrato junto con una estimación de su degradabilidad (la fracción del sustrato que se convierte en biogás en un reactor). ^{[ 72 ]} Para predecir la composición del biogás (las fracciones relativas de metano y dióxido de carbono) es necesario estimar la partición del dióxido de carbono entre las fases acuosa y gaseosa, lo que requiere información adicional (temperatura del reactor, pH y composición del sustrato) y un modelo de especiación química. ^[⁷³^] También se realizan mediciones directas del potencial de biometanización utilizando la evolución de gas o ensayos gravimétricos más recientes. ^[⁷⁴^]

Aplicaciones

El uso de tecnologías de digestión anaeróbica puede ayudar a reducir la emisión de gases de efecto invernadero de varias maneras clave:

Sustitución de los combustibles fósiles
Reducir o eliminar la huella energética de las plantas de tratamiento de residuos.
Reducción de las emisiones de metano procedentes de los vertederos
Sustituir los fertilizantes químicos producidos industrialmente.
Reducción de los movimientos de vehículos
Reducción de las pérdidas de transporte en la red eléctrica
Reducir el uso de gas LP para cocinar.
Un componente importante de las iniciativas de Basura Cero . ^{[ 76 ]}

Tratamiento de residuos y aguas residuales

Digestores anaeróbicos en una planta de tratamiento de aguas residuales . El gas metano se gestiona mediante la combustión en una antorcha .

La digestión anaeróbica es particularmente adecuada para la materia orgánica y se utiliza comúnmente para el tratamiento de efluentes industriales , aguas residuales y lodos de depuradora . [ ^{77 ] La} digestión anaeróbica, un proceso simple, puede reducir considerablemente la cantidad de materia orgánica que de otro modo estaría destinada a ser vertida al mar, ^{[ 78 ]} depositada en vertederos o incinerada . ^[⁷⁹^]

La presión de la legislación ambiental sobre los métodos de eliminación de residuos sólidos en los países desarrollados ha incrementado la aplicación de la digestión anaeróbica como proceso para reducir el volumen de residuos y generar subproductos útiles. Puede utilizarse para procesar la fracción separada en origen de los residuos municipales o, alternativamente, combinarse con sistemas de clasificación mecánica para procesar los residuos municipales mixtos restantes. Estas instalaciones se denominan plantas de tratamiento mecánico-biológico. ^{[ 80 ]}^{[ 81 ]}^{[ 82 ]}

Si los residuos putrescibles procesados en digestores anaeróbicos se depositaran en un vertedero, se descompondrían de forma natural y, a menudo, anaeróbica. En este caso, el gas acabaría escapando a la atmósfera. Dado que el metano es aproximadamente 20 veces más potente como gas de efecto invernadero que el dióxido de carbono, esto tiene importantes efectos ambientales negativos. ^{[ 83 ]}

En los países que recolectan residuos domésticos, el uso de plantas locales de digestión anaeróbica puede ayudar a reducir la cantidad de residuos que requieren transporte a vertederos centralizados o plantas de incineración. Esta menor carga para el transporte reduce las emisiones de carbono de los vehículos de recolección. Si las plantas locales de digestión anaeróbica se integran en una red de distribución eléctrica, pueden ayudar a reducir las pérdidas de electricidad asociadas con el transporte de electricidad a través de la red nacional. ^{[ 84 ]}

La digestión anaeróbica puede utilizarse para la remediación de lodos contaminados con PFAS . Un estudio de 2024 demostró que la digestión anaeróbica, combinada con la adsorción en carbón activado y la aplicación de voltaje, puede eliminar hasta el 61 % de los PFAS de los lodos de depuradora. ^{[ 85 ]}

Generación de energía

En los países en desarrollo, los sistemas sencillos de digestión anaeróbica domésticos y agrícolas ofrecen el potencial de energía de bajo costo para cocinar e iluminar. ^{[ 34 ]}^{[ 86 ]}^{[ 87 ]}^{[ 88 ]} Desde 1975, tanto China como India han tenido grandes programas respaldados por el gobierno para la adaptación de pequeñas plantas de biogás para su uso doméstico en la cocina e iluminación. Actualmente, los proyectos de digestión anaeróbica en el mundo en desarrollo pueden obtener apoyo financiero a través del Mecanismo de Desarrollo Limpio de las Naciones Unidas si pueden demostrar que proporcionan una reducción de las emisiones de carbono. ^[⁸⁹^]

El metano y la energía producidos en instalaciones de digestión anaeróbica pueden utilizarse para reemplazar la energía derivada de combustibles fósiles y, por lo tanto, reducir las emisiones de gases de efecto invernadero , ya que el carbono en el material biodegradable forma parte de un ciclo del carbono . El carbono liberado a la atmósfera por la combustión del biogás ha sido absorbido por las plantas para su crecimiento en el pasado reciente, generalmente en la última década, pero más comúnmente en la última temporada de cultivo. Si las plantas vuelven a crecer, extrayendo el carbono de la atmósfera una vez más, el sistema será neutro en carbono . ^{[ 90 ]}^{[ 91 ]} En cambio, el carbono en los combustibles fósiles ha estado secuestrado en la tierra durante muchos millones de años, y su combustión aumenta los niveles generales de dióxido de carbono en la atmósfera. La generación de energía a través de digestores anaeróbicos es más adecuada para operaciones a gran escala que para pequeñas explotaciones agrícolas, ya que las grandes operaciones tienen el volumen de estiércol que permite que los sistemas sean financieramente viables. ^{[ 92 ]}

El biogás procedente del tratamiento de lodos de depuradora se utiliza a veces para accionar un motor de gas y producir energía eléctrica, parte o la totalidad de la cual puede utilizarse para alimentar las plantas de tratamiento de aguas residuales. ^{[ 93 ]} Parte del calor residual del motor se utiliza para calentar el digestor. Este calor residual suele ser suficiente para calentar el digestor a las temperaturas requeridas. El potencial energético de las plantas de tratamiento de aguas residuales es limitado: en el Reino Unido, existe una generación total de aproximadamente 80 MW, con potencial para aumentar a 150 MW, lo cual es insignificante en comparación con la demanda media de energía en el Reino Unido, que ronda los 35 000 MW. El potencial para la generación de biogás a partir de residuos biológicos distintos de las aguas residuales (cultivos energéticos, residuos alimentarios, residuos de mataderos, etc.) es mucho mayor, estimándose en unos 3000 MW. ^{[ 94 ]} Se espera que las plantas de biogás agrícolas que utilizan residuos animales y cultivos energéticos contribuyan a reducir las emisiones de CO₂ _y a fortalecer la red eléctrica, al tiempo que proporcionan ingresos adicionales a los agricultores del Reino Unido. ^{[ 95 ]}

Algunos países ofrecen incentivos en forma de, por ejemplo, tarifas de alimentación para inyectar electricidad a la red eléctrica con el fin de subvencionar la producción de energía verde. ^{[ 2 ]}^{[ 96 ]}

En Oakland, California, en la planta principal de tratamiento de aguas residuales del East Bay Municipal Utility District (EBMUD), los residuos alimentarios se codigeren actualmente con sólidos de aguas residuales municipales primarias y secundarias y otros residuos de alta concentración. En comparación con la digestión de sólidos de aguas residuales municipales por sí sola, la codigestión de residuos alimentarios ofrece muchas ventajas. La digestión anaeróbica de la pulpa de residuos alimentarios del proceso de residuos alimentarios de la EBMUD proporciona un beneficio energético normalizado mayor, en comparación con los sólidos de aguas residuales municipales: de 730 a 1300 kWh por tonelada seca de residuos alimentarios aplicados, en comparación con 560 a 940 kWh por tonelada seca de sólidos de aguas residuales municipales aplicados. ^{[ 97 ]}^{[ 98 ]}

Inyección de rejilla

El componente metano del biogás puede concentrarse mediante su mejora en biometano . El biometano (también conocido como gas natural renovable) puede inyectarse en la red de gas natural . ^{[ 99 ]} El proceso de mejora elimina contaminantes como el sulfuro de hidrógeno y los siloxanos, así como los componentes gaseosos distintos del metano, principalmente el dióxido de carbono. Existen varias tecnologías disponibles para este fin, siendo las más utilizadas la adsorción por cambio de presión (PSA) , el lavado con agua o aminas (procesos de absorción) y la separación por membranas . ^{[ 100 ]}^{[ 101 ]}

Combustible para vehículos

Tras la actualización con las tecnologías mencionadas, el biometano puede comprimirse en gas natural comprimido y utilizarse en vehículos de gas natural . El uso de vehículos de gas natural está muy extendido en Suecia, donde existen más de 38.600 vehículos de gas, y el 60 % del suministro de GNC es biometano generado en plantas de digestión anaeróbica. ^{[ 102 ]}

Fertilizante y acondicionador de suelo

El componente sólido y fibroso del material digerido puede utilizarse como acondicionador de suelos para aumentar su contenido orgánico. El lixiviado del digestor puede emplearse como fertilizante para aportar nutrientes esenciales a los suelos, en lugar de fertilizantes químicos que requieren grandes cantidades de energía para su producción y transporte. Por lo tanto, el uso de fertilizantes manufacturados es más intensivo en carbono que el uso de fertilizante derivado del lixiviado del digestor anaeróbico. En países como España , donde muchos suelos están empobrecidos orgánicamente, los mercados de los sólidos digeridos pueden ser tan importantes como los del biogás. ^{[ 103 ]}

gas para cocinar

La digestión anaeróbica puede utilizarse a pequeña escala para producir gas para cocinar. Los residuos orgánicos, como hojas caídas, restos de cocina, restos de comida, etc., se introducen en una trituradora, donde se mezclan con una pequeña cantidad de agua. La mezcla se introduce en el digestor anaeróbico, donde las arqueas la descomponen para producir gas de cocina. Este gas se canaliza hasta la estufa. Un digestor anaeróbico de 2 metros cúbicos puede producir 2 metros cúbicos de gas de cocina, lo que equivale a 1 kg de GLP. ^{[ 104 ]}

Productos

Los tres productos principales de la digestión anaeróbica son el biogás, el digestato y el agua. ^{[ 37 ]}^{[ 105 ]}^{[ 106 ]}

Biogás

El biogás es el producto de desecho final de los microbios que se alimentan de la materia prima biodegradable de entrada ^{[ 108 ]} y es principalmente metano y dióxido de carbono, ^{[ 109 ]}^{[ 110 ]} con una pequeña cantidad de hidrógeno ( H₂ ), vapor de agua (H₂ O, cantidad que depende de la temperatura), y trazas de sulfuro de hidrógeno (H₂ S).^{[ 40 ]} La mayor parte del biogás se produce durante la mitad de la digestión, después de que la población bacteriana ha crecido, y disminuye a medida que se agota el material putrescible.^{[ 111 ]} El gas normalmente se almacena en la parte superior del digestor en una burbuja de gas inflable o se extrae y se almacena junto a la instalación en un gasómetro.

El metano del biogás puede quemarse para producir calor y electricidad, generalmente con un motor alternativo o una microturbina ^{[ 112 ],} a menudo en un sistema de cogeneración donde la electricidad y el calor residual generados se utilizan para calentar los digestores o para calentar edificios. El exceso de electricidad puede venderse a proveedores o inyectarse en la red local. La electricidad producida por digestores anaeróbicos se considera energía renovable y puede recibir subvenciones. ^[¹¹³^] El biogás no contribuye al aumento de las concentraciones de dióxido de carbono atmosférico porque el gas no se libera directamente a la atmósfera y el dióxido de carbono proviene de una fuente orgánica con un ciclo de carbono corto.

El biogás puede requerir tratamiento o "depuración" para refinarlo y poder utilizarse como combustible. ^{[ 114 ]} El sulfuro de hidrógeno , un producto tóxico formado a partir de sulfatos en la materia prima, se libera como un componente traza del biogás. Las agencias nacionales de control ambiental, como la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. o la Agencia Ambiental de Inglaterra y Gales , establecen límites estrictos a los niveles de gases que contienen sulfuro de hidrógeno y, si los niveles de sulfuro de hidrógeno en el gas son altos, se necesitarán equipos de depuración y limpieza de gases (como el tratamiento de gases con aminas ) para procesar el biogás y que cumpla con los niveles aceptados regionalmente. ^{[ 115 ]} Como alternativa, la adición de cloruro ferroso FeCl₂ a los tanques de digestión inhibe _la producción de sulfuro de hidrógeno. ^{[ 116 ]}

Los siloxanos volátiles también pueden contaminar el biogás; estos compuestos se encuentran frecuentemente en los desechos domésticos y las aguas residuales. En las instalaciones de digestión que aceptan estos materiales como componente de la materia prima, los siloxanos de bajo peso molecular se volatilizan en biogás. Cuando este gas se quema en un motor de gas, turbina o caldera, los siloxanos se convierten en dióxido de silicio (SiO₂ ₎ , que se deposita internamente en la máquina, aumentando el desgaste. ^{[ 117 ]}^{[ 118 ]} Actualmente existen tecnologías prácticas y rentables para eliminar los siloxanos y otros contaminantes del biogás. ^{[ 119 ]} En ciertas aplicaciones, se puede utilizar el tratamiento in situ para aumentar la pureza del metano reduciendo el contenido de dióxido de carbono en el gas de escape, purgando la mayor parte en un reactor secundario. ^{[ 120 ]}

En países como Suiza, Alemania y Suecia, el metano del biogás puede comprimirse para su uso como combustible para el transporte de vehículos o inyectarse directamente en la red de gas. ^{[ 121 ]} En países donde el incentivo para el uso de la digestión anaeróbica son los subsidios a la electricidad renovable, esta vía de tratamiento es menos probable, ya que se requiere energía en esta etapa de procesamiento y reduce los niveles totales disponibles para la venta. ^{[ 122 ]}

Digestivo

El digestato es el producto no gaseoso de los digestores. Consiste en restos del material de entrada original que los microorganismos no pueden utilizar y los restos mineralizados de las bacterias muertas dentro de los digestores. Las etapas acidogénica y metanogénica producen cada una un producto de digestato, que es fibroso y líquido respectivamente. En los sistemas de dos etapas, las diferentes formas de digestato provienen de diferentes tanques de digestión. En los sistemas de digestión de una sola etapa, las dos fracciones aparecen combinadas en un lodo y, si se desea, pueden separarse mediante un procesamiento adicional. ^{[ 123 ]}^{[ 124 ]}

El digestato acidogénico es un material fibroso, orgánico y estable, compuesto principalmente de lignina y celulosa, pero también de diversos componentes minerales en una matriz de células bacterianas muertas; puede contener algo de plástico. Este material se asemeja al compost doméstico y puede utilizarse como tal. También puede emplearse como biomasa lignocelulósica para la fabricación de productos de construcción de baja calidad, como tableros de fibra. ^{[ 125 ]}^{[ 126 ]} o como materia prima para la producción de etanol. ^{[ 127 ]}

El digestato metanogénico es un líquido rico en nutrientes vegetales (nitrógeno en forma de amonio y potasio), que puede utilizarse como fertilizante, según la calidad del material que se esté digiriendo. ^{[ 124 ]} Los niveles de elementos potencialmente tóxicos (EPT) deben evaluarse químicamente. Esto dependerá de la calidad de la materia prima original. En el caso de la mayoría de los flujos de residuos biodegradables limpios y separados en origen, los niveles de EPT serán bajos. En el caso de los residuos procedentes de la industria, los niveles de EPT pueden ser más altos y deberán tenerse en cuenta al determinar un uso final adecuado para el material.

El digestato acidogénico generalmente contiene biopolímeros, como la lignina, que no pueden ser descompuestos por los microorganismos anaeróbicos. El digestato metanogénico puede contener amoníaco en niveles fitotóxicos y puede dificultar el crecimiento de las plantas si se utiliza como material para mejorar el suelo. Por estas dos razones, se puede emplear una etapa de maduración o compostaje después de la digestión. La lignina y otros materiales están disponibles para su degradación por microorganismos aerobios como los hongos. Durante la maduración, el amoníaco se oxida a nitratos, lo que mejora la fertilidad del material como enmienda del suelo. Además, el compostaje produce una pérdida de masa significativa (principalmente por evaporación), lo que reduce la cantidad de material que necesita ser transportado fuera del sitio. ^{[ 128 ]} El compostaje se usa a menudo en digestores secos, ya que los digestores húmedos requieren la adición de productos de madera u otro material para ser compostables. ^{[ 129 ]}^{[ 130 ]} Dado que la mayoría de los digestores no pueden degradar los envases compostables, se requiere un compostaje secundario para que este tipo de envases se procesen en un digestor anaeróbico. ^{[ 131 ]}

aguas residuales

El producto final de los sistemas de digestión anaeróbica es agua, que proviene tanto de la humedad de los residuos originales tratados como del agua producida durante las reacciones microbianas en dichos sistemas. Esta agua puede liberarse durante la deshidratación del digestato o bien separarse implícitamente del mismo.

Las aguas residuales que salen de la planta de digestión anaeróbica suelen tener niveles elevados de demanda bioquímica de oxígeno (DBO) y demanda química de oxígeno (DQO). Estas medidas de la reactividad del efluente indican su capacidad de contaminación. Parte de este material se denomina "DQO dura", lo que significa que las bacterias anaeróbicas no pueden acceder a él para convertirlo en biogás. Si este efluente se vertiera directamente en los cursos de agua, los afectaría negativamente al causar eutrofización . Por lo tanto, a menudo se requiere un tratamiento adicional de las aguas residuales. Este tratamiento generalmente consiste en una etapa de oxidación en la que se hace pasar aire a través del agua en reactores discontinuos secuenciales o en una unidad de ósmosis inversa . ^{[ 132 ]}^{[ 133 ]}^{[ 134 ]}

Historia

El interés científico documentado en la fabricación de gas producido por la descomposición natural de materia orgánica se remonta al siglo XVII, cuando Robert Boyle (1627-1691) y Stephen Hales (1677-1761) observaron que la alteración de los sedimentos de arroyos y lagos liberaba gas inflamable. ^{[ 15 ]} En 1778, el físico italiano Alessandro Volta (1745-1827), padre de la electroquímica , ^{[ 135 ]} identificó científicamente ese gas como metano . ^{[ 136 ]}

En 1808, Sir Humphry Davy demostró la presencia de metano en los gases producidos por el estiércol de ganado . ^[¹⁷^] El primer digestor anaeróbico conocido se construyó en 1859 en una colonia de leprosos en Bombay , India . ^[¹³⁷^] En 1895, la tecnología se desarrolló en Exeter , Inglaterra , donde se utilizó un tanque séptico para generar gas para la lámpara destructora de gas de alcantarillado , un tipo de iluminación a gas . También en Inglaterra, en 1904, se instaló en Hampton, Londres , el primer tanque de doble propósito para sedimentación y tratamiento de lodos .

A principios del siglo XX, los sistemas de digestión anaeróbica comenzaron a asemejarse a la tecnología tal como se presenta hoy. ^{[ 138 ]} En 1906, Karl Imhoff creó el tanque Imhoff ; ^{[ 139 ]} una forma temprana de digestor anaeróbico y sistema modelo de tratamiento de aguas residuales durante la primera mitad del siglo XX. ^{[ 140 ]}^{[ 141 ]} Después de 1920, los sistemas de tanques cerrados comenzaron a reemplazar el uso previamente común de lagunas anaeróbicas, cuencas de tierra cubiertas utilizadas para tratar sólidos volátiles. La investigación sobre digestión anaeróbica comenzó en serio en la década de 1930. ^{[ 142 ]}

Alrededor de la época de la Primera Guerra Mundial , la producción de biocombustibles se ralentizó a medida que aumentaba la producción de petróleo y se identificaban sus usos. ^{[ 143 ]} Si bien la escasez de combustible durante la Segunda Guerra Mundial volvió a popularizar la digestión anaeróbica, el interés en la tecnología disminuyó nuevamente después de que terminó la guerra. ^{[ 138 ]}^{[ 144 ]} De manera similar, la crisis energética de la década de 1970 despertó interés en la digestión anaeróbica. ^{[ 138 ]} Durante la crisis energética de la década de 1970, el interés en los sistemas de digestión anaeróbica a pequeña escala y rurales aumentó internacionalmente. En India, el ingeniero Dr. Ram Bux Singh desarrolló y promovió las primeras plantas de gas de estiércol (biogás) y contribuyó a la difusión de la tecnología de digestión anaeróbica para aplicaciones energéticas rurales. Su trabajo también fue citado en publicaciones como Mother Earth News , que lo describió como "quizás el padre del desarrollo del metano en los Estados Unidos" durante los primeros esfuerzos de experimentación con biogás. Además de los altos precios de la energía, entre los factores que afectan la adopción de sistemas de digestión anaeróbica se incluyen la receptividad a la innovación, las sanciones por contaminación, los incentivos políticos y la disponibilidad de subvenciones y oportunidades de financiación. ^{[ 145 ]}^{[ 146 ]}

Distribución geográfica moderna

Hoy en día, los digestores anaeróbicos se encuentran comúnmente junto a las granjas para reducir la escorrentía de nitrógeno del estiércol, o plantas de tratamiento de aguas residuales para reducir los costos de eliminación de lodos. ^{[ 138 ]} La digestión anaeróbica agrícola para la producción de energía se ha vuelto más popular en Alemania, donde había 8625 digestores en 2014. ^{[ 147 ]} En el Reino Unido, había 259 instalaciones en 2014, y 500 proyectos planeados para entrar en funcionamiento para 2019. ^{[ 148 ]} En los Estados Unidos, había 191 plantas operativas en 34 estados en 2012. ^{[ 146 ]} Las políticas pueden explicar por qué las tasas de adopción son tan diferentes en estos países.

En Alemania, en 1991 se implementaron las tarifas de alimentación ( FIT, por sus siglas en inglés), que ofrecían contratos a largo plazo para compensar las inversiones en la generación de energía renovable. En consecuencia, entre 1991 y 1998, el número de plantas de digestión anaeróbica en Alemania aumentó de 20 a 517. A finales de la década de 1990, los precios de la energía en Alemania fluctuaron y los inversores comenzaron a dudar del potencial del mercado. El gobierno alemán respondió modificando las FIT cuatro veces entre 2000 y 2011, aumentando las tarifas y mejorando la rentabilidad de la digestión anaeróbica, lo que resultó en rendimientos fiables para la producción de biogás y altas tasas de adopción continuas en todo el país. ^{[ 146 ]}^{[ 147 ]}

Incidentes relacionados con digestores

Los digestores anaeróbicos han causado la muerte de peces (por ejemplo, el río Mole, Devon , ^{[ 149 ]} el río Teifi , ^{[ 150 ]} el Afon Llynfi , ^{[ 151 ]} y la pérdida de vidas humanas (por ejemplo, la explosión de Avonmouth ).

Se han producido explosiones de digestores anaeróbicos en los EE. UU. ^{[ 152 ]} ( Jay, Maine Pixelle Specialty Solutions' Androscoggin Mill; ^{[ 153 ]} Pensacola ( Cantonment ) 22 de enero de 2017 (explosión del digestor Kamyr); ^{[ 154 ]} Fallo de EPDM marzo de 2013 Aumsville, Oregon ; ^{[ 155 ]} 6 de febrero de 1987, Pensilvania dos trabajadores de una planta de tratamiento de aguas residuales estaban drenando un digestor de aguas residuales cuando una explosión levantó la cubierta flotante de 30 toneladas, matando a ambos trabajadores instantáneamente; ^{[ 156 ]} Planta de tratamiento de aguas residuales del suroeste en Springfield, Missouri ), ^{[ 157 ]} en el Reino Unido (por ejemplo en Avonmouth y en Harper Adams College , Newport, Shropshire ^{[ 158 ]}^{[ 159 ]} ), además En Europa, hubo alrededor de 800 accidentes en plantas de biogás entre 2005 y 2015, por ejemplo en Francia ( Saint-Fargeau ) ^{[ 160 ]}^{[ 161 ]} (aunque pocos de ellos fueron «graves» con consecuencias directas para la población humana). ^{[ 162 ]}^{[ 163 ]} Afortunadamente, según una fuente, «menos de una docena de ellos tuvieron consecuencias para los humanos», por ejemplo, el incidente en Rhadereistedt, Alemania (4 muertos). ^{[ 160 ]}^{[ 164 ]}

Los análisis de seguridad han incluido ^{[ 165 ]}^{[ 166 ]}^{[ 167 ]} un estudio de 2016 compiló una base de datos de 169 accidentes que involucran AD. ^{[ 162 ]}

Véase también

Referencias

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